Thông tin về vị trí địa lý của nút trong mạng cảm biến là rất quan trọng. Và hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng cảm ứng đều yêu cầu thông tin về vị trí của các nút cảm biên với nhiều mục đích khác nhau nhƣ là để tính toán khoảng cách giữa hai nút xác định, từ đó có thể ƣớc lƣợng đƣợc năng lƣợng cần thiết. Vì mạng cảm biến không có chế độ địa chỉ toàn cầu IP, đƣợc triển khai trong không gian ở một vùng nào đó. Do đó thông tin về vị trí là quan trọng và đƣợc sử dụng trong các dữ liệu định tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lƣợng.
2.4.3.1 Giao thức GAF (Geographic adaptive fidelity)
Đặc tính của GAF: Dự trữ năng lƣợng theo cách tắt các nút không cần thiết trong mạng mà không ảnh hƣởng đến mức độ chính xác của định tuyến. GAF tạo ra một lƣới ảo trong vùng bao phủ. Mỗi nút cảm biến dùng hệ thống định vị toàn cầu – GPS (Global Poisitioning System) của nó, xác định vị trí để kết hợp với một điểm trên lƣới đƣợc gọi là tƣơng đƣơng khi tính đến việc định tuyến gói, để giữ các nút định vị trong vùng lƣới xác định ở trạng thái nghỉ qua đó tiết kiệm năng lƣợng. Do vậy GAF có thể tăng đáng kể thời gian sống của mạng cảm ứng khi mà số lƣợng các nút tăng lên. Theo một kịch bản ở hình bên dƣới, nút 1 có thể truyền đến bất kì nút nào trong số
34
các nút 2, 3 và 4 và các nút 2, 3, 4 có thể truyền tới nút 5. Bởi vậy các nút 2, 3, và 4 là tƣơng đƣơng và 2 trong số 3 nút đó có thể ở trạng thái nghỉ.
Hình 2.8: Ví dụ về lƣới ảo trong GAF
Các nút chuyển trạng thái từ nghỉ sang hoạt động lần lƣợt để cho các tải đƣợc cân bằng. Có ba trạng thái đƣợc định nghĩa trong GAF: Trạng thái một là phát hiện (discovery) để xác định các nút lân cận trong lƣới, trạng thái 2 là hoạt động (active) thể hiện sự tham gia vào quá trình định tuyến và trạng thái 3 là nghỉ (sleep) khi sóng đƣợc tắt đi. Sự chuyển trạng thái trong GAF đƣợc miêu tả trong hình bên dƣới.
Hình 2.9: Sự chuyển trạng thái trong GAF
2.4.3.2 Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing)
Đặc điểm của giao thức GEAR: Giao thức GEAR (Geographic and Energy- Aware Routing) dùng sự nhận biết về năng lƣợng và các phƣơng pháp thông báo
35
thông tin về địa lý tới các nút lân cận. Định tuyến thông tin theo vùng địa lý rất có ích trong các hệ thống xác định vị trí địa lý, đặc biệt là trong mạng cảm biến không dây. Ý tƣởng này hạn chế số lƣợng các yêu cầu ở Directed Diffusion bằng cách quan tâm đến một vùng xác định hơn là gửi các yêu cầu tới toàn mạng. Giao thức GEAR cải tiến hơn Directed Diffusion ở đặc điểm này và vì thế hiệu quả hơn về mặt năng lƣợng.
Trong GEAR, mỗi một nút giữ một gia trị estimated cost và một giá trị learned cost trong quá trình đến đích qua các nút lân cận. Giá trị estimated cost là sự kết hợp của năng lƣợng còn dƣ và khoảng cách đến đích. Giá trị learned cost là sự cải tiến của giá trị estimated cost giải thích cho việc định tuyến xung quanh các hốc trong mạng. Hốc xảy ra khi mà một nút không có bất kì một nút lân cận nào gần hơn so với vùng đích hơn là chính nó. Trong trƣờng hợp không có một hốc nào thì giá trị estimated cost bằng với giá trị learned cost. Giá trị learned cost đƣợc truyền ngƣợc lại một hop mỗi lần một gói đến đích làm cho việc thiết lập đƣờng cho gói tiếp theo đƣợc điều chỉnh.
Có 2 giai đoạn trong giải thuật này:http://www.ebook.edu.vn
Giai đoạn chuyển tiếp gói đến vùng đích: Giao thức GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựa trên sự nhận biết về năng lƣợng và vị trí để định tuyến gói tin đến vùng đích. Có 2 trƣờng hợp cần quan tâm nhƣ sau:
+ Khi tồn tại nhiều nút lân cận gần hơn so với đích: Giao thức GEAR sẽ chọn hop tiếp theo trong số tất cả các nút lân cận gần đích hơn.
+ Khi mà tất cả các nút đều xa hơn: Trong trƣờng hợp này sẽ có một lỗ hổng. Giao thức GEAR sẽ chọn hop tiếp theo mà làm tối thiểu giá chi phí của nút lân cận này. Khi đó, một trong số các nút lân cận sẽ đƣợc chọn để chuyển tiếp gói tin dựa trên giá trị learned cost. Lựa chọn này có thể đƣợc cập nhật sau theo sự hội tụ của giá trị learned cost trong suốt quá trình truyền gói tin.
Giai đoạn chuyển tiếp gói trong vùng: Nếu gói tin đƣợc chuyển đến vùng, nó có thể truyền dữ liệu trong vùng đó bằng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy ở những mạng có mật độ cảm biến cao, ngƣời ta chia thành bốn vùng nhỏ và tạo ra bốn bản sao của gói tin đó. Quá trình chuyển tiếp và chia nhỏ này đƣợc tiếp tục cho đến khi trong vùng chỉ còn một nút (hình bên dƣới).
Để thỏa mãn các điều kiện chúng ta dùng giải thuật chuyển tiếp địa lý đệ quy để truyền gói tin trong vùng này. Tuy nhiên, khi vùng có mật độ thấp, chuyển tiếp địa
36
lý đệ quy đôi khi không hoàn thành, định tuyến vô tác dụng trong một vùng đích rỗng trƣớc khi số hop gói đi qua vƣợt quá giới hạn cho phép.
37
CHƢƠNG III
MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG
Chƣơng này giới thiệu một số vấn đề giải thuật định tuyến giảm tiêu thụ năng lƣợng mạng cảm biến WSN tăng độ tin cậy dữ liệu. Vấn đề thứ nhất luận văn nghiên cứu giải thuật định tuyến ETX, một giải thuật cho phép tối thiểu hóa tổng số lần truyền lại để gói tin phân phối thành công. Vấn đề thứ hai luận văn nghiên cứu về định tuyến chuyển tiếp phân tập, một kỹ thuật lợi dụng ƣu thế của truyền quảng bá không dây. Cuối cùng luận văn xem xét một số bài toán thực tế và vận dụng các giải thuật đƣợc mô tả để thu đƣợc hiệu quả năng lƣợng và độ tin cậy.
3.1 ETX Metric
3.1.1 Gới thiệu về ETX Metric
Trong kỹ thuật định tuyến không dây nói chung và mạng cảm biến không dây nói riêng, việc lựa chọn những tuyến đƣờng giảm thiểu việc truyền lại và giảm xác suất lỗi là một vấn đề then chốt và quyết định sự thành công của thuật giải thuật đó. Bởi vì truyền dữ liệu là thao tác tiêu thụ măng lƣợng nhiều nhất trong các thao tác mà nút mạng cảm nhận không dây thực hiện. Chính điều này sẽ yêu cầu sự lựa chọn một số liệu phù hợp với mỗi liên kết.
38
Hình vẽ đơn giản trên cho thấy hiệu quả thông lƣợng dữ liệu đạt đƣợc trên các tuyến giữa nguồn và đích khi truyền trực tiếp và khi truyền qua số bƣớc nhảy khác nhau. Nhƣng trong mạng cảm biến không dây điều này chỉ đúng nếu tất cả các kết nối không dây đƣợc coi là liên kết lý tƣởng không lỗi và phƣơng pháp định tuyến dữ liệu chính là con đƣờng bƣớc nhảy ngắn nhất. Trong một hệ thống không dây thực tế thì lại hoàn toàn khác, những liên kết này do nhiều yếu tố rất có thể bị lỗi với một xác suất nhất định và nằm trong vùng chuyển tiếp. Do đó, việc định tuyến theo tuyến đƣờng bƣớc nhảy ngắn nhất có thể mang lại hiệu quả kém trong thực tế. Và điều này đã thôi thúc nhiều nghiên cứu để tìm ra số liệu định tuyến mới phù hợp hơn trong mạng cảm biến không dây. Có rất nhiều số liệu đƣợc nhiều tác giả đƣa ra trong đó có giải thuật ETX (Expected Transmission Count), một số liệu giảm thiểu số lƣợng dự kiến của tổng truyền trên một tuyến đƣờng. Số liệu này tính cho một liên kết đơn lẻ và có thể đƣợc kết hợp vào định tuyến bất kỳ.
ETX của một liên kết đƣợc tính toán dựa trên tỷ lệ phân phối gói tin thành công theo hƣớng chuyển tiếp và hƣớng ngƣợc của liên kết đó. Ký hiệu df là xác suất phân phối gói dữ liệu đến nơi nhận thành công theo hƣớng chuyển tiếp và dr là xác suất gói tin ACK đƣợc nhận thành công theo hƣớng ngƣợc lại. Khi đó ETX [2][5], đƣợc định nghĩa số lần trung bình truyền lại cần thiết trên một liên kết để gói tin đƣợc phân phối thành công, có giá trị bằng
.dr df
1
. Trên cả tuyến đƣờng thì ta có ETX của toàn tuyến bằng tổng số ETX trên từng liên kết :
ETXToàn tuyến = ∑ .dr df
1
(1)
3.1.2 Tính chất của ETX Metric
Các số liệu ETX kết hợp ảnh hƣởng của tỷ lệ liên kết lỗi, sự bất đối xứng trong các tỷ lệ liên kết lỗi giữa hai hƣớng của mỗi liên kết, và sự can nhiễu trong các liên kết liên tiếp của một con đƣờng. Trong kỹ thuật định tuyến với những tuyến đƣờng dài thì việc cải thiện thông lƣợng là vấn đề phức tạp và phải kết hợp nhiều yếu tố. Bởi vậy số liệu ETX sẽ trở nên hữu ích hơn nếu nhƣ các mạng phát triển lớn hơn và con đƣờng trở nên dài hơn. Trong tuyến đƣờng dài, ta tính ETX của một liên kết là số truyền dự kiến cần thiết để gửi một gói dữ liệu trên liên kết đó, bao gồm cả truyền lại bằng công
39 thức ETX =
.dr df
1
. Và sau đó ETX của cả tuyến đƣờng dài là tổng của ETX cho mỗi
liên kết trong tuyến đƣờng đó đƣợc tính bằng biểu thức ETXToàn tuyến = ∑ .dr df
1
. Để hiểu rõ hơn về ETX ta xem xét hình bên dƣới đây:
Hình 3.2: Ví dụ về con đƣờng ETX tối ƣu
Trên hình thể hiện 4 tuyến đƣờng đi từ nguồn S đến đích D cùng với những số bƣớc nhảy hoàn toàn khác nhau và với các xác suất theo hƣớng chuyển tiếp xác định rõ(Giả thiết xác suất theo hƣớng ngƣợc lại dr =1 ). Khi đó theo giải thuật ETX ta có theo hƣớng truyền trực tiếp từ A đến B xảy ra số lần truyền lại trung bình là 10 lần. Tuyến đƣờng dài từ S đến A đến B đến C rồi đến D với số lần truyền lại trung bình là 1.25 khi đó tổng số lần truyền lại trung bình xảy ra trên toàn tuyến là 5. Tuyến thứ ba là tuyến truyền từ S đến E rồi E đến F sau đó đến đích. Với xác suất trên mỗi liên kết là 0.7 khi đó số lần truyền lại trung bình trên tuyến này là 4.28. Tuyến cuối cùng từ nguồn tới đích chỉ thông qua nút G xảy ra trung bình 1.67 lần truyền lại trên mỗi liên kết và 3.33 trên cả tuyến đƣờng. Và tuyến cuối này chính là tuyến mà có ETX tối thiểu.
Qua phân tích ví dụ trên cho ta thấy ETX không lựa chọn những con đƣờng dài bao gồm một số lƣợng lớn những liên kết có khoảng cách ngắn (liên kết chất lƣợng cao), cũng không lựa chọn những con đƣờng rất ngắn bao gồm một vài liên kết với
40
khoảng cách dài (chất lƣợng thấp), mà là con đƣờng nào đó ở giữa có giá trị ETX đạt Min. Bằng cách giảm thiểu số lần truyền cần thiết, nó cải thiện hiệu quả băng thông cũng nhƣ hiệu quả năng lƣợng. Số liệu ETX có nhiều đặc điểm, và ta có thể tổng kết lại một số đặc điểm quan trọng của ETX nhƣ sau:
1, ETX đƣợc dựa trên tỷ lệ phân phối qua đó nó trực tiếp ảnh hƣởng đến thông lƣợng của mạng truyền thông.
2, ETX phát hiện và xử lý một cách thích hợp với sự bất đối xứng bằng cách kết hợp tỷ lệ mất liên kết theo mỗi hƣớng.
3, ETX có thể sử dụng các phép đo tỷ lệ mất liên kết chính xác để đƣa ra quyết định giữa các tuyến.
ETX có nhiều ƣu điểm, nhƣng để sử dụng đƣợc nó hiệu quả thì chúng ta phải đối mặt với nhiều thách thức. Và một trong những thách thức thực tế nhất của ETX là việc xác định các giá trị xác suất df và dr. Có nhiều phƣơng pháp đƣợc đƣa ra để giải quyết thách thức này. Một trong các phƣơng pháp đó là thực hiện một thủ tục giám sát liên kết phù hợp đƣợc thực hiện thông qua một số hình thức đo lƣờng định kỳ bằng cách sử dụng cửa sổ trƣợt [2].
3.2 Định tuyến chuyển tiếp phân tập
3.2.1 Giới thiệu về định tuyến chuyển tiếp phân tập
Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất và phân tích sự cân bằng giữa độ tin cậy và hiệu quả năng lƣợng với một kỹ thuật đơn giản bằng việc sử dụng chuyển tiếp phân tập trong định tuyến không dây, một dạng định tuyến khai thác lợi thế truyền quảng bá không dây. Điều này đƣợc minh họa trong hình bên dƣới bởi một tuyến đƣờng hai bƣớc nhảy đơn giản từ A đến B và từ B đến C [3], [5]. Với dạng định tuyến truyền thống, độ tin cậy của tuyến đƣờng chỉ là một hàm của những truyền từ A tới B và từ B tới C và cả hai đều phải thành công.
41
Hình 3.3: Ví dụ về định tuyến truyền thống và chuyển tiếp phân tập
Với định tuyến truyền thống (hình a) C nhận đƣợc một gói tin từ truyền A chỉ thành công nếu từ A sang B và B đến C có cả hai đều thành công. Cùng với định tuyến chuyển tiếp phân tập (hình b), việc truyền thông cũng có thể đƣợc thành công với điều kiện truyền từ A sang B đƣợc nghe lén thành công tại C.
Tuy nhiên, nếu C là cũng đƣợc phép nhận các gói tin trực tiếp từ A (bất cứ khi nào chúng nhận đƣợc gói tin mà không có lỗi), thì độ tin cậy có thể đƣợc tăng thêm mà không có bất kỳ sự mở rộng về năng lƣợng phụ nào. Cho phép nhận gói tin giống nhƣ vậy trong vòng hai bƣớc nhảy, với điều kiện trong chế độ mà snr có giá trị cao, khi đó xác suất truyền lỗi giảm theo quy luật snr-2. Và khi các nút mạng mở rộng cùng L bƣớc nhảy và trong cũng trong điều kiện chế độ snr có giá trị cao thì xác suất truyền lỗi đầu cuối giảm mạnh theo quy luật snr-L. Quy luật giảm xác suất lỗi trên sẽ đƣợc tính toán chứng minh chi tiết ở phần sau. Nhƣng qua đây ta cũng có cái nhìn khái quát về dạng định tuyến chuyển tiếp phân tập, một dạng định tuyến cải thiện đáng kể xác suất truyền gói tin thành công, qua đó cải thiện băng thông mạng, và đích quan trọng nhất là giảm tiêu thụ năng lƣợng trong mạng.
42
3.2.2 Đặc tính của định tuyến chuyển tiếp phân tập
Trong truyền thông không dây đa bƣớc nhảy, một gói tin đến đích phải truyền qua nhiều nút khác nhau. Theo cách truyền nhƣ này, một truyền thông thành công đòi hỏi tất cả các truyền thông điểm tới điểm đều phải thành công. Và nếu theo định tuyến truyền thống, xác suất truyền bị lỗi từ nguồn đến đích sẽ khá cao. Vậy để cải thiện độ tin cậy thì việc tận dụng lợi thế của truyền quảng bá không dây là đặc tính then chốt của định tuyến chuyển tiếp phân tập. Để chứng minh ý tƣởng này, chúng ta hãy xem xét một ví dụ đơn giản nhƣ sau [3]. Giả sử trong mạng thể hiện trong hình (a) bên dƣới, tuyến đƣờng đáng tin cậy nhất đƣợc chọn nhƣ hình vẽ, từ S đến R0, chuyển tiếp qua R1 đến đích D. Nếu không có sự phân tập, một thành công yêu cầu ba chuyển mạch điểm tới điểm thành công. Và xác suất truyền lỗi tổng hợp trong cả ba chuyển mạch này là khá đáng kể. Xét tiếp hình (b ) khi truyền thông đã tính đến sự phân tập, khi đó xác suất truyền lỗi tính trên cả ba chuyển sẽ đƣợc cải thiện so với trƣờng hợp hình (a). Do tuyền thông quảng bá và tính chất tự nhiên của môi trƣờng truyền không dây, khi đó gói tin đƣợc truyền từ nguồn S và đƣợc nhận một cách chính xác bởi R1, trong khi R0 không nhận đƣợc gói tin đó. Bằng việc tính toán khả năng này, D có thể nhận đƣợc gói tin trực tiếp từ S trong khe truyền đầu tiên, từ R0 trong khe truyền thứ hai hoặc từ R1 trong khe truyền thứ ba.
a. Định tuyến truyền thống b. Định tuyến với có chuyển tiếp phân tập