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 Hình 3.4: Định tuyến qua hai chuyển tiếp
Qua ví dụ đơn giản này chúng ta có thể hình dung một cách cơ bản về bức tranh định tuyến trong mạng cảm biến không dây khi truyền thông có chuyển tiếp phân tập. Gói tin sẽ đến đích D bằng nhiều cách, snr sẽ tăng cao, độ tin cậy tăng và điều này đồng nghĩa với xác suất phát lại sẽ giảm. Trong truyền thông không dây, đặc biệt trong
43
mạng cảm biến không dây việc truyền gói tin là công việc tiêu tốn rất nhiều năng lƣợng. Vậy việc phát lại giảm đồng nghĩa với năng lƣợng tiêu thụ giảm.
Nghiên cứu và hiểu rõ vấn đề về độ tin cậy của thông tin truyền thông và sự chuyển tiếp phân tập trong các mạng không dây đa bƣớc nhảy là một vấn đề hết sức quan trọng trong kỹ thuật định tuyến. Và mục tiêu của nghiên cứu đó là phát triển một mô hình mạng mới tốt hơn có tính đến tính chất tự nhiên của lớp vật lý của mạng không dây. Phƣơng pháp sử dụng ở đây là mô hình xác suất gián đoạn cho một kênh fading để phát triển một mô hình xác suất cho một liên kết không dây. Mô hình này thiết lập một mối quan hệ giữa độ tin cậy liên kết, khoảng cách giữa các nút truyền thông và năng lƣợng truyền. Để hiểu rõ hơn chúng ta đi vào vấn đề cụ thể hơn nhƣ sau [3] :
Hình 2.5, Mạng hai bƣớc nhảy
Trong vấn đề này ta đi vào trọng tâm là mạng hai bƣớc nhảy mà nút chuyển tiếp nằm trong diện tích hình tròn phẳng mà tâm là trung điểm của đoạn nối nguồn S và đích D. Dựa trên kết quả của một số nghiên cứu khác ta có trong mạng với tham số (S, R, D) thì xác suất truyền lỗi (ρ1) khi không có sự phân tập đƣợc tính theo công thức :
ρ1 = 1- P1 (d1, snr). P2 (d2, snr) (2) ≈ d1
2+ d22 snr
Ở đây, P1 (d1, snr) là xác suất truyền thành công từ S đến R, P2 (d2, snr) là xác suất truyền thành công từ R đến D và áp dụng công thức của mô hình xác suất gián
44 đoạn cho kênh Fading (P(d, snr) = exp(- d
2
snr ). Dấu xấp xỉ ở đây có đƣợc khi snr có giá trị cao.
Trong trƣờng hợp mạng có chuyển tiếp phân tập, phân phối gói tin thành công yêu cầu hoặc là truyền trực tiếp {S→ D} thành công hoặc chuyển mạch đa bƣớc nhảy từ {S → R}và {R →D} thành công. Khi đó độ tin cậy (Re) hay xác suất nhận tại D là:
Re = P3 (d3, snr) + P1 (d1, snr). P2 (d2, snr) - P3 (d1, snr). P1 (d1, snr). P2 (d2, snr) (3) = exp(- d3 2 snr ) + exp(- d12 snr ).exp(- d22 snr ) - exp(- d32 snr ) exp(- d12 snr ).exp(- d22 snr ) = exp(- d3 2 snr ) + (1 - exp(- d32 snr ) ).exp(- d32 snr ).exp(- d22 snr ) = exp(- d3 2 snr ) + (1 - exp(- d32 snr ) ).exp(- (d12+ d22) snr ) Khi snr giá trị lớn ta có: exp(- d3 2 snr ) ≈ 1 - d32 snr Re ≈ 1 - d3 2 snr + d32 snr .(1- d12+ d22 snr ) ≈ 1 - d3 2 snr . d12+ d22 snr ≈ 1 - d32. d1 2+ d22 snr2
Và từ độ tin cậy Re ta suy ra xác suất truyền lỗi ρ2 đƣợc tính bằng công thức: ρ2 ≈ d32. d1
2+ d22 snr2
≈ d32. (d12+ d22).snr -2
Biểu thức này cho ta thấy đƣợc trong trƣờng hợp định tuyến có chuyển tiếp phân tập xác suất truyền lỗi giảm tỷ lệ với snr-2. Điều này cải thiện so với trƣờng hợp mà không tính đến sự chuyển tiếp phân tập , xác suất truyền lỗi chỉ giảm tỉ lệ với snr-1. Khi mở rộng mạng từ hai bƣớc nhảy thành L bƣớc nhảy và áp dụng cách tính toán tƣơng tự ta cũng thu đƣợc kết quả xác suất truyền lỗi giảm mạnh theo quy luật: snr-L.
45
Áp dụng mô hình xác suất này để thiết lập một mạng đa bƣớc nhảy, định nghĩa và phân tích độ tin cậy tuyến đƣờng đầu cuối và phát triển các thuật toán để tìm ra các tuyến đƣờng tối ƣu giữa một cặp nút. Ý tƣởng về định tuyến chuyển tiếp phân tập đƣợc giới thiệu nhƣ là một cách để cải thiện độ tin cậy truyền tin bằng cách tận dụng những ƣu thế của tính chất phát quảng bá không dây, sự độc lập của trạng thái giữa các cặp khác nhau của các nút, và sự phân tập về không gian đƣợc tạo ra bởi nhứng nút chuyển tiếp phân tập dọc theo tuyến đƣờng. Kết quả gợi ý rằng sự chuyển tiếp phân tập có thể thay đổi một cách cơ bản sự cân bằng giữa độ tin cậy trong định tuyến và năng lƣợng tiêu thụ.
Một đặc điểm của kỹ thuật này là nó đòi hỏi một số lƣợng lớn nút nhận đƣợc ở trong trạng thái nghe lén mỗi thông tin, điều này có thể phải chịu một tổn thất về năng lƣợng. Nhƣng ở trên ta đã khẳng định trong mạng không dây và đặc biệt là mạng cảm biến, quá trình truyền tin là quá trình tiêu tốn nhiều năng lƣợng nhất. Do đó sự tổn thất về năng lƣợng do nhiều nút nghe lén thông tin không đáng kể so với năng lƣợng tiêu thụ giảm do phát lại giảm. Từ những kết quả này cũng giúp ta có những nhận xét thêm rằng sao cơ cấu nhiều chuyển mạch không hoạt động tốt với những giao thức MAC định hƣớng ngủ đã đƣợc đề xuất cho mạng WSN.