Nghiên cứu giải thuật phân tuyến cân bằng năng lượng mạng WSN

Trong luận văn này, em sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các giao thức cũng như các giao thức định tuyến thường được sử dụng, sử dụng phần mềm mô phỏng mạng để đánh giá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN CÂN BẰNG

NĂNG LƯỢNG MẠNG WSN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VƯƠNG ĐẠO VY

HÀ NỘI – 2014

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn tốt nghiệp là kết quả của việc nghiên cứu và thực hiện của cá nhân tôi, không sao chép bất cứ nội dung văn bản của tác giả nào Các tài liệu tham khảo được liệt kê đầy đủ và trích dẫn rõ ràng

Đỗ Tuấn Anh

Lời nói đầu

Với những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã đặt sự chú ý lớn hơn đến những mạng gồm các cảm biến giá thành

rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng Ngày nay, người ta đang tập trung xây dựng các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày Mạng cảm biến được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh Tuy nhiên hiện nay, mạng cảm biến không dây đang gặp phải nhiều khó khăn, thách thức, một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây là nguồn năng lượng hạn chế và thường không thể nạp lại Do đó có khá nhiền nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong tương lai, các ứng dụng của mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống con người

Trong luận văn này, em sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các giao thức cũng như các giao thức định tuyến thường được sử dụng, sử dụng phần mềm

mô phỏng mạng để đánh giá giao thức LEACH, đề xuất giải pháp mới giúp tăng hiệu quả

sử dụng giao thức giúp kéo dài thời gian sử dụng của mạng cảm biến không dây

Luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Chương 3: Mô phỏng giao thức định tuyến LEACH

Chương 4: Tổng kết

Để có thể hoàn thành luận văn này, em đã được học hỏi những kiến thức quý giá của các thầy cô, bạn bè trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Em xin trân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Vương Đạo Vy – Khoa Điện tử Viễn Thông – Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Cuối cùng em xin cảm

ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Hà Nội, tháng 4 năm 2014

Đỗ Tuấn Anh

MỤC LỤC

Lời nói đầu Error! Bookmark not defined Danh sách hình vẽ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not

defined

1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cấu trúc node mạng Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.3.1 Khả năng chịu lỗi: Error! Bookmark not defined 1.3.2 Khả năng mở rộng: Error! Bookmark not defined 1.3.3 Chi phí sản xuất: Error! Bookmark not defined 1.3.4 Phần cứng: Error! Bookmark not defined 1.3.5 Môi trường hoạt động: Error! Bookmark not defined 1.3.6 Tiêu thụ năng lượng: Error! Bookmark not defined 1.3.7 Tính bảo mật: Error! Bookmark not defined 1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not

defined

2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 2.2 Các vấn đề cần lưu ý đối với giao thức định tuyến Error! Bookmark not defined 2.2.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến Error!

Bookmark not defined

2.2.2 Tài nguyên hạn chế Error! Bookmark not defined 2.2.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not

defined

2.2.4 Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not

defined

2.3 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG GIAO THỨC LEACH Error! Bookmark not defined

3.1 NS2 Error! Bookmark not defined 3.1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 3.1.2 Kiến trúc NS2 Error! Bookmark not defined 3.1.3 C++ và Otcl Error! Bookmark not defined 3.1.4 Các đặc tính của NS-2 Error! Bookmark not defined 3.2 Lý thuyết về LEACH Error! Bookmark not defined 3.3 Mô phỏng mạng cảm biến không dây trên NS-2 Error! Bookmark not defined 3.3.1 Bài toán mô phỏng Error! Bookmark not defined 3.3.2 Cấu trúc phần mềm Error! Bookmark not defined 3.3.3 Mô phỏng Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 4 TỔNG KẾT Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

Danh sách hình vẽ

Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến

Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Hình 1.3 Cấu trúc phẳng

Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp

Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Hình 2.1 Hiện tượng bản tin kép

Hình 2.2 Hiện tượng chồng chéo

Hình 2.3 Cơ chế của SPIN

Hình 2.4 Các pha trong Directed Diffusion

Hình 2.5 Chuỗi trong PEGASIS

Hình 2.6 Ví dụ về lưới ảo trong GAF

Hình 3.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng

Hình 3.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS

Hình 3.3: Kiến trúc của NS-2

Hình 3.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu

Hình 3.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B

Hình 3.6 Giao thức LEACH

Hình 3.7 Time-line hoạt động của LEACH

Hình 3.8 Giải thuật hình thành cluster trong LEACH

Hình 3.9 Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau (nút đen là nút chủ)

Hình 3.10 Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái

Hình 3.11 Hoạt động của pha ổn định trong LEACH

Hình 3.12 Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng

Hình 3.13 Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng

Hình 3.14 Đồ thị so sánh năng lượng sử dụng khi có và không có tổng hợp dữ liệu cục bộ Hình 3.15 Mô hình cấu trúc phần mềm xây dựng trên NS-2

Hình 3.16 Mô hình mạng

Hình 3.17 Số node sống giảm theo thời gian

Hình 3.18 Đồ thị thay đổi vị trí trạm cơ sở

Hình 3.19 Đồ thị thay đổi số node trong mạng

Hình 3.20 Đồ thị thay đổi năng lượng ban đầu của node mạng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chương mở đầu này sẽ giới thiệu chung nhất về mạng cảm biến không dây cũng như các thành phần của mạng, cấu trúc của 1 node mạng, các yếu tố cần xem xét khi nghiên cứu về mạng cảm biến cũng như các ứng dụng thực tiễn vô cùng hữu ích trong nhiều lĩnh vực cuộc sống của mạng cảm biến không dây Ngoài ra cũng sẽ đề cập đến một số khó khăn, thách thức cần cải thiện của mạng để đáp ứng tốt hơn với nhu cầu càng ngày càng cao của con người

1.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây có 2 chức năng quan trọng là: mạng và cảm nhận

Mạng cảm biến không dây gồm các node liên kết với nhau bằng sóng vô tuyến với các node thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có khả năng cảm nhận thông tin từ môi trường tùy thuộc yêu cầu, giá thành thấp Mạng thường có số node mạng lớn, được phân

bố trên một diện tích nhất định, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường là pin), có thời gian duy trì từ vài tháng đến vài năm, có thể được triển khải ở những môi trường khắc nghiệt nhằm nhiệm vụ giám sát, cảnh báo

Các node mạng có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt

độ, độ ẩm, ánh sáng , định vị, theo dõi, thông báo các thông tin về mục tiêu cần giám sát Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm trung tâm để xử lý thông tin Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây là mạng được triển khai với số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có nguồn năng lượng hạn chế, có khả năng cảm nhận, tính toán và thông tin liên lạc với các thiết bị khác nhằm mục đích phát hiện, giám sát, điều khiển trong môi trường nhất định

Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:

 Có khả năng tự tổ chức, tự vận hành

 Truyền thông tin quảng bá trong phạm vi nhất định

 Triển khai với mật độ nhất định tùy thuộc yêu cầu và có khả năng kết nối giữa các node cảm biến

 Cấu hình mạng có thể thay đổi định kỳ tùy thuộc vào sự suy giảm các node còn sống

 Có giới hạn về mặt năng lượng, công suất, bộ nhớ, phạm vi thu phát

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.1 Cấu trúc node mạng

Để xây dựng nên mạng cảm biến không dây trước hết phải chế tạo và phát triển các node mạng cảm biến giúp cấu thành nên mạng Các node phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo mục đích sử dụng cụ thể: Các node phải có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả, có các thiết bị cảm biến có độ tin cậy cao, có khả năng tính toán và có bộ nhớ lưu trữ đáp ứng đủ yêu cầu, phải có khả năng thu phát sóng vô tuyến để thông tin liên lạc với các node khác và trạm cơ sở Mỗi node cảm biến được cấu thành bởi 4 phần cơ bản: bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý( a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn ( a power unit) Ngoài ra còn có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc ứng dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn ( a power generator) và bộ phận di dộng (mobilizer)

Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến

 Các bộ phận cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC)

 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

 Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ nhất định

 Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các node lân cận tới các node khác hoặc tới base station

 Một trong số các phần quan trọng nhất của một node mạng cảm biến là bộ nguồn

Bộ nguồn thường là một số loại pin có năng lượng hạn chế Để các node có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó nên có khả năng nạp điện từ môi trường như

là năng lượng ánh sáng 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 Vì vậy cần phải có các bộ định vị Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó

1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây

1.2.2.1 Cấu trúc mạng

Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của toàn mạng Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần đáp ứng những yếu tố kĩ thuật như:

 Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính thì giao tiếp trực tiếp giữa 2 node mạng sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hoặc vật cản Đặc biệt là khi node phát và node thu cách nhau càng xa thì càng cần công suất càng lớn

Vì vậy cần có các node trung gian để làm node chuyển tiếp làm giảm công suất tổng thể Do đó các mạng cảm biến không dây cần dùng giao tiếp multihop

 Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của toàn mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây

 Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động Chẳng hạn như các node có thể tự xác định vị trí của nó thông qua các node khác

 Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node cảm biến không thu thập đủ dữ liệu cần phải có nhiều node cùng tham gia cộng tác hoạt động để thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node tự thu thập dữ liệu rồi gửi ngay

dữ liệu đó đến trạm cơ sở thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều node trong 1 phân vùng nhất định, xử lý sơ bộ sau đó mới gửi tới trạm cơ sở giúp tiết kiệm băng thông và năng lượng tiêu thụ

Do đó, cấu trúc mạng mới cần thiết kế thỏa mãn các yêu cầu như:

 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 node lân cận nhau

Các node cảm biến được phân bố trong 1 vùng cảm biến như hình dưới Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm cơ sở Dữ liệu được định tuyến lại đến trạm cơ sở bởi cấu trúc đa điểm Các trạm cơ sở có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây

a, Cấu trúc phẳng (flat architecture)

Hình 1.3 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ chuyển tiếp Với phạm vi truyền cố định, các node gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lượng lớn nguồn tiêu thụ Giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng 1 tần số để truyền dữ liệu, vì vậy cần 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 hoặc tần số

b, Cấu trúc phân cấp (tiered architecture)

Trong cấu trúc phân cấp, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc vào kích thước của cụm đến node định sẵn, thường là node chủ (cluster head) Trong cấu trúc này các node tạo thành một

hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi node ở 1 mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã được định sẵn

Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp

Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các node Những chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng phân phối dữ liệu

Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Các nhiệm vụ xác định có thể được phân 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 cảm biến ở cấp thấp nhất đóng vài trò là bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi

tín hiệu, trong đó các node ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này và thực hiện các chức năng như tính toán, phân phối dữ liệu

Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn mạng cấu trúc phẳng bởi các lý do sau:

 Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí 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 node chỉ cần 1 lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ Vì số lượng các node cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng nhất định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không quá cao Thay vào đó, nếu số lượng lớn các node có chi phí thấp được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ, chi phí toàn mạng

sẽ giảm xuống

 Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng Khi cần tính toán nhiều thì 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 node 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 mà các chức năng mạng được phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ giúp tăng thời gian sống của toàn mạng

 Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các node 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 node trong mạng có n

, 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 node sẽ giảm về 0

Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc phân cấp 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 node ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗi một trạm

sink 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 số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n 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 phân cấp 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 phân cấp Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi node, một phần phân bố đến tập con của các node Giả thiết rằng các node 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

1.3 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây

1.3.1 Khả năng chịu lỗi:

Một số các node 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 node mạng không hoạt động

1.3.2 Khả năng mở rộng:

Khi triển khai mạng cảm biến nghiên cứu một hiện tượng nào đó, số lượng các node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu Những kiểu mạng mới phải có khả năng làm việc với số lượng các node này và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm biến

1.3.3 Chi phí sản xuất:

Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node 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 node cảm biến phải giữ ở mức thấp

1.3.4 Phần cứng:

Ngoài kích cỡ nhỏ,càng nhỏ càng tốt ra, các node 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 ứng với môi trường

1.3.5 Môi trường hoạt động:

Các node 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 biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

1.3.6 Tiêu thụ năng lượng:

Các node mạng có nguồn năng lượng giới hạn Trong một số điều kiện nhất định, việc bổ sung nguồn cho các node là không thể thực hiện được Vì thế thời gian sống của node cảm biến phụ thuộc phần nhiều vào pin Việc duy trì và quản lý năng lượng của node đóng vai trò quan trọng do sự cố nếu xảy ra với một vài node có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn mạng

1.3.7 Tính bảo mật:

Trong mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan trọng, đặc biệt là trong quân sự Việc truyền tín hiệu không dây luôn tiềm ẩn rủi ro mất thông tin, bị đánh cắp thông tin rất lớn Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: 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 phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin, điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bít xác thực…

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

a, Ứng dụng trong môi trường:

 Phát hiện cháy rừng: Bằng việc triển khai mạng cảm biến không dây trong rừng, mỗi node mạng sẽ thu thập các thông tin cần thiết như nhiệt độ, độ ẩm, khói sau đó gửi về trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, cảnh báo và phát hiện ra cháy Điều này sẽ giúp sớm phát hiện và ngăn chặn các thảm họa cháy rừng

 Cảnh báo lũ lụt: Hệ thống được triển khai bao gồm các node cảm biến về lượng mưa, mực nước Các node cảm biến cung cấp các thông tin cho hệ thống xử lý trung tâm để phân tích và cảnh báo sớm

 Giám sát các hiện tượng địa chấn: Có thể triển khai mạng cảm biến gồm các node cảm biến về sự rung chuyển trên mặt đất hoặc trong lòng đất giúp cảnh báo sớm động đất, sóng thần, núi lửa phun trào

b, Ứng dụng trong y học:

 Giám sát trong y tế và chuẩn đoán: Trong tương lai không xa, các node cảm biến

có thể đủ nhỏ, đủ tin cậy để gắn lên cơ thể người giúp giám sát sức khỏe con người, cảnh báo các nguy cơ bệnh tật nhờ đó có thể phát hiện sớm và chữa bệnh dễ dàng hơn

c, Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày: Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai trong nhà giúp đo nhiệt độ Không những thế chúng còn có thể phát hiện ra sự di chuyển trong nhà và thông báo đến các thiết bị báo động trong trường hợp cảnh báo có trộm

d, Trong lĩnh vực công nghiệp:

 Trong kinh doanh: việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa sẽ được giải phóng Các kiện hàng có thể gắn các node cảm biến chỉ cần tồn tại trong thời gian lưu trữ Trong mỗi lần kiểm kê, người ta chỉ cần quảng bá 1 bản tin tới kho lưu trữ Tất cả các kiện hàng

sẽ tự động trả lời bản tin đó giúp bộc lộ thông tin về kiện hàng Việc này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa số lượng lớn

e, Trong lĩnh vực nông nghiệp:

 Ứng dụng trong trồng trọt: Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai giúp giám sát và duy trì độ ẩm đất trong trồng trọt

 Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cần triển khai các cảm biến giúp dễ dàng theo dõi và giám sát tình trạng môi trường sống cho gia súc, gia cầm

g, Trong quân sự:

 Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong quân sự như giám sát quân đội, giám sát các trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, đối phương, thăm dò, tấn công bằng vũ khí công nghệ cao

Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây có thể chia làm 2 loại là:

 Giám sát môi trường tĩnh

 Giám sát môi trường động

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đề xuất rất nhiều các giải thuật mới để giải quyết hiệu quả hơn vấn đề định tuyến dữ liệu Các giải thuật định tuyến cần đáp ứng được các yêu cầu về mặt ứng dụng và cấu trúc cũng như các đặc điểm riêng của mạng tùy vào yêu cầu thiết kế Chương này trình bày ba loại giao thức thông dụng thường được dùng trong mạng cảm biến không dây, 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)

2.1 Giới thiệu

Định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều thách thức

do bản chất mạng cảm biến không dây có những đặc điểm riêng biệt khác hẳn so với các loại mạng khác:

 Trong mạng cảm biến không dây, số lượng các node là rất lớn, nên ta không thể xây dựng 1 chế độ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các node cảm biến, vì thế không thể áp dụng giao thức dựa trên IP

 Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây, các luồng dữ liệu cảm biến đều là từ nhiều nguồn khác nhau cùng truyền về 1 node sink xác định

 Lưu lượng thông tin truyền từ các node cảm biến sẽ có lượng thừa đáng kể vì có thể các cảm biến trong cùng 1 vùng lân cận có thể phát đi cùng 1 dữ liệu Những thông tin dư thừa đó cần được xử lý sơ bộ bởi các giải thuật trước khi truyền đi giúp tăng hiệu quả sử dụng băng thông cũng như tiết kiệm năng lượng

 Các node cảm biến bị hạn chế bởi năng lượng truyền tải, năng lượng sử dụng, quá trình xử lý và lưu trữ dữ liệu Do đó nguồn năng lượng của node cần được quản lý chặt chẽ

2.2 Các vấn đề cần lưu ý đối với giao thức định tuyến

2.2.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến

Các node cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lưu trữ, truyền dẫn và năng lượng hạn chế Tùy vào ứng dụng cụ thể, mật độ các node có thể từ ít đến nhiều Hơn nữa, trong nhiều ứng dụng, số lượng node có thể đạt con số hàng trăm, thậm chí hàng nghìn node tùy ý bao phủ cả 1 vùng rộng lớn Trong mạng này, đặc tính của các node cảm biến là có tính thích nghi động, với yêu cầu về việc tự tổ chức cấu hình và quản lý tốt nguồn năng lượng, các node cảm biến phải tự điều chỉnh liên tục để thích ứng với mỗi hoạt động tại mỗi thời điểm

2.2.2 Tài nguyên hạn chế

Các node cảm biến được thiết kế với độ phức tạp nhỏ nhất cho việc triển khai trong phạm vi lớn để giảm thiểu chi phí cho toàn mạng Năng lượng là vấn đề quan tâm chủ yếu trong mạng cảm biến không dây Làm thế nào để kéo dài thời gian sống của toàn mạng trong khi các node hoạt động với nguồn năng lượng hạn chế Vấn đề quản lý nguồn năng lượng của node cũng như của toàn mạng trở thành thách thức thực sự với các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực quan trọng

2.2.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây

Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các node cảm biến với các node cao hơn hoặc trạm gốc Mô hình này phụ thuộc nhiều vào bản chất của ứng dụng cụ thể, các

dữ liệu được yêu cầu và sử dụng Có một số mô hình dữ liệu được đề xuất nhằm tập trung vào các yêu cầu về tương tác và nhu cầu tập hợp dữ liệu của nhiều ứng dụng khác nhau

Một kiểu ứng dụng của mạng cảm biến không dây là mô hình thu thập dữ liệu dựa vào việc lấy mẫu theo 1 chu kỳ định sẵn hoặc truyền thông tin về sự thay đổi, xảy ra các

sự kiện trong môi trường được giám sát Trong các ứng dụng khác, dữ liệu có thể được thu nhận, lưu trữ hoặc được xử lý sơ bộ, tập trung tại 1 node trước khi được truyền về trạm gốc Một loại thứ ba là mô hình dữ liệu tương tác hai chiều giữa các node cảm biến

và trạm gốc

2.2.4 Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây

Các truy vấn và dữ liệu được truyền giữa trạm gốc và các vị trí đặt các node nhằm 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 node cảm biến có thể truyền dữ liệu trực tiếp đến trạm cơ sở Tuy nhiên phương pháp này có chi phí rất đắt, đặc biệt xét về

mặt năng lượng, các node ở xa trạm cơ sở có khả năng cao bị tiêu hao năng lượng nhanh chóng và kéo theo làm giảm thời gian sống của toàn hệ thống

Nhằm giảm thiểu nhược điểm của phương pháp trên thì dữ liệu trao đổi giữa các node cảm biến và trạm cơ sở có thể được thực hiện bằng cách thức truyền dữ liệu gói đa chặng trong phạm vi ngắn Phương pháp này giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể ở mỗi node và cũng giảm đáng kể sự giao thoa truyền dẫn giữa các node khi cạnh tranh nhau kênh truyền, đặc biệt khi gặp các mạng cảm biến không dây có mật độ các node cao

Để đáp ứng các truy vấn từ trạm cơ sở hoặc các sự kiện đặc biệt xảy ra tại môi trường cần giám sát thì dữ liệu thu thập được từ các node sẽ được truyền đến trạm cơ sở thông qua nhiều node trung gian bằng phương pháp truyền đa chặng

Trong định tuyến đa chặng, các node trung gian giữ vai trò chuyển tiếp dữ liệu từ các node cảm biến đến với trạm cơ sở Việc xác định xem tập hợp các node nào tạo thành đường dẫn chuyển tiếp dữ liệu cũng là 1 bài toán trong việc nghiên cứu các thuật toán định tuyến Nói chung việc định tuyến trong mạng với phạm vi lớn vốn đã là 1 vấn đề khó khăn, các thuật toán nhằm vào nhiều yêu cầu thiết kế bao gồm đòi hỏi sự chính xác,

ổn định, tối ưu hóa và chú ý đến các sự thay đổi các thông số

Với đặc tính bên trong của mạng cảm biến không dây bao gồm sự giới hạn về băng thông và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến vừa phải thỏa mãn các yêu cầu về lưu lượng vừa phải đảm bảo càng kéo dài thời gian sống của toàn mạng càng tốt

2.3 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

2.3.1 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centic protocols)

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây thì việc xác định số nhận dạng IP cho từng node là không khả thi Việc thiếu IP cùng với việc triển khai ngẫu nhiên các node gây ra khó khăn trọng việc chọn ra tập hợp các node chuyên dụng để đưa yêu cầu Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi node trong vùng với độ dư thừa đáng kể dẫn đến việc sử dụng năng lượng không thực sự hiệu quả Do đó các nhà nghiên cứu đã đề xuất các giao thức mới có khả năng chọn ra tập hợp các node và thực hiện tập trung dữ liệu trong suốt quá trình truyền tin Điều này dẫn đến ý tưởng về giao thức trung tâm dữ liệu Trong giao thức định tuyến này, node sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi dữ liệu từ các node cảm biến đã được chọn trước trong vùng đó SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến những việc dàn xếp dữ liệu giữa các node để giảm bớt sự

dư thừa thông tin và tiết kiệm năng lượng Sau đó Directed Diffusion (truyền dẫn trực

tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ liệu

2.3.1.1 Flooding và Gossiping

Flooding và Gossiping là hai cơ chế cổ điển để truyền dữ liệu trong mạng cảm biến mà không cần bất cứ một giải thuật định tuyến hoặc sự duy trì cấu hình nào Trong Flooding, mỗi cảm biến nhận gói dữ liệu, sau đó nó quảng bá thông tin dữ liệu vừa nhận được tới tất cả các node lân cận và quá trình cứ diễn ra cho đến khi gói dữ liệu đến đích Gossiping có cải tiến hơn Flooding, trong đó các node nhận dữ liệu gửi gói đến các node lân cận ngẫu nhiên, sau đó lại chọn ngẫu nhiên một node lân cận để truyền tin thay vì quảng bá đến các node lân cận, và cứ tiếp tục như vậy

Mặc dù Flooding triển khai tương đối dễ dàng nhưng nó có mội số nhược điểm như hình 2.1 và 2.2 Đó là khi xảy ra trường hợp một bản tin cùng gửi đến 1 node hoặc hiện tượng chồng chéo khi hai node cảm biến cùng 1 vùng, gửi những gói tin giống nhau đến cùng 1 node lân cận Gossiping tránh được các vấn đề về sự truyền kép bằng việc chọn ngẫu nhiên node truyền tiếp theo hơn là kiểu quảng bá Tuy nhiên điều này gây ra trễ trong việc truyền dữ liệu qua các node

`

Hình 2.1 Hiện tƣợng bản tin kép

Node A flooding dữ liệu của nó tới tất cả các node trong lân cận Tại D nhận được 2 lần

dữ liệu, điều này là không cần thiết

Hình 2.2 Hiện tƣợng chồng chéo

Hai node cảm biến cùng bao phủ 1 vùng địa lý và tại C nhận được các định dạng dữ liệu giống nhau từ các cảm biến này

2.3.1.2 SPIN (Sensor Protocols for Infomation via Negotiation)

SPIN dựa trên ý tưởng là đặt tên dữ liệu sử dụng ký hiệu mô tả ở mức độ cao hay còn gọi là thông tin về dữ liệu (meta-data) Trước khi truyền, thông tin về dữ liệu được trao đổi giữa các node qua một cơ chế thông báo dữ liệu, đó chính là đặc điểm chính của SPIN Mỗi một node nhận dữ liệu mới, thông báo tới các node lân cận của nó và các node lân cận quan tâm đến dữ liệu này, ví dụ như các node mà không có dữ liệu, lấy được dữ liệu nhờ gửi bản tin yêu cầu Sự dàn xếp các thông tin về dữ liệu của SPIN giải quyết được các vấn đề của Flooding như thông tin dư thừa, chồng chéo các vùng cảm nhận, vì vậy đạt được hiệu quả về mặt năng lượng

Có 3 bản tin được xác định trong SPIN dùng để trao đổi dữ liệu giữa các node, đó

là bản tin ADV cho phép các node thông báo một meta-data cụ thể, bản tin REQ để yêu cầu các dữ liệu đặc biệt và bản tin DATA để mang thông tin thực Hình 2.3 tổng kết lại các quá trình của SPIN

Node A bắt đầu quảng bá dữ liệu tới node B (a) Node B trả lời bằng cách gửi yêu cầu tới node A (b) Node B nhận dữ liệu yêu cầu từ node A (c) Node B phát bản tin quảng bá tới các node lân cận (d), sau đó các node này gửi yêu cầu lại cho B (e-f)

Hình 2.3 Cơ chế của SPIN

Một ưu điểm của SPIN là các thay đổi về cấu hình được khoanh vùng vì thế các node chỉ cần nhận biết các node lân cận của chúng Tuy nhiên cơ chế thông báo dữ liệu của SPIN không thể đảm bảo được việc phân phối dữ liệu Ví dụ trong trường hợp nếu các node cần dữ liệu ở xa so với node nguồn trong khi các node giữa nguồn và đích lại không cần dữ liệu đó thì dữ liệu sẽ không được phân phối đến đích Vì thế SPIN không được sử dụng cho các ứng dụng như phát hiện xâm nhập mà yêu cầu độ tin cậy trong việc phân phối các gói tin qua các khoảng thời gian đều đặn

2.3.1.3 Giao thức truyền tin trực tiếp (Directed Difffusion)

Giao thức truyền tin trực tiếp sử dụng lược đồ tập trung dữ liệu và các node đều biết về ứng dụng Tất cả các dữ liệu phát ra bởi node cảm biến được đặt tên sử dụng các cặp giá trị thuộc tính và sử dụng quá trình xử lý trong mạng như tích hợp dữ liệu (aggregation) Giao thức này loại bỏ sự dư thừa dữ liệu nhờ quá trình xử lý nội mạng, và tối thiểu số lần truyền tin nên tiết kiệm được năng lượng, kéo dài thời gian sống toàn mạng Hình 2.4 mô tả quá trình diễn ra trong mạng khi dùng giao thức truyền tin trực tiếp

Ban đầu trạm cơ sở tạo ra một yêu cầu được xác định dùng các cặp giá trị thuộc tính như là tên vật thể, vị trí địa lý, khoảng thời gian… Các thông tin này được phát quảng bá thông qua các node trung gian đến nguồn Mỗi một node nhận được thông tin

đó sẽ giữ lại để so sánh dữ liệu nhận được với giá trị trong thông tin đó Các thông tin này cũng bao gồm các trường gradient Gradient là đường trả lời đến node lân cận từ nơi

mà nhận được thông tin yêu cầu Nó được mô tả bởi tốc độ dữ liệu, khoảng thời gian và thời gian mãn hạn nhận được từ các thông tin yêu cầu Vì thế nhờ việc sử dụng các thông

tin yêu cầu và gradient thiết lập được các đường truyền giữa trạm gốc và các nguồn Trạm cơ sở gửi lại các bản tin gốc qua những đường đã được chọn với khoảng thời gian giữa hai sự kiện ngắn hơn vì vậy tăng cường node nguồn trên đường đó để gửi dữ liệu đều đặn hơn

Hình 2.4 Các pha trong Directed Diffusion

Tuy nhiên giao thức truyền tin trực tiếp không thể được áp dụng cho tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến vì nó dựa trên mô hình phân phối dữ liệu theo hướng đưa ra yêu cầu Các ứng dụng mà yêu cầu phân phối dữ liệu liên tiếp đến sink sẽ không hoạt động hiệu quả với mô hình này Vì vậy, giao thức truyền tin trực tiếp không phải là một lựa chọn tốt cho giải thuật định tuyến cho các ứng dụng như là kiểm tra môi trường Hơn nữa, lược đồ đặt tên dùng trong trong giao thức truyền tin trực tiếp là không phải là một ứng dụng độc lập Cuối cùng, quá trình phù hợp giữa dữ liệu và các yêu cầu đòi hỏi thêm các mào đầu ở các cảm biến

2.3.1.4 Giao thức GBR

Giao thức GBR (Gradient based Routing) là giao thức chỉnh sửa của Directed Diffusion Ý tưởng của giao thức này là lưu số chặng khi phân tán qua mạng Do đó, mỗi nút có thể tìm ra số chặng tối thiểu tới Trạm gốc (khoảng cách tới Trạm gốc) Sự khác nhau giữa khoảng cách tới Trạm gốc của nút và của nút lân cận được xem xét trong gradient trên kết nối đó Một gói được chuyển tiếp trên kết nối đó với gradient lớn nhất

Trong giao thức này có thể dùng một số kĩ thuật như tích hợp dữ liệu và phân tán lưu lượng (traffic spreading) để chia đều thông lượng trên toàn mạng

2.3.2 Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols)

Giống như các mạng thông thường khác, khả năng mở rộng là một trong những thuộc tính chính của mạng cảm biến không dây, Mạng đơn cấp có thể gây ra hiện tượng quá tải ở các cổng giao tiếp khi mật độ các node cảm biến tăng cao Những sự quá tải như vậy có thể làm cho việc theo dõi sự kiện không đáng tin cậy Hơn nữa cấu trúc cổng đơn không thể mở rộng khi số lượng node cảm biến tăng lên trong 1 vùng rộng lớn hơn vì các cảm biến không có khả năng giao tiếp ở cự ly quá xa Để cho phép hệ thống có thể đối đầu với những thông tin thêm vào và có khả năng mở rộng vùng giám sát mà không giảm chất lượng dịch vụ thì người ta đưa ra định tuyến phân cấp

Trong kiến trúc phân cấp, các node có vai trò khác nhau: các node có năng lượng cao hơn được sử dụng để xử lý và gửi thông tin trong khi các node có năng lượng thấp được sử dụng để cảm nhận, thu thập dữ liệu Điều này có nghĩa là tạo ra các cluster và chỉ định các nhiệm vụ đặc biệt cho các node cluster head (nút mà có nhiều năng lượng) Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của các node cảm biến bằng việc đặt chúng trong giao tiếp đa chặng trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến trạm cơ sở Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của node và vùng lân cận của node so với các cluster head

2.3.2.1 Giao thức LEACH

LEACH là một trong những giải thuật định tuyến phân cấp cho mạng cảm biến Ý tưởng là để hình thành các node cảm biến dựa vào cường độ tín hiệu nhận được và dùng các node chủ của cụm như là các router đến các trạm cơ sở Việc này sẽ tiết kiệm năng lượng vì quá trình truyền chỉ có thực hiện bằng các cluster head thay cho việc sử dụng tất

cả các node cảm biến Số lượng các node chủ tối ưu của cụm là khoảng 5% tổng lượng node

Trong giao thức LEACH, mục đích của nó là lựa chọn ngẫu nhiên các node cảm biến làm cluster head, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với trạm cơ sở được trải đều ra cho tất cả các node trong mạng Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành

2 pha thiết lập và ổn định Thời gian pha ổn định kéo dài hơn so với thời gian của pha thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển

Pha thiết lập

Các cụm được hình thành và các node chủ được lựa chọn Một node cảm biến lựa chọn số ngẫu nhiên giữa 0 và 1 Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì node cảm biến sẽ thành node chủ T(n) được tính như sau:

) / 1 mod (

* 1 ) (

p r

p

p n

T





nếu n  G0

) (n 

T còn lại Trong đó

p: tỉ lệ phần trăm nút chủ

r: chu kì hiện tại

G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/P chu kì cuối

Mỗi cluster head được lựa chọn sẽ truyền thông tin quảng bá cho các node còn lại trong mạng bản tin thông báo rằng chúng là node chủ mới Các node còn lại không là node chủ, khi nhận được bản tin quảng bá, chúng sẽ quyết định chúng thuộc về cụm của node chủ nào Quyết định này dựa trên độ mạnh của tín hiệu của bản tin quảng bá các node chủ cụm phát đi mà chúng nhận được Các node không phải chủ cụm này sẽ thông báo cho node chủ cụm rằng chúng sẽ thuộc về cụm nào Sau khi các node chủ cụm nhận được hết các thông báo của các node thuộc về cụm của chúng, căn cứ vào số node trong cụm, node chủ cụm sẽ chỉ định thời gian mà các node trong cụm gửi dữ liệu đến cho nó dựa trên TDMA

Pha ổn định

Các node bắt đầu thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu đến các node chủ cụm Các node chủ cụm sẽ tích hợp dữ liệu của các node trong cụm gửi đến trước khi gửi dữ liệu đến