Giới thiệu tổng quan về các giao thức LEACH, LEACH c, STAT CLUSTER

Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạngcảm ứng không dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô phỏng và đánh giá 3 giao thức cơ bảntrong m

án, em đã nhận được sự động viên, giúp đỡ tận tình của PGS.TS Vương Đạo Vy Em xin chân thành cảm ơn thầy

và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Điện Tử Viễn Thông -Khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa Học đã dạy bảo em trong suốt 5 năm học đại học, để em có được những kiến thức như ngày hôm nay và cụ thể là qua kết quả đồ án đã phần nào thể hiện điều này.

Ngoài ra, trong quá trình làm đồ án xa nhà , em cũng được sự trợ giúp, động viên hết sức to lớn về mặt vật chất cũng như tinh thần từ gia đình, người thân và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn.

Huế, ngày 28 tháng 0 4 năm 2009

Người thực hiện đồ án

Nguyễn Duy Thanh

LỜI NÓI ĐẦU

Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyếntrong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WirelessSensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và

đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin Hiệnnay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng khôngdây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày Mạng cảm ứngđược ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinhdoanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặtvới rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trongmạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rấtnhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sửdụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trongtương lai các ứng dụng của mạng cảm ứng không dây sẽ trở thànhmột phần không thể thiếu trong cuộc sống

Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạngcảm ứng không dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời

sử dụng phần mềm để mô phỏng và đánh giá 3 giao thức cơ bảntrong mạng cảm biến không dây Đó là các giao thức LEACH,LEACH-C, STAT_CLUSTER

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN

I.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệthông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụngtrong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật vàgiám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên

Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các nodevới nhau nhờ sóng radio Nhưng trong đó, mỗi node mạng baogồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền

dữ liệu Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn,giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có hệthống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chếthời gian hoạt động lâu dài

Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạngWLAN, và mạng phạm vi ở nhà (Bluetooth) Các gói chuyển từmạng này qua mạng khác sẽ được hỗ trợ internet không dây Mạngcellular đích đến là tại những người sử dụng với tính di động cao

Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tầnDoppler Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao Bluetooth vàHome RF đích đến là tại nhà Tốc độ dữ liệu mong muốn có dảiradio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.

WSN khác với các mạng trên Nó có 1 số lượng lớn các node.Khoảng cách giữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạngtrên Do WSN hoàn toàn chỉ là các node, chi phí cho mỗi node là

ít Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều, bởi vì việc thay thế pincủa mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả Tốc độ dữ liệu

và tính di động trong WSN cũng thấp hơn

Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bịmạng cảm nhận không dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạothành một cách công khai, sẵn sàng để thương mại hóa, cùng vớiTinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể dễ dàng sử dụngthiết bị này Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley Sựtiện ích của các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng,hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triểnkhai thực tế đã mang lại một vai trò đầy đủ trong cuộc cách mạngvàng của mạng cảm nhận không dây

Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley

I.2 Cấu trúc mạng WSN

I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN

Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và pháttriển các nút cấu thành mạng nút cảm biến Các nút này phải thỏamãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải cókích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, cócác thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông

số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, vàphải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lâncận Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản,như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processingunit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit).Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từngứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộphát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.

Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và

bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter).Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo rabởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đóđược đưa vào bộ xử lý

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storageunit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thựchiện các nhiệm vụ định sẵn

Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi

và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tớicác nút khác hoặc tới sink

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộnguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời giansống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện

từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời

Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng củamạng 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 chuyểncác nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn địnhnhư cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡtừng module Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràngbuộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạtđộng ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thíchứng với môi trường

I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩthuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế

do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt là khi nút phát và nút thucách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trunggian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy cácmạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời giansống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuậtquan trọng mạng cảm biến không dây

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấuhình các thông số một các tự động Chẳng hạn như các nút có thểxác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự địnhvị)

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụngmột nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nútcùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng

nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và nănglượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồimới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.

Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện khôngdây

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như

hình 1.4 Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và

định tuyến lại đến các sink Dữ liệu được định tuyến lại đến cácsink bởi một cấu trúc đa điểm Các sink có thể giao tiếp với các nútquản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệtinh

Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN

Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi cácnút sẽ được định tuyến gửi đến sink Sink sẽ gửi dữ liệu đến ngườidùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức

được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến (hình 1.5)

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.

Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọnđường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suấthiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảmbiến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu,lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất,phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ

Lớp ứng dụng :Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến

mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụngtrong lớp ứng dụng Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quantrọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – SensorManagement Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định

nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and DataAdvertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến(SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination).

Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng

mạng cảm biến yêu cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảmbiến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng quainternet Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nútquản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói ngừời dùng (UDP –User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP– Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh.Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cần các giao thứckiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ Hơn nữacác giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mởrộng và định tuyến tập trung dữ liệu

Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được

cung cấp bởi lớp truyền tải Việc định tuyến trong mạng cảm biếnphải đối mặt với rất nhiều thách thức như mật

độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy thiết kế lớpmạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quantrọng hàng đầu

Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạngcảm biến không dây Nhìn tổng quan, chúng được chia thành baloại dựa vào cấu trúc mạng, đó là định tuyến ngang hàng, địnhtuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xét theo hoạt động thìchúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến thỏathuận (negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ(QoS – Quanlity of Service), định tuyến kết hợp (coherent-based).

Lớp kết nối dữ liệu: Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm

cho việc ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi

và truy nhập môi trường Vì môi trường có tạp âm và các nút cảmbiến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường(MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất vàphải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bácủa các nút lân cận

Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số,

phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã và tách sóng

Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất

của nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nósau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận Điều này giúptránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi mức công suất của nút cảmbiến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thôngbáo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bảntin chọn đường Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm

vụ cảm biến

Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của

các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảmbiến Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảmbiến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện

Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ

cảm biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảmbiến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùngmột thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụnhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó

Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến cóthể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả côngsuất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phânchia tài nguyên giữa các nút cảm biến

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN

I.4.1 Thời gian sống bên ngoài

Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn Ví dụ: mộtloại pin kiềm cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền chomỗi nút mạng ở chế độ tích cực gần 1 tháng hoạt động Sự tiêu tốn

và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho một mạng rộng, thìthời gian sống dài hơn được thiết kế Trong thực tế, pin rất cầnthiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tựđộng sử dụng không cần thay thế trong vài năm Sự cải thiện củaphần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp tamột phần trong việc tiết kiệm pin

I.4.2 Sự đáp ứng

Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài

là điều khiển các node trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyểnmạch giữa 2 chế độ: chế độ ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động(mode active) Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là 1 tháchthức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ 1cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suấtcủa các sensor Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiênđược tìm thấy và thông báo nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải đượcgiữ ở giới hạn chính xác, thậm chí trong sự tồn tại của nghẽnmạng

I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness)

Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ baophủ chính xác (fine-grained coverage) Mục tiêu này phổ biến ở sốlượng lớn các thiết bị không đắt tiền Tuy nhiên các thiết bị rẻthường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi Tốc độ lỗi cũng sẽ caokhi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắckhe và trong vùng của kẻ địch Giao thức thiết kế do đó cũng phảixây dựng kỹ sảo để có thể đáp ứng tốt Rất khó để chắc chắn rằngviệc định dạng toàn cầu của hệ thống là không bị hỏng với các thiết

bị lỗi

I.4.4 Hiệu suất (Synergy)

Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dungnăng của thiết bị về các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thựchiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh chóng sự chính xác của

bộ cảm biến Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được đặt ra ở đây là giá cảtrên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài cent),

nó có thể làm cho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức

độ nhất định Đó là lý do để thiết kế các giao thức cho hiệu suấtcao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn sovới dung năng của các thành phần trong nó cộng lại Các giao thứccung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính và các tàinguyên thông tin

I.4.5 Tính mở rộng (Scalability)

WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn

10 ngàn, thậm chí là hàng triệu node trong một giới hạn về độdài).Có một vài hạn chế về thông lượng và dung lượng làm ảnhhưởng đến scalability của hoạt động mạng

I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity)

Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bịtrong quá trình cài đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu

và cảm biến) Sự không đồng nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đếnthiết kế

I.4.7 Tự cấu hình

Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệthống phân phối không cần chủ Hoạt động tự động là vấn đề chínhđược đặt ra trong thiết kế Ngay từ khi bắt đầu, các node trongWSN có thể được cấu hình theo topo mạng của chúng; tự đồng bộ,

tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác

I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi

Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn vềđiều kiện hoạt động trước khi triển khai Dưới những điều kiện đó,việc xây dựng những máy móc để có thể tự học từ sensor và thuthập các phép đo mạng, sử dụng những cái học được đó để tiếp tụchoạt động cải tiến là điều rất quan trọng

Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môitrường mà WSN hoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian.Các giao thức WSN sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môitrường năng động trong khi nó đang sử dụng

I.4.10 Cách biệt và bảo mật

Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng, nhạy của thông tin thuđược bởi vì WSN làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm sựcách biệt và bảo mật

I.5 Ứng dụng của mạng WSN

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự.Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động,

robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế WSN ngày càngđược sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng.

Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

 Cảm biến môi trường:

 Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,

 Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…

 Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…

Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ônhiễm, chất thải

Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩncấp,…

Hệ thống giao thông thông minh:

 Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệthống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹtxe,…

 Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự độngphương tiện giao thông,…

 Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp vàđiều khiển các thiết bị thông minh,…

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thôngminh, giữa các thiết bị thông minh và con người, giao tiếp giữa cácthiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thốngthông tin di động, internet,…)

CHƯƠNG II ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảmbiến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề Rất nhiều cácgiải thuật mới đã được đưa ra để giải quyết vấn đề định tuyến dữliệu Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng vàcấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng Chương này trìnhbày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó

là định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyếnphân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí(location-based protocol)

II.1 Giới thiệu

Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so vớicác mạng adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một sốcác đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng

Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới mà khác

xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây vàkhông dây

II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến

II.2.1 Tính động của mạng

Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm

ứng, nút sink và các sự kiện cần giám sát Trừ một vài trường hợp

thiết lập các nút cảm ứng di động, còn lại hầu hết các nút cảm biếnđược giả thiết là cố định Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả nútgốc và các nút cảm biến có thể di chuyển Khi đó các bản tin chọnđường được lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút diđộng sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấuhình mạng, năng lượng, độ rộng băng Các sự kiện cảm nhận cóthể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng

II.2.2 Sự triển khai các node

Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và cóthể được xác định trước hoặc tự phân bố Trong trường hợp đượcxác định trước, các nút được đặt bằng tay và dữ liệu được địnhtuyến thông qua các đường đã định Tuy nhiên trong các hệ thống

tự tổ chức, các nút cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một

cấu trúc theo kiểu ad hoc Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink

hay là các nút chủ cũng góp phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệuquả năng lượng và hoạt động của mạng Trong hầu hết các cấuhình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thường có cự ly ngắn do

các hạn chế về năng lượng và băng thông Do đó việc chọn đường

sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy

II.2.3 Tính đến năng lượng

Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến bị ảnhhưởng mạnh bởi năng lượng Vì năng lượng truyền đi của sóng vôtuyến là một hàm suy hao theo khoảng cách và đặc biệt suy giảmmạnh trong trường hợp có nhiều vật cản, định tuyến đa bước nhảy(multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp.Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu

đề (overhead) để điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhậpđường truyền Định tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất

cả các nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các trường hợp các

nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy địnhtuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn Trong WSN đa bướcnhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường.Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn côngsuất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phảichọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng

II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu

Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo sốliệu trong WSN có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian,theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc ghép lại các phương pháp này

Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứngdụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ Khi đó, các nút cảm biến sẽ

bật bộ phận cảm biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môitrường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xác định

Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, cácnút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị củathuộc tính cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc

để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút kháctrong mạng

Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụngphụ thuộc thời gian Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng

kể từ phương pháp báo cáo số liệu, đặc biệt khi tính đến việc tốithiểu hóa năng lượng và sự ổn định tuyến

II.2.5 Khả năng của các node

Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất,nghĩa là có khả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và

có công suất như nhau Tuy nhiên phụ thuộc vào từng ứng dụngkhác nhau mà một nút có thể phải thực hiện các chức năng cụ thểnhư truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chức năngtrong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao nănglượng của nút đó

Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiềuvấn đề kĩ thuật liên quan đến định tuyến Ví dụ một vài ứng dụngcần phải kết hợp nhiều sensor để kiểm tra nhiệt độ, áp suất và độ

ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịch chuyển thôngqua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanhcủa các vật chuyển động Tốc độ đọc của các sensor này có thể

khác nhau, vì thế với những môi trường không đồng nhất như vậyviệc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn Ví dụ, các giaothức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biếnbình thường khác Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từcác nút cảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biếnkhác về công suất, băng thông và bộ nhớ Do đó, nhiệm vụ truyềntin tới nút gốc được tập trung bởi một nhóm các nút chủ nhóm

II.2.6 Tập trung / hợp nhất dữ liệu

Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệuthừa, để giảm số lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nútkhác nhau phải được tập trung lại Tập trung dữ liệu là sự kết hợpcác dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc dùng các chức

năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy trung bình (average) Các chức năng trên có thể được thực hiện

một phần hoặc toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng Việc tinh toán

sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với giao tiếp, và quá trình tập hợp

dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng kể Kĩ thuật nàyđược sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến Trong một

số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉđịnh cho các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng Tập trung dữliệu cũng khả thi trong kỹ thuật xử lý tín hiệu

II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN

Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trongWSN Ngoài cách chia làm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là địnhtuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa

vào vị trí việc chọn đường trong WSN còn có thể được chia thànhchọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựatheo vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng Những giao thức này cũng

có thể được chia thành các giao thức chọn đường đa đường, yêucầu hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất lượng dịch vụ -QoS tuỳtheo cơ chế hoạt động của giao thức Ngoài ra, các giao thức chọnđường có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặcghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích Trongcác giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi

có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đườngđược tính toán theo yêu cầu Để khái quát, có thể sử dụng phân loạitheo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩnchọn đường) Việc phân loại và so sánh các giao thức chọn đường

trong WSN được chỉ ra trong hình 2.1 và hình 2.2

Hình 2.1: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN

Hình 2.2: Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong

WSN

II.4 Các loại giao thức định tuyến

II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols)

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm ứng thì việc xác định

số nhận dạng toàn cầu cho từng nút là không khả thi Việc thiếu sốnhận dạng toàn cầu cùng với việc triển khai ngẫu nhiên các nút gâykhó khăn trong việc chọn ra tập hợp các nút chuyên dụng Vì thế

dữ liệu được truyền từ mọi nút trong vùng triển khai với độ dư thừađáng kể, nên việc sử dụng năng lượng sẽ không hiệu quả Do vậy,người ta đã đưa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn

ra tập hợp các nút và thực hiện tập trung dữ liệu trong suốt quátrình truyền Điều này đã dẫn đến ý tưởng về giao thức trung tâm

dữ liệu Trong giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến cácvùng xác định và đợi dữ liệu từ các sensor đã được chọn trướctrong vùng SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cậpđến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm bớt sự dư thừa dữliệu và tiết kiệm năng lượng Sau đó Directed Diffusion (truyền tintrực tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trongđịnh tuyến trung tâm dữ liệu

II.4.1.1 SPIN (Sensor protocols for information via negotiation)

SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) làgiao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu Mục

tiêu chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môitrường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trongtoàn bộ mạng Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng vềtài nguyên và sắp xếp dữ liệu Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu(data negotiation) này là các nút trong SPIN sẽ biết về nội dungcủa dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào được truyền trong mạng Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến nội dung dữ liệubằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá Điều này tạo

ra sự sắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đếnnút quan tâm loại dữ liệu này Do đó mà loại trừ khả năng bản tinkép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng.Việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ khả năng chồng chất

vì các nút có thể chỉ giới hạn về lọai dữ liệu mà chúng quan tâmđến Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức tiêu thụnăng lượng của mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu Khi mứcnăng lượng còn lại thấp các nút này có thể giảm hoặc loại bỏ một

số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu hoặc các gói Chínhviệc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của mạng

Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao

thức này sử dụng ba loại bản tin (hình 2.3).

Hình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN

Hình 2.4: Hoạt động của SPIN

Hoạt động của SPIN gồm 6 bước

 Bước 1: ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới

các nút

 Bước 2: REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm.

Sau khi nhận được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửiREQ để yêu cầu lấy dữ liệu

 Bước 3: bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu

được cảm biến và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu

 Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu

của nó cho các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADVchứa miêu tả dữ liệu (metadata)

 Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ

yêu cầu dữ liệu

 Bước 6: là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu

dữ liệu này

Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trunggian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thểđến được đích

II.4.1.2 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion)

Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền vàphân bổ thông tin trong mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính

là tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng để đạtđược mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảmbiến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân cậnmạng Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểucác đường truyền dẫn Đặc điểm duy nhất của giao thức này là sự

kết hợp với khả năng của nút để có thể tập trung dữ liệu đáp ứngtruy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng.

Thành phần chính của giao thức này bao gồm 4 thành phần:interest (thông tin yêu cầu), data message (các bản tin dữ liệu),gradient, reinforcements Directed disffusion sử dụng mô hìnhpublish- and subcribe trong đó một người kiểm tra (tại sink) sẽmiêu tả mối quan tâm (interest) bằng một cặp thuộc tính-giá trị.Như vậy, yêu cầu dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ trong vòng 10’s

và trong một miền chi tiết như hình chử nhật có thể được trình bàynhư sau:

Cặp thuộc tính – giá trị mô tả

Type = temperature kiểu dữ liệu cảmbiến

Start = 01:00:00 thời gian bắt đầu Interval =1s báo cáo sự kiện, chu

kỳ là 1s

Duration = 10s thời gian sống củainteres (cho 10s)

Location = [24,48,36,40] ở trong miền này

Và dữ liệu trả lời từ node chi tiết có thể là:

Type = temperature kiểu của dữ liệu cảmbiến

Valus = 38.3 giá trị nhiệt độ đượcđọc

Timestamp = 1:02:00 nhãn thời gian (t/g ngaytại thời điểm đọc)

Location = [30,38] báo cáo từ cảm biếntrong vùng x,y

Hoạt động của Directed Dissfusion ( hình 2.5)

Sink sẽ gởi quảng bá bản tin interest theo chu kỳ cho cácnút lân cận Bản tin này sẽ truyền qua tất cả các nút trong mạngnhư là một sự quan tâm đến một dữ liệu nào đó Mục đích của việcthăm dò này là để xem xét xem có nút cảm biến nào đó có thể tìmkiếm dữ liệu tương ứng với interest Tất cả các nút đều duy trì mộtinterest cache để lưu trữ các interest entry khác nhau

Mỗi một mục (entry) trong interest cache sẽ lưu trữ mộtinterest khác nhau Các entry cache này sẽ lưu trữ một số trườngsau: một nhãn thời gian (timestamp), nhiều trường gradient chomỗi nút lân cận và và trường duration Nhãn thời gian sẽ lưu trữnhãn thời gian của interest nhận được sau cùng Mỗi gradient sẽlưu trữ cả tốc độ dữ liệu và chiều mà dữ liệu được gửi đi Trườngduration sẽ xác định khoảng thời gian tồn tại của interest Mộtgradient có thể coi như là một liên kết phản hồi của nút lân cận khi

mà nhận được bản tin interest Việc truyền bản tin interest trongtoàn mạng cùng với việc thiết lập các gradient tại mỗi nút cho phépviệc tìm ra và thiết lập các đường dẫn giữa sink để đưa ra yêu cầu

về dữ liệu quan tâm và các nút mà đáp ứng mối quan tâm đó

Khi một nút phát hiện một sự kiện nó sẽ tìm kiếm trongcache xem có interest nào phù hợp không, nếu có nó sẽ tính toán

tốc độ sự kiện cao nhất cho tất cả các gradient lối ra Sau đó nóthiết lập một phân hệ cảm biến để lấy mẫu các sự kiện ở mức tốc

độ cao này Các nút sẽ gửi ra ngoài miêu tả về sự kiện cho các nútlân cận có gradient Các nút lân cận này nhận dữ liệu và sẽ kiểm tratrong cache xem có entry nào phù hợp không, nếu không nó sẽ loại

bỏ dữ liệu còn nếu phù hợp nó sẽ nhận dữ liệu các nút này, sẽ thêmbản tin vào cache dữ liệu và sau đó gửi bản tin dữ liệu cho các nútlân cận

Hình 2.5: Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion

 Khi nhận được một interest các nút tìm kiếm trong interestcache của nó xem có entry nào phù hợp không, nếu không nút sẽtạo một cache entry mới Các nút sẽ sử dụng các thông tin chứatrong interest để tạo ra các thông số interest trong entry Các entrynày là một tập hợp chứa các trường gradient với tốc độ và chiều

tương ứng với nút lân cận mà interest được nhận Nếu như interestnhận được có trong cache thì nút sẽ cập nhật nhãn thời gian vàtrường duration cho phù hợp với entry Một trường gradient sẽđược remove khỏi entry nếu quá hạn Trong pha thiết lập gradientthì các sink sẽ thiết lập một tập hợp các đường dẫn Sink có thể sửdụng đường dẫn này với sự kiện chất lượng cao để làm tăng tốc độ

dữ liệu Điều này đạt được thông qua một đường dẫn được hỗ trợ

xử lý (path reinforcement process) Các sink này có thể sử dụng sự

hỗ trợ của một số các nút lân cận Để làm được điều này sink cóthể gửi lại bản tin interest nguồn ở tốc độ cao thông qua các đườngdẫn được chọn, nhờ việc tăng cường các nút nguồn trên đường dẫn

để gửi dữ liệu thường xuyên hơn Directed disffusion có ưu điểmnếu một đường dẫn nào đó giữa sink và một nút bị lỗi, một đườngdẫn có tốc độ dữ liệu thấp hơn được thay thế Kỹ thuật định tuyếnnày ổn định dưới phạm vi mạng động Loại giao thức định tuyếnnày tiết kiệm năng lượng đáng kể

II.4.1.3 Định tuyến tải cân bằng năng lượng (Load-balanced Energy aware routing)

Mức năng lượng cộng thêm vào của load balancing là cầnthiết trong một mạng tĩnh, kỉ thuật chuyển tiếp theo xác suất cost-based sau đấy được sử dụng Những node chỉ chuyển tiếp các góitin đến các neighbor (các node lân cận), nó sẽ bị đóng khi đến đích.Đặt cost từ đích đến node i được xem là thích hợp khi neighbor jđược định rõ là: Ci,j =Cj + ci.j

Cj : là cost mong chờ tối thiểu từ đích đến j

ci,j : là kết nối bất kì của link metric (vd: c

i

b i

a

j R E

T −

, mectric thỏathuận ở trên)

Cho neighbor j, nó sẽ thiết lập những neighbor (Ni) được xem

là thích hợp, node được gán với một xác suất chuyển tiếp, nó là sốhạng (proportianal) từ cost đến đích

Node i khi được tính toán là cost mong đợi nhỏ nhất đếnđích cho bản thân nó

Mỗi lần node cần định tuyến bất kì một gói tin nào đó , nó sẽchuyển tiếp đến bất kì các neighbor nào mà có xác suất tương ứng.Điều này cung cấp cho load balancing, ngăn chặn một đường dẫnđơn nào đó sẽ làm cạn kiệt năng lượng nhanh hơn

II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols)

Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệuquả việc tiêu thụ năng lượng của các nút cảm ứng bằng việc đặtchúng trong giao tiếp multihop trong một cụm cụ thể và bằng việcthực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin đượctruyền đến sink Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên nănglượng dự trữ của sensor và vùng lân cận của sensor so với các nútchủ của cụm LEACH là một trong số những cách tiếp cận địnhtuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm ứng Ý tưởng của LEACH

là động lực cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác pháttriển.

 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng nănglượng thấp Đây là giao thức thu lượm và phân phát dữ liệu tới cácsink đặc biệt là các trạm cơ sở

Mục tiêu chính của LEACH là:

Mở rộng thời gian sống của mạng

Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng

 Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trongmạng

LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thànhcác cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ Nút chủ thực hiệnnhiều nhiệm vụ Đầu tiên là thu lượm dữ liệu theo chu kỳ từ cácnút thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệu nút chủ sẽ cố gắngtập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu giống nhau.Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trược tiếp truyền dữ liệu đã đượctập hợp lại đến các trạm cơ sở, việc truyền này thực hiện theo kiểusingle hop Nhiệm vụ thứ ba là LEACH sẽ tạo ra mô hình ghépkênh theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mỗinút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sử dụng đểtruyền tin

Mô hình LEACH (hình 2.6) Các nút chủ sẽ quảng bá mô

hình TDMA cho các nút thành viên trong cụm của nó Để giảm

thiểu khả năng xung đột giữa các nút cảm biến trong và ngoài cụm,LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia theo mãCDMA.Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha

là pha thiết lập và pha ổn định Pha thiết lập bao gồm hai bước làlựa chọn nút chủ và thông tin về cụm Pha ổn định trạng thái gồmthu lượm dữ liệu, tập trung dữ liệu và truyền dữ liệu đến các trạm

cơ sở Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn so với thời gian củabước thiết lập để giảm thiểu mào đầu

Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH

Ở bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn 1 số ngẫu nhiêngiữa 0 và 1

Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ.

T(n) được tính như sau:

Trong đó:

P : tỉ lệ phần trăm nút chủ

r : sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1

G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong

1/p chu kì cuối

Sau khi được chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vaitrò mới của chúng cho các nút còn lại trong mạng Các nút còn lạitrong mạng dựa vào bản tin đó và cường độ tín hiệu nhận đượchoặc một số tiêu chuẩn nào đó để quyết định xem có tham gia vàocụm đó hay không Và sau đó các nút này sẽ thông báo cho nút chủbiết là mình có mong muốn trở thành thành viên của cụm do nútchủ đó đảm nhận

Trong quá trình tạo cụm các nút chủ sẽ tạo và phân phát môhình TDMA (Time Division Multiple Access) cho các nút thànhviên trong cụm Mỗi nút chủ cũng chọn lựa một mã CDMA(Carrier Sense Multiple Access) mà sau đó sẽ thông báo tới tất cảcác thành viên trong cụm biết Sau khi pha thiết lập hoàn thành báohiệu sự bắt đầu của pha ổn định trạng thái và các nút trong cụm sẽthu lượm dữ liệu và sử dụng các khe thời gian để truyền dữ liệuđến nút chủ Dữ liệu được thu lượm theo chu kỳ

LEACH cũng có một số khuyết điểm sau:

Giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đếntrạm cơ sở thông qua một bước nhảy là không thực tế, vì dự trữnăng lượng và khả năng của các nút thay đổi theo thời gian từ nútnày đến nút khác Hơn nữa khoảng chu kỳ ổn định trạng thái là vấn

đề then chốt để đạt được giảm năng lượng cần thiết để bù đắplượng mào đầu gay ra bởi xử lý lựa chọn cụm Chu kỳ ngắn sẽ làmtăng lượng mào đầu, chu kỳ dài sẽ nhanh chóng làm tiêu hao nănglượng của nút chủ.

LEACH có đặc tính giúp tiết kiệm năng lượng, yêu cầu vềnăng lượng trong LEACH được phân bố cho tất cả các nút trongmạng vì giả sử rằng vai trò nút chủ được luân chuyển vòng tròndựa trên năng lượng còn lại trên mỗi nút LEACH là thuật toánphân tán hoàn toàn và không yêu cầu sự điều khiển bởi trạm cơ sở.Việc quản lý cụm là cục bộ và không cần sự hiểu biết về mạngtoàn cục Việc tập trung dữ liệu theo cụm cũng tiết kiệm nănglượng đáng kể vì các nút không yêu cầu gửi trực tiếp dữ liệu đếnsink

II.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols)

Hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng cảm ứng đều yêucầu thông tin về vị trí của các nút cảm ứng, để có thể tính toánkhoảng cách giữa hai nút xác định, từ đó có thể ước lượng đượcnăng lượng cần thiết Vì mạng cảm ứng không có chế độ địa chỉnào như địa chỉ IP và chúng được triển khai trong không gian ởmột vùng nào đó, vì vậy thông tin về vị trí cần phải được sử dụngtrong các dữ liệu định tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lượng

II.4.3.1 GAF (Geographic adaptive fidelity)

GAF dự trữ năng lượng bằng cách tắt các nút không cần thiếttrong mạng mà không ảnh hưởng đến mức độ chính xác của địnhtuyến Nó tạo ra một lưới ảo cho vùng bao phủ Mỗi nút dùng hệ

thống định vị toàn cầu (GPS - Global Poisitioning System) của nó,xác định vị trí để kết hợp với một điểm trên lưới được gọi là tươngđương khi tính đến việc định tuyến gói, để giữ các nút định vịtrong vùng lưới xác định ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng.

Vì vậy GAF có thể tăng đáng kể thời gian sống của mạng cảm ứng

khi mà số lượng các nút tăng lên Ví dụ được đưa ra ở hình 2.7,

nút 1 có thể truyền đến bất kì nút nào trong số các nút 2, 3 và 4 vàcác nút 2, 3, 4 có thể truyền tới nút 5 Do đó các nút 2, 3, và 4 làtương đương và 2 trong số 3 nút đó có thể ở trạng thái nghỉ

Hình 2.7: Ví dụ về lưới ảo trong GAF

Các nút chuyển trạng thái từ nghỉ sang hoạt động lần lượt đểcho các tải được cân bằng Có ba trạng thái được định nghĩa trongGAF, đó là phát hiện (discovery) để xác định các nút lân cận tronglưới, hoạt động (active) thể hiện sự tham gia vào quá trình địnhtuyến và nghỉ (sleep) khi sóng được tắt đi Sự chuyển trạng thái

trong GAF (hình 2.8) Để điều khiển độ di động, mỗi nút trong

lưới ước đoán thời gian rời khỏi lưới của nó và gửi thông tin nàyđến nút lân cận Các nút đang không hoạt động điều chỉnh thờigian nghỉ của chúng cho phù hợp để có thể nhận được các thông tin

từ các nút lân cận, để định tuyến được chính xác Trước khi thờigian rời khỏi lưới của các nút đang hoạt động quá hạn, các nútđang nghỉ thoát khỏi trạng thái đó và một trong số các nút đó hoạtđộng trở lại GAF được triển khai cho cả những mạng bao gồm cácnút không di động (GAF cơ bản) và mạng bao gồm các nút di động(GAF thích ứng di động)

GAF giữ mạng hoạt động bằng cách giữ cho các nút đại diệnluôn ở chế độ hoạt động trong mỗi vùng ở lưới ảo của nó Mặc dùGAF là một giao thức dựa trên vị trí, nó cũng có thể được coi lànhư một giao thức phân cấp khi mà các cụm dựa trên vị trí địa lý.Đối với mỗi vùng lưới xác định, mỗi nút đại điện hoạt động nhưmột nút chủ để truyền dữ liệu đến các nút khác Tuy nhiên nút chủnày không thực hiện bất cứ một nhiệm vụ hợp nhất hay tập trung

dữ liệu nào như trong các giao thức phân cấp thông thường

Hình 2.8: Sự chuyển trạng thái trong GAF