Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc được gắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau và với đường và các biển báo giúp các phương tiện đi an toàn, tránh tai nạn giao thông, điều khiển luồng tốt hơn.
1.5. Kết luận chƣơng 1
Chương này, tác giả đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường... Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến.
31
CHƢƠNG 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1. Giới thiệu
Mạng không dây có khả năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển như hình 2.1.
Hình 2.1. Các ứng dụng trong mạng WSN
Giao tiếp đơn giản nhất là trao đổi trực tiếp từ các nút đến trạm trung tâm được gọi là liên kết dựa trên truyền một chặng (Single-hop). Tuy nhiên, khi thực hiện liên kết theo kiểu truyền một chặng như vậy thì có một vấn đề nảy sinh đó là suy giảm năng lượng nhanh chóng của các nút khi các nút ở cách xa trạm trung tâm, do đó làm cho thời gian sống của mạng giảm đi. Để giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đổi giữa các nút đến trạm trung tâm được truyền đa chặng (Multi-hop). Các liên kết đa chặng có thể mở rộng khoảng cách giữa các nút đến trạm trung tâm và đưa ra một đường đi hợp lý hơn. Phương pháp này tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể can nhiễu giữa các nút đang tranh chấp truy cập kênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSN có mật độ cao. Mô hình truyền dữ liệu được minh họa trên hình 2.2. Khi một nút phát đi một gói dữ liệu đến các nút khác thì các nút này sẽ gửi lại cho nút đó một thông tin trả lời là đã nhận được và gói tin này được truyền qua nhiều chặng thông qua các nút trung gian để đến trạm trung tâm.
32
Hình 2.2: Mô hình truyền dữ liệu đa chặng
Trong truyền Multi-hop, các nút trung gian tham gia vào quá trình chuyển tiếp các gói tin từ nguồn đến đích. Xác định các nút trung gian phải đi qua là nhiệm vụ của thuật toán định tuyến. Cùng với những đặc tính của WSN như tiết kiệm năng lượng và băng thông hạn chế cùng với những vấn đề như thỏa mãn yêu cầu lưu lượng và kéo dài thời gian sống của mạng thì thuật toán định tuyến càng trở lên cần thiết hơn.
Để thực hiện chức năng định tuyến, lớp mạng sử dụng một giao thức định tuyến và một thuật toán định tuyến. Giao thức định tuyến là cơ chế mà các nút sử dụng để trao đổi thông tin mạng. Thuật toán định tuyến phụ trách việc tìm kiếm con đường tốt nhất có thể từ nguồn đến đích. Một khi các giao thức và thuật toán định tuyến được chạy thì mỗi nút trong mạng đều phải có một bảng định tuyến, cho biết nút nào là nút hàng xóm hợp lý nhất đề chuyển tiếp gói tin đến được đích bằng con đường tốt nhất có thể. Bảng định tuyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào thay đổi xảy ra trong mạng để có được thông tin định tuyến hiện tại chính xác.
Trong mạng cảm biến không dây, năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu, phải tạo ra hoạt động lâu dài trong điều kiện nguồn pin hạn chế. Truyền đa đường qua mạng không dây chính là nguồn gây tiêu tốn công suất nhiều nhất. Do đó, khi thiết kế các giao thức và thuật toán định tuyến phải đặc biệt chú ý các khía cạnh sau đây: [4]
+ Đơn giản: Các thuật toán định tuyến phải được đơn giản hóa để thực hiện và phải có ít tính toán phức tạp. Bình thường, các chức năng tối ưu hóa phức tạp được tránh trong WSN cho khả năng tính toán hạn chế của các nút. Mặc dù các thuật toán tối ưu hóa multiple objective vẫn tồn tại nhưng các thuật toán tối ưu hóa single metric vẫn thường được áp dụng.
33
+ Năng lượng hiệu quả: Giao thức định tuyến phải được thiết kế sao cho số lượng thông tin định tuyến trao đổi là tối thiểu.
+ Khả năng mở rộng: Giao thức và thuật toán định tuyến phải được mở rộng với số nút. Điều này là rất quan trọng cho những ứng dụng cần một số lượng rất lớn các nút. Trong những trường hợp này, sự phức tạp của thuật toán và chi phí cho giao thức định tuyến không nên tăng theo số nút. Khả năng mở rộng cũng được kết hợp với việc sử dụng các thông tin định tuyến địa phương hoặc toàn cục. Thông thường, chức năng định tuyến khi sử dụng thông tin địa phương có khả năng mở rộng hơn khi sử dụng thông tin toàn cục, đặc biệt là trong các triển khai lớn.
2.2 Các giao thức định tuyến trong WSN
Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến là một thách thức khó khăn đòi hỏi phải cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng và hiệu quả. Sự cân bằng này yêu cầu sự cần thiết thích hợp khả năng tính toán và truyền dẫn của các nút cảm biến ngược với mào đầu yêu cầu thích ứng với điều kiện này. Trong mạng cảm biến không dây, mào đầu được đo chính là lượng băng thông được sử dụng, tiêu thụ công suất và yêu cầu xử lý của các nút di động. Việc tìm ra chiến lược cân bằng giữa sự cạnh tranh này cần thiết tạo ra một nền tảng chiến lược định tuyến.
Việc thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải xem xét giới hạn về công suất và tài nguyên của mỗi nút mạng, chất lượng thay đổi theo thời gian của các kênh vô tuyến và khả năng mất gói và trễ. Nhằm vào các yêu cầu thiết kế này một số các chiến lược định tuyến trong mạng cảm biến được đưa ra. Theo [40] định tuyến trong WSN có thể được chia thành:
- Loại thứ nhất giao thức phân tuyến thông qua kiến trúc phẳng (hay còn gọi là giao thức phân tuyến ngang hàng ) trong đó các nút có vai trò như nhau. Kiến trúc phẳng có một vài lợi ích bao gồm số lượng mào đầu tối thiểu để duy trì cơ sở hạ tầng, và có khả năng khám phá ra nhiều đường giữa các nút truyền dẫn để chống lại lỗi và tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng như nhau.
- Loại thứ hai là phân cấp theo cụm, lợi dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định, sự mở rộng. Trong loại giao thức này
34
các nút mạng tự tổ chức thành các cụm trong đó một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác và đóng vai trò là nút chủ. Nút chủ thực hiện phối hợp hoạt động trong cụm và chuyển tiếp thông tin giữa các cụm với nhau. Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng.
- Loại giao thức phân tuyến thứ ba là giao thức phân tuyến dựa theo vị trí tùy thuộc vào cấu trúc mạng. Trong đó vị trí của các nút cảm biến được sử dụng để phân tuyến số liệu
Một giao thức phân tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lượng khả dụng. Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thức phân tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các giao thức phân tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích. Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu cầu. Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên. Khi các nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức phân tuyến theo bảng hơn là với các giao thức tương tác. Một lượng công suất đáng kể được sử dụng để tìm đường và thiết lập các giao thức tương tác. Một số giao thức khác dựa vào định thời và thông tin vị trí. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn phân tuyến). Việc phân loại và so sánh các giao thức phân tuyến trong WSN được chỉ ra trong hình 2.3
35
Hình 2.3. Phân loại giao thức định tuyến [40]
Trong chương này sẽ trình bày ba loại giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến phẳng (Flat Routing), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location based protocol) được sử dụng nhiều trong mạng cảm biến ngày nay.
2.2.1 Giao thức định tuyến phẳng (Flat Routing)
Các loại giao thức định tuyến đầu tiên là giao thức định tuyến phẳng (ngang hàng). Trong giao thức định tuyến ngang hàng các nút có vai trò như nhau và các nút cảm biến cộng tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến. Do số lượng các nút lớn lên, nó không khả thi để chỉ định một định dạng toàn cầu cho mỗi nút. Điều này xem xét đã dẫn đến trung tâm dữ liệu phân tuyến nơi mà những BS (các nút cơ sở) gửi truy vấn đến một số vùng và chờ đợi dữ liệu từ vị trí cảm biến trong vùng được lựa chọn. Từ các dữ liệu được yêu cầu truy vấn thông qua, dựa trên thuộc tính đặt tên là cần thiết để xác định thành phần dữ liệu.
2.2.1.1 Flooding và Gossiping
Flooding [19] là một kỹ thuật thường xuyên được sử dụng để tìm ra đường đi và phổ biến thông tin trong các mạng có dây và không dây Ad-hoc. Chiến lược định tuyến đơn giản và không đòi hỏi cấu hình mạng tốn kém và thuật toán tìm đường phức tạp. Flooding dùng phương pháp reactive (phản ứng lại), tức là khi mỗi nút nhận được một gói dữ liệu nó sẽ gửi đến tất cả các nút xung quanh nó. Sau khi truyền, một gói đi theo tất cả các đường có thể được nếu không bị mất kết nối, gói sẽ đến đích. Hơn nữa khi cấu hình mạng thay đổi, việc truyền gói sẽ theo những tuyến mới. Hình 2.4 minh họa nguyên
36
lý Flooding trong mạng truyền thông dữ liệu. Flooding dạng đơn giản nhất có thể làm cho các gói bị sao chép lại một cách không giới hạn khi đi qua các nút mạng.
Hình 2.4 : Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin. [19]
Để ngăn chặn một gói tin lưu thông vô hạn trong mạng, một trường gọi là hop count được bổ sung vào gói tin. Ban đầu, hop count được đặt giá trị xấp xỉ đường kính mạng. Khi gói đi qua mạng hop count bị giảm đi một sau mỗi bước (một bước được tính là một lần truyền từ nút này sang nút kia). Khi
hop count về 0, gói tin sẽ bị hủy bỏ. Một phương pháp khác cũng được sử dụng đó là việc thêm vào gói tin một trường time-to-live (thời gian sống), trường này ghi lại thời gian mà một gói tin được phép tồn tại trong mạng. Khi thời gian kết thúc, gói tin sẽ bị hủy bỏ. Flooding có thể được cải tiến bằng cách xác nhận gói dữ liệu duy nhất, tức là mỗi nút mạng sẽ bỏ qua những gói đã nhận rồi.
Mặc dù, nguyên lý hoạt động đơn giản và phù hợp với cấu hình mạng có chi phí thấp nhưng Flooding gặp nhiều khó khăn khi áp dụng cho mạng WSNs. Nhược điểm đầu tiên của Flooding là gặp phải vấn đề traffic implosion (bùng nổ lưu lượng). Như trên hình 2.5 hiện tượng không mong muốn gây ra do bản sao của cùng một gói cùng gửi đến một nút.
37
Nhược điểm thứ hai là vấn đề overlap (chồng lấn) được minh họa trên hình 2.6. Overlap xảy ra khi hai nút bao phủ vùng giống nhau gửi các gói chứa thông tin tương tự nhau đến cùng một nút.
Nhược điểm thứ ba là nhược điểm nguy hiểm nhất của Flooding là resource blindness (sự mù quáng tài nguyên). Quy luật đơn giản của Flooding không xem xét đến nguồn năng lượng hạn chế của các nút. Năng lượng của các nút có thể suy giảm nhanh chóng, giảm đáng kể thời gian sống của mạng.
Hình 2.6 : Vấn đề overlap lưu lượng do Flooding [19]
Để giải quyết nhược điểm nêu trên một hướng mới cho định tuyến là phương pháp Gossiping. Tương tự như Flooding, Gossiping dùng quy luật đơn giản và không đòi hỏi cấu hình mạng đắt tiền hay thuật toán định tuyến phức tạp. Khác với Flooding, gói dữ liệu được phát quảng bá đến tất cả các nút, Gossiping chỉ yêu cầu mỗi nút gửi gói dữ liệu vừa nhận được đến một nút được lựa chọn ngẫu nhiên. Khi nhận được gói, nút lân cận lại chuyển tiếp gói dữ liệu đó đến một nút lựa chọn ngẫu nhiên khác. Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi gói đến được đích hay hop count bị giới hạn. Gossiping tránh được vấn đề bùng nổ lưu lượng mạng bằng cách giới hạn số gói mà mỗi nút gửi đến các nút lân cận nó. Tuy nhiên độ trễ gói tại đích đến có thể rất lớn, đặc biệt trong mạng có kích thước lớn do chỉ có một liên kết được tạo thành tại một thời điểm.
2.2.1.2. SPIN
a. Nguyên lý hoạt động
Giao thức thông tin qua sự thỏa thuận (SPIN) [17] là họ các giao thức dựa trên thỏa thuận để phát thông tin trong mạng WSN. Đối tượng chính của các giao thức này là tính hiệu quả của việc phát thông tin từ một nút nào đó đến tất cả các nút khác trong mạng. Giao thức đơn giản như Flooding và
38
Gossiping thường được đề xuất để phát thông tin trong mạng WSN. Flooding yêu cầu mỗi nút sẽ gửi một bản sao của gói dữ liệu đến tất cả các nút lân cận cho đến khi thông tin được gửi đến tất cả các nút trong mạng. Mặt khác, Gossiping sử dụng tính ngẫu nhiên để giảm số bản sao của gói dữ liệu và yêu cầu chỉ có một nút nhận được một gói dữ liệu và sau đó chuyển tiếp đến một nút được lựa chọn ngẫu nhiên.
Cả hai giao thức Flooding và Gossiping đều sử dụng các nguyên tắc chuyển tiếp đơn giản và không đòi hỏi cấu hình phức tạp. Tuy nhiên, hai giao thức này có sự trễ gói lớn làm giảm chất lượng của mạng và lưu lượng tải, gây sự bùng nổ lưu lượng và chồng lấn các gói trong cùng một vùng phân bố. Các giao thức đơn giản như Flooding và Gossiping đều không tính đến nguồn năng lượng hiện tại làm giảm một cách đáng kể thời gian sống của mạng. Để giải quyết nhược điểm của các giao thức truyền thống người ta sử dụng giao thức định tuyến SPIN. Nguyên lý cơ bản của họ giao thức này là sự thỏa thuận dữ liệu và sự thích nghi tài nguyên mạng. Nguyên lý như sau :
- Thỏa thuận dữ liệu (data negotiation) yêu cầu các nút phải “học” nội dung của dữ liệu trước khi có bất kỳ dữ liệu nào được phát giữa các nút mạng. SPIN sử dụng data naming (dữ liệu đặt tên), theo đó các nút tiến hành kết hợp metadata (siêu dữ liệu) với dữ liệu tạo ra dữ liệu mô tả để thực hiện thỏa thuận trước khi phát dữ liệu thực tế. Các nút thu khi nhận được gói quảng cáo nếu muốn nhận gói dữ liệu thực phải gửi một gói yêu cầu cho nút nguồn. Nhờ đó, gói dữ liệu thực chỉ được gửi đến các nút quan tâm, hạn chế khả năng bị bùng nổ lưu lượng như trong Flooding và giảm đáng kể lưu lượng dư thừa trong mạng. Hơn nữa, việc sử dụng các dữ liệu meta descriptor loại bỏ khả năng overlap, vì các nút chỉ yêu cầu dữ liệu cần quan tâm.
- Sự thích ứng tài nguyên (Resource adaptation) cho phép các nút sử dụng giao thức SPIN điều chỉnh hoạt động theo trạng thái năng lượng hiện tại. Mỗi nút trong mạng có thể theo dõi sự tiêu thụ năng lượng trước khi phát hay