Nghiên cứu các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, ta quan tâm đến tiềm năng hợp tác giữa các nútcảm biến trong việc thu thập thông tin, xử lý dữ liệu, sự quản lý hoạt động cảm nhận củacác nút cảm biến và l

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

CAO CHÍ CHÍNH

NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS Nguyễn Đình Việt

Hà Nội - 2014

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn tại Đại học Côngnghệ, tôi đã nhận được sự động viên, góp ý, hướng dẫn tận tình, chu đáo của PGS.TSNguyễn Đình Việt, xin bày tỏ lòng biết hơn sâu sắc đến thầy

Xin chân thành cảm ơn đến các cán bộ, giảng viên Trường Đại học công nghệ vàcác giảng viên ở đơn vị khác đã tham gia giảng dạy, góp ý cho tôi hoàn thành các nộidụng học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo, tập thể cán bộ, giáo viên Trung tâm Dạynghề - Hướng nghiệp và Giáo dục thường xuyên Vũ Quang - Hà Tĩnh và các anh chị, cácbạn cùng khóa học đã giúp đỡ, tạo điều kiện, động viên về vật chất và tinh thần để tôihoàn thành khóa học này

Hà Nội, tháng 11 năm 2014

NGƯỜI THỰC HIỆN LUẬN VĂN

Cao Chí Chính

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được là sản phẩm của riêng bản thân tôi, không sao

chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung, những vấn được trình bày hoặc là của cánhân hoặc là tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất

xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọihình thức kỷ luật cho lời cam đoan của mình

Hà Nội tháng 11 năm 2014

Học viên

Cao Chí Chính

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

BẢNG CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 9

MỞ ĐẦU 11

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13

1.1 Kiến trúc hệ thống và những yêu cầu của WSNs [1 -4, 14, 15] 13

1.1.1 Giới thiệu về WSNs 13

1.1.2 Những thành phần chính của WSNs [2-4] 13

1.1.3 Kiến trúc của một nút cảm biến 16

1.1.4 Một số yêu cầu của WSNs 16

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của WS Ns [1, 2, 4, 5] 17

1.2.1 Sự tiêu thụ năng lượng của WSNs 17

1.2.2 Các mô hình giao nhận dữ liệu trong WSNs 18

1.2.3 Cách thức triển khai các nút cảm biến 18

1.2.4 Tập trung dữ liệu 18

1.2.5 Vấn đề định tuyến trong WSNs 19

1.2.6 So sánh giữa mạng WSNs và MANETs [2, 4] 19

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây [ 1-5, 15] 20

1.3.1 Ứng dụng trong theo dõi môi trường 20

1.3.2 Ứng dụng trong quân đội 22

1.3.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 23

1.3.4 Ứng dụng trong gia đình 24

Chương 2 - CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG WSNs 25

2.1 Giới thiệu [1] 25

2.2 Các thách thức trong định tuyến [1, 3-5] 25

2.3 Phân loại các giao thức định tuyến trong WSNs [1-5, 14] 25

2.4 Các giao thức trung tâm dữ liệu [1 -2, 4, 14] 27

2.4.1 Giới thiệu [1] 27

2.4.2 Flooding [1] 28

2.4.3 SPIN [1-2, 14] 29

2.4.4 Directed Diffusion [1-2] 31

2.4.5 Enery-aware routing [1] 33

2.4.6 GBR [1] 35

2.4.7 ACQUIRE [1] 35

2.5 Các giao thức phân cấp [1-2] 36

2.5.1 Giới thiệu [1] 36

2.5.2 LEACH [1-3, 9, 14] 36

2.5.3 PEGASIS và Hierarchical-PEGASIS [1-3, 14-15] 38

2.5.4 TEEN và APTEEN [1-2] 41

2.6 Các giao thức dựa vào vị trí [1, 14] 42

2.6.1 Giới thiệu [1] 42

2.6.2 MECN và SMECN [1] 43

2.6.3 GAF [1] 44

2.6.4 GEAR [1] 46

2.7 Các giao thức hướng đến lưu lượng mạng và chất lượng dịch vụ [1] 47

2.7.1 Maximum Lifetime Enery Routing [1] 47

2.7.2 SAR [1] 47

2.7.3 Enery-aware QoS routing protocol [1] 48

2.7.4 SPEED [1] 49

Chương 3 - ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH HIỆU NĂNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO WSNs 51

3.1 Giới thiệu 51

3.2 Công cụ mô phỏng WSNs 52

3.2.1 Giới thiệu 52

3.2.2 Công cụ mô phỏng NS-2 53

3.3 Giới thiệu các tham số mô phỏng [3, 12] 56

3.4 Mô phỏng và đánh giá hiệu năng các giao thức định tuyến [3, 6 -7, 12] 56

3.4.1 Phát biểu bài toán 57

3.4.2 Phân tích code của LEACH và các tệp truy vết leach.out [7, 12] 57

3.4.3 Chạy mô phỏng và phân tích, tr ích lọc số liệu 58

3.4.4 Đánh giá và so sánh hiệu năng của LEACH khi thay đổi số cluster 59

3.4.4.1 Đánh giá sự thăng giáng của thông lượng đến BS 59

3.4.4.2 Đánh giá sự tiêu hao năng lượng của mạng 62

3.4.4.3 Đánh giá về tuổi thọ của mạng (số nút còn sống theo thời gian) 63

3.4.5 Đánh giá và so sánh hiệu năng của LEACH-C khi thay đổi số cluster 65

3.4.5.1 Đánh giá sự thăng giáng của thông lượng đến BS 65

3.4.5.2 Đánh giá sự tiêu hao năng lượng của mạng 67

3.4.5.3 Đánh giá về tuổi thọ của mạng (số nút còn sống theo thời gian) 68

3.4.6 Đánh giá và so sánh hiệu năng của STAT-CLUSTER khi thay đổi số cluster 70 3.4.6.1 Đánh giá sự thăng giáng của thông lượng đến BS 70

3.4.6.2 Đánh giá sự tiêu hao năng lượng của mạng 72

3.4.6.3 Đánh giá về tuổi thọ của mạng (số nút còn sống theo thời gian) 74

3.4.7 So sánh hiệu năng các giao thức LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER, PEGASIS 75

3.4.7.1 Đánh giá số nút sống còn lại theo thời gian và tuổi thọ của mạng 76

3.4.7.2 Đánh giá sự thăng giáng của thông lượng đến BS 77

3.4.7.3 Đánh giá sự tiêu hao năng lượng của mạng 78

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 1 [6], [11] 81

PHỤ LỤC 2 84

PHỤ LỤC 3 85

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh giữa MANETs và WSNs 20

Bảng 2.1 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSNs 27

Bảng 3.1 Các công cụ mô phỏng WSNs phổ biến 53

Bảng 3.2 Các thành phần của NS -2 54

Bảng 3.3 Các tham số mô phỏng giao thức phân cấp LEACH 56

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thiết bị “mote” của Berkeley 13

Hình 1.2 Mô hình mạng cảm biến không dây 14

Hình 1.3 Các thành phần của một nút cảm biến 16

Hình 1.4 Ứng dụng trong môi trường 21

Hình 1.5 Lực lượng địch bị giám sát bở i WSNs 22

Hình 1.6 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 23

Hình 1.7 Mô hình ngô nhà thông minh nhờ WSNs 24

Hình 2.1 Phân loại giao thức định tuyến trong WSNs 26

Hình 2.2 Giao thức flooding 29

Hình 2.3 Sự trao đổi thông tin trong SPIN 30

Hình 2.4 Các bước thiết lập đường đi trong Directed diffusion 32

Hình 2.5 Cách tiếp cận của giao thức LEACH 37

Hình 2.6 Dây chuyền trong PEGASIS 39

Hình 2.7 Thu thập dữ liệu trong một dây chuyền dựa trên cơ sở sơ đồ nhị phân 40

Hình 2.8 Sự phân cấp cụm trong TEEN và APTEEN 41

Hình 2.9 Vùng chuyển tiếp của cặp nút truyền tin - chuyển tiếp (i,r) trong MECN 43

Hình 2.10 Ví dụ về lưới ảo trong GAF 44

Hình 2.11 Các chuyển đổi trạng thái trong GAF 45

Hình 2.12 Mô hình hàng đợi trong một nút cảm biến cụ thể 48

Hình 2.13 Các thành phần định tuyến trong SPEED 49

Hình 3.1 Cấu trúc của NS-2 53

Hình 3.2 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2 55

Hình 3.3 Sự thăng giáng của quá trình nhận gói tin tại BS trong LEACH 61

Hình 3.4 Sự tiêu tốn năng lượng toàn cục trong LEACH 63

Hình 3.5 Số nút cảm biến còn sống trong LEACH theo thời gian 64

Hình 3.6 Sự thăng giáng của quá trình nhận gói tin tại BS trong LEACH-C 66

Hình 3.7 Sự tiêu tốn năng lượng toàn cục trong LEACH-C 68

Hình 3.8 Số nút cảm biến còn sống trong LEACH-C theo thời gian 69

Hình 3.9 Sự thăng giáng của quá trình nhận dữ liệu ở BS trong STAT-CLUSTER 71

Hình 3.10 Sự tiêu tốn năng lượng toàn cục trong STAT-CLUSTER 73

Hình 3.11 Số nút cảm biến còn sống STAT-CLUSTER theo thời gian 75

Hình 3.12 Số nút còn sống trong LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER, PEGASIS theo thời gian 76

Hình 3.13 Sự thăng giáng của quá trình nhận gói dữ liệu ở sink/BS trong LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER, PEGASIS 77

Hình 3.14 So sánh tiêu tốn năng lượng trong LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER, PEGASIS 78

BẢNG CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ACQUIRE ACtive QUery forwarding In sensoR nEtworks

ADC Analog to Digital Converter

AODV Adhoc On-demand Distance Vector

APTEEN Adaptive Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocolARP Address Resolution Protocol

BS Base Station

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

DD Directed Diffusion

DSDV Destination-Sequenced Distance Vector

DSR Dynamic Source Routing

GAF Geographic Adaptive Fidelity

GEAR Geographic and Energy-Aware Routing

GPS Global Positioning System

Hierarchical-PEGASIS HierarchicalPower-Efficient GAthering in Sensor Information Systems

ID Identification

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

LAN Local Area Network

LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

MAC Medium Access Control

MANETs Mobile Adhoc NETwork

MECN Minimum Energy Comunication Network

NS-2 Network Simulator version 2

OLSR Optimized Link State Routing Protocol

PEGASIS Power-Efficient GAthering in Sensor Information Systems

QoS Quality of Service

RF Radio Frequency

RREP Route Reply

Từ viết tắt Viết đầy đủ

RREQ Route Request

RSS Received Signal Strength

SAR Sequential Assignment Routing

SMECN Small Minimum Energy Communication Network

SPEED Stateless Protocol for End-to-End Delay

SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation

TDMA Time Division Multiple Access

TDOA Time Difference of Arrival

TEEN Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocolTORA Temporally-Ordered Routing Algorithm

TTL Time to Live

WLAN Wireless LAN

WSNs Wireless Sensor Networks

MỞ ĐẦU

Với những tiến bộ gần đây trong các lĩnh vực cơ học vi điện tử, công nghệ tiêu hao

năng lượng thấp cho phép chúng ta phát triển các vi cảm biến Những cảm biến này có

các khả năng: thu thập thông tin, xử lí dữ liệu và giao tiếp Các mạch cảm nhận đo cácthông số liên quan đến môi trường xung quanh nơi đặt nút cảm biến và chuyển đổi nhữngthông số đó thành tín hiệu điện Nút cảm biến gửi dữ liệu thu thập được qua bộ phát sóng

vô tuyến tới một trung tâm nhận dữ liệu (thường được gọi là sink hoặc base station - lànhững thiết bị nhận dữ liệu từ các nút cảm biến không hồi đáp) một cách trực tiếp hoặcthông qua một nút trung tâm tập hợp dữ liệu (thường gọi là truyền thông đa chặng) Vớimục tiêu là giảm kích thước cũng như giá thành cho các nút cảm biến, đồng thời một số

lượng lớn các nút cảm biến được triển khai và sử dụng một lần (hầu hết các nút cảm biếnđều sử dụng nguồn năng lượng bằng pin)

Trong mạng cảm biến không dây, ta quan tâm đến tiềm năng hợp tác giữa các nútcảm biến trong việc thu thập thông tin, xử lý dữ liệu, sự quản lý hoạt động cảm nhận củacác nút cảm biến và lưu lượng dữ liệu đến nơi nhận dữ liệu Từ những lý do trên buộcchúng ta phải thiết kế nhiều giao thức mới cho mạng cảm biến không dây, trong đó việc

sử dụng năng lượng một cách mềm mại được xem xét đầu tiên Hầu hết các giao thức

định tuyến phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể và kiến trúc mạng

Trong khuôn khổ của đề tài, tôi tập trung nghiên cứu “ các giao thức định tuyến

trong mạng cảm biến không dây”; bao gồm trình bày phân loại các giao thức định tuyến,

mô phỏng và đánh giá hiệu năng của một số giao thức như LEACH, LEACH-C, CLUSTER, PEGASIS

STAT-Nội dung luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây; c hương này trình bàynhững khái niệm chung nhất về mạng cảm biến không dây, các yếu tố ảnh hưởng đếnmạng và kiến trúc mạng cảm biến không dây So sánh giữa MANETs và WSNs Đồngthời cũng nêu ra các ứng dụng cụ thể của WSNs trong các lĩnh vực của cuộc sống

Chương 2 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây; chương này

đưa ra cách tiếp cận định tuyến, phân loại và so sánh các giao thức, tìm hiểu lý thuyết

một số giao thức cụ thể thuộc 3 loại gồm trung tâm dữ liệu, phân cấp, dựa vào vị trí Một

số giao thức cụ thể như: LEACH, spin, directed diffusion, PEGASIS, gaf…

Chương 3 Đánh giá và so sánh hiệu năng một số giao thức định tuyến trongWSNs; chương này giới thiệu công cụ mô phỏng, các thông số mô phỏng, các tiêu chícần đánh giá, tiến hành mô phỏng các giao thức bằng bộ công cụ NS2, đánh giá và sosánh hiệu năng giữa các giao thức LEACH, LEACH-C, STAT-CLUSTER, PEGASIS.

Kết luận và hướng phát triển của đề tài; phần này sẽ đánh giá lại những vấn đề đãnghiên cứu, đưa ra những vấn đ ề thách thức cần được giải quyết trong tương lai

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Kiến trúc hệ thống và những yêu cầu của WSN s [1-4, 14, 15]

1.1.1 Giới thiệu về WSNs

Mạng cảm biến không dây là một công nghệ mạng mới được phát triển trongnhững năm gần đây và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộcsống như: bảo mật và giám sát an ninh quốc phòng, cảm nhận môi trường, giám sát sứckhỏe, giám sát hoạt động của dây chuyền công nghiệp…

Mạng cảm biến không dây chính là sự hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹthuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạchcảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu… đã tạo ra những nút cảm biến có kích thước nhỏ,cảm nhận được nhiều giá trị, giá rẻ , công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng

Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm các nút cảm biến nhỏ có giáthành thấp, tiêu thụ ít năng lượng, giao tiếp với nhau thông qua các kết nối không dây(sóng radio, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học), có nhiệm vụ cảm nhận, đo

đạc các giá trị cần thiết, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập hợp dữ liệu để đưa ra các

quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên, về một hành động cụ thể

Hình 1.1 Thiết bị “mote” của Berkeley

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quantrọng và then chốt là thời gian sống của các nút cảm biến (năng lượng nuôi bị giới hạn).Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp và hoạt động có giới hạn về năng

lượng Do đó, một mặt WSNs tập trung để đạt được các dịch vụ chất lượng cao, mặt khác

các giao thức dành cho WSNs phải tập trung vào bảo toàn công suất của nút cảm biến

1.1.2 Những thành phần chính của WSN s [2-4]

Một mạng cảm biến không dây thực tế có thể gồm từ hàng chục đến hàng trăm,hàng nghìn nút cảm biến được phân bố trong một khu vực rộng lớn Các nút này tạo thànhmột mạng giao tiếp không dây với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua các nút khác

Một hoặc nhiều nút trong số đó sẽ phục vụ như là nơi chứa thông tin v à có khả năng giaotiếp với người sử dụng bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua mạng có dây hiện có.Hình 1.2 dưới đây cho thấy kiến trúc của một mạng cảm biến không dây.

Hình 1.2 Mô hình mạng cảm biến không dây

Dữ liệu được định tuyến đến các nút nhận tin (thường được gọi là sink hoặc basestation) bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên Các sink có thể giao tiếp với ngườidùng qua mạng Internet hoặc vệ tinh Sink là một thực thể mà thông tin được yêu cầu từ

phía người dùng Sink có thể là m ột nút trong mạng hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài

mạng có thể là một thiết bị ví dụ như máy tính xách tay tương tác với mạng cảm biếnkhông dây, hoặc đơn thuần chỉ là một gateway (cổng vào /ra) nối với mạng khác lớn hơn

như Internet, nơi có yêu cầu các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong WSN s

WSNs có một số đặc điểm nổi bật sau đây:

- Khả năng kháng lỗi (fault tolerance): Trong quá trình hoạt động, một số nút

cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng hoặc do hư hỏng vật lý hoặc

do ảnh hưởng của môi trường Khả năng kháng lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt độngbình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt

động

- Khả năng mở rộng (scalability)[14]: Khi cần nghiên cứu một hiện tượng, sự

việc tại một môi trường xác định thì số lượng các nút cảm biến được triển khai ở đó cóthể lên đến hàng trăm nghìn nút cảm biến, và con số đó có thể vượt hàng triệu nút phụthuộc vào từng ứng dụng cụ thể Do đó, cấu trúc mới của mạng phải có khả năng mởrộng được để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này

- Giá thành sản xuất thấp (low price): Vì WSNs gồm một số lượng lớn các nút

cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh tổng chi phí củatoàn mạng Do đó, chi phí của mỗi nút cảm biến phải càng rẻ càng tốt.

- Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các nút

cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ

năng lượng ít, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp,

có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với nhiều loại

môi trường

- Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến có thể được thiết lập dày đặc, rất gần

nhau hoặc trực tiếp liên hệ với nhau để quan sát, cảm nhận Vì thế chúng thường làmviệc mà không cần giám sát từ xa 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

- Phương tiện truyền dẫn : Ở mạng cảm biến không dây, các nút được kết nối

bằng những phương tiện không dây Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vôtuyến, hồng ngoại hoặc phương tiện quang học khác Để thiết lập sự hoạt động thốngnhất của mạng, các phương tiện truyền dẫn được chọn phải phù hợp Hiện nay, nhiềuphần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến

năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz

- Hình trạng của mạng cảm biến không dây (network topology): Trong mạng cảm

biến không dây, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trong trường cảm nhận.Mật độ các nút [14] có thể lên tới 20 nút/m3

- Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến có thể coi là

một thiết bị vi điện tử, có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (thường là pin có

dung lượng <0,5Ah, điện thế 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn nănglượng hầu như không thể thực hiện được nên khoảng thời gian sống của các nút cảm

biến phụ thuộc nhiều vào thời gian sống của pin Do đó, việc duy trì và quản lý nguồn

năng lượng đóng một vai trò rất quan trọng Đó chính là lý do vì sao hiện nay người tađang tập trung nghiên cứu các giải thuật và giao thức để tối ưu hóa nguồn năng lượng

cho mạng cảm biến không dây Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảmbiến là phát hiện ra các sự kiện (chủ yếu xác định các thông số cần cảm nhận), thực hiện

xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượngcủa nút cảm biến phục vụ 3 khía cạnh: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating),

và xử lý dữ liệu (data processing)

1.1.3 Kiến trúc của một nút cảm biến

Mỗi nút cảm biến điển hình thường [2] bao gồm 5 thành phần chính (hình 1.3):Sensor Unit, ADC, CPU, Power, và Communication Unit Chức năng của các thành phần

trên được mô tả dưới đây:

Hình 1.3 Các thành phần của một nút cảm biến

- Đơn vị cảm nhận (Sensor Unit) có nhiệm vụ thu thập thông tin từ thế giới thực

theo yêu cầu của ADC và gửi dữ liệu tương tự mà nó cảm nhận được cho ADC

- ADC là một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để nói với CPUnhững gì mà đơn vị cảm nhận đã cảm nhận được, đồng thời cũng thông báo cho đơn vịcảm nhận nên cảm nhận gì từ CPU Vì vậy, đơn vị ADC trên hình vẽ này cũng có chức

năng chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự

- Đơn vị truyền thông (Communication Unit) có nhiệm vụ nhận lệnh hoặc truy vấn

từ nơi khác đến, và truyền tải dữ liệu từ CPU ra thế giới bên ngoài (tới người dùng)

- CPU là bộ phận xử lý lệnh hoặc truy vấn từ đơn vị truyền thông và đưa tới ADC,giám sát và kiểm soát nguồn điện nếu cần thiết, xử lí dữ liệu nhận được, tính toán chặng

kế tiếp đến nơi lưu trữ tin, vv

- Ngoài ra còn có nhiều đơn vị khác có thể được thêm vào để sử dụng chuyên biệt,

nhưng tất cả các nút cảm biến đều có 5 đơn vị quan trọng trên

Với một mạng cảm biến được triển khai như vậy, người sử dụng có thể dùng một sốnút cảm biến để theo dõi các sự kiện cụ thể và biết được khi nào sự kiện xảy ra trong lĩnhvực mà người sử dụng quan tâm Đây chính là một mạng cảm biến để xây dựng một cầunối giữa thế giới thực và thế giới tính toán

1.1.4 Một số yêu cầu của WSN s

Với những yêu cầu khắt khe về mặt tiêu thụ năng lượng, kích thước, giá thành, khả

năng tính toán, lưu trữ… như đã trình bày ở trên, mạng cảm biến không dây có những yêu

cầu như sau:

- Kích thước của mạng có thể không ổn định (luôn thay đổi): Kích thước của mạng cảmbiến không dây có thể khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và sự triển khai cácnút cảm biến.

- Mỗi nút đều có chi phí thấp: Do mạng cảm biến có số lượng nút lớn nên mỗi nút phải rẻ

- Tuổi thọ cao: Phải thiết kế và thực hiện các giao thức định tuyến hiệu quả để mạng tồntại lâu nhất có thể

- Có khả năng tự tổ chức cấu hình mạng: Các nút cảm biến có thể tự động hình thành mộtmạng mà không cần bất kỳ thiết lập cấu hình từ bên ngoài (từ người dùng hoặc nơikhác)

- Thực hiện truy vấn và tái nhiệm : Người dùng sẽ có thể truy vấn các sự kiện đặc biệttrong một khu vực cụ thể, hoặc loại bỏ các nhiệm vụ đã lỗi thời từ các nút cảm biến cụthể và giao cho chúng nhiệm vụ mới

- Sự hợp tác, thu thập, sự tập hợp dữ liệu: Các nút cảm biến phải làm việc cùng nhau theonhóm và tập hợp dữ liệu của chúng theo một yêu cầu nào đó Điều này giúp cải tiếnmạng hoạt động hiệu quả

- Nhận biết ứng dụng: Một mạng cảm biến chỉ phục vụ một ứng dụng cụ thể

- Trung tâm dữ liệu: Dữ liệu được thu thập bởi các nút cảm biến trong một khu vực có thểchồng chéo nhau nên có thể tiêu tốn năng lượng đáng kể Để ngăn chặn việc này thìthực hiện truyền dữ liệu theo một cách nào đó sao cho có sự thống nhất dữ liệu

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của WSNs [1, 2, 4, 5]

1.2.1 Sự tiêu thụ nă ng lượng của WSNs

Trong suốt quá trình tạo ra một mạng phi cấu trúc, quá trình thiết lập các đường đi

(đường truyền dữ liệu về sink /BS) bị ảnh hưởng nhiều bởi khả năng nă ng lượng của các

nút trong mạng cảm biến không dây

Vì năng lượng tiêu thụ cho truyền thông không dây tỷ lệ thuận với khoảng cách,thậm chí cao hơn khi gặp các chướng ngại vật, do đó định tuyến đa chặng được sử dụng

vì nó tiêu tốn ít năng lượng hơn truyền tin trực tiếp (một chặng) Tuy nhiên, định tuyến đachặng gây ra các chi phí liên quan đến quản lý kiến trúc mạng và điều khiển truy nhập

đường truyền Định tuyến trực tiếp tốt hơn định tuyến đa chặng nếu tất cả các nút ở gần

sink (có thể liên lạc dễ dàng với sink mà lại tốn ít năng lượng của các nút) Trên thực tếcác nút cảm biến thường được rải ngẫu nhiên trên một khu vực người dùng quan tâm nên

định tuyến đa chặng luôn được sử dụng

1.2.2 Các mô hình giao nhận dữ liệu trong WSNs

Phụ thuộc vào mỗi ứng dụng cụ thể, các mô hình giao nhận dữ liệu đến sink/BS cóthể liên tục, hoặc vận hành theo sự kiện, hoặc vận hành theo truy vấn hoặc lai

- Mô hình giao nhận dữ liệu liên tục: mỗi cảm biến gửi dữ liệu theo định kỳ (saumột thời gian nào đó lại truyền một lần)

- Mô hình vận hành theo sự kiện và vận hành theo truy vấn: việc giao nhận dữ liệu

về sink/BS được kích hoạt khi có một sự kiện xảy ra hoặc một truy vấn được gửi đến từsink/BS

- Mô hình lai: kết hợp mô hình giao nhận dữ liệu liên tục với mô hình v ận hànhtheo sự kiện và theo truy vấn

Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng nhiều bởi mô hình giao nhận dữ liệu,

trong đó chú trọng đến tiêu thụ năng lượng tối thiểu và đường truyền dữ liệu ổn định

Ví dụ: trong ứng dụng giám sát môi trường sống có sử dụng mô hình giao nhận dữliệu liên tục đến sink/BS, thì sử dụng giao thức định tuyến phân cấp là hiệu quả nhất Đó

là lý do vì sao một ứng dụng sinh ra dữ liệu dư thừa thì có thể được tập hợp lại và tổnghợp trên đường chuyển tới sink, từ đó giảm lưu lượng mạng và tiết kiệm năng lượng

1.2.3 Cách thức triển khai các nút cảm biến

Sự triển khai các nút cảm biến: xác định hoặc tự tổ chức

- Sự triển khai xác định: các nút cảm biến được đặt bằng tay và dữ liệu được truyềnbằng đường đi xác định trước

- Hệ thống tự tổ chức: các nút cảm biến được đặt ngẫu nhiên rải rác dạng phi cấutrúc giống như kiến trúc mạng Adhoc Vị trí của sink/BS hoặc cụm trưởng chủ yếu trong

điều kiện được chấp nhận chú trọng hiệu quả năng lượng và hiệu năng mạng Khi sự phân

bố các nút không thống nhất thì sự tạo cụm một cách tối ưu trở thành tiêu chí để mạnghoạt động hiệu quả về năng lượng

1.2.4 Tập trung dữ liệu

Vì các nút cảm biến có thể cảm nhận thông tin trong cùng khu vực nên có thể dưthừa (dữ liệu có giá trị gần tương tự nhau), nên các gói tin chuyển từ nhiều nút có thể

được tập hợp lại để giảm số lần truyền về sink/BS

Sự tập hợp dữ liệu là sự kết hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau và dùng các hàm

như suppression (hàm loại bỏ bản sao, bản tin giống nhau), min, max và average… Sự

tính toán (sử dụng các hàm trên) sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn truyền tin nên tiết kiệm

năng lượng đáng kể Kỹ thuật này được dùng để đạt mục tiêu hiệu quả năng lượng và tối

ưu lưu lượng mạng trong một số giao thức định tuyến Trong một số kiến trúc mạng, tất

cả các chức năng tập hợp dữ liệu được gắn vào những nút có tính chuyên dụng mạnh mẽ

hơn về năng lượng, tính toán, bộ nhớ Sự tập hợp dữ liệu cũng khả thi thông qua các kỹ

thuật xử lý tín hiệu Trong trường hợp này, một nút có khả năng sinh ra tín hiệu chính xác

hơn bằng cách giảm thiểu tiếng ồn và dùng một số kỹ thuật như beamforming để kết hợp

- Thứ hai, trái với mạng truyền thông cổ điển, hầu hết các ứng dụng của mạng cảmbiến không dây đòi hỏi các dữ liệu cảm nhận được từ nhiều vùng khác nhau đưa đến mộtsink/BS cụ thể (điều này đòi hỏi phải có sự hợp nhất thông tin cảm nhận được từ nhiều

nút, đồng thời xử lí dữ liệu trước khi gửi về sink/BS để giảm thiểu tiêu tốn năng lượng)

- Thứ ba, lưu lượng dữ liệu dư thừ a đáng kể trong mạng vì nhiều nút có thể cảmnhận cùng dữ liệu giống nhau Nên sự dư thừa cần được xử lí bởi các giao thức địnhtuyến để cải tiến hiệu quả sử dụng năng lượng và băng thông

- Thứ tư, các nút cảm biến bị giới hạn chặt chẽ về năng lượng (chạ y bằng pin và

thường sử dụng 1 lần), năng lực xử lý và lưu trữ nên phải có sự quản lý tài nguyên chặt

chẽ

Với những lý do trên, nhiều thuật toán mới đã được đưa vào trong vấn đề địnhtuyến trong WSNs Các giao thức định tuyến xem xét kỹ các đặc điểm theo các yêu cầucủa ứng dụng và kiến trúc mạng

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã tập trung quan tâm rất nhiều trong việc thiết kếcác giao thức định tuyến cho WSNs sao cho hiệu quả về năng lượng, chi phí triển khaimạng thấp, tính an ninh cho mạng cao, và tính kháng lỗi tốt Trong giới hạn đề tài này, tôinghiên cứu các vấn đề liên quan đến thiết kế các giao thức định tuyến hiệu quả, xác địnhmột số tính năng mong muốn của giao thức định tuyến, so sánh và đối chiếu các giao thứchiện tại về các tính năng đó

+ Giống nhau: WSNs có những điểm tương đồng với MANETs (Mobile Ad hocNetworks) như: cấu trúc liên kết mạng không cố định, nguồn năng lượng điện bị giới hạn,các nút trong mạng được kết nối với nhau bằng các liên kết truyền thông không dây nhưsóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang…

+ Sự khác nhau giữa MANETs và WSN s:

Mục đích của mạng Chủ yếu dùng để tính toán phân

tán

Chủ yếu dùng để thu thậpthông tin từ môi trường

Chủ sở hữu Nhiều chủ sở hữu không biết nhau Được triển khai bởi một

chủ sở hữu

Mật độ nút Thường Dày hơn MANETs, triển

khai với số lương lớn

ID Có ID duy nhất Thường là không có

Nguồn năng lượng

cung cấp cho nút Có thể nạp lại (dùng lại nhiều lần)

Hạn chế và có thể chỉ dùng

1 lần rồi bỏ đi

Lưu lượng truyền

tải trong mạng

Bất thường: có khi rất lớn, nhưng

đôi khi lại rất ít

Bị giới hạn theo dòngtruyền từ sink/BS lên các

nút và ngược lại

Giá trị sử dụng Dùng và có thể di chuyển, hết pin

thì có thể nạp lại để dùng tiếp Thường dùng một lần

Các khả năng Khả năng về năng lượng, tính

toán, lưu trữ và truyền thông lớn

Bị hạn chế về năng lượng,

tính toán, lưu trữ và truyền

thông

Bảng 1.1 So sánh giữa MANETs và WSNs

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây [1-5, 15]

1.3.1 Ứng dụng trong theo dõi, giám sát môi trường

Một số ứng dụng theo dõi môi trường của mạng cảm biến không dây như: theodõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện

môi trường như nhiệt độ, độ ẩm… ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu,

đo đạc các thông số để quan sát một diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh,

phát hiện điều kiện sinh-hóa phục vụ nông nghiệp chính xác; quan sát môi trường sốngtại một khu vực cụ thể; quan sát trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí quyển, pháthiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt, nghiên cứu sự ônhiễm môi trường

Hình 1.4 Ứng dụng trong môi trường

Ví dụ: Theo dõi cháy rừng: các nút cảm biến có thể được triển khai một cách ngẫunhiên, có chương trình rải các nút với mật độ cao thấp trong rừng khác nhau, các nút cảmbiến sẽ cảm nhận các thông số tạo nên nguồn gốc phát lửa trong rừng để báo chosink/BS Khi đó người sử dụng sẽ biết trước khu vực nào lửa sẽ bùng phát Hàng triệucác nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số vô tuyếnhoặc quang học Chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất có hiểu quả

như pin mặt trời vì các nút cảm biến bị bỏ lại không được điều khiển một thời gian dài

Các nút cảm biến sẽ cộng tác với nhau để thực hiện cảm nhận các thông số cần thiết

Phát hiện gần có lũ lụt xẩy ra: các nút cảm biến được triển khai để cảm nhận cácthông số như: mực nước sông, suối, lượng mưa, mức nước, nhiệt độ, độ ẩm Những nútcảm biến này sẽ cung cấp thông tin và chuyển về hệ thống để xử lý và đưa ra dự báo

1.3.2 Ứng dụng trong quân đội

Mạng cảm biến không dây có thể tích hợp một phần trong hệ thống điều khiển,giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu… Với đ ặc tính triểnkhai nhanh, tự tổ chức và có tính kháng lỗi tốt làm cho chúng có thể được sử dụng nhiều

trong quân đội Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc các nút có sẵn, chi phí

thấp và sự phá hủy một vài nút bởi quân địch cũng không làm ảnh hư ởng đến hoạt độngphục vụ quân đội của mạng nên nó có ứng dụng tốt trong chiến tranh Một vài ứng dụng

trong quân đội như quan sát lực lượng địch đi, đến, theo dõi việc vận chuyển trang thiết

bị, đạn dược, do thám địa hình, lực lượng quân địch, do thám mục tiêu, đánh giá mức độnguy hiểm của chiến trường, do thám các cuộc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt

nhân… từ phía địch

Ví dụ 1: Hoạt động giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược: Những ngườilãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lự c lượng quân đội, thăm dò điều kiệnchiến đấu, sự có sẵn của các thiết bị và đạn dược trong chiến trường thông qua sử dụng

WSNs Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể gắn các thiết bị cảm biến nhỏ để

có thể thông báo về trạng thái hiện tại Những bản thông báo này được tập hợp lại tại các

nút sink/BS để gửi tới lãnh đạo quân đội

Ví dụ 2: Giám sát chiến trường : thực hiện triển khai mạng cảm biến không dây ởnhững nơi có địa hình hiểm trở, các tuyến đường, những chỗ hẹp …Do đó có thể theo dõicác hoạt động của quân địch

Ví dụ 3: Giám sát địa hình và lực lượng quân địch: mạng cảm biến có thể đượctriển khai ở những địa hình then chốt, quan trọng, các nút cảm biến nhanh chóng cảm nhậncác thông tin cần thiết và tập trung dữ liệu gửi về trong thời gian nhất định trước khi quân

địch phát hiện ra và ngăn chặn việc theo dõi đó

Hình 1.5 Lực lượng địch bị giám sát bởi WSN s

Hình 1.5 cho ta một cách hình dung ứng dụng của mạng cảm biến không dây tronghoạt động giám sát lực lượng địch trong chiến tranh Từ hình trên cho thấy ở những nơitrọng yếu mà lực lượng quân địch đi qua được giám sát bởi WSNs.

1.3.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Các ứng dụng của mạng cảm biến về chăm sóc sức khỏe như: giám sát, theo dõibệnh nhân, các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, theo dõi và kiểm tra bác sĩ vàbệnh nhân trong bệnh viện…

Ví dụ: Để theo dõi các bác sĩ và các bệnh nhân trong bệnh viện: mỗi bệnh nhân

được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến có các nhiệm vụ như xác định

nhịp tim, phát hiện áp suất máu Bác sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ

khác xác định được vị trí của họ trong bệnh viện

Hình 1.6 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

1.3.4 Ứng dụng trong gia đình

Hình 1.7 Mô hình ngô nhà thông minh nhờ WSNs

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng , để đonhiệt độ, độ ẩm hoặc đặt ở các thiết bị để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng, sựhoạt động của các thiết bị và thông báo thông tin này đến thiết bị báo động để người quản

lý xử biết và xử lý

Chương 2 - CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG WSNs

2.1 Giới thiệu [1]

Mặc dù mạng cảm biến không dây (WSN s) có khá nhiều điểm tương đồng so với

MANETs nhưng WSNs cũng có một số đặc tính khác tạo thành mạng riêng Chính nhữngđặc tính nà y đặt ra cho chúng ta phải thiết kế các giao thức định tuyến mới phù hợp cho

WSNs khác với các giao thức định tuyến trong MANETs Chương này sẽ trình bày cácloại giao thức định tuyến chính thường dùng trong WSN s như định tuyến trung tâm dữliệu (data-centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol), định tuyến dựavào vị trí (location-based protocol), các giao thức quan tâm đến luồng dữ liệu và nhận biếtyêu cầu chất lượng dịch vụ mạng (Network flow and QoS -aware protocols)

- Dữ liệu trong WSNs yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và truyề n đến

nơi chứa tin (sink/BS)

- Các nút cảm biến bị ràng buộc chặt chẽ về năng lượng, khả năng xử lý và lưu trữ

- Hầu hết trong các ứng dụng WSNs, sau khi được triển khai các nút đều ở trạngthái tĩnh (không di chuyển), ngoại trừ một số nút có thể di chuyển

- Mạng cảm biến có những ứng dụng riêng biệt

- Việc nhận biết vị trí rất quan trọng vì việc tập hợp dữ liệu thường dựa vào vị trí

- Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao vì các nút cảm biến cùng cảm nhận thông tin vềmột hiện tượng và tại khu vực cụ thể

2.3 Phân loại các giao thức định tuyến trong WSNs [1-5, 14]

Các giao thức định tuyến trong WSNs có thể phân loại theo cấu trúc mạng thànhcác loại sau: các giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu, các giao thức phân cấp, các giaothức dựa vào vị trí, và một số giao thức riêng dựa trên luồng dữ liệu và nhận biết yêu cầuchất lượng dịch vụ (QoS) Ngoài ra, có thể phân loại theo chế độ hoạt động gồm các loạinhư: chủ động, tương tác và giao thức lai

- Các giao thức trung tâm dữ liệu dựa vào truy vấn và phụ thuộc vào tên của dữliệu muốn thu thập giúp loại bỏ được nhiều truyền tải dư thừa Khi nơi chứa dữ liệu(sink/BS) gửi các truy vấn dữ liệu đến các nút cảm biến thuộc một vùng cụ thể, khi đó các

nút cảm biến sẽ gửi dữ liệu trở lại BS Vì dữ liệu được yêu cầu qua các truy vấn, nên dữliệu được mô tả bằng cách đặt tên dựa vào các thuộc tính.

- Các giao thức phân cấp tập trung vào việc hình thành cụm các nút cảm biến

Trong đó, các trưởng cụm có thể làm một số việc như tập hợp dữ liệu và giảm dữ liệu

trùng lặp để tiết kiệm năng lượng khi thực hiện truyền tải dữ liệu về sink/BS

- Các giao thức dựa vào vị trí sử dụng thông tin vị trí của các nút cảm biến đểchuyển dữ liệu đến những nơi mong muốn thay vì đẩy dữ liệu đi trong toàn mạng

- Các giao thức định tuyến dựa vào mô hình luồng dữ liệu và có nhận biết yêu cầuchất lượng dịch vụ với chức năng định tuyến

- Các giao thức chủ động gồm các giao thức định tuyến thực hiện tính toán trướctheo yêu cầu

- Các giao thức tương tác gồm các giao thức định tuyến thực hiện tính toán khi cóyêu cầu

- Các giao thức lai được kết hợp cả 2 loại chủ động và tương tác

Trong khuôn khổ luận văn, tôi nghiên cứu một số giao thức đị nh tuyến cho WSNs

đã và đang phát triển trong những năm gần đây Mỗi giao thức định tuyến được nghiên

cứu dưới góc độ phù hợp nhằm giúp tìm hiểu tốt hơn về các giao thức định tuyến hiện naycho WSNs Đồng thời tôi cũng tiến hành cài đặt mô phỏng và đánh giá hiệu năng của mộtvài giao thức như LEACH, LEACH-C, PEGASIS, STAT-CLUSTER…

Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến được trình bày trên hình 2.1 và bảng

2.1 dưới đây:

Hình 2.1 Phân loại giao thức định tuyến trong WSNs

Bảng 2.1 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSNs

Tên giao thức

Trung

tâm dữ liệu

Phân cấp

Dựa vào vị trí

QoS Phân loại Có thể di

chuyển

Dựa vào hỏi/đáp

Khả năng định cỡ

Đa đường

Dựa vào yêu cầu

hàng Có thể Có Có Không Thấp

Hạn chế Có CóDirected

Diffusion X

Ngang hàng

Hạn chế Có Có Có Thấp

Hạn chế Có CóRumor

routing X

Ngang hàng

Rất hạn chế Không Có Không Thấp Tốt Không Có

hàng

Hạn chế Không Có Không Thấp Tốt Không Có

hàng Không Không Có Không Thấp

Hạn chế Không Không

hàng Không Không Có Không Thấp

Hạn chế Không Có

hàng

Hạn chế Không Có Không Thấp

Hạn chế Không CóTEEN&

Phân cấp

Nút gốc cố định Không Có Có

Nút chủ nhóm

Tốt Không Không

cấp

Nút gốc cố định Không Có Có

Nút chủ nhóm

Tốt Không Không

cấp

Nút gốc cố định Không Không Có

Nút chủ nhóm

Tốt Không Không

MECN&

Phân cấp Không Không Không Không Thấp Thấp Không Không

Dựa theo

vị trí

Không Không Không Không Thấp Tốt Không Không

Dựa theo

vị trí

Không Có Có Không Trung

bình

Hạn chế Không Có

Dựa theo QoS

Không Không Không Không Trung

bình

Hạn chế Không Có

2.4 Các giao thức trung tâm dữ liệu [1-2, 4, 14]

2.4.1 Giới thiệu [1]

Trong nhiều ứng dụng của WSNs, do số lượng các nút rất lớn nên việc gán địnhdanh ID toàn cục cho mỗi nút cảm biến sẽ không phù hợp Khi thực hiện triển khai ngẫunhiên các nút cảm biến sẽ khó chọn một tập các nút cảm biến cụ thể để thực thi được truyvấn Do đó, dữ liệu được truyền về từ nhiều nút cảm biến trong khu vực triển khai sẽ có

sự dư thừa đáng kể (nhiều gói dữ liệu có nội dung tươn g tự nhau) Với những lí do trên sẽ

làm cho hiệu quả tiêu thụ năng lượng kém đi, khi đó các giao thức định tuyến có thể chọnmột tập các nút cảm biến và sử dụng cơ chế tập hợp dữ liệu trong suốt quá trình truyền tin

để tăng hiệu quả năng lượng

Trong định tuyến trung tâm dữ liệu, nơi nhận dữ liệu (sink/BS) sẽ gửi các truy vấn

dữ liệu đến các nút cảm biến thuộc một vùng cụ thể và chờ các nút trong vùng đó gửi dữliệu trở lại Dữ liệu được yêu cầu qua các truy vấn nên dữ liệu được mô tả bằng cách đặttên dựa vào các thuộc tính SPIN là giao thức trung tâm dữ liệu đầu tiên xét đến thông qua

sự dàn xếp thỏa thuận dữ liệu giữa các nút để loại bỏ dữ liệu dư thừa và tiết kiệm năng

lượng Giao thức tiếp theo được xét đến là Directed Diffusion

gói tin đến đích hoặc thời gian sống của gói dữ liệu TTL=0

Gossiping được cải tiến từ flooding bằng cách: nút nhận gửi gói tin đến từ một nút

hàng xóm, nút nhận được gói tin đó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút hàng xóm khác(không phải là nút đã gửi gói tin đến cho nó) để chuyển tiếp gói tin đi và cứ tiếp tục nhưvậy cho đến khi gói tin đến được đích hoặc thời gian sống của gói tin không còn

Ưu điểm: flooding rất dễ thực hiện

Nhược điểm: (xem hình 2.2) gồm:

- Bị lặp gói tin (implosion): một nút có thể nhận nhiều gói tin bị lặp được gửi đến

Hình 2.2.a.Vấn đề lặp gói tin

(Nút A phát quảng bá gói tin của nó đến

tất cả hàng xóm của nó, nút D nhận được các

bản tin tương tự nhau từ B và C )

Hình 2.2.b.Sự chồng chéo

Hai nút A, B đều cảm nhận trên cùng một vùng,

và dữ liệu nút C nhận được gói tin tương tự nhau

Hình 2.2 Giao thức flooding

2.4.3 SPIN [1-2, 14]

SPIN là giao thức định tuyến dựa vào dàn xếp sự thỏa thuận thông tin truyền về để

tránh dư thừa dữ liệu

* Ý tưởng: SPIN thực hiện đặt tên dữ liệu bằng cách sử dụng mô tả dữ liệu ở mứccao dưới dạng siêu dữ liệu (meta-data) Trước khi truyền gói tin đi, siêu dữ liệu được trao

đổi giữa các cảm biến thông qua cơ chế quảng cáo dữ liệu Mỗi nút khi cảm nhận được

thông tin mới hoặc nhận được thông tin từ nút khác quảng cáo tới từ các nút lánggiềng của nó và nếu các nút láng giềng quan tâm đến thông tin đó thì nút lấy dữ liệu đó(nếu nút không có dữ liệu đó) bằng cách gửi một tin nhắn yêu cầu

Thực tế không có khuôn dạng siêu dữ liệu chuẩn mà nó chỉ xác định khuôn dạngsiêu dữ liệu tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

* Các tin nhắn sử dụng trong SPIN để trao đổi dữ liệu giữa các nút cảm biến gồm:

- Tin nhắn ADV: để một nút cảm biến quảng bá một siêu dữ liệu cụ thể đến cácnút hàng xóm

- Tin nhắn REQ: được gửi từ nút hàng xóm quan tâm đến siêu dữ liệu đã quảngcáo để yêu cầu nhận dữ liệu từ nút đã quảng cáo thông tin

- Tin nhắn DATA: chứa dữ liệu thực tế mà nút hàng xóm yêu cầu cần nhận th ôngtin

Hình 2.3 Sự trao đổi thông tin trong SPIN

* Diễn giải hoạt động của SPIN:

(a) Nút A quảng cáo thông tin mới mà nó cảm nhận được đến nút B bằng cách gửi tinnhắn ADV;

(b) Nút B hồi đáp đồng ý nhận dữ liệu của nút A bằng cách gửi tin nhắn yêu cầu REQ tớinút A;

(c) Nút A thực hiện gửi dữ liệu bằng cách gửi tin nhắn DATA tới nút B;

(d) Nút B lại phát quảng cáo ADV của dữ liệu mà nó mới nhận được tới các nút hàng xóm(trừ nút đã gửi dữ liệu đó cho nó);

(e) Một số nút hàng xóm của B quan tâm dữ liệu mà B quảng cáo thì gửi tin nhắn yêu cầu

REQ đến B;

(f) Nút B gửi tin nhắn dữ liệu DATA tới những nút đã gửi REQ cho B Quá trình truyền

dữ liệu thực hiện cho đến khi dữ liệu đến đích

* Ưu điểm:

- SPIN giải quyết được các vấn đề của flooding như: thông tin dư thừa, sự chồngchéo của các khu vực cảm nhận và tính mù tài nguyên (vì trước khi truyền tin thì có sựdàn xếp thỏa thuận giữa 2 nút cảm biến), từ đó tiết kiệm được năng lượng một cách tối đa

- Phù hợp với các thay đổi kiến trúc mạng vì được cục bộ hóa khi mỗi nút chỉ cầnbiết các nút láng giềng đơn lẽ mà không cần quan tâm đến thông tin toàn cục

* Nhược điểm: Một số trường hợp cơ chế quảng cáo dữ liệu của SPIN có thể

không đảm bảo chuyển dữ liệu đến đích Ví dụ: nếu các nút quan tâm đến dữ liệu ở xa nút

nguồn có dữ liệu mong muốn mà các nút trung gian lại không quan tâm đến dữ liệu đó thì

dữ liệu đó không thể chuyển tiếp đến đích SPIN không phù hợp với những ứng dụng pháthiện xâm nhập đòi hỏi việc truyền thông tin phải tin cậy trong khoảng thời gia n xác định

tâm đó Một hướng (gradient) là một liên kết trả lời cho một nút lân cận gửi quan tâm tới,

và hướng được đặc trưng bởi tốc độ dữ liệu, hạn định ( thời gian hết hạn của quan tâm)

Bằng cách tận dụng quan tâm và các hướng, các đường đi được thiết lập giữa nơi chứa dữliệu (sink/BS) và các nguồn (nơi cảm nhận thông tin)

Ví dụ: yêu cầu dữ liệu gửi để cảm nhận nhiệt độ trong vòng 10s và trong một miền

cụ thể có thể được trình bày như sau:

Và dữ liệu trả lời từ nút cảm biến chi tiết có thể là:

Type = temperature

Value = 38.3

kiểu của dữ liệu cảm nhậngiá trị nhiệt độ được đọc

Cặp thuộc tính - giá trị Mô tả

Timestamp = 1:02:00

Location = [30,38]

nhãn thời gian (tại thời điểm đọc)báo cáo từ cảm biến trong vùng x,y

Hình 2.4 Các bước thiết lập đường đi trong Directed diffusion

Diễn giải hoạt động của Directed Diffusion :

Bước 1: Sink/BS gửi yêu cầu bằng cách quảng cáo interest (quan tâm) đến các nút lân

cận theo định kỳ Bản tin interest này sẽ truyền đến tất cả các nút trong mạng để tìm kiếm

dữ liệu nào đó Mục đích xem có nút cảm biến nào có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng mô

tả trong interest hay không Tất cả các nút đều duy trì một bộ nhớ đệm để lưu trữ các thựcthể interest từ sink/BS Bộ nhớ đệm sẽ lưu trữ một thực thể interest gồm một số trường

như: nhãn thời gian (timestamp), trường hướng (gradient) cho các nút lân cận và trường

thời gian sống của interest (duration) Mỗi hướng sẽ lưu trữ cả tốc độ dữ liệu và chiều mà

dữ liệu được gửi đi

Bước 2: Nút nhận interest tạo liên kết với nút hàng xóm đã gửi interest Việc truyền bản

tin interest trong toàn mạng kết hợp với việc thiết lập các gradient tại mỗi nút cảm biếncho phép tìm ra và thiết lập các đường truyền dữ liệu tới sink/BS

Bước 3: Đường đi dữ liệu được thiết lập giữa nút cảm nhận thông tin và sink/BS Khi một

nút cảm nhận được thông tin của một sự kiện, nó sẽ tìm kiếm trong bộ nhớ đệm xem cóinterest nào phù hợp với các mô tả của thông tin cảm nhận được không Nếu phù hợp nút

sẽ gửi mô tả về sự kiện cảm nhận được cho các nút hàng xóm theo hướng Các nút hàngxóm này sẽ kiểm tra trong bộ nhớ đệm xem có interest nào phù hợp với các mô tả gửi đếnkhông, nếu không nó sẽ loại bỏ dữ liệu, nếu phù hợp nó sẽ nhận dữ liệu này, sẽ thêm mô

tả vào bộ nhớ đệm dữ liệu và sau đó gửi bản tin mô tả dữ liệu cho các nút lân cận

Trong bước 2 thiết lập hướng thì sink/BS sẽ thiết lập một tập hợp các đường đi

sink/BS có thể sử dụng đường dẫn chất lượng cao để làm tăng tốc độ truyền dữ liệu

Cách gia cố đường đi trong Directed Diffusion: Khi một đường truyền tin thiết lậpgiữa một nguồn và nơi chứa dữ liệu bị hỏng thì một đường truyền mới thay thế sẽ được

xác định bằng cách tìm kiếm đường đi khác và thực hiện gửi dữ liệu ở tốc độ thấp hơn

* Ưu điểm: Directed diffusion có thể tiết kiệm được năng lượng bằng cách chọnđường truyền tốt theo lịch sử bộ nhớ đệm và quy trình xử lý dữ liệu trong mạng

* Nhược điểm:

- Directed Diffusion không thể được áp dụng cho tất cả ứng dụng WSNs vì nó

được dựa trên một mô hình giao nhận dữ liệu hướng truy vấn Các ứng dụng đòi hỏi giao

nhận dữ liệu liên tục đến nơi chứa dữ liệu sẽ không làm việc hiệu quả với mô hình dữ liệuvận hành truy vấn dựa trên nhu cầu Do đó, Directed Diffusion không tốt với những ứngdụng như giám sát môi trường

- Các kế hoạch đặt tên trong Directed Diffusion phụ thuộc từng ứng dụng và mỗilần sẽ phải xác định một ưu tiên Đồng thời phải xử lí phù hợp giữa dữ liệu và các truyvấn

2.4.5 Enery-aware routing [1]

Energy-aware routing (định tuyến có nhận biết năng lượng) là giao thức trung tâm

dữ liệu tối ưu năng lượng

* Ý tưởng: Enery-aware routing dùng một bộ các đường đi con tối ưu để tăng tuổithọ của mạng Các đường đi này được lựa chọn bằng giá trị của một hàm xác suất tùy vào

sự tiêu hao năng lượng của mỗi đường đi

* Các pha trong Enery-aware routing: Giả sử mỗi nút có địa chỉ dựa trên cơ chế

định địa chỉ gồm: vị trí và kiểu của nút Enery-aware routing thực hiện theo 3 pha sau:

1 Pha thiết lập: thực hiện cục bộ hóa flooding để tìm ra các đường đi và tạo cácbảng chuyển tiếp (Forwarding Table).

Giai đoạn này, tổng chi phí năng lượng được tính toán trong mỗi nút Ví dụ: nếu

yêu cầu được gửi từ nút N i đến nút N j , thì N jtính toán chi phí của đường đi theo công thứcsau:

Trong đó:

- CNj,Ni : chi phí đường đi từ nút N j đến nút N i

- Cost(Ni): năng lượng để truyền tải tin nhắn yêu cầu của nút Ni

- Metric(Nj,Ni): năng lượng tiếp nhận yêu cầu của N j từ nút Ni

Từ công thức trên, những đường đi có chi phí rất cao bị bỏ đi Mỗi nút cảm biếngắn một xác suất cho các nút hàng xóm tương ứng trong bảng chuyển tiếp (forwardingTable - FTj) để hình thành đường đ i Công thức tính xác suất của mỗi nút hàng xóm tỉ lệ

nghịch với chi phí năng lượng:

Trong đó: PNjNi : Xác suất nút hàng xóm N i của nút N j

Sau đó Njtính toán chi phí năng lượng trung bình để đến được đích bằng cáchdùng xác suất các nút hàng xóm trong bảng chuyển tiếp (forwarding table - FTj) theo côngthức:

Trong đó: Cost(N j ): Chi phí trung bình của N jđược thiết lập trong trường chi phí

của yêu cầu và đã chuyển tiếp

2 Pha truyền dữ liệu : Mỗi nút chuyển tiếp gói tin bằng cách chọn ngẫu nhiên mộtnút hàng xóm theo xác suất trong bảng chuyển tiếp (FTj);

3 Giai đoạn bảo trì đường đi : thực hiện cục bộ hóa flooding không thường xuyên

để giữ tất cả đường đi đang tồn tại

* Ưu điểm: Tiết kiệm năng lượng hơn Directed Diffusion, do đó tăng tuổi thọ

mạng

* Nhược điểm:

- Sử dụng đường truyền đơn sẽ không truyền được tin đến đích nếu một nút hoặc

đường truyền bị hỏng;

- Phương pháp này đòi hỏi thu thập thông tin vị trí và thiết lập cơ chế định địa chỉcho các nút.

2.4.6 GBR [1]

GBR là giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu dựa vào hướng

* Ý tưởng: mỗi nút cảm biến ghi nhận số chặng từ nút đó đến sink/BS khi sink/BSphát quảng bá các truy vấn trong mạng (nhận truy vấn quảng bá từ các hàng xóm) Từ đómỗi nút có thể xác định được số chặng tối thiểu đi đến nơi chứa tin (còn gọi là chiều caocủa nút)

Sự chênh lệch giữa chiều cao của một nút và số hàng xóm của nút đó gọi là hướngtrên liên kết đó Việc truyền tin được thực hiện trên một liên kết với hướng lớn nhất

GBR sử dụng một số kỹ thuật hỗ trợ như tập hợp dữ liệu và phân chia lưu lượng đểcân đối lưu lượng thống nhất trong mạng

- Chương trình dựa vào dòng chảy dữ liệu (Stream -based scheme): để chuyển

hướng sang dòng chảy dữ liệu mới từ các nút hiện đang là một phần đường đi của các

đệm trước đó không phải là mới nhất thì thực hiện thu thập thông tin từ các nút láng

giềng trong giới hạn bán kính d chặng Sau khi một truy vấn được xử lý xong, thông tin sẽ

được gửi trở lại nơi chứa tin (sink/BS) theo đường đi ngắn nhất

* Ưu điểm:

- ACQUIRE phù hợp với các truy vấn phức tạp đòi hỏi thông tin đáp ứng từ nhiềunút.

- Cơ chế ACQUIRE thực hiện hiệu quả bằng cách điều chỉnh giá trị của tham số d.Nếu d=kích thước mạng thì ACQUIRE giống như flooding Nhưng nếu d quá nhỏ thì truyvấn hình thành nhiều chặng hơn

ACQUIRE lựa chọn nút tiếp theo đ ể chuyển tiếp truy vấn hoặc chọn ngẫu nhiênhoặc lựa chọn dựa vào tiềm năng tối đa tăng sự hài lòng truy vấn nhưng cũng tăng chi phí

có sự gia tăng mật độ các nút cảm biến Ngoài ra, kiến trúc cổng đơn không có khả năng

mở rộng các nút cảm biến phủ một khu vực rộng lớn cần quan tâm vì các cảm biến bình

thường có khả năng truyền thông đơn chặng yếu Để tránh tình trạng quá tải và tăng khảnăng thực hiện bao phủ trên một khu vực rộng lớn mà không làm suy giảm các dịch vụ, ýtưởng phân cấp được đ ưa ra trong tiếp cận định tuyến

Mục đích chính của định tuyến phân cấp (hierarchical protocols) là để duy trì hiệuquả tiêu thụ năng lượng của cá c nút cảm biến bằng cách yêu cầu chúng truyền thông đachặng sử dụng một cụm (cluster) cụ thể và bằng cách thực hiện tập hợp, hợp nhất dữ liệu

để giảm số lượng tin nhắn dữ liệu truyền đến sink/BS Khuôn dạng cụm cụ thể được hình

thành dựa vào năng lượng còn lại của các nút cảm biến và sự gần gũi với nhau giữa cácnút cảm biến (sự gần gũi về mặt địa lý) Giao thức LEACH là một trong những giao thức

định tuyến phân cấp điển hình

2.5.2 LEACH [1-3, 9, 14]

LEACH là giao thức định tuyến phân cấp phổ biến nhất cho WSNs

* Ý tưởng: các cụm của các nút cảm biến được hình thành dựa vào độ mạnh tínhiệu của các nút và dùng trưởng cụm cục bộ với vài trò như các router để chuyển dữ liệu

đến sink/BS Trưởng cụm thực hiện các xử lý như tập hợp và hợp nhất dữ liệu trước khi

gửi dữ liệu về sink/BS

LEACH sử dụng cơ chế xoay vòng trưởng cụm một cách ngẫu nhiên theo thời gian

để cân đối tiêu tốn năng lượng của các nút cảm biến

* Quyết định nút làm chức năng trưởng cụm như sau: Giả sử các nơi nhận dữ liệu(sink hoặc trạm cơ sở BS) cố định và nằm xa các nút cảm biến, tất cả các nút trong WSNs

đều đồng nhất và có năng lượng hạn chế Trong pha thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn

một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1 Nút này trở thành trưởng cụm cho vòng hiện tại r nếu sốngẫu nhiên được lựa chọn nhỏ hơn ngưỡng sau đây:

Trong đó:

- p là phần trăm mong muốn của trưởng cụm ;

- r là vòng hiện tại ;

- G là tập hợp của các nút không phải trưởng cụm trong 1/p chu kỳ cuối

Hình 2.5 cho thấy cách tiếp cận thiết kế phân cụm của LEACH

Hình 2.5 Cách tiếp cận của giao thức LEACH

* Các pha con trong LEACH gồm: quảng bá, thiết lập cụm, lập lịch, và giai đoạntruyền dữ liệu

- Pha quảng bá: bản thân trưởng cụm được lựa chọn sẽ phát quảng bá tin đến tất cảcác nút lân cận nó và các nút không phải là trưởng cụm quyết định nó thuộc về cụm nàodựa vào độ dài tín hiệu nhận được

- Pha thiết lập cụm: các nút không phải là trưởng cụm nó i với trưởng cụm quyết

định của mình bằng cách sử dụng giao thức CSMA MAC Sau đó cụm trưởng sẽ tạo

thành bộ lập lịch TDMA và phát bộ lập lịch đó trở lại các thành viên của nó

- Pha truyền dữ liệu: mỗi nút sẽ chờ đến lượt mình gửi dữ liệu đi nếu cần

* Ưu điểm:

- LEACH sử dụng phối hợp cục bộ (phối hợp trong cụm) để cải thiện khả năng mởrộng và tăng tính mạnh mẽ của mạng;

- Có sự tổng hợp dữ liệu để giảm số lượng thông tin truyền đi giữa các nút cảm biến

đến nút lưu tin (sink/BS);

- LEACH sử dụng cơ chế trưởng nhóm linh hoạt tránh được sự suy giảm năng lượngcủa trưởng nhóm đáng kể

* Nhược điểm:

- LEACH dùng định tuyến đơn chặng, mỗi nút có thể truyền tin trực tiếp tới trưởngcụm (cluster head) hoặc nơi chứa tin (sink/BS); Vì vậy LEACH không áp dụng đối vớinhững ứng dụng cần triển khai trong các khu vực lớn Hơn nữa, ý tưởng cụm năng động

làm tăng thêm chi phí như: thay đổi trưởng cụm, các quảng cáo…, có thể làm tăng tiêu

thụ năng lượng Có thể tạo ra vấn đề “điểm nóng” (nút trưởng có thể hết năng lượng sớm

trước khi truyền tin đến đích);

- LEACH không thể dùng trong các ứng dụng theo dõi sự kiện;

- Các giả thiết về nơi lưu giữ tin (sink/BS) có thể không có trong thực tế

Một phiên bản cải tiến của LEACH là LEACH-C: trong đó, số cụm và trưởng cụm

ban đầu được ấn định bởi BS Trong suốt quá trình hoạt động, số cụm giữ nguyên nhưngtrưởng cụm thay đổi theo chu kỳ

2.5.3 PEGASIS và Hierarchical-PEGASIS [1-3, 14-15]

PEGASIS là giao thức tiết kiệm năng lượng theo dạng dây chuyền trên cơ sở giaothức LEACH

Một giao thức gần tối ưu theo các giả định sau đây về mạng:

- Tất cả các nút có thông tin vị trí về tất cả các nút khác và mỗi nút trong số đó cókhả năng truyền dữ liệu trực tiếp tới các trạm cơ sở;

- Các nút cảm biến là bất động (đứng yên);

* Ý tưởng: Thay vì hình thành nhiều cụm, PEGASIS hình thành các dây chuyền từcác nút cảm biến mà mỗi nút truyền và nhận từ một nút hàng xóm và chỉ một nút trong số

từ chuỗi đó được chọn để truyền dữ liệu đến trạm cơ sở

Việc xây dựng chuỗi được thực hiện theo phương pháp tham lam N hư hình 2.6

dưới, nút s1 chuyển dữ liệu tới nút s2 Nút s2 tập hợp dữ liệu của s1 với dữ liệu của nó và

truyền dữ liệu đến trưởng cụm s3 Sau đó nút vượt qua nút s3 tới nút s5, nút s5 truyền dữliệu của nó tới nút s4 Nút s4 tập hợp dữ liệu của nút s5 với dữ liệu của riêng nó và truyền

dữ liệu đến trưởng cụm s3 Nút s3 chờ đợi để nhận dữ liệu từ cả hai nút láng giềng là s2

và s4, sau đó tập hợp dữ liệu của nó với dữ liệu nhận được Cuối cùng, nút S3 truyền dữ

liệu tập hợp được tới trạm cơ sở BS:

Hình 2.6 Dây chuyền trong PEGASIS

* Ưu điểm: PEGASIS có hiệu năng tốt hơn LEACH với các kích cỡ và cấu trúcmạng khác nhau Việc tăng hiệu năng đạt được thông qua sự loại bỏ chi phí gây ra bởi sựhình thành cụm năng động trong LEACH và thông qua việc giảm số lần truyền bằng cáchdùng tập hợp dữ liệu

* Nhược điểm: PEGASIS sẽ chậm trễ quá mức nếu có các nút ở xa trên cùng mộtchuỗi Hơn nữa, có trưởng cụm duy nhất có thể gây ra quả tải cho nút trưởng cụm ( còngọi là thắt nút cổ chai)

Hierarchical-PEGASIS:

Sự phân cấp của PEGASIS là một mở rộng của PEGASIS với mục tiêu làm giảm

độ trễ quá mức cho các gói tin trong suốt quát trình truyền tin đến trạm cơ sở và sử dụng

giải pháp trong vấn đề thu thập thông tin bằng cách xem xét số liệu về năng lượng và độtrễ truyền tin

Để giảm độ trễ thì các truyền dữ liệu đồng thời được đưa ra Để tránh các va chạm và

sự nhiễu tín hiệu có thể có giữa các nút cảm biến khi truyền tin, có hai cách tiếp cận sau

được đưa ra:

- Cách 1: Cách tiếp cận kết hợp mã hóa tín hiệu, ví dụ: CDMA

- Cách 2: Cách tiếp cận các nút chia không gian cho phép truyền tin cùng thời điểm.Giao thức này dựa vào dây chuyền với các nút sử dụng cơ chế CDMA sẽ xây dựngmột chuỗi các nút mà hình dạng giống như một cây phân cấp, trong đó mỗi nút đã chọntrong một mức cụ thể để truyền dữ liệu tới nút ở mức cao hơn trong hệ thống phân cấp đó(xem hình 2.7) Phương pháp này đảm bảo sự truyền tải dữ liệu song song và giảm độ trễ

đáng kể

Hình 2.7 Thu thập dữ liệu trong một dây chuyền dựa trên cơ sở sơ đồ nhị phân

Diễn giải:

Nút c3 được chỉ định trưởng cho vòng 3 Vì nút c3 là ở vị trí 3 (tính từ 0) trên dây

chuyền nên tất cả các nút ở vị trí chẵn sẽ gửi tin cho nút hàng xóm bên phải của nó Các

nút này đang tiếp nhận tin tại mức cao hơn trong phân cấp Lúc này, ở mức tiếp theo, nút

c3 vẫn ở một vị trí lẻ (vị trí 1) Do đó, tất cả các nút ở vị trí chẵn sẽ tổng hợp dữ liệu của

nó với dữ liệu nhận được và gửi sang nút hàng xóm bên phải của nó Ở mức 3, nút c3

không ở vị trí lẻ nữa, nên nút C7 sẽ tổng hợp dữ liệu của nó và chuyển cho c3 Cuối cùng,

nút c3 sẽ kết hợp dữ liệu hiện tại của nó với dữ liệu nhận được từ C7 và truyền đến nơichứa tin

Các tiếp cận không dựa vào CDMA (non-CDMA) nó tạo ra một phân cấp của cácnút theo ba mức và các ảnh hưởng nhiễu được giảm bằng cách lập lịch các truyền tải đồngthời Như vậy, giao thức định tuyến dựa vào dây chuyền này đã cho thấy hiệu năng tốt

hơn so với PEGASIS bình thường

Ưu điểm: PEGASIS tốt hơn LEACH bởi nó loại bỏ các chi phí hình thành cụmlinh động, giảm thiểu tổng khoảng cách giữa các nút không phải trưởng nhóm mà phải

truyền tin, đồng thời giới hạn số lượng tin được truyền đi

Nhược điểm: PEGASIS đòi hỏi điều chỉnh cấu trúc mạng năng động, vì nănglượng của nút cảm biến không được theo dõi Ví dụ, mỗi nút cảm biến cần phải chú ý đến

tình trạng của hàng xóm của mình để nó biết và tạo đường truyền dữ liệu, nên đòi hỏi mỗinút cảm biến phải biết thông tin toàn cục về mạng Điều này không tốt khi tăng quy mômạng Việc điều chỉnh cấu trúc mạng có thể tiêu tốn chi phí năng lượng đáng kể cho cácmạng sử dụng thường xuyên