Các nút cảm ứng có thể truyền một lƣợng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm số lần truyền thì các gói tƣơng tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải đƣợc tập trung lại. Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc dùng các thuật toán nhƣ nén (suppression) dữ liệu, lấy min (min) dữ liệu, lấy max (max) dữ liệu và lấy trung bình (average) dữ liệu. Các chức năng trên có thể đƣợc thực hiện một phần hoặc toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng. Việc tính toán nhƣ vậy sẽ giảm thiểu tiêu tốn năng lƣợng hơn, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm đƣợc lƣợng năng lƣợng đáng kể. Trong một số mạng, các nút có chức năng tập trung dữ liệu là các nút nhiều năng lƣợng và chuyên dụng.
2.3 Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN
Có nhiều cách phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến WSN. Nhƣ ở trên đã đề cập có là cách chia giao thức định tuyến thành ba loại bao gồm: Định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và cuối cùng là định tuyến dựa vào vị trí Hoặc còn có thể đƣợc chia thành định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa theo vị trí tƣơng ứng với cấu trúc mạng. Ngoài ra những giao thức này cũng có thể đƣợc chia thành các giao thức định tuyến đa đƣờng, yêu cầu hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất lƣợng dịch vụ -QoS. Tổng quát lại, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn định tuyến). Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN đƣợc chỉ ra trong hình bên dƣới.
25
2.4 Các loại giao thức định tuyến trong mạng WSN
2.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (Data Centric Protocols)
Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến WSN thì việc xác định số nhận dạng toàn cầu IP cho từng nút là không khả thi. Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu IP cùng với việc triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra tập hợp các nút chuyên dụng với nhiệm vụ cụ thể. Do đó dữ liệu đƣợc truyền từ mọi nút trong vùng triển khai với độ dƣ thừa đáng kể dẫn đến kém hiệu quả trong việc sử dụng năng lƣợng. Bởi vậy, ngƣời ta đã đƣa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra nhóm các nút và thực hiện tập trung dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu. Đó là cơ sở cho ý tƣởng về giao thức trung tâm dữ liệu. Trong giao thức này, nút sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi dữ liệu từ các sensor đã đƣợc chọn trƣớc trong vùng. Giao thức SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm bớt sự dƣ thừa dữ liệu dẫn đến tiết kiệm năng lƣợng. Giao thức Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) đƣợc phát triển về sau và là một giao thức rất đáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ liệu.
2.4.1.1 Giao thức Flooding và Gossiping
Flooding và Gossiping là hai cơ chế cổ điển nhất để truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây WSN mà không cần bất cứ một giải thuật định tuyến hoặc sự duy trì cấu hình cụ thể nào. Ở Flooding, mỗi nút cảm biến nhận gói dữ liệu, sau đó nó quảng bá thông tin dữ liệu vừa nhận đƣợc tới tất cả các nút lân cận nó và quá trình cứ diễn ra nhƣ vậy cho đến khi gói dữ liệu đến đƣợc đích. Gossiping có cải tiến hơn Flooding đôi chút, khi mà các nút nhận dữ liệu gửi gói đến các nút lân cận một cách ngẫu nhiên, sau đó lại chọn ngẫu nhiên một nút lân cận để truyền tin thay vì truyền quảng bá đến các nút lân cận, và quá trình cứ tiếp diễn nhƣ vậy đến khi gói dữ liệu đến đích.
Mặc dù Flooding triển khai tƣơng đối dễ dàng nhƣng nó lại có nhƣợc điểm nhƣ hình bên dƣới. Khi hai nút cảm biến cùng một vùng gửi gói dữ liệu giống nhau đến cùng một nút lân cận. Còn Gossiping giải quyết đƣợc các vấn đề về sự truyền kép bằng việc chọn một cách ngẫu nhiên một nút truyền tiếp theo thay vì truyền quảng bá. Nhƣng nhƣợc điểm của Gossiping là dễ gây trễ khi truyền tin.
26
Hình 2.2 Hiện tƣợng bản tin kép
Trong hình trên mô tả hiện tƣợng bản tin kép. Nút A flooding dữ liệu của nó tới tất cả các nút trong lân cận trong đó có B và C. Tại nút D nhận đƣợc 2 lần dữ liệu, điều này là không cần thiết và gây tiêu tốn nhiều năng lƣợng.
27
Hình trên mô tả hiện tƣợng chồng chéo trong truyền tin. Hai nút cảm biến cùng bao phủ một vùng địa lý cho nên dữ liệu nó thu thập đƣợc sẽ giống nhau và tại C nhận đƣợc các định dạng dữ liệu giống nhau nhƣ vậy gây thừa thãi gây phức tạp trong xử lý.
2.4.1.2 Giao thức SPIN (Sensor Protocols for Pnformation via Negotiation)
Giao thức SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Đặc điểm chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môi trƣờng có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng. Các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trƣớc khi bất kỳ dữ liệu nào đƣợc truyền trong mạng. Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy đƣợc dữ liệu. Qua đó tạo ra sự sắp xếp dữ liệu và đảm bảo rằng dữ liệu chỉ đƣợc gửi đến các nút quan tâm đến loại dữ liệu này, loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dƣ thừa qua mạng giảm thiểu tiêu tốn năng lƣợng.
Trong SPIN có sử dụng bộ miêu tả dữ liệu để giới hạn về lọai dữ liệu mà chúng quan tâm đến qua đó loại trừ khả năng chồng chất.
Một đặc điểm khác của SPIN là mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức năng lƣợng của nó trƣớc khi truyền hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lƣợng còn lại thấp các nút này có thể cắt giảm hoặc loại bỏ đi một số hoạt động không quan trọng nhƣ là truyền miêu tả dữ liệu. Chính việc thích nghi với tài nguyên nhƣ vậy mà làm tăng thời gian sống của mạng.
Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu giao thức này sử dụng ba loại bản tin đƣợc mô tả nhƣ hình bên dƣới.
28
Và hoạt động của SPIN đƣợc mô tả gồm sáu bƣớc nhƣ sau:
+ Bƣớc 1: Bản tin ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các nút. + Bƣớc 2: Bản tin REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm. Sau khi nhận đƣợc bản tin ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi bản tin REQ để thể hiện yêu cầu quan tâm tới dữ liệu.
+ Bƣớc 3: Bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu đƣợc thu thập từ cảm biến và kèm theo thông tin miêu tả dữ liệu.
+ Bƣớc 4: Sau khi nút này nhận dữ liệu từ bƣớc ba nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các nút còn lại trong mạng bằng việc đầu tiên là phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu (Metadata).
+ Bƣớc 5: Sau đó các nút xung quanh nào có yêu cầu dữ liệu lại gửi bản tin REQ.
+ Bƣớc 6: Là DATA lại đƣợc truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này.
29
Ngoài những đặc điểm trên, giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến đƣợc đích.
2.4.1.3 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion)
Giao thức truyền tin trực tiếp sử dụng lƣợc đồ tập trung dữ liệu và các nút đều biết về ứng dụng. Tất cả các dữ liệu phát ra bởi nút cảm biến đều đƣợc đặt tên sử dụng các cặp giá trị thuộc tính và sử dụng quá trình xử lý trong mạng nhƣ là tích hợp dữ liệu. Giao thức này loại bỏ sự dƣ thừa dữ liệu nhờ quá trình xử lý nội mạng, và tối thiểu số lần truyền tin nên tiết kiệm đƣợc năng lƣợng, kéo dài thời gian sống toàn mạng.
Hình bên dƣới mô tả quá trình giao thức truyền tin trực tiếp. Đầu tiên Sink tạo ra một yêu cầu đƣợc xác định dùng các cặp giá trị thuộc tính nhƣ là tên tuổi vật thể, vị trí địa lý của vật thể, khoảng thời gian diễn ra... Nhóm thông tin này đƣợc phát quảng bá thông qua các nút trung gian đến nguồn. Mỗi một nút nhận đƣợc thông tin đó sẽ giữ lại để so sánh dữ liệu nhận đƣợc với giá trị trong thông tin đó. Các thông tin này cũng bao gồm thông tin về các trƣờng Gradient. Gradient là đƣờng trả lời đến nút lân cận từ nơi mà nhận đƣợc thông tin yêu cầu, đƣợc mô tả bởi tốc độ dữ liệu, khoảng thời gian và thời gian mãn hạn nhận đƣợc từ các thông tin yêu cầu. Bởi nhờ việc sử dụng các thông tin yêu cầu và Gradient thiết lập đƣợc các đƣờng truyền giữa trạm gốc và các nguồn. Trạm Sink gửi lại các bản tin gốc qua các đƣờng đã đƣợc chọn với khoảng thời gian giữa hai sự kiện ngắn hơn vì vậy mà tăng cƣờng nút nguồn trên đƣờng đó để gửi dữ liệu đều đặn hơn.
30
Hình 2.6: Hoạt động cơ bản của giao thức Directed Diffusion
Directed disffusion có ƣu điểm nếu một đƣờng dẫn nào đó giữa sink và một nút bị lỗi, một đƣờng dẫn có tốc độ dữ liệu thấp hơn đƣợc thay thế. Kỹ thuật định tuyến này khá ổn định. Bởi vậy loại giao thức định tuyến này tiết kiệm năng lƣợng đáng kể.
2.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical Protocols)
Đặc điểm của định tuyến phân cấp là đặt các nút cảm biến vào trong giao tiếp multihop trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin đƣợc truyền đến Sink tạo ra hiệu quả năng lƣợng. Sự hình thành các chủ trong cụm chủ yếu dựa trên năng lƣợng dự trữ của sensor và vùng lân cận của sensor so với các nút chủ của cụm đó. Giao thức LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm biến WSN. Ý tƣởng của LEACH là mở đầu cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác phát triển về sau.
2.4.2.1 Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lƣợng thấp. Đây là giao thức thu lƣợm và phân phát dữ liệu tới các Sink đặc biệt là các trạm cơ sở. Mục tiêu chính của LEACH là:
+ Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng + Mở rộng thời gian sống của mạng
+ Giảm sự tiêu thụ năng lƣợng bởi mỗi nút mạng qua đó giảm tổng năng lƣợng tiêu thụ trong toàn mạng.
31
Đặc điểm chính của LEACH: Thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm đƣợc quản lý bởi nút chủ và nút chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ. Nhiệm vụ đầu tiên là thu lƣợm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên. Và trong quá trình tập trung dữ liệu nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dƣ thừa về những dữ liệu giống nhau. Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trực tiếp truyền dữ liệu đã đƣợc tập hợp lại đến các trạm cơ sở. Việc truyền này sẽ đƣợc thực hiện theo kiểu single hop. Nhiệm vụ thứ ba là LEACH sẽ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) trong đó mỗi nút trong cụm sẽ đƣợc gán một khe thời gian để có thể sử dụng để truyền tin.
Mô hình LEACH nhƣ đƣợc thể hiện trong hình bên dƣới. Trong mô hình này các nút chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho các nút thành viên trong cụm của nó. Để giảm khả năng xung đột giữa các nút cảm biến trong và ngoài cụm, LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia theo mã (CDMA). Quá trình hoạt động của LEACH đƣợc chia thành hai pha là pha thiết lập và pha ổn định. Trong pha thiết lập bao gồm hai bƣớc là lựa chọn nút chủ và thông tin về cụm. Pha ổn định trạng thái bao gồm: Thu lƣợm dữ liệu, tập trung dữ liệu và truyền dữ liệu đến các Sink. Thời gian của pha ổn định kéo dài hơn so với thời gian của pha thiết lập.
Hình 2.7: Mô hình mạng LEACH
32
Nếu số này nhỏ hơn ngƣỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) đƣợc tính nhƣ sau:
P : Tỉ lệ phần trăm nút chủ
r : Sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1
G : Tập hợp các nút không đƣợc lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối. Khi đã đƣợc chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới của chúng cho các nút còn lại trong mạng. Các nút còn lại trong mạng dựa vào bản tin đó và một số tiêu chuẩn khác để quyết định xem có tham gia vào cụm đó hay không. Cuối cùng các nút này sẽ thông báo cho nút chủ biết là mình có mong muốn trở thành thành viên của cụm do nút chủ đó đảm nhận hay không.
Sau khi pha thiết lập hoàn thành báo hiệu sự bắt đầu của pha ổn định trạng thái và các nút trong cụm sẽ thu lƣợm dữ liệu và sử dụng các khe thời gian (TDMA)để truyền dữ liệu đến nút chủ. Dữ liệu đƣợc cảm nhận và thu lƣợm theo chu kỳ.
2.4.2.2 Giao thức LEACH – C (LEACH Centralized)
Giao thức LEACH – C cũng giống nhƣ giao thức LEACH thông thƣờng, nó chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase) cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định (Steady – state Phase ) thì giống hoàn toàn với giao thức LEACH. Trong LEACH thì mỗi nút sẽ có một xác suất để nó có thể đƣợc chọn làm nút chủ cụm (đã trình bày ở trên). Còn ở LEACH – C thì cụm và nút chủ cụm sẽ do trạm cơ sở lựa chọn. Trong pha thiết lập của LEACH – C, mỗi nút sẽ gửi thông tin của nó về trạm cơ sở bao gồm thông tin về vị trí và năng lƣợng hiện tại của nút. Trạm cơ sở sẽ chạy thuật toán tối ƣu để xác định cụm và nút chủ cụm cho vòng đó, sau đó nó sẽ gửi bản tin thông báo cho các nút biết nó nằm ở cụm nào và nút nào là nút chủ cụm.
Pha ổn định của LEACH – C thì giống hoàn toàn LEACH. Các nút sẽ truyền dữ liệu đến các nút chủ, nút chủ làm nhiệm vụ tổng hợp dữ liệu rồi gửi về trạm cơ sở.
33
Trong giao thức LEACH – F ( Fixed Cluster, Rotating Cluster Head ) các cụm là cố định còn các nút chủ cụm sẽ đƣợc quay vòng. Trong giao thức LEACH – F các cụm cố định cũng đƣợc trạm cơ sở lựa chọn. Trạm cơ sở dùng giải thuật để chọn ra những cụm tối ƣu rồi quảng bá thông tin cụm tới tất cả các nút trong toàn mạng. Bản tin quảng bá này sẽ bao gồm cả ID của cụm, nút nào sẽ gửi bản tin TDMA định thời khe thời gian gửi dữ liệu của các nút trong cụm và bao gồm cả thứ tự nút đƣợc chọn làm cluster head. Nút đầu tiên trong danh sách trong cụm sẽ trở thành nút chủ cụm ở vòng đầu tiên, nút thứ hai sẽ là nút chủ cụm ở vòng thứ hai. Cứ nhƣ vậy cho đến khi tất cả các nút trong cụm đƣợc làm nút chủ.
Dùng LEACH – F không yêu cầu pha thiết lập cho các vòng khác nhau, mà các nút sẽ tự biết đƣợc khi nào nó là nút chủ khi nào nó không là nút chủ. Cũng giống nhƣ LEACH – C, pha ổn định của LEACH – F giống hoàn toàn LEACH. Giao thức LEACH – F không thích hợp với những hệ thống có tính động. Nó không cho phép thêm một nút mới vào hệ thống và cũng không xử lý đƣợc những nút di động.
2.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols)
Thông tin về vị trí địa lý của nút trong mạng cảm biến là rất quan trọng. Và hầu