Vì vậy trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, luận văn này tập trung nghiên cứu, phân tích một số giao thức định tuyến trong WSNs hiện nay, và đề xuất một gia
Trang 1Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM VĂN KIỆN
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chuyên ngành : Kỹ thuật Truyền thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật Truyền thông
Style Definition: TOC 1: Space Before: 0 pt, After: 0 pt,
Line spacing: 1.5 lines
Formatted: Font: Not Bold Formatted: Left, Line spacing: single, Border: Box: (Single
solid line, Auto, 0.5 pt Line width)
Formatted: Font: 14 pt
Formatted: Font: 14 pt
Formatted: Font: 14 pt, Not Bold
Trang 2Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Lời nói đầu ………4
Chương 1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây……… 6
1.1 Giới thiệu……….6
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây……….6
1.2.1 Cấu tạo của nút cảm biến……… ……… 6
1.2.2 Cấu trúc mạng……… …… 7
1.2.2.1 Cấu trúc phẳng……….……… 9
1.2.2.2 Cấu trúc phân cấp……….……… 9
1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng……… ……… …… 11
1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây………13
1.4 Những khó khăn trong việc triển khai mạng cảm biến không dây…… …….15
Chương 2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây……….……17
2.1 Tổng quan về định tuyến trong mạng cảm biến không dây……… …17
2.2 Các thước đo giải thuật định tuyến……… ……… 20
2.2.1 Các thước đo thường được sử dụng……… ………….21
2.2.1.1 Số chặng tối thiểu……… ………21
2.2.1.2 Năng lượng……… 22
2.2.1.3 Chất lượng dịch vụ (QoS)……….24
2.2.1.4 Sự bền vững……… 25
2.3 Giao thức định tuyến Flooding và Gossiping………26
2.4 Các giao thức cảm biến cho thông tin dựa trên đàm phán (SPIN)………….…28
2.5 Định tuyến chủ động (Proactive Routing)……….29
2.6 Định tuyến dựa trên nhu cầu (On-Demand Routing)……….31
2.6.1 Vectơ khoảng cách dựa trên nhu cầu tuỳ ý (AODV)………32
Formatted: Font: Bold Formatted: Left
Trang 3Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
2.6.2 Định tuyến nguồn động……….34
2.7 Định tuyến phân cấp (Hierarchical Routing)……….………35
2.7.1 Landmark……… ………….………36
2.7.2 LEACH……… 37
2.7.3 PEGASIS……… ………39
2.8 Định tuyến dựa trên vị trí……….………… 40
2.8.1 Định tuyến dựa trên vị trí unicast……… ……… ………… 41
2.8.1.1 Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR)………42
2.8.1.2 Các chiến lược chuyển tiếp……… ……44
Chương 3 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây phạm vi rộng……… ……….46
3.1 Khái quát về mạng cảm biến không dây phạm vi rộng……… 46
3.2 Các giải thuật giảm tiêu đề điều khiển……….……… 48
3.2.1 DECROP……….… 48
3.2.2 ONCP……… ….50
3.2.3 2L-OFFIS……… …………52
3.3 Các giải thuật giảm tiêu thụ năng lượng………54
3.3.1 ARPEES……… …… 54
3.3.2 DGMA……….…… 57
3.3.3 DMSTRP……….… 58
3.3.4 JCOCR……… ….60
3.3.5 HGMR……….…… 62
3.4 Các giải thuật cân bằng năng lượng……… ………….64
3.4.1 GESC……….64
3.4.2 DCSSC……… 66
3.4.3 MELEACH-L……… ……….68
3.4.4 ASN……… 70
3.4.5 MuMHR……… 72
Chương 4 Giao thức được đề xuất RLO và các kết quả mô phỏng………… 74
Trang 4Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
4.1 Giới thiệu về giao thức RLO……… 74
4.2 Các đặc điểm của giao thức RLO……… 75
4.2.1 Khởi tạo mạng……… 75
4.2.2 Quá trình thu thập, tập hợp và chuyển tiếp dữ liệu tới BS……… …… 76
4.2.2.1 Thu thập và tập hợp dữ liệu……….……….76
4.2.2.2 Quá trình chuyển tiếp dữ liệu đến BS……….… 76
4.2.3 Phương pháp lựa chọn CH mới theo giao thức RLO……… …….78
4.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả……… ………82
4.3.1 Mô hình mạng cảm biến……… … 83
4.3.1.1 Mô hình mạng……… …….83
4.3.1.2 Mô hình năng lượng truyền thông……… …….84
4.3.2 Phương pháp mô phỏng và các thước đo……… 85
4.3.3 Phân tích kết quả………88
Kết luận……… ……… 91
LỜI NÓI ĐẦU 7
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3
1.1 Gi ới thiệu 3
1.2 C ấu trúc mạng cảm biến không dây 3
1.2.1 Cấu tạo của nút cảm biến 3
1.2.2 Cấu trúc mạng 4
1.2.2.1 Cấu trúc phẳng 6
1.2.2.2 Cấu trúc phân cấp 6
1.2.3 Ki ến trúc giao thức mạng 8
1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây 10
1.4 Nh ững khó khăn trong việc phát triển mạng không dây 12
CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 14
2.1 Tổng quan về định tuyến trong mạng cảm biến không dây 14
2.2 Các thước đo giải thuật định tuyến 17
2.2.1 Các thước đo thường được sử dụng 18
Formatted: Font: Bold, Not Italic Formatted: Font: Bold, Not Italic
Formatted: Font: Bold Formatted: Font: Bold Formatted: Font: Bold Formatted: Font: Bold, Not Italic Formatted: Font: Bold, Not Italic
Formatted: Font: Bold, Not Italic
Trang 5Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
2.2.1.1 Số chặng tối thiểu (Minimum Hop) 18
2.2.1.2 Năng lượng 19
2.2.1.3 Chất lượng của dịch vụ (QoS) 21
2.2.1.4 Sự bền vững 22
2.3 Giao thức định tuyến Flooding và Gossiping 23
2.4 Các giao thức cảm biến cho thông tin dựa trên đàm phán (SPIN) 25
2.5 Định tuyến chủ động (Proactive Routing) 26
2.6 Định tuyến dựa trên nhu cầu (On-Demand Routing) 28
2.6.1 Vectơ khoảng cách dựa trên nhu cầu tuỳ ý (AODV) 29
2.6.2 Định tuyến nguồn động 31
2.7 Định tuyến phân cấp (Hierarchical Routing) 32
2.7.1 Landmark 33
2.7.2 LEACH 34
2.7.3 PEGASIS 36
2.8 Định tuyến dựa trên vị trí 37
2.8.1 Định tuyến dựa trên vị trí unicast 38
2.8.1.1 Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) 39
2.8.1.2 Các chiến lược chuyển tiếp 41
CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 43
3.1 Khái quát về mạng cảm biến không dây phạm vi rộng 43
3.2 Các giải thuật giảm tiêu đề điều khiển 46
3.2.1 DECROP 46
3.2.2 ONCP 48
3.2.3 2L-OFFIS 50
3.3 Các giải thuật giảm tiêu thụ năng lượng 52
3.3.1 ARPEES 52
3.3.2 DGMA 55
3.3.3 DMSTRP 57
3.3.4 JCOCR 59
Formatted: Font: Bold
Trang 6Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
3.3.5 HGMR 61
3.4 Các giải thuật cân bằng năng lượng 63
3.4.1 GESC 63
3.4.2 DCSSC 65
3.4.3 MELACH-L 67
3.4.4 ASN 69
3.4.5 MuMHR 71
CHƯƠNG 4: GIAO THỨC ĐƯỢC ĐỀ XUẤT RLO 73
4.1 Giới thiệu về giao thức RLO 73
4.2 Các đặc điểm của giao thức RLO 74
4.2.1 Khởi tạo mạng 74
4.2.2 Quá trình thu thập, tập hợp và chuyển tiếp dữ liệu tới BS 75
4.2.2.1 Thu thập và tập hợp dữ liệu 75
4.2.2.2 Quá trình chuyển tiếp giữ liệu tới BS 75
4.2.3 Phương pháp chọn CH mới theo giao thức RLO 78
4.3 Mô phỏng đánh giá và kết quả 81
4.3.1 Mô hình mạng cảm biến 82
4.3.1.1 Mô hình mạng 83
4.3.1.2 Mô hình năng lượng truyền thông 83
4.3.2 Phương pháp mô phỏng và các thước đo 84
4.3.3 Phân tích kết quả 88
KẾT LUẬN 91
Trang 7Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối cấu tạo nút cảm biến 7
Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 6
Hình 1.3 Cấu trúc phẳng 6
Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp 7
Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 7
Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 9
Hình 2.1 Mô hình đơn chặng (trái) và mô hình đa chặng (phải) 15
Hình 2.2 Nhóm các giao thức định tuyến 17
Hình 2.3 So sánh các lựa chọn sử dụng các thước đo năng lượng khác nhau 20
Hình 2.4 Vấn đề gói tin kép (trái) và trùng lặp thông tin (phải) 24
Hình 2.5 Giao thức SPIN-PP: (a) quảng cáo, (b) yêu cầu, và (c) truyền dữ liệu 26
Hình 2.6 So sánh (a) giao thức flooding và (b) MPR-based OLSR 28
Hình 2.7 Quá trình dò tìm tuyến của AODV 30
Hình 2.8 Phân cấp kết nối đơn chặng tới sink (trái) và đa chặng tới sink (phải) 33
Hình 2.9 Khái niệm mốc (trái) và định tuyến sử dụng các mốc phân cấp (phải) 34 Hình 2.10 Chuỗi trong PEGASIS 37
Hình 2.11 Định tuyến dựa trên vị trí unicast 39
Hình 2.12 GPRS: (a) vùng trống node x và (b) quy tắc bàn tay phải 40
Hình 2.13 Các chiến lược chuyển tiếp trong định tuyến dựa trên vị trí 42
Hình 3.1 Các giao thức định tuyến trong mạng WSNs phạm vi rộng 44
Hình 3.2 Quá trình hình thành nhóm phân phối trong DECROP 46
Formatted: Tab stops: 5.91", Centered,Leader: …
Trang 8Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Hình 3.3 Mô hình mạng và ứng dụng của ONCP 48
Hình 3.4 Bầu các nút chuyển tiếp trong OFFIS 50
Hình 3.5 Cấu trúc club theo LEACH và BCDCP (b) MST trong DMSTRP 56
Hình 3.6 Đồ hình định tuyến kết hợp 4-nút trong JCOCR 58
Hình 3.7 Đường thời gian của giao thức MELEACH-L 66
Hình 4.1 Ví dụ về quá trình lựa chọn nút chuyển tiếp 75
Hình 4.2 Ví dụ về phương pháp lựa chọn CH mới theo giao thức RLO 76
Hình 4.3 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng giao thức RLO 84
Hình 4.4 Tổng quan về định tuyến trong chương trình mô phỏng RLO 85
Hình 4.5 Năng lượng trung bình còn lại qua các vòng 86
Hình 4.6 Số lượng các nút sống trong mạng sau các vòng 87
Trang 9Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1 Các tham số sử dụng trong mô phỏng……… ………83
Formatted: Left, Space Before: 0 pt, After: 0 pt, Line
Trang 10Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
ID Identification
ADC Analog to Digital Converter
MAC Media Access Control
GPS Global Positioning System
RSSI Receiver Signal Strength Indicator
TDMA Time Division Multiple Access
CDMA Code Division Multiple Access
BS BaseStation
WSN Wireless Sensor Network
LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy
SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation
PAGASIS Power efficient gathering in sensor information systems
QoS Quality of Service
OLSR Optimized Link State Routing
MPRs Multipoint Relays
AODV Ad Hoc On-Demand Distance Vector
DSR Dynamic Source Routing
GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing
DECROP Distributed and Effective Cluster Routing Protocol
ONCP Off-Network Control Processing
2L-OFFIS two-layer Optimized Forwarding by Fuzzy Inference System
Trang 11Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
ARPEES Adaptive Routing Protocol with Energy efficiency and Event clustering
for wireless sensor networks
DGMA Data Gathering algorithm based on Mobile Agent
DMSTRP Dynamic Minimal Spanning Tree Routing Protocol
JCOCR Joint clustering and optimal cooperative routing in wireless sensor
networks
HGMR Hierarchical Geographic Multicast Routing
GESC Geodesic Sensor Clustering
DCSSC Distributed Clustering Scheme based Spatial Correlation
MELACH-L More Energy-efficient LEACH for large-scale WSNs
ASN alternative sensor nodes
MuMHR Multi-path Multi-hop Hierarchical Routing
Trang 12Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật nói chung và công
nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm biến không dây (WSNs) ra đời là một trong
những thành tựu cao của công nghệ điện tử và công nghệ thông tin Một trong
những ưu điểm lớn của WSNs là giảm chi phí triển khai và lắp đặt vì kích thước
nhỏ gọn, dễ sử dụng Thay vì sử dụng hàng ngàn km dây dẫn thông qua các ống dẫn
bảo vệ, người lắp đặt chỉ làm công việc đơn giản là đặt thiết bị đã được tích hợp nhỏ
gọn vào vị trí cần thiết Mạng có thể được mở rộng theo ý muốn và mục đích sử
dụng, bằng cách thêm vào các thiết bị, linh kiện mà không cần thao tác phức tạp
Xu thế phát triển nhanh chóng của WSNs đang diễn ra phản ánh tình hình thực tế
đang cần các hệ thống giám sát các thông số trong môi trường để phục vụ cho nhiều
ngành, nhiều lĩnh vực, như các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông
v.v 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 như WSNs
Tuy nhiên, quá trình nghiên cứu cho thấy mặc dù WSNs có nhiều ưu điểm và
đang phát triển mạnh mẽ nhưng nó cũng đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức,
như là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại trong hầu hết các ứng
dụng, rất khó để xác định kiến trúc mạng do chúng thường được triển khai ngẫu
nhiên như rải trên toàn vùng môi trường cần giám sát Các thành tựu về vi cơ điện
tử cho phép chế tạo các thiết bị cảm biến không dây nhỏ gọn với độ tích hợp cao,
giá thành rẻ và do đó xu hướng mở rộng các mạng cảm biến không dây thành mạng
phạm vi rộng (large-scale) đã nhanh chóng trở thành một chủ đề thu hút nhiều sự
quan tâm (hot topic) Mạng “phạm vi rộng” có nghĩa là mạng được triển khai trên
một vùng rộng lớn hay mật độ cao của của các nút mạng Xu hướng này càng làm
tăng thêm các thách thức phải đối mặt của WSNs,đòi hỏi các giao thức định tuyến
phải sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn hẹp, phải linh hoạt và sắp xếp tốt khi
Formatted: Level 1
Trang 13Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
có sự mở rộng phạm vi và/hoặc mật độ các nút mạng tăng lên Vì vậy trong quá
trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, luận văn này tập trung
nghiên cứu, phân tích một số giao thức định tuyến trong WSNs hiện nay, và đề xuất
một giao thức định tuyến mới có tên là Roundless Operation (RLO), giao thức này
hướng tới việc giảm tiêu thụ năng lượng và cân bằng năng lượng do mạng được tổ
chức hoạt động phân cấp, chuyển tiếp dữ liệu đa chặng và nỗ lực được tập trung
hơn nữa vào giảm các tiêu đề điều khiển nhờ đó kéo dài thời gian sống và tăng độ
ổn định, tin cậy cho mạng Mô phỏng giao thức trên OMNET++ so sánh với một số
giao thức hiện nay đã chỉ ra rằng RLO giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện được
đáng kể thời gian sống của mạng
Để hoàn thành được luận văn này, em đã được học hỏi các kiến thức quý báu
từ dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo Viện Điện Tử Viễn Thông thuộc
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Trần Quang Vinh - Bộ môn Kỹ thuật
Thông tin, Viện Điện tử Viễn thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình
chỉ bảo và định hướng cho em nghiên cứu đề tài này
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi, động
viên và giúp đỡ trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn
thành đồ án này
Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2012
Học viên cao học
Phạm Văn Kiện
Trang 14Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng cảm biến không dây (WSNs - Wireless Sensor Networks) là mạng có
hai chức năng cơ bản: chức năng mạng và chức năng cảm nhận, giám sát thông tin
từ môi trường
Các nút mạng trong WSNs liên kết với nhau bằng sóng vô tuyến trong đó các
nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp Mạng loại này có
thể chứa số lượng lớn các nút mạng, được phân bố một cách ngẫu nhiên trên diện
tích cần cảm nhận, giám sát thông tin, nút mạng thường sử dụng nguồn năng lượng
hạn chế, khó có thể bổ sung hoặc nạp lại như pin, có thời gian hoạt động khoảng vài
tháng đến vài năm, hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt như môi trường
có chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao, v.v
Các nút mạng thường có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung
quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, nồng độ khí, theo dõi hay định vị các mục
tiêu cố định hoặc di động Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung
tâm (base station) một cách trực tiếp đơn chặng (single-hop) hay gián tiếp bằng kỹ
thuật định tuyến đa chặng (multi-hop)
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như được thể hiện
trên Hình 1.1: khối cảm biến (a sensing unit), khối xử lý (a processing unit), khối
truyền dẫn (a transceiver unit) và 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) Các khối 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
Formatted: Heading 1, Justified
Formatted: Heading 1 Formatted: Level 2
Trang 15Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào khối xử
lý Khối xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), đưa ra quyết
định và các thủ tục làm cho các nút mạng kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm
vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng
Hình 1.1 Sơ đồ khối Cc ấu tạo nút cảm biến
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 tuỳ 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 khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định Tất cả
những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng môđun Ngoài kích cỡ ra
các nút cảm biến còn 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
1.2.2 Cấu trúc mạng
Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế để sử dụng có hiệu quả
nguồn tài nguyên hạn chế, kéo dài thời gian sống của mạng Vì vậy, thiết kế cấu
trúc mạng hay kiến trúc mạng phải cần phải quan tâm đến một số yếu tố sau:
Formatted: Level 2
Trang 16Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
- Giao tiếp không dây đa chặng: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính,
thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật
cản Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì
vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy
các mạng cảm biến không dây thường dùng giao tiếp đa chặng
- Sử dụng hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn
mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không
dây
- Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông
số một các tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông
qua các nút khác (gọi là tự định vị)
- Cộng tác xử lý trong mạng và tập hợp dữ liệu: Trong một số ứng dụng
một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác
hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, do từng nút thu thập và gửi dữ liệu ngay đến
trạm gốc thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Do vậy, phải kết hợp dữ liệu của
nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới trạm gốc sẽ tiết kiệm băng thông và năng
lượng, ví dụ, khi xác định nhiệt độ trung bình, hay cao nhất của một vùng
Do vậy, cấu trúc mạng được thiết kế cần thỏa mãn các yêu cầu cơ bản sau:
- 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 vùng cảm biến như được thể hiện
trên Hình 1.2, mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại
để lựa chọn các nút chuyển tiếp (relay node) truyền dữ liệu đến các trạm gốc hay
còn gọi là định tuyến truyền dữ liệu đa chặng Trạm gốc có thể giao tiếp với các nút
quản lý nhiệm vụ (task manager nodes) qua mạng Internet hoặc vệ tinh
Formatted: Font: Bold, Italic
Formatted: Font: Bold, Italic
Formatted: Font: Bold, Italic
Formatted: Font: Bold, Italic
Trang 17Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Có thể phân chia cấu trúc của mạng cảm biến thành 2 loại cơ bản: cấu trúc
phẳng và cấu trúc phân cấp
1.2.2.1 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (Hình 1.3), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất
trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với trạm gốc qua đơn chặng hoặc
đa chặng sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định,
các nút gần trạm gốc hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng
Hình 1.3 Cấu trúc phẳng
1.2.2.2 Cấu trúc phân cấp
Trong cấu trúc phân cấp như được thể hiện trên Hình 1.4, mạng phân thành
các cụm hay có thể gọi là các nhóm, mỗi cụm có nút chủ (cluster head) Các nút
trong cụm thu thập dữ liệu, rồi gửi đơn chặng hay đa chặng tới nút chủ (tùy theo
Trang 18Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp
Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút
ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn Trong cấu trúc phân cấp
thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các
nút Ví dụ, 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 1.5)
Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ
mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán Trong trường hợp
này, các nút ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản để tách
nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu
này, và thực hiện các nhiệm vụ khác như tính toán, phân phối dữ liệu
Formatted: None
Formatted: None
Trang 19Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn cấu
trúc phẳng, do các lý do sau:
- Cấu trúc phân cấp 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 triển khai
các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực
hiện tất cả các 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 giảm đáng kể 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 phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng Khi cần phải
tính toán nhiều thì một bộ xử lý 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 lý tối
thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy với cấu trúc phân cấp có thể thực hiện việc
phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng theo từng chức năng sẽ làm
tăng tuổi thọ của mạng
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được thể hiện trên Hình 1.6
Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý
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
Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng
của nó Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin Khi
mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ phát rộngquảng bá bản tin sang các nút
cảm biến lân cận thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham
gia vào quá trình định tuyến
Trang 20Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
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 nút nào là lân cận 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
Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Lớp vật lý: 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
lý, 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 thiểu hoá
việc xung đột 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 :
Trang 21Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng
Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
Tập 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: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác
nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng
1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây
Năng lượng tiêu thụ:
Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây thường đòi hỏi các thành
phần có công suất tiêu thụ thấp hơn rất nhiều so với các công nghệ không dây hiện
tại (như Bluetooths, Zigbees) Ví dụ như các cảm biến dùng trong công nghiệp và y
tế được cung cấp năng lượng từ những cục pin nhỏ, có thể sống được vài tháng đến
vài năm Với các ứng dụng theo dõi môi trường, khi mà số lượng lớn cảm biến được
rải trên diện tích rộng lớn thì việc thường xuyên phải thay pin để cung cấp nguồn
năng lượng là điều không khả thi Chính vì thế trong mạng cảm biến không dây,
ngoài việc quản lý năng lượng để sử dụng một cách hiệu quả nhất cần kết hợp các
thuật toán định tuyến tối ưu
Chi phí:
Khi thiết kế một ứng dụng không dây thì giá thành cũng là một yếu tố chính
cần được quan tâm Để có thể đạt được mục tiêu này thì khi thiết kế cấu hình mạng
và giao thức truyền thông cần tránh sử dụng các thành phần đắt tiền và tối thiểu hóa
độ phức tạp của giao thức truyền thông Trong mạng cảm biến, số lượng các nút
mạng sử dụng là khá lớn và khi chi phí để sản xuất từng nút con được giảm đi thì
giá thành của toàn bộ hệ thống giảm đi đáng kể Hiện nay trong các ứng dụng cơ
bản các nút mạng có thể giảm xuống chỉ còn khoảng vài USD
Formatted: Bullets and Numbering
Formatted: Heading 1 Formatted: Font: 13 pt, Bold Formatted: Normal, Left
Formatted: Font: 13 pt, Bold Formatted: Normal
Trang 22Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Ngoài các yếu tố trên thì một phần khá lớn tác động tới giá thành đó là chi
phí quản trị và bảo trì hệ thống Mạng cảm biến không dây đã làm tốt hai chức năng
cơ bản đó là tự cấu hình và tự bảo trì Tự cấu hình có nghĩa là tự động dò tìm vị trí
các nút lân cận và tổ chức thành một cấu trúc xác định Tự bảo trì có nghĩa là tự
động phát hiện và sửa lỗi nếu phát sinh trong hệ thống (ở các nút mạng hoặc các
liên kết giữa các nút) mà không cần sự tác động của con người Với các tính năng
ưu việt này thì mạng cảm biến không dây ngày càng tỏ rõ những ưu việt của mình
Loại hình mạng:
Với một số ứng dụng đơn giản trong phạm vi hẹp thì mạng hình sao (star
network) có thể đáp ứng được các yêu cầu truyền nhận và xử lý dữ liệu Trong
mạng hình sao, 1 nút sẽ đóng vai trò nút chủ các nút còn lại là nút con kết nối tới
nút chủ Tuy nhiên khi mạng được mở rộng thì cấu trúc hình sao đơn thuần sẽ
không đáp ứng được, mạng sẽ phải có cấu hình phức tạp hơn như cấu trúc hình cây,
cấu trúc mắt lưới, cấu trúc đa chặng (multi-hop) Các cấu hình này sẽ đòi hỏi nhiều
tài nguyên bộ nhớ và xử lý tính toán hơn do mật độ của các nút mạng tăng và diện
tích của mạng được phủ trên một phạm vi lớn
Tính bảo mật:
Trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan
trọng, đặc biệt là các ứng dụng trong quân sự Không giống như các mạng có dây
rất khó có thể lấy được thông tin khi truyền đi giữa 2 đối tượng, khi truyền tín hiệu
không dây được truyền đi trong không gian và có thể được thu lại bởi bất kỳ ai
Những mối hiểm họa không chỉ là việc đánh cắp thông tin mà còn ở chỗ những
thông tin đó có thể bị chỉnh sửa và phát lại để phía thu nhận được những thông tin
không chính xác
Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cũng cần thiết phải đảm
bảo các yếu tố bảo mật cơ bản như: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận
dạng giữa người gửi và người nhận Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả
Formatted: Font: 13 pt, Bold Formatted: Normal
Formatted: Font: 13 pt, Bold Formatted: Normal
Trang 23Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
phần mềm và phần cứng bằng nhiều kỹ thuật như mã hóa các tập tin, điều chỉnh các
bít thông tin, thêm các bít xác thực, v.v
Các chức năng này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên của mạng về năng lượng
và băng thông tuy nhiên bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong truyền tin Do vậy,
cần đạt được sự cân bằng giữa 2 yếu tố này để đảm bảo cho hệ thống tối ưu nhất
Độ trễ:
Các ứng dụng thông thường của mạng cảm biến không có yêu cầu cao về
thời gian thực khi truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lượng nguồn tin (trừ một số
trường hợp đặc biệt như hệ thống báo cháy) Tuy nhiên trong một mạng lưới khá
lớn, các thông tin của các nút con được tập hợp ở một nút chủ để xử lý và đưa về
trạm trung tâm thì yếu tố đồng bộ hóa là rất quan trọng
Tính di động:
Nhìn chung các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi
tính di động nhiều vì khi triển khai các nút mạng thường ở các vị trí cố định Các
phương thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn giản hơn so với
các mạng ad-hoc khác (như MANET)
Tuy rằng mạng cảm biến không dây có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu
ích, nhưng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt
kỹ thuật Khi nắm rõ được những khó khăn này chúng ta sẽ có điều kiện để cải tạo
nhằm tối ưu hơn nữa
Giới hạn năng lượng:
Thông thường, các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng
các nguồn năng lượng có sẵn (pin) Khi số lượng nút mạng là lớn, yêu cầu tính toán
là nhiều, khoảng cách truyền lớn thì sự tiêu thụ năng lượng là rất lớn Chính vì vậy
cần tìm các giải pháp để có thể tối ưu việc xử lý & truyền dữ liệu với một năng
lượng ban đầu của các nút nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng
Formatted: Font: 13 pt, Bold Formatted: Normal
Formatted: Font: 13 pt, Bold Formatted: Normal
Formatted: Heading 1, Justified
Formatted: Font: 13 pt, Bold Formatted: Normal
Trang 24Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Giới hạn về giải thông:
Hiện nay tốc độ truyền thông vô tuyến bị giới hạn trong tốc độ khoảng
10-100 Kbits/s Sự giới hạn về dải thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông
tin giữa các nút
Giới hạn về phần cứng:
Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước của các nút phải nhỏ vì có
một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lượng lớn các nút trên một phạm vi hẹp
Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng như không gian lưu trữ trên mỗi nút
Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài:
Do trong mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền vô tuyến nên bị
ảnh hưởng bởi những can nhiễu bên ngoài, có thể bị mất mát hoặc sai lệch thông tin
Trang 25Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Giao thức định tuyến là một giao thức cho phép các nút mạng có thể giao
tiếp, trao đổi thông tin với nhau Giao thức cho phép tìm ra đường đi để gửi gói tin
của một nút mạng thông qua các nút mạng khác tới nút đích cần nhận thông tin Quá
trình tìm đường này được quyết định bởi giải thuật định tuyến với vai trò chính là
lớp mạng thực hiện việc tìm các tuyến truyền thông từ các nguồn dữ liệu tới trung
tâm điều khiển (như trạm gốc, sink hay gateway) Trong các mô hình định tuyến
đơn chặng (single-hop) (bên trái Hình 2.1), toàn bộ các nút cảm biến có khả năng
truyền thông trực tiếp tới trung tâm điều khiển Mô hình truyền thông trực tiếp là
đơn giản nhất, trong đó tất cả dữ liệu được truyền trực tiếp tới đích Tuy nhiên,
trong các thiết đặt thực tế, mô hình này không thực tế và mô hình truyền thông đa
chặng (multi-hop) được sử dụng (bên phải Hình 2.1) Trong trường hợp này, nhiệm
vụ then chốt của lớp mạng của tất cả các nút cảm biến là xác định tuyến truyền
thông từ cảm biến tới trung tâm điều khiển thông qua nhiều nút mạng khác hoạt
động như là các nút chuyển tiếp Thiết kế giao thức định tuyến này đang có nhiều
thách thức do các đặc tính khác biệt của WSNs, bao gồm sự khan hiếm tài nguyên
hoặc sự không tin cậy của các thiết bị không dây trung gian Ví dụ, sự giới hạn về
bộ xử lý, bộ nhớ, băng tần, và năng lượng đòi hỏi các giải pháp định tuyến phải
“tinh nhẹ”, trong khi luôn có các thay đổi động thường xuyên trong WSNs (ví dụ,
kiến trúc mạng thay đổi do các nút hỏng) đòi hỏi các giải pháp định tuyến phải có
tính thích nghi và linh hoạt Thêm vào đó, không giống như các giao thức định
tuyến truyền thống cho các mạng có dây, các giao thức cho mạng cảm biến có thể
không có khả năng dựa trên phân hoạch địa chỉ toàn cầu (ví dụ, các địa chỉ IP trên
mạng internet)
Formatted: Heading 1
Trang 26Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Hình 2.1 Mô hình đơn chặng (trái) và mô hình đa chặng (phải)
Có nhiều cách thức đa dạng để phân loại các giao thức định tuyến Hình 2.2
thể hiện ba nhánh phân loại khác nhau dựa trên cấu trúc mạng hoặc tổ chức mạng,
quá trình dò tìm tuyến truyền thông, và sự hoạt động giao thức ([Al-Karaki và
Kamal 2004]) Dựa theo tổ chức mạng, hầu hết các giao thức phù hợp thuộc một
trong ba nhóm Các giao thức định tuyến có cấu trúc phẳng xem tất cả các nút là
ngang bằng về chức năng và vai trò Ngược lại, các giao thức định tuyến có cấu trúc
phân cấp (hierarchical-based), các nút mạng khác nhau có thể đảm nhận các vai trò
khác nhau trong quá trình định tuyến, nghĩa là, một số nút có thể chuyển tiếp dữ liệu
thay mặt cho các nút khác, trong khi các nút khác chỉ tạo ra và truyền dữ liệu cảm
biến của bản thân nó Các giao thức định tuyến dựa trên vị trí (location-based) dựa
trên thông tin vị trí từ các nút mạng để đưa ra quyết định định tuyến Các giao thức
định tuyến đảm nhiệm việc nhận dạng hoặc dò tìm tuyến truyền thông từ nguồn
hoặc nút phát tới nút thu dự định Quá trình dò tìm tuyến truyền thông này có thể
cũng được sử dụng để phân biệt giữa các dạng khác nhau của các giao thức định
tuyến Các giao thức có tương tác dò tìm các tuyến truyền thông dựa trên yêu cầu
(on-demand), nghĩa là, bất kỳ khi nào nguồn muốn gửi dữ liệu tới nút thu và không
có tuyến truyền thông được thiết lập trước đó Trong khi định tuyến có tương tác dò
tìm các nút có vai trò chuyển tiếp trước khi việc truyền dữ liệu thực xảy ra, các giao
thức định tuyến chủ động thiết lập các tuyến truyền thông trước khi chúng thực tế
cần đến Nhóm các giao thức này cũng thường được mô tả là định tuyến theo bảng
Trang 27Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
(table-driven), bởi vì các quyết định chuyển tiếp theo vùng dựa trên các nội dung
của một bảng định tuyến bao gồm một danh sách các đích, kết hợp với một hoặc
nhiều hơn các chặng lân cận tiếp theo dẫn tới các đích này và các chi phí liên quan
đến từng lựa chọn chặng tiếp theo Trong khi các giao thức định tuyến theo bảng
loại bỏ các trễ dò tìm tuyến truyền thông, chúng có thể là rất lớn về kích thước được
hình thành trong quá trình định tuyến và điều này là không cần thiết Thêm vào đó,
khoảng thời gian giữa việc dò tuyến và thực tế sử dụng của tuyến có thể tăng lên rất
nhiều, có khả năng cao là dẫn tới các tuyến quá thời gian sử dụng (ví dụ, một liên
kết dọc theo tuyến có thể bị hỏng trong khi chờ đợi) Tóm lại, chi phí để thiết lập
một bảng định tuyến là đáng kể, ví dụ, trong một số giao thức liên quan tới việc
truyền thông tin vị trí một nút (ví dụ như danh sách các nút lân cận của nó) tới tất cả
các nút trong mạng Một số giao thức thể hiện các đặc tính của cả hai loại giao thức
có tương tác và chủ động và thuộc vào nhóm các giao thức định tuyến lai Rốt cục
là các giao thức định tuyến cũng khác trong việc hoạt động, ví dụ, các giao thức dựa
trên đàm phán hướng tới việc giảm việc truyền các dữ liệu dư thừa nhờ việc trao đổi
các bản tin đàm phán giữa các nút mạng lân cận trước khi xảy ra việc truyền dữ liệu
thực Các giao thức họ SPIN [?10] thuộc nhóm này Các giao thức dựa trên đa tuyến
(multipath-based) sử dụng đồng thời đa tuyến để đạt được đặc tính cao hơn hoặc
dung sai lỗi nhỏ Các giao thức định tuyến dựa trên yêu cầu (query-based) là nút thu
được khởi tạo chỉ khi có yêu cầu, nghĩa là các nút cảm biến gửi dữ liệu để đáp ứng
yêu cầu được đưa ra bởi nút đích Mục tiêu của các giao thức định tuyến dựa trên
chất lượng dịch vụ (QoS-based) là thoả mãn một thước đo chất lượng dịch vụ cụ thể
(hoặc kết hợp của nhiều thước đo), ví dụ độ trễ thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, hoặc
sự mất gói tin nhỏ Tóm lại, các giao thức định tuyến cũng khác nhau ở cách thức
mà chúng hỗ trợ xử lý dữ liệu trong mạng Các giao thức coherent-based thực hiện
một lượng xử lý tối thiểu (ví dụ, loại bỏ các bản sao, nhãn thời gian (time-stamping)
trước khi dữ liệu cảm biến được gửi tới các nút thu và nút tập hợp Tuy nhiên, trong
các giao thức noncoherent-based, các nút có thể thực hiện việc xử lý cục bộ đáng kể
các dữ liệu thô trước khi nó được gửi tới các nút khác cho các xử lý tiếp theo
Formatted: Not Highlight
Trang 28Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Hình 2.2 Nhóm các giao thức định tuyến
Ngoài ra, khi dữ liệu cảm biến được gửi một cách rõ ràng tới một hoặc nhiều
nút thu, việc định tuyến được xem xét nút trung tâm (node-centric) Hầu hết các
giao thức định tuyến tập trung ở truyền thông đơn đích (unicast), nghĩa là, chuyển
tiếp dữ liệu cảm biến tới chính xác một nút thu Mặt khác, định tuyến đa đích
(multicast) hay phát rộngquảng bá (broadcast) phát tán dữ liệu tương ứng tới nhiều
hoặc tất cả các nút Định tuyến dữ liệu trung tâm (data-centric) được sử dụng khi
các nút không được định địa chỉ, nhưng để thay thế cho các nút thu được mô tả
hoàn toàn bởi các thuộc tính cụ thể Ví dụ, một yêu cầu được đưa ra bởi trung tâm
điều khiển có thể yêu cầu đọc nhiệt độ và chỉ các cảm biến có thể thu thập thông tin
như vậy đáp ứng yêu cầu
2.2 Các thước đo giải thuật định tuyến
Các mạng cảm biến không dây và ứng dụng của chúng biến đổi rộng trong
các giới hạn và đặc tính của chúng, mà cần phải xem xét trong thiết kế giao thức
định tuyến Ví dụ, hầu hết WSNs sẽ bị giới hạn về thời gian mà năng lượng có thể
dùng được, năng lực xử lý, và dung lượng bộ nhớ Các mạng cảm biến có thể biến
đổi rộng về phạm vi, các vùng địa lý chúng bao phủ, và khả năng nhận biết được vị
trí của chúng Phân hoạch địa chỉ toàn cầu (ví dụ địa chỉ IP trên internet) có thể
không sử dụng được và thậm chí là không khả thi, cụ thể là trong các mạng với các
nút không đồng nhất và sự di động nút Tóm lại, từ bức tranh tổng quan của ứng
dụng, dữ liệu cảm biến có thể được lựa chọn trong các cách tiếp cận đa dạng khác
Formatted: Level 1
Trang 29Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
nhau Trong các ứng dụng tác động theo thời gian (time-driven) (ví dụ, giám sát
môi trường), các nút truyền dữ liệu cảm biến thu thập được của nó định kỳ tới trung
tâm điều khiển Trong các ứng dụng tác động theo sự kiện (event-driven) (ví dụ,
phát hiện các đám cháy), các nút chỉ báo cáo thông tin thu thập khi có các sự kiện
quan tâm xảy ra Tóm lại, trong các ứng dụng tác động theo yêu cầu, vai trò của
trung tâm điều khiển là yêu cầu dữ liệu từ các cảm biến khi cần Liên quan đến ứng
dụng được sử dụng trong mạng, thiết kế giao thức định tuyến bị tác động bởi nguồn
tài nguyên có thể sử dụng trong mạng và đòi hỏi của ứng dụng Xét cho cùng, các
thước đo việc định tuyến được sử dụng để diễn đạt sự đa dạng các mục tiêu của giao
thức định tuyến tương ứng với sự tiêu thụ các nguồn tài nguyên hay hiệu suất của
ứng dụng thu được
2.2.1.1 Số chặng tối thiểu (Minimum Hop)
Thước đo thường được sử dụng nhất trong các giao thức định tuyến là số
chặng tối thiểu (hay chặng ngắn nhất), nghĩa là, giao thức định tuyến cố gắng tìm ra
đường từ nút phát đến đích yêu cầu số lượng các nút chuyển tiếp nhỏ nhất Trong kỹ
thuật đơn giản này, mọi liên kết là giống nhau về chi phí và một giao thức định
tuyến theo số chặng tối thiểu lựa chọn đường tối thiểu tổng chi phí truyền dữ liệu từ
nguồn tới đích Ý tưởng cơ bản của thước đo này là sử dụng đường ngắn nhất sẽ
dẫn đến các trễ truyền đầu-cuối thấp nhất và tiêu thụ tài nguyên thấp nhất, bởi vì chỉ
có một lượng nhỏ nhất có thể các nút tham gia Tuy nhiên, vì các giải thuật này
không xem xét khả năng cho phép tài nguyên thực tế trên từng nút, dẫn đến tuyến
truyền thông có thể không tối ưu về độ trễ, năng lượng và tránh tắc nghẽn Thước
đo số chặng tối thiểu đang được sử dụng trong nhiều giao thức định tuyến do tính
đơn giản của nó
Formatted: Level 2 Formatted: Level 3
Trang 30Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
2.2.1.2 Năng lượng
Một yếu tố quyết định nhất không thể nghi ngờ của việc định tuyến trong
WSNs là hiệu suất năng lượng Tuy nhiên, không chỉ một thước đo duy nhất có thể
được áp dụng cho vấn đề định tuyến; thay vào đó, có rất nhiều mô tả đa dạng khác
nhau về hiệu suất năng lượng [(Singh et al 1998]) bao gồm:
1 Năng lượng tối thiểu tiêu thụ cho mỗi gói tin: Đây là định nghĩa tự nhiên nhất về
hiệu suất năng lượng, nghĩa là mục tiêu là tối thiểu hoá tổng năng lượng được sử
dụng cho việc truyền các gói dữ liệu đơn từ nguồn tới đích Tổng năng lượng khi đó
bằng tổng của năng lượng tiêu thụ bởi từng nút dọc theo tuyến truyền thông để nhận
và truyền gói dữ liệu Hình 2.3 thể hiện một ví dụ một mạng cảm biến nhỏ, trong đó
nút nguồn mong muốn truyền gói dữ liệu tới một nút đích sử dụng một tuyến tối
thiểu hoá các tiêu đề năng lượng gói Số trên mỗi liên kết biểu thị chi phí của việc
truyền dữ liệu thông qua liên kết đó Kết quả là, gói dữ liệu sẽ được truyền thông
qua các nút A-D-G (với tổng chi phí là 5) Lưu ý là tuyến này khác với tuyến có số
chặng tối thiểu (B-G)
2 Thời gian tối đa cho các thành phần mạng: Một mạng được phân chia thành
nhiều mạng con nhỏ hơn khi nút cuối cùng liên kết với hai phần của mạng hết thời
gian sử dụng hoặc hỏng Kết quả là, một mạng con không thể được liên lạc tới, trừ
khi các nút cảm biến trong mạng con tổ chức lại Do đó, thách thức giảm tiêu thụ
năng lượng trên các nút là quyết định để duy trì mạng trong đó mỗi nút cảm biến có
thể được liên lạc thông qua ít nhất một tuyến Ví dụ, một tập các nút nhỏ nhất mà sự
xoá bỏ nó sẽ chia mạng thành các phần, có thu được nhờ sử dụng quy tắc dòng lớn
nhất chia cắt nhỏ nhất (max-flow-min-cut) Khi một giao thức định tuyến đã nhận
dạng các nút quyết định này, nó có thể cố gắng cân bằng lưu lượng truyền để ngăn
chặn sự hỏng sớm của các nút này Trên Hình 2.3, nút D là một nút như vậy, ví dụ,
nếu năng lượng của nút D bị cạn kiệt, nút F, I và J có thể không thể được liên lạc tới
từ bất kỳ nút nào khác trong mạng
Trang 31Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Hình 2.3 So sánh các lựa chọn sử dụng các thước đo năng lượng khác nhau
3 Sự khác biệt nhỏ nhất trong các mức năng lượng nút: Trong kịch bản này, tất cả
các nút trong mạng được xem xét quan trọng ngang nhau và thách thức là phân bổ
năng lượng tiêu thụ đều nhất có thể trên tất cả các nút Mục tiêu của cách tiếp cận
này có thể tối đa hoá thời gian sống của toàn mạng, ví dụ, thay vì để cho một số nút
hết thời gian sử dụng sớm hơn các nút khác và từ đó liên tục giảm kích thước mạng,
có thể hướng tới kéo dài càng nhiều nút sống càng tốt Trong trường hợp lý tưởng
(không phải trong thực tế), tất cả các nút có thể hết thời gian sử dụng tại cùng một
thời gian
4 Dung lượng năng lượng (trung bình) lớn nhất: Trong phương pháp tiếp cận này,
không tập trung nhiều tới chi phí năng lượng truyền một gói tin, thay vào đó là dung
lượng năng lượng (nghĩa là mức năng lượng hiện tại) của các nút Một giao thức
định tuyến sử dụng thước đo này khi đó sẽ ưu tiên các tuyến có tổng dung lượng
năng lượng tiêu thụ lớn nhất từ nguồn tới đích Trên Hình 2.3, số trong dấu ngoặc
đơn dưới các nút biểu thị dung lượng năng lượng còn lại của các nút Trong ví dụ
này, giao thức định tuyến có thể lựa chọn đường dẫn C-E-G có dung lượng tổng lớn
nhất (nghĩa là 8) Một giao thức định tuyến sử dụng thước đo này phải được thiết kế
cẩn thận để tránh hố bẫy do việc lựa chọn các tuyến dài không cần thiết để tối đa
hoá tổng dung lượng năng lượng Một biến thể của thước đo này là tối đa hoá dung
lượng năng lượng trung bình để tránh vấn đề hố bẫy nêu trên
Trang 32Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
5 Dung lượng năng lượng tối thiểu lớn nhất: Sau cùng, thay vì tối đa hoá dung
lượng năn lượng của toàn bộ tuyến, mục tiêu chính của định tuyến có thể là lựa
chọn tuyến với dung lượng năng lượng tối thiểu lớn nhất Kỹ thuật này cũng ưu tiên
các tuyến với năng lượng dữ trữ lớn hơn, nhưng cũng bảo vệ các nút có dung lượng
thấp khỏi hết thời gian sử dụng sớm Trên Hình 2.3, một giao thức sử dụng thước
đo này có thể chọn B-G, vì dung lượng tối thiểu dọc theo tuyến này là 2 nhỏ hơn
các dung lượng tối thiểu của tất cả các tuyến có thể khác
Các công thức năng lượng khác nhau này hướng đến các mục tiêu năng
lượng khác nhau tạo ra việc thực thi rất khác nhau của các giao thức dẫn đến kết
quả (nghĩa là các tuyến) và các tiêu đề sử dụng của chúng rất khác nhau Ví dụ, để
quyết định năng lượng tối thiểu tiêu thụ cho mỗi gói tin, chi phí cho việc nhận và
truyền một gói tin có thể dựa trên một hàm chi phí với kích thước gói tin đầu vào
Mặt khác, các dung lượng năng lượng thay đổi theo thời gian và do đó giao thức
định tuyến sử dụng thước đo dựa trên dung lượng năng lượng cần phải nhận được
cập nhật theo thời gian thông tin về dung lượng năng lượng từ các nút khác
2.2.1.3 Chất lượng của dịch vụ (QoS)
Thuật ngữ QoS liên quan đến các phép đo được định nghĩa theo đặc tính trong các
mạng bao gồm trễ đầu-cuối và quá trình đưa dữ liệu vào, bao gồm cả các đấu nối
(đa dạng về trễ) và sự mất gói dữ liệu (hoặc tỉ lệ lỗi) Sự lựa chọn thước đo QoS phụ
thuộc vào loại ứng dụng Các mạng cảm biến thực hiện mục tiêu dò tìm và giám sát
sẽ yêu cầu các trễ truyền dẫn đầu-cuối thấp hơn cho dữ liệu cảm biến cảm nhận theo
thời gian (time-sensitive), trong khi các mạng chú trọng đến dữ liệu (data-intensive)
(ví dụ, các mạng cảm biến đa phương tiện) có thể yêu cầu cao về quá trình đưa dữ
liệu vào Thời gian truyền dẫn mong muốn (ETT-Expected Transmission Time) là
một thước đo thông dụng để thể hiện trễ và được định nghĩa [(Draves et al 2004)]:
B
S ETX ETT= ×
(2.1)
Formatted: Level 3
Formatted: Not Highlight
Trang 33Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Trong đó, S là kích thước trung bình của gói tin và B là độ rộng băng tần liên
kết Nó biểu thị thời gian mong muốn cần thiết để truyền thành công một gói tin tại
lớp điều khiển truy nhập Để thu được sự mất gói tin như là một thước đo việc định
tuyến, số đếm truyền dẫn mong muốn (ETX-Expected Transmission Count) có thể
được sử dụng và được định nghĩa là số truyền dẫn cần thiết để chuyển thành công
một gói tin thông qua các liên kết không dây ([Couto et al 2003]) Nhiều các thước
đo QoS thường được kết hợp (ví dụ, trễ đầu cuối và tỉ lệ mất gói), ví dụ, kết quả trễ
độ rộng băng tần (bandwidth-delay) liên quan đến độ rộng băng tần và trễ đầu-cuối
của nó Thước đo nào được chọn ảnh hưởng đến thiết kế mạng với các mức độ khác
nhau, bao gồm lớp mạng (định tuyến) và lớp điều khiển truy nhập Hầu hết WSNs
phải cố gắng cân bằng giữa việc thoả mãn các yêu cầu QoS cụ thể của ứng dụng và
mục tiêu về hiệu quả năng lượng trong toàn mạng
2.2.1.4 Sự bền vững
Nhiều ứng dụng cảm biến có thể mong muốn sử dụng các tuyến duy trì ổn
định và tin cậy trong các khoảng thời gian dài Suy cho cùng, một nút có thể đo
hoặc ước lượng chất lượng liên kết tới từng nút lân cận nó và sau đó lựa chọn các
nút lân cận tiếp theo tăng xác xuất truyền dẫn thành công Tuy nhiên, thước đo này
hiếm khi được sử dụng một mình Một giao thức định tuyến có thể nhận dạng nhiều
tuyến có số chặng tối thiểu và sau đó chọn một tuyến với tổng cao nhất hoặc chất
lượng đường liên kết dọc theo các tuyến này Trong các mạng với các nút di động,
một giao thức định tuyến cũng có thể sử dụng thước đo sự ổn định liên kết (link
stability) đo khả năng hoạt động được của liên kết trong tương lai Các thước đo này
có thể được sử dụng để ưu tiên sự lựa chọn tuyến hướng tới các tuyến bền vững hơn
và các nút không di động
Formatted: Level 3
Trang 34Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
2.3 Giao thức định tuyến Flooding và Gossiping
Một chiến lược khá cũ, đơn giản để phát tán thông tin trong mạng hoặc liên
lạc tới một nút không biết vị trí là phát tán toàn bộ mạng Một nút nguồn phát
rộngquảng bá gói tin tới các nút lân cận nó, các nút này sẽ lặp lại quá trình này bằng
các phát lại các gói tin cho các nút lân cận chính nó cho tới khi tất cả các nút đã
nhận được các gói tin hoặc gói tin đã được chuyển tiếp một số lượng tối đa các
chặng (hop) Với flooding, nếu tồn tại tuyến tới đích (và giả thiết không có sự mất
mát truyền thông), đích được đảm bảo luôn nhận được dữ liệu Ưu điểm chính của
giao thức này là tính đơn giản, trong khi nhược điểm của nó là lưu lượng lớn Do
đó, các tính toán phải đảm bảo rằng các gói không được phép truyền vô thời hạn
trong mạng Ví dụ, các biến đếm số chặng tối thiểu cần được sử dụng để giới hạn số
lần một gói tin được chuyển tiếp Nó cần được thiết đặt đủ lớn để mọi nút đích dự
định có thể nhận được gói tin, nhưng cũng đủ nhỏ để đảm bảo các gói không được
chuyển tiếp quá dài trong mạng Ngoài ra, chuỗi các số trong các gói (kết hợp với
địa chỉ của nguồn) có thể được sử dụng để nhận dạng một gói duy nhất Khi một nút
nhận một gói mà nó đã chuyển tiếp (nghĩa là với cùng cặp đích-nguồn và cùng
chuỗi số), nó đơn giản là huỷ bản sao này Tuy nhiên, ngay cả với các cơ chế này,
flooding vẫn đối mặt với một số các thách thức khác [(Heinzelman et al 1999)] như
sau:
1 Gói tin kép (implosion): Một nút nhận một gói tin chuyển tiếp gói tin này tới toàn
bộ các nút lân cận của nó sử dụng broad-casting, không quan tâm đến liệu các nút
lân cận có nhận được gói tin này từ các nút lân cận khác hay không Điều này dẫn
tới lãng phí tài nguyên do các hoạt động truyền-nhận không cần thiết Bên trái Hình
2.4 thể hiện vấn đề này Nút A broadcast gói P1 tới cả hai lân cận của nó, B và C B
chuyển tiếp gói này tới nút lân cận D của nó và sau cùng, C cũng chuyển tiếp gói tin
này tới nút D Ngay cả nếu D huỷ bản sao gói tin dư thừa, năng lượng bị lãng phí
trong khi truyền gói tin từ C đến D
Formatted: Not Highlight
Trang 35Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
2 Sự trùng lặp thông tin (Overlap): Các cảm biến thường được sử dụng để giám sát
các vùng diện tích có thông tin trùng lặp, như được thể hiện bên phải Hình 2.4 Ở
đây, các cảm biến A và B chia sẻ cùng một vùng được đánh dấu là Y Do đó, các
nút cảm biến này thu thập các thông tin trùng lặp và cả hai chuyển thông tin nó thu
thập được tới nút lân cận C Tương tự với vấn đề gói tin kép nêu trên, điều này cũng
dẫn tới lãng phí tài nguyên vì thông tin giống nhau được gửi hai lần tới cùng một
nút thu Không giống như vấn đề trùng lặp gói tin, vấn đề về sự trùng lặp thông tin
khó để xác định hơn, bởi vì giải pháp cho vấn đề này không chỉ cần xem xét kiến
trúc mạng cảm biến mà còn phải bản đồ hoá các cảm biến thu thập thông tin cho các
nút cảm biến
3 Sự “mù” tài nguyên (Resource Blindness): Do tính đơn giản của giao thức cũng
có nghĩa là flooding không nhận định được các điều kiện ràng buộc về tài nguyên
của các nút riêng lẻ Kết quả là flooding không thể làm thuộc tính của nó thích nghi
khi dựa trên mức năng lượng cho phép với từng nút cụ thể
Hình 2.4 Vấn đề gói tin kép (trái) và trùng lặp thông tin (phải)
Một biến thể của flooding là gossiping ([Hedetniemi et al 1998]), trong đó
một nút không cần phát rộngquảng bá dữ liệu Thay vào đó, nó sử dụng giải thuật
dựa trên xác xuất, trong đó quyết định chuyển tiếp dữ liệu tới các nút lân cận với
một xác xuất p và huỷ dữ liệu với xác xuất 1-p Vì thế có thể giảm lưu lượng và bảo
toàn được năng lượng bằng sự ngẫu nhiên hoá Tuy nhiên, nó chỉ khắc phục được
vấn đề gói tin kép của flooding và không khắc phục được các vấn đề về trùng lặp
thông tin và “mù” năng lượng Với gossiping, có khả năng việc chuyển dữ liệu cảm
Trang 36Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
biến bị lỗi khi, ví dụ, một nút chỉ có một nút lân cận quyết định không chuyển tiếp
dữ liệu tới nút đó Nếu một xác xuất cao cho việc chuyển tiếp được chọn, kết quả là
lượng các bản tin sẽ cao (với xác xuất bằng 1 gossiping giống với flooding), từ đó
hạn chế ưu điểm của gossiping Mặt khác, nếu xác xuất thấp, tiêu đề có thể giảm
nhỏ hơn đáng kể, nhưng xác xuất để chuyển dữ liệu không thành công sẽ tăng
Các giao thức cảm biến cho thông tin dựa trên đàm phán ([Kulik et al 2002])
là một họ các giao thức dựa trên sự đàm phán giữa các nút, dữ liệu trung tâm
(data-centric), và tác động theo thời gian (time-driven) Tuy nhiên, để khắc phục các
nhược điểm của flooding, SPIN dựa vào hai kỹ thuật chính Để khắc phục vấn đề
gói tin kép và trùng lặp thông tin, các nút SPIN đàm phán với lân cận của nó trước
khi truyền dữ liệu, cho phép chúng tránh việc truyền thông không cần thiết Để khắc
phục vấn đề “mù” tài nguyên, mỗi nút SPIN sử dụng một bộ quản lý tài nguyên để
giám sát sự tiêu thụ tài nguyên thực tế, cho phép chúng làm thích nghi thuộc tính
định tuyến và truyền thông dựa trên khả năng cho phép về tài nguyên
SPIN sử dụng siêu dữ liệu (meta-data) để mô tả ngắn gọn và toàn diện dữ
liệu thu thập từ các nút cảm biến Để đảm bảo siêu dữ liệu hữu dụng cho SPIN, một
yêu cầu chính đó là nếu x mô tả siêu dữ liệu cho một số thông tin cảm biến X, kích
thước của x (bytes) phải nhỏ hơn kích thước của X Ngoài ra, hai mẫu giống hệt
nhau của dữ liệu cảm biến phải có cùng một đại diện siêu dữ liệu Tương tự như
vậy, nếu hai mẫu dữ liệu cảm biến khác nhau siêu dữ liệu đại diện cũng phải khác
nhau Sự biên dịch thực tế từ dữ liệu cảm biến sang siêu dữ liệu là ứng dụng cụ thể
và SPIN dựa trên từng ứng dụng để thể hiện rõ và tổng hợp siêu dữ liệu của riêng
nó Ví dụ, một cảm biến quay phim có thể sử dụng (x, y, θ) làm siêu dữ liệu, trong
đó (x, y) là toạ độ địa lý và θ là hướng
Một ví dụ điểm hình cho họ các giao thức này chính là SPIN-PP, nó được lựa
chọn cho các mạng sử dụng phương tiện truyền dẫn điểm-điểm, trong đó hai nút có
thể truyền thông riêng biệt giữa từng nút với nhau mà không có nhiễu từ các nút
Formatted: Level 1
Trang 37Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
khác Trong SPIN-PP, dữ liệu được phát tán theo ba bước nhờ giao thức bắt tay 3
bước (Hình 2.5) Đầu tiên, khi dữ liệu mới chuyển tới, một nút quảng bá sự kiện này
sử dụng bản tin quảng cáo ADV tới các nút lân cận bằng siêu dữ liệu Dựa trên việc
nhận được một quảng cáo, một nút kiểm tra xem liệu nó đã nhận được dữ liệu cảm
biến theo mô tả rồi hay chưa Nếu chưa, nút này đáp ứng với một bản tin yêu cầu dữ
liệu REQ, biểu thị nó mong muốn nhận dữ liệu được quảng cáo Sau cùng, nút phát
đáp ứng bản tin REQ với bản tin DATA chứa dữ liệu được quảng cáo
Hình 2.5 Giao thức SPIN-PP: (a) quảng cáo, (b) yêu cầu, và (c) truyền dữ liệu
Như được thể hiện trên Hình 2.5(b), chỉ các nút chưa nhận được một bản sao
của dữ liệu được quảng cáo đáp ứng một bản tin ADV Ngoài ra, dựa trên việc nhận
bản tin DATA từ A, các nút B và D có thể tập hợp dữ liệu này với dữ liệu của bản
thân chúng và quảng bá tới các nút lân cận Điểm mạnh chính của giao thức này là
sự đơn giản và các nút chỉ cần biết một chặng đơn tới nút lân cận của nó để chạy
giao thức Trong khi giao thức này đã được thiết kế cho các môi trường không có sự
mất các liên kết truyền thông đối xứng, các nút có thể bù các bản tin ADV bị mất
nhờ định kỳ quảng bá lại dữ liệu của nó và cho các bản tin REQ và DATA bị mất
nhờ yêu cầu lại dữ liệu quan tâm nếu các dữ liệu này chưa đến khi hết các khoảng
thời gian xác định Một phương án khác, giao thức có thể được thay đổi để sử dụng
các hành động rõ ràng Ví dụ, các bản tin REQ có thể chứa các danh sách dữ liệu
xác định mà một nút muốn hoặc không muốn nhận Dựa trên danh sách, một nút có
thể nhận dạng nếu quảng cáo trước đó đã được nhận thành công bởi nút lân cận
Trang 38Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Các giao thức định tuyến chủ động (hay định tuyến theo bảng: table-driven)
thiết lập các tuyến trước khi chúng được cần đến trong thực tế Ưu điểm chính của
cách tiếp cận này là các tuyến có sẵn bất kỳ khi nào cần đến chúng và không có trễ
phát sinh để dò tìm các tuyến ví dụ như trong các giao thức định tuyến dựa trên yêu
cầu Nhược điểm chính là các tiêu đề liên quan trong việc xây dựng và duy trì một
lượng rất lớn các bảng định tuyến tiềm năng và các thông tin cũ trong các bảng này
có thể dẫn tới các lỗi định tuyến
Một ví dụ về giao thức chủ động là định tuyến theo trạng thái liên kết tối ưu
(OLSR) ([Clausen et al 2001]), dựa trên giải thuật trạng thái liên kết Trong giao
thức này, các nút phát rộngquảng bá thông tin kiến trúc mạng được cập nhật theo
định kỳ tới tất của các nút khác trong mạng, cho phép chúng nhận được một bản đồ
kiến trúc mạng hoàn chỉnh và ngay lúc đó quyết định các tuyến tới bất kỳ đích nào
trong mạng
Mọi nút trong OLSR sử dụng việc cảm nhận nút lân cận để nhận dạng các
lân cận của nó và dò ra các thay đổi đối với các nút trong vùng lân cận Tiếp đó,
một nút broadcast định kỳ bản tin HELLO bao gồm nhận dạng nút (địa chỉ) và danh
sách tất cả các nút lân cận đã biết Với từng nút lân cận, danh sách này cũng biểu thị
liệu liên kết giữa nút này và nút lân cận có đối xứng hay không (cả hai có thể nhận
các bản tin từ nút còn lại) Bằng cách thu thập các bản tin HELLO của nút lân cận,
một nút có thể quyết định thông tin về các nút ở trong phạm vi hai chặng (two-hop)
Để thu được thông tin toàn mạng, thông tin kiến trúc mạng phải được phát tán trên
toàn bộ mạng So với giao thức flooding, OLSR dựa trên các nút chuyển tiếp đa
điểm (MPRs: multipoint relays) để cung cấp một cách hiệu quả hơn cho việc phát
tán ví dụ như điều khiển thông tin Nghĩa là, một nút lựa chọn một bộ các nút lân
cận đối xứng làm MPRs, được gọi là bộ lựa chọn MPR Chỉ MPRs chuyển tiếp các
bản tin tới các nút, điều này làm giảm đáng kể truyền dẫn các bản sao Khái niệm
này được thể hiện trên Hình 2.6, được so sánh với giao thức flooding
Trang 39Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
Hình 2.6 So sánh (a) giao thức flooding và (b) MPR-based OLSR
Tất cả các nút lựa chọn MPRs của chúng một cách độc lập, nhiều giải thuật
và cách tìm kiếm khác nhau được sử dụng Ví dụ, một nút có thể quyết định các nút
trong phạm vi hai chặng của nó thông qua các bản tin HELLO nhận được và khi đó
có thể tính toán một bộ các nút lân cận trong một chặng (one-hop) tối thiểu cần thiết
để liên lạc được với tất cả các nút trong phạm vi hai chặng Các nút này khi đó được
chọn làm MPRs và thông báo vai trò mới của chúng sử dụng các bản tin HELLO
OLSR không thông báo tất cả các nút khác về tất cả lân cận của nó, thay vào
đó, các bản tin điều khiển (các mà sẽ được chuyển tiếp thông qua MPRs của nó) bao
gồm các địa chỉ của MPRs Một cách hiệu quả, nút thông báo khả năng liên lạc tới
tất của MPRs của nó và khi đó tất cả các nút lựa chọn một bộ MPR Khả năng liên
lạc tới tất cả các nút sẽ được thông báo trên toàn mạng Do đó, từng nút sẽ nhận
được một phần bản đồ kiến trúc mạng, có thể được sử dụng để quyết định các tuyến
tối ưu (ví dụ, sử dụng giải thuật đường đi ngắn nhất) tới tất cả các đích có thể liên
lạc được trong mạng
2.6 Định tuyến dựa trên nhu cầu (On-Demand Routing)
So với các giao thức định tuyến chủ động, các giao thức có tương tác không
dò tìm và duy trì các tuyến cho tới khi chúng thực sự yêu cầu và sử dụng Một nút
nguồn biết nhận dạng hoặc địa chỉ của nút đích, khởi tạo một quá trình dò tìm tuyến
Formatted: Level 1
Trang 40Formatted: Tab stops: 3.52", Left + Not at 3" + 6"
trong mạng, hoàn thành khi ít nhận một tuyến được tìm thấy hoặc khi tất cả các
tuyến có thể được khảo sát Một tuyến khi đó được duy trì cho tới khi nó bị hỏng
hoặc nút nguồn không còn cần dùng nữa
2.6.1 Vectơ khoảng cách dựa trên nhu cầu tuỳ ý (AODV)
Một ví dụ về giao thức dựa trên nhu cầu hay có tương tác là giao thức
AODV ([Perkins and và Royer 1999]) Không giống như OLSR, các nút không duy
trì bất kỳ một thông tin định tuyến nào hay tham gia trong quá trình trao đổi bảng
định tuyến định kỳ AODV dựa trên cơ cấu broadcast dò tìm tuyến, được sử dụng
để thiết lập các bảng định tuyến động tại các nút trung gian
Quá trình dò tìm tuyến của AODV được khởi tạo bất kỳ khi nào một nút
nguồn cần truyền dữ liệu tới một nút khác với các nút nguồn không có thông tin
định tuyến trong bảng của nó Tiếp đó, nút nguồn broadcast một gói tin yêu cầu
định tuyến RREQ tới các nút lân cận của nó bao gồm các địa chỉ của nguồn và đích,
một biến đếm các chặng, ID phát rộngquảng bá, và hai chuỗi các số ID phát
sánh với địa chỉ của nguồn để nhận dạng duy nhất một RREQ Dựa trên việc nhận
một gói tin RREQ, một nút thu nhận được tuyến hiện tại khi nút đích cụ thể đáp ứng
bằng cách gửi một bản tin trả lời RREP quay trở lại trực tiếp tới nút lân cận mà nó
nhận được bản tin RREQ từ nút đó Mặt khác, RREQ được phát rộngquảng bá lại
tới các nút lân cận trung gian Một bản sao RREQ (được nhận dạng nhờ địa chỉ nút
nguồn và ID phát rộngquảng bá) sẽ bị huỷ bỏ
Từng nút trong mạng duy trì chuỗi số của bản thân nó Một nút nguồn đưa ra
một gói tin RREQ cũng bao gồm chuỗi số của nó và chuỗi số gần hiện tại nhất nó
có đối với nút đích Do đó, các nút trung gian phản hồi một RREQ chỉ khi chuỗi số
trong tuyến của chúng tới nút đích lớn hơn hoặc bằng với chuỗi số của đích cụ thể
trong gói tin RREQ Khi một RREQ được phát rộngquảng bá lại, các nút trung gian
ghi nhận địa chỉ của nút lân cận mà nó nhận được RREQ từ đó, nhờ đó thiết lập một
tuyến ngược lại từ đích tới nguồn Khi RREP truyền ngược lại tới nút nguồn, mỗi
Formatted: Level 2
Formatted: Not Highlight