Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 1
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ sự phát triển của những mạng bao gồm mạng cảm biến giá rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó là các lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây đnag phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến. Cùng với khoa học của thế giới và hướng dẫn của cô Hằng chúng tôi đã chọn tìm hiểu về: “ Định tuyến trong mạng cảm biến không dây”. Trong chuyên đề này sẽ giới thiệu chúng tôi chia làm 2 phần:
Phần I: Tổng quan mạng cảm biến không dây. Giới thiệu tổng quan kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực…Qua đó, ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống chúng ta.
Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Tổng kết và đưa ra khá nhiều giao thức định tuyến. Mỗi giao thức đều có ưu nhược điểm riêng. Việc lựa chọn loại giao thức nào hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng mà ta triển khai.
Trong quá trình tìm hiểu, mặc dù cố gắng rất nhiều, song không tránh khỏi những thiếu sót, các sơ suất về nội dung cũng như các lỗi về ấn loát, chúng tôi rất mong nhận được lời phê bình, góp ý của cô và các bạn.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!! Hà Nội, ngày 30 tháng 03 năm 2014
Nhóm sinh viên DCAT
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 2
MỤC LỤC
Lời nói đầu………...1
Mục lục………2
Danh mục hình vẽ………4
Danh mục bảng………5
Danh mục từ viết tắt………6
Tài liệu tham khảo……….48
Phần I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN)………8
1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây…….………..8
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây……….9
1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc WSN………..9 1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng……….14 1.2.3 Các cấu trúc đặc trưng của mạng WSN………...16 1.2.3.1 Cấu trúc phẳng………..16 1.2.3.2 Cấu trúc tầng……….16 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây……….19
1.3.1 Ứng dụng trong quân đội……….19
1.3.2 Ứng dụng trong môi trường……….21
1.3.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe……….22
1.3.4 Ứng dụng trong gia đình………..23
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 3
Phần II: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây………25
2.1 Giới thiệu chung……….25
2.2 Những thách thức về định tuyến trong mạng cảm biến không dây………25
2.3 Các vấn đề thiết kế giao thức định tuyến………26
2.3.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng………..26
2.3.2 Rằng buộc về tài nguyên………..26
2.3.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây………...26
2.3.4 Cách truyền dữ liệu………..27
2.4 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng WSN……….….28
2.5 Giao thức trung tâm dữ liệu………30
2.5.1 Flooding và Gossiping……….30 2.5.2 SPIN……….32 2.5.3 Directed Diffusion………35 2.6 Giao thức phân cấp……….38 2.6.1 LEACH………38 2.6.2 PEGASIS……….41 2.7 Giao thức dựa trên vị trí……….42 2.7.1 GAF………..43 2.7.2 GEAR………...45 2.8 Kết luận phần II………..47
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 4
DANH MỤC HÌNH VẼ
STT Tên hình vẽ Trang
1 Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 10
2 Hình 1.2 Cấu tạo của nút cảm biến 11
3 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 14
4 Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây 16
5 Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây 17
6 Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 17
7 Hình 1.7 Ứng dụng WSN trong môi trường 22
8 Hình 1.8 Ứng dụng WSN trong chăm sóc sức khỏe 23
9 Hình 2.1 Mô hình truyền dữ liệu giữa sink và các nút 27
10 Hình 2.2 Truyền gói trong Flooding 31
11 Hình 2.3 Bùng nổ lưu lượng do Flooding 31
12 Hình 2.4 Vấn đề chồng lấn do Flooding 32
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 5
14 Hình 2.6 Hoạt động của SPIN 34
15 Hình 2.7 Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion 37
16 Hình 2.8 Mô hình mạng LEACH 39
17 Hình 2.9 Quá trình thiết lập nút & Quá trình ổn định 40
18 Hình 2.10 Ví dụ về lưới ảo trong GAF 44
19 Hình 2.11 Sự chuyển trạng thái trong GAF 44
20 Hình 2.12 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR 46
DANH MỤC BẢNG
STT Tên bảng Trang
1 Bảng 2.1 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN
30
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt
AODV Ad hoc On - Demand
Distance - Vector Routing
Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hoc
ADV Advertise Bản tin quảng bá
BS Bastation(Sink) Trạm gốc
CH Cluster Head Node chủ cụm
CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang
GAF Geographic Adaptive Fidelity Giải thuật chính xác theo địa lý
GEAR Geographic and Energy- Aware Routing
Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng
hiệu quả năng lượng
LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 7
REQ Request Bản tin yêu cầu
PEGASI S
Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems
Giao thức phân cấp thu thập thông tin trong hệ thống cảm biến
SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến
SPIN Sensor Protocols or Information via Negotiation
Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận
TDMA Time Division Multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian
VHDL VHSIC Hardware Description Language
Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích hợp mật độ cao
WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt vô tuyến
WPAN Wireless Personal Area Network
Mạng vùng cá nhân vô tuyến
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 8
Phần I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sĩ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ...
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu...đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu nhập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên. Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần :
Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm
quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là
sự giới hạn về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ
công suất thấp. Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không
thể thay thế được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung
vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải
tập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 9
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các nút
Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến.
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không dùng được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau:
Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số lượng nút trong mạng ad hoc.
Các nút cảm biến dễ bị lỗi.
Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.
Các nút cảm biến chủ yếu sự dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng adhoc đều dựa trên việc truyền điểm điểm.
Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ. Các nút cảm biến có thể giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ. Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (global identification)
(ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các nút cảm biến.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 10 Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến. Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây. Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.
Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (1.1). Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.
Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên. Các sink có thế giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thế ngoài mạng có thế là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 11
Giới thiệu về nút cảm biến:
- Cấu tạo của nút cảm biến như sau:
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản ở hình (1.2): đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a transceiver) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).
Hình 1.2 Cấu tạo của nút cảm biến
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Đơn vị xử lí thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 12 khi cần thiết đểthực hiện các nhiệm vụ đă ấn định. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến có một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật
độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi trường.
Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến không dây:
Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điếm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không hoạt
động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.
Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm biến
được triển khai có thế đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng, con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút
cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
Ràng buộc về phần cứng : Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các
nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 13
Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biến, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết
nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Đế thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz. Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thế truyền ánh sáng cho nhau được.
Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng
trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định.Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đối cấu hình ở 3 pha sau:
1. Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thế đặt lộn xộn hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một.
2. Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản...), năng lượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.
3. Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức năng.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 14 Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption) :
Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thế được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah; 1,2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing).
1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình (1.3). Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý . Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 15
Mặt phẳng quản lí công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng
của nó. Ví dụ: Nút cảm biến có thế tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến.
Mặt phẳng quản lý di động : Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động
của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng.
Mặt phẳng quản lý : Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong
một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.
Lớp vật lí : có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu,
điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHz được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lí, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân.
Lớp liên kết dữ liệu : lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các
khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiếu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
Lớp mạng : Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau :
Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến.
Lớp truyền tải : Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua
mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp ứng dụng : Tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 16 1.2.3. Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây
1.2.3.1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số...
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây
1.2.3.2. Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mồi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 17 Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây.
Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6).
Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp.
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau:
- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triến khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiếu để thực hiện tất cả các
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 18 nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao. Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lí nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lí tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.
- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là W
/ √ trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi kích cỡ mạng tăng
lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0.
- Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với sổ lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng √ . Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng. Đặc biệt người ta sử đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân bố đến tập con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 19 1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Như trên ta đã đề cập đến các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến không dây. Cụ thể ta sẽ xem xét kỹ một số ứng dụng như sau để hiểu rõ sự cần thiết của mạng cảm biến không dây. Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến động đất, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát vùng rộng các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm:
Nhiệt độ. Độ ẩm. Sự chuyển động của xe cộ. Điều kiện ánh sáng. Áp suất. Sự hình thành mặt đất. Mức nhiễu.
Sự có mặt hay vắng của một đối tượng nào đó. Mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn.
Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng.
Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ bộ phận phát động. Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiều vùng ứng dụng mới. Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.
1.3.1. Ứng dụng trong quân đội
Mạng cảm biến không dây có thể là một phần tích hợp trong hệ thống điều khiến quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu. Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể ít bị lỗi của mạng cảm biến làm cho chúng hứa hẹn kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân đội. Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 20 nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường. Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến trường do thám địa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân.
Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược:
Những người lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến. Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái. Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các nút sink để gửi tới lãnh đạo trong quân đội. Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn.
Giám sát chiến trường:
Địa hình hiểm trở, các tuyến đường , đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thể theo dõi các hoạt động của quân địch. Khi các hoạt động này được mở rộng và kế hoạch hoạt động mới được chuẩn bị một mạng mới có thể được triến khai bất cứ thời gian nào khi theo dõi chiến trường.
Giám sát địa hình và lực lượng quân địch:
Mạng cảm biến có thể được triển khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biến cần nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về trong vài phút trước khi quân địch phát hiện và có thể chặn lại chúng.
Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường:
Trước và sau khi tấn công mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy hiểm của chiến trường.
Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân.
Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 21 ở những vùng mà được sử dụng như một hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung cấp thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong nghiêm trọng.
1.3.2. Ứng dụng trong môi trường
Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc lớn đối với việc quan sát diện tích lún trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh-hóa, nông nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí quyến, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt, sắp đặt sự phức tạp về sinh học của môi trường và nghiên cứu sự ô nhiễm.
Phát hiện cháy rừng:
Vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách ngẫu nhiên, có chiến lược với mật độ cao trong rừng, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được. Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang học. Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất có hiệu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ hàng tháng và hàng năm. Các nút cảm biến sẽ cộng tác với nhau để thực hiện cảm biến phân bố và khắc phục khó khăn, như các cây và đá mà ngăn cản trở tầm nhìn thẳng của cảm biến có dây.
Phát hiện lũ lụt:
Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ. Một vài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mức nước, thời tiết. Những con cảm biến này cung cấp thông tin đế tập trung hệ thống cơ sở dữ liệu đã được định nghĩa trước.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 22 Hình 1.7 Ứng dụng trong môi trường
1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân, các triệu chứng, quản lí thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý bên trong của côn trùng hoặc động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện.
Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện:
Mỗi bệnh nhân được gắn 1 nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong bệnh viện.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 23 Hình 1.8 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình
Nhà là môi trường ứng dụng rất lớn cho những mạng cảm biến không dây. Nhiều ứng dụng công nghiệp được xây trong nhà. Nhiều tiện nghi khác trong nhà có thể thực hiện như điều khiển từ xa, thiết bị số thiết bị trợ giúp cá nhân (PDA) có thể điều khiển tivi, đầu DVD, giàn âm thanh và các thiết bị điện tử khác ở trong nhà (đèn điện, rèm che và khóa) cũng có thể điều khiển bằng 1 mạng cảm biến không dây. Với điều khiển từ xa của một thiết bị điều khiển từ xa như vậy có thể điều khiển toàn bộ tiện nghi trong nhà trong khi vẫn ngồi trên ghế bành. Tuy nhiên, tiềm năng hấp dẫn nhất của mạng cảm biến không dây là sự kết hợp nhiều dịch vụ như việc cho phép những rèm cửa đóng tự động khi truyền hình được bật hoặc có thể tự động tắt tiếng tivi, hệ thống giải trí ở nhà khi nhận điện thoại hoặc có chuông cửa.
Việc sử dụng mạng cảm biến không trong nhà được kì vọng là việc ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính cá nhân như bàn phím và chuột không dây. Những ứng
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 24 dụng này có lợi thế là giá thành thấp và tiêu thụ điện năng ít là điều kiện thiết yếu của mạng cảm biến không dây.
Những đồ chơi hiện đại là thị trường rộng lớn khác cho ứng dụng mạng cảm biến không dây. Danh sách đồ chơi được hỗ trỡ bằng hoặc điều khiển bởi mạng cảm biến không dây càng lớn và tính năng điều khiển ôtô và tàu thuyền bằng sóng vô tuyến truyền thống đến những trò chơi máy tính cần dùng điều khiển và thiết bị điều khiển không dây càng tăng.
Một ứng dụng quan trọng khác trong nhà chính là khóa không cần chìa điều khiển từ xa (RKE- Remote Keyless). Đặc tính truy cập khóa không chìa (RKE) ứng dụng trên ô tô, cửa và cửa sổ, đèn trong nhà bằng những cảm nhận điều khiển không dây, chủ nhà có thể có một thiết bị khóa tất cả các của ra vào, của sổ trong nhà, tắt đèn trong nhà (để một vài đèn ngủ), bật đèn bảo vệ an toàn ở bên ngoài và đặt hệ thống HVAC (hệ thống thông gió điều hòa không khí) điều khiển nhà ở chế độ ngủ hoặc đóng, mở của xe ôtô…
1.4. Kết luận phần I
Phần này 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.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 25
Phần II. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
2.1. Giới thiệu chung
Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với mạng adhoc nhưng chúng cũng biểu lộ một số các đặc tính riêng mà ta có thể phân loại thành một mạng riêng. Chính những đặc tính này giúp ta có thể thiết kế ra các giao thức định tuyến mới khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây và không dây. Để thực hiện được điều này, chúng ta phải giải quyết được các vấn đề liên quan đến WSN. Chương này sẽ trình bày ba loại giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (data-centric-protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical-protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location-based-protocol).
2.2. Những thách thức về định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Chính với những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức sau:
Mạng cảm biến có một số lượng lớn các nút, cho nên ta không thể xây dựng được sơ đồ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai số lượng lớn các nút đó với lượng mào đầu để duy trì ID quá cao.
Dữ liệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và truyền đến sink.
Các nút cảm biến bị ràng buộc khá chặt chẽ về mặt năng lượng, tốc độ xử lý, lưu trữ.
Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khi được triển khai ngoại trừ một vài nút có thể di động.
Mạng cảm biến là những ứng dụng riêng biệt.
Việc nhận biết vị trí là việc hết sức quan trọng với việc tập dữ liệu thông thường dựa trên vị trí.
Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao với các nút cảm biến thu lượm dữ liệu dựa trên hiện tượng chung.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 26 2.3. Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến
Mục đích chính của mạng cảm biến là truyền thông dữ liệu trong mạng trong khi cố gắng kéo dài thời gian sống của mạng và ngăn chặn việc giảm các kết nối bằng cách đưa ra những kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt. Trong khi thiết kế các giao thức định tuyến, chúng ta thường gặp phải các vấn đề sau:
2.3.1. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng
Các nút cảm biến hoạt động với sự giới hạn về khả năng tính toán, lưu trữ và truyền dẫn, dưới ràng buộc về năng lượng khắt khe. Tùy thuộc vào ứng dụng mật độ các nút cảm biến trong mạng có thể từ thưa thớt đến dày đặc. Hơn nữa trong nhiều ứng dụng số lượng các nút cảm biến có thể lên đến hàng trăm, thậm chí hàng ngàn nút được triển khai tùy ý và thông thường không bị giám sát, bao phủ một vùng rộng lớn. Trong mạng này, đặc tính của các con cảm biến là có tính thích nghi động và cao, như là nhu cầu tự tổ chức và bảo toàn năng lượng buộc các nút cảm biến phải điều chỉnh liên tục để thích ứng hoạt động hiện tại.
2.3.2. Ràng buộc về tài nguyên
Các nút cảm biến được thiết kế với độ phức tạp nhỏ nhất cho triển khai trong phạm vi lớn để giảm chi phí toàn mạng. Năng lượng là mối quan tâm chính trong mạng cảm biến không dây, làm thế nào để đạt được thời gian sống kéo dài trong khi các nút hoạt động với sự giới hạn về năng lượng dự trữ. Việc truyền gói mutilhop chính là nguồn tiêu thụ năng lượng chính trong mạng. Để giảm việc tiêu thụ năng lượng có thể đạt được bằng cách điều khiển tự động chu kỳ công suất của mạng cảm biến. Tuy nhiên vấn đề quản lý năng lượng đã trở thành một thách thức chiến lược trong nhiều ứng dụng quan trọng.
2.3.3. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các nút cảm biến và các sink. Mô hình này phụ thuộc nhiều vào bản chất của ứng dụng trong đó có cách dữ liệu được yêu cầu và sử dụng. Một vài mô hình dữ liệu được đề xuất nhằm tập trung vào yêu cầu tương tác và nhu cầu tập hợp dữ liệu của đa dạng các ứng dụng.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 27 Một loại các ứng dụng của mạng cảm biến yêu câu mô hình thu thập dữ liệu mà dựa trên việc lấy mẫu theo chu kỳ hay sự xảy ra của sự kiện trong môi trường quan sát. Trong các ứng dụng khác dữ liệu có thể được chụp và lưu trữ hoặc có thể được xử lý, tập họp tại một nút trước khi chuyển tiếp dữ liệu đến sink. Một loại thứ ba đó là mô hình dữ liệu tương tác hai chiều giữa các nút cảm biến và sink.
Nhu cầu hỗ trợ đa dạng các mô hình dữ liệu làm tăng tính phức tạp của vấn đề thiết kế giao thức định tuyến.
2.3.4. Cách truyền dữ liệu
Cách mà các truy vấn và dữ liệu được truyền giữa các trạm cơ sở và các vị trí quan sát hiện tượng là một khía cạnh quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Một phương pháp cơ bản để thực hiện việc này là mỗi nút cảm biến có thể truyền dữ liệu trực tiếp đến trạm cơ sở. Tuy nhiên phương pháp dựa trên bước nhảy đơn (single-hop) có chi phí rất đắt và các nút mà xa trạm cơ sở thì sẽ nhanh chóng bị tiêu hao năng lượng và do đó làm giảm thời gian sống của mạng.
Nhằm giảm thiểu lỗi của phương pháp này thì dữ liệu trao đổi giữa các nút cảm biến và trạm cơ sở có thể được thực hiện bằng việc sử dụng truyền gói đa bước nhảy (mutilhop) qua phạm vi truyền ngắn. Phương pháp này tiết kiệm năng lượng đáng kể và cũng giảm đáng kể sự giao thoa truyền dẫn giữa các nút khi cạnh tranh nhau để truy cập kênh, đặc biệt là trong mạng cảm biến không dây mật độ cao. Dữ liệu được truyền giữa các nút cảm biến và các sink được minh họa như hình vẽ (hình 2.1).
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 28 Để đáp ứng các truy vấn từ các sink hoặc các sự kiện đặc biệt xảy ra tại môi trường thì dữ liệu thu thập được sẽ được truyền đến các trạm cơ sở thông qua nhiều đường dẫn mutilhop.
Trong định tuyến mutilhop của mạng cảm biến không dây, các nút trung gian đóng vai trò chuyển tiếp dữ liệu giữa nguồn và đích. Việc xác định xem tập hợp các nút nào tạo thành đường dẫn chuyển tiếp dữ liệu giữa nguồn và đích là một nhiệm vụ quan trọng trong thuật toán định tuyến. Nói chung việc định tuyến trong mạng kích thước lớn vốn đã là một vấn đề khó khăn, các thuật toán phải nhằm vào nhiều yêu cầu thiết kế bao gồm sự chính xác, ổn định, tối ưu hóa và chú ý đến sự thay đổi của các thông số.
Với đặc tính bên trong của mạng cảm biến bao gồm sự ràng buộc về dải thông và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến là phải nhằm vào việc thỏa mãn yêu cầu về lưu lượng trong khi vẫn mở rộng được thời gian sống của mạng.
2.4. Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến là một thách thức khó khăn đi 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. Bảng 2.1 đưa ra sự phân loại một số giao thức dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Một loại giao thức định tuyến thông qua kiến trúc phẳng 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.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 29 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 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 chuyến tiếp thông tin giữa các cụm với nhau. Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và mở rộng thời gian sống của mạng.
Loại giao thức định tuyến thứ ba là sử dụng phương pháp trung tâm dữ liệu để phân
bố sự quan tâm bên trong mạng. Phương pháp này sử dung thuộc tính dựa trên tên do
đó một nút nguồn truy vấn một thuộc tính của hiện tượng hơn là một nút riêng lẻ. Phân phối quan tâm trong toàn mạng đạt được bằng việc gắn nhiệm vụ cho các con cảm biến và nhấn mạnh vào các câu hỏi liên quan đến các thuộc tính riêng. Một giao thức khác có thế truyền quan tâm tới các nút bao gồm quảng bá, các thuộc tính dựa rên mutilcasting, geo-casting.
Loại giao thức thứ tư là dựa vào vị trí để đánh địa chỉ cho các nút cảm biến, loại giao thức này rất có ích cho những ứng dụng nơi mà vị trí của các nút cảm biến trong vùng địa lý được bao phủ bởi mạng liên quan đến truy vấn được đưa ra bởi nút nguồn.
Giao thức chọn đường Giao thức trung tâm dữ liệu Giao thức phân cấp Giao thức dựa trên vị trí Phân loại Di chuyển Dựa vào hỏi đáp Kết hớp số liệu Xác định vị trí QoS Độ phức tạp của trạng thái Khả năng định cỡ Đa đường Dựa vào yêu cầu SPIN X Ngang hàng Có thể Có Có Không Không Thấp Hạn chế Có Có Directed X Ngang hàng Hạn chế Có Có Có Không Thấp Hạn chế Có Có Diffusion Rumor X Ngang hàng Rất hạn chế Không Có Không Không Thấp Tốt Không Có GBR X Ngang hàng Hạn chế Không Có Không Không Thấp Tốt Không Có CADR X Ngang hàng Không Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Không COUGAR X Ngang hàng Không Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Không
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 30 ACQUIRE X Ngang hàng Hạn chế Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Không LEACH X Phân cấp Nút gốc cố định Không Có Có Không Nút chủ nhóm Tốt Không Không TEEN & APTEN X X Phân cấp Nút gốc cố định Không Có Có Không Nút chủ nhóm Tốt Không Không PEGASIS X Phân cấp Nút gốc cố định Không Không Có Không Nút chủ nhóm Tốt Không Không MECN & SMECN X Phân cấp Không Không Không Không Không Thấp Thấp Không Không GAF X X Phân cấp Không Không Không Không Không Thấp Tốt Không Không GEAR X Dựa theo vị trí Không Không Không Không Không Thấp Hạn chế Không Không SAR X Dựa theo vị trí Không Có Có Không Có Trung bình Hạn chế Không Có SPEED X Dựa theo QoS Không Không Không Không Có Trung bình Hạn chế Không Có
Bảng 2.1 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN 2.5. Giao thức trung tâm dữ liệu
2.5.1. Flooding và Gossiping
Flooding là kỹ thuật chung thường được sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong mạng ad-hoc.
Chiến lược định tuyến này rất đơn giản và không phụ thuộc vào cấu hình mạng và các giải thuật định tuyến phức tạp. Flood sử dụng phương pháp reactive nhờ đó mỗi nút nhận dữ liệu hoặc điều khiển dữ liệu để gửi các gói tới các nút lân cận. Sau khi truyền, một gói sẽ được truyền trên tất cả các đường có thể. Trừ khi mạng bị ngắt không thì các gói sẽ truyền đến đích.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 31 Hình 2.2 Truyền gói trong Flooding
Hơn nữa khi cấu hình mạng thay đổi các gói sẽ truyền theo những tuyến mới giải thuật này sẽ tạo ra vô hạn các bản sao của mỗi gói khi đi qua các nút. Giải thuật này có 3 nhược điểm lớn như sau:
+ Thứ nhất là vấn đề traffic implosion (bùng nổ hay khép kín của dữ liệu tại 1 node) hiện tượng bản tin kép. Tức là các 2 gói dữ liệu giống nhau được gửi đến cùng nút.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 32 + Thứ hai là hiện tượng chồng chéo, tức là các nút cùng cảm nhận một vùng không gian và do đó tạo ra các gói tương tự nhau gửi đến các nút lân cận.
Hình 2.4 Vấn đề chồng lấn do flooding
+ Thứ ba đó là thuật toán này không hề quan tâm đến vấn đề năng lượng của các nút, các nút sẽ nhanh chóng tiêu hao năng lượng và làm giảm thời gian sống của mạng.
Một sự cải tiến của giao thức này là Gossiping, thuật toán này cải tiến ở chỗ mỗi nút sẽ ngẫu nhiên gửi gói mà nó nhận được đến một trong các nút lân cận của nó. Thuật toán này làm giảm số lượng các gói lan truyền trong mạng, tránh hiện tượng bản tin kép tuy nhiên có nhược điểm là có gói sẽ không bao giờ đến được đích.
2.5.2. SPIN
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Mục tiêu chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng. Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng về tài nguyên và sắp xếp dữ liệu, ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) này là các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào được truyền trong mạng. SPIN khac thác tên dữ liệu nhờ đó mà các nút sẽ kết hợp miêu tả dữ liệu (metadata) với dữ liệu mà chúng tạo ra và sử dụng sự miêu tả này để thực hiện việc dàn xếp dữ liệu trước khi truyền dữ liệu thực tế. Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu đế lấy dữ liệu quảng bá. Điều này tạo ra sự xắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 33 tâm đến loại dữ liệu này. Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng. Hơn nữa việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ khả năng chồng lấn vì các nút có thể chỉ giới hạn về tên loại dữ liệu mà chúng quan tâm đến.
Việc thích ứng tài nguyên cho phép các nút cảm biến chạy SPIN có thể thích ứng với trạng thái hiện tại của tài nguyên năng lượng.Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức năng lượng của mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có thể giảm hoặc loại bỏ một sổ hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu các gói. Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của mạng. Để thực hiện truyền và xắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử dụng ba loại bản tin (hình 2.5).
Hình 2.5 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN
(1) Node A có dữ liệu cần phát vì thế A phát gói ADV quảng cáo cho gói dữ liệu thực của mình.
(2) Node B quan tâm đến gói dữ liệu thực đó liền gửi gói REQ yêu cầu dữ liệu. (3) Node A đáp ứng yêu cầu đó và gởi gói dữ liệu thực cho B.
Giao thức này thỏa thuận giữa các node để tránh nguy cơ bị bùng nổ các gói và vấn đề chồng lấn trong giao thức flooding và gossiping. Theo mô phỏng hiệu quả gấp 3.5 lần so với flooding. Giao thức còn đạt tốc độ dữ liệu cao gần tối ưu so với lý thuyết.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 34 Hình 2.6 Hoạt động của SPIN
Hoạt động của SPIN gồm 6 bước như hình 2.6
Bước 1: ADV để thông báo dữ liệu mới tới các nút.
Bước 2: REQ để yêu cầu dữ liệu được quan tâm. Sau khi nhận được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REO để yêu cầu lấy dữ liệu.
Bước 3: bản tin DATA bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu.
Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó với các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu
(metadata).
Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu. Bước 6: DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này.
Tuy nhiên 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 được đích.
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 35 2.5.3. Directed Diffusion
Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng cảm biến không dây. Mục tiêu chính của phương pháp này là tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng. Để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân cận mạng. Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đường truyền dẫn. Đặc điểm duy nhất của giao thức này là sự kết hợp với khả năng của nút có thể tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng.
Thành phần chính của giao thức này gồm 4 thành phần: interest (các mối quan tâm của mạng), data message (các bản tin dữ liệu), gradient, reinforcements. Directed Diffusion sử dụng mô hình publish and subscribe trong đó một người kiểm tra (tại sink) sẽ miêu tả mối quan tâm (interest) bằng một cặp thuộc tính- giá trị.
Bảng 2.2 miêu tả cặp thuộc tính giá trị, các nút cảm biến có khả năng đáp ứng interest này trả lời theo dữ liệu tương ứng.
Hoạt động của Directed Diffusion như hình (2.5 ). Với mỗi nhiệm vụ cảm biến tích cực, sink sẽ gửi quảng bá bản tin interest theo chu kỳ cho các nút lân cận.
Bản tin này sẽ truyền qua tất cả các nút trong mạng như là một sự quan tâm đến một dữ liệu nào đó. Mục đích chính của việc thăm dò này là để xem xét xem có một nút cảm biến nào đó có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng với interest. Tất cả các nút đều duy trì một interest cache để lưu trữ các interest entry khác nhau.
Cặp thuộc tính-giá trị Miêu tả
Type = temperature Kiểu dữ liệu cảm biến
Start = 01:00:00 Thời gian bắt đầu
Interval =1s Báo cáo, sự kiện chu kì là 1s
Duration = 10s Thời gian sống của interes (cho10s)
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN) Trang 36 Và dữ liệu trả lời từ node chi tiết có thể là:
Type = temperature Kiểu dữ liệu cảm biến Valus = 38.3 Giá trị nhiệt độ được đọc Timestamp = 1:02:00 Nhãn thời gian (t/g ngay tại thời điểm
đọc
Location = [30,38] Báo cáo từ cảm biến trong vùng x,y
Bảng 2.2 Miêu tả interest sử dụng các cặp thuộc tính giá trị
Mỗi một mục (entry) trong interest cache sẽ lưu trữ một interest khác nhau. Các entry cache này sẽ sẽ lưu trữ một số trường sau: một nhãn thời gian (timestamp), nhiều trường gradient cho mỗi nút lân cận và trường duration. Nhãn thời gian sẽ lưu trữ nhãn thời gian của interest nhận được sau cùng. Mỗi gradient sẽ lưu trữ cả tốc độ dữ liệu và chiều mà dữ liệu được gửi đi. Giá trị của tốc độ dữ liệu nhận được tùy thuộc tính khoảng thời gian trong bản tin interest. Trường duration sẽ xác định khoảng thời gian tồn tại của interest.
Một gradient có thể coi như là một liên kết phản hồi của nút lân cận khi mà nhận được bản tin interest. Việc truyền bản tin interest trong toàn mạng cùng với việc thiết lập các gradient tại mỗi nút cho phép việc tìm ra và thiết lập các đường dẫn giữa sink mà đưa ra yêu cầu về dữ liệu quan tâm và các nút mà đáp ứng mối quan tâm đó.
Khi một nút phát hiện một sự kiện nó sẽ tìm kiếm trong cache xem có interest nào phù hợp không, nếu có nó sẽ tính toán tốc độ sự kiện cao nhất cho tất cả các gradient lối ra. Sau đó nó thiết lập một phân hệ cảm biến để lấy mẫu các sự kiện ở mức tốc độ cao này. Các nút sẽ gửi ra ngoài miêu tả về sự kiện cho các nút lân cận có gradient. Các nút lân cận này sẽ nhận dữ liệu và kiểm tra trong cache xem có entry nào phù hợp không, nếu không nó sẽ loại bỏ dữ liệu còn nếu phù hợp nó sẽ nhận dữ liệu các nút này sẽ thêm bản tin vào cache dữ liệu và sau đó gửi bản tin dữ liệu cho các nút lân cận.
