Định tuyến trong mạng cảm biến vô tuyến

Định tuyến trong mạng cảm biến vô tuyến

L i nói u

S phát tri n c a Internet, truy n thông và công ngh thông tin k t h p v i nh ng ti n

b k thu t g n ây ã t o i u ki n cho các h c m bi n m i v i giá thành th p, kh n ng tri n khai qui mô l n v i chính xác cao Công ngh i u khi n và c m bi n g m các bi n dãy c m bi n tr ng i n t , c m bi n t n s vô tuy n, c m bi n quang i n và h ng ngo i, laser radar và c m bi n nh v d n ng

Các ti n b trong l nh v c thi t k c m bi n, v t li u cho phép gi m kích th c, tr ng

n s ti n nghi và các ng d!ng thi t th c nâng cao ch t l ng cu c s ng cho con ng i Trong n i dung tài li u này, trình bày v các k thu t xây d ng m ng c m bi n không dây, các giao th c thi t k t$ n gi n n ph c t p Bên c nh ó là các ng d!n ph% bi n

có nhi u ti m n ng ng d!ng trong th c t M t cái nhìn t%ng quan v công ngh m ng c m

bi n không dây

Em xin chân thành c m n s h ng d n nhi t tình c a th y Lê Nh t Th ng, s g i m& và góp ý c a th y ã h' tr r t nhi u em có th hoàn thành tài này

Các thu t ng vi t t t

T vi t

CDMA Code Division Multiple Access (a truy c p phân chia theo mã

FDMA Frequency Division Multiple Access (a truy c p phân chia theo t n s

GAF Geographic adaptive fidelity Truy n thông tin trung th c d a vào v

trí GEAR Geographic and Energy Aware Routing (nh tuy n v v trí và n ng l ng

HPAR Hierarchical Power-aware Routing (nh tuy n phân c p v i nh n th c v

n ng l ng IEEE Ínstitute of Electrical and Electronic Engineers Vi n k thu t i n và i n t

IrisNet Internet-Scale Resource-Intensive Sensor Networks

Services

D ch v! m ng c m bi n tài nguyên l n

m c liên m ng ITU International Telecommunication Union Liên minh vi n thông qu c t

LEAC

H Low- Energy Adaptive Clustering H earchy C u trúc phân b c t ng thích

MCFA Minium Cost Forwarding Algorithm Thu t toán chuy n ti p chi phí t i

thi u

MIB Managenment Information Base C s& thông tin qu n lý

MiLAN Middle ware Linking Application and Network Ph n m m liên k t ng d!ng và m ng

SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation Giao th c thông tin c m bi n dàn x p

TEEN Threshold-sensitive Energy Efficient Protocols Giao th c ti t ki m n ng l ng qua

các ng )ng VGA Virtual Grid Architecture Routing (nh tuy n v i c u trúc m ng l i o

Danh m c các b ng

B ng 1.1: Phân lo i các Node theo *c i m

B ng 2.1 : So sánh gi a SPIN, LEACH và Truy n tin tr c ti p

Hình 1.4: D ng 1 WSNs, liên k t multipoint- to- point, multihop dùng nh tuy n ng

Hình 1.5: D ng 2 WSNs liên k t point-to-point, Star nh tuy n t nh

Hình 1.6: Các node theo mô hình h p tác và b t h p tác

Hình 1.7: ,ng d!ng WSNs trong an ninh qu c gia và lu t pháp

Hình 2.3: Hai mô hình s d!ng trong ki m nh tuy n trung tâm

Hình 2.4: Dòng th i gian cho các ho t ng c a a) ATEEN, b) APEEN

Hình 2.5: Vùng m ng ng d!ng

Hình 2.6: Ví d! c a vùng trong m ng c m bi n

Ch ng 1 : T NG QUAN M NG C M BI N VÔ TUY N

Có 4 thành ph n c b n c u t o nên m t m ng c m bi n :

- Các c m bi n c phân b theo mô hình t p trung hay phân b r i rác

- M ng l i liên k t gi a các c m bi n (có dây hay vô tuy n)

- (i m trung tâm t p h p d li u (Clustering)

- B ph n x lý d li u trung tâm

M t node c m bi n c nh ngh a là s k t h p c m bi n và b ph n x lý ,hay còn g i là các mote M ng c m bi n không dây (WSN) là m ng c m bi n trong ó các k t n i gi a các node c m bi n b.ng sóng vô tuy n

1.1.1 Công ngh Sensor Network

Trong m ng c m bi n ,c m bi n c xem là ph n quan tr ng nh t ph!c v! cho các ng d!ng Công ngh c m bi n và i u khi n bao g m các c m bi n tr ng i n t$ ;c m bi n t n

s vô tuy n ;quang ;h ng ngo i ;radars ;lasers ;các c m bi n nh v ,d n ng ; o c các thông s môi tr ng ;và các c m bi n ph!c v! trong ng d!ng an ninh ,sinh hóa … Ngày nay ,c m bi n c s d!ng v i s l ng l n

M ng c m bi n không dây có *c i m riêng ,công su t b gi i h n ,th i gian cung c p

n ng l ng c a ngu n (ch y u là pin) có th i gian ng+n ,chu k/ nhi m v! ng+n ,quan h a

i m – i m ,s l ng l n các node c m bi n …

C m bi n có th ch g m 1 hay dãy c m bi n Kích th c r t a d ng ,t$ nano (1 – 100nm) ,meso (100 – 10000nm) ,micro (10 – 1000um) ,macro (vài mm – m)…

Do *c tính c a m ng c m bi n không dây là di ng và tr c ây ch y u ph!c v! cho các

ng d!ng quân s nên òi h"i b o m t cao Ngày nay ,các ng d!ng c a m ng c m bi n m&

r ng cho các ng d!ng th ng m i ,vi c tiêu chu#n hóa s t o nên tính th ng m i cao cho

m ng c m bi n không dây

Các nghiên c u g n ây phát tri n thông tin công su t th p v i các node x lý giá thành

th p và có kh n ng t phân b s+p x p ,l a ch n giao th c cho m ng ,gi i quy t bài toán quan tr ng nh t c a m ng c m bi n không dây là kh n ng cung c p n ng l ng cho các node

b gi i h n Các mô hình không dây ,có m ch tiêu th! n ng l ng th p c u tiên phát tri n Hi u qu s d!ng công su t c a m ng c m bi n không dây v t%ng quát d a trên 3 tiêu chí :

- Chu kì ho t ng ng+n

- X lý d li u n i b t i các node gi m chi u dài d li u ,th i gian truy n

- Mô hình m ng multihop làm gi m chi u dài ng truy n ,qua ó gi m suy hao t%ng c ng ,gi m t%ng công su t cho ng truy n

M ng c m bi n không dây c phân ra làm 2 lo i ,theo mô hình k t n i và nh tuy n mà các nodes s d!ng :

V i s ra i c a tiêu chu#n Zigbee/IEEE 802.15.4 ,các h th ng d n phát tri n theo

h ng tiêu chu#n ,cho phép các c m bi n truy n thông tin qua kênh truy n c tiêu chu#n hóa Nhi u nghiên c u trong l nh v c m ng di ng ad hoc (MANETs) M ng c m bi n không dây t ng t nh MANETs theo m t vài *c i m C hai u là chu#n m ng không dây ,multihop Tuy nhiên ,các ng d!ng và k thu t gi a hai h th ng có khác nhau

- D ng thông th ng c a m ng c m bi n không dây là a ngu n d li u truy n n n i

nhi u ,d li u không th t hoàn h o ,kh n ng h h"ng các node cao ,c3ng nh kh n ng b nhi u l n ,gi i h n công su t cung c p ,x lý ,thi u thông tin các node trong m ng Do v y ,C1WSNs t%ng quát h n so v i mô hình C2WSNs S phát tri n m ng c m bi n d a trên c i

ti n v c m bi n ,thông tin ,và tính toán (gi i thu t trao %i d li u ,ph n c ng và ph n m m)

Hình 1.1 : Mô hình m ng c m bi n thông th ng

Hình 1.1 cho th y mô hình c u trúc c a m ng c m bi n th ng dùng Các c m bi n liên k t theo giao th c Multihop ,phân chia Cluster (c!m)ch n ra node có kh n ng t t nh t làm node trung tâm ,t t c các node lo i này s truy n v node x lý chính Nh v y ,n ng l ng c3ng

nh b ng thông kênh truy n s s d!ng hi u qu h n Tuy nhiên ,có th th y c u trúc m ng

ph c t p và giao th c phân chia c!m và nh tuy n c3ng tr& nên khó kh n h n

M t vài *c i m c a m ng c m bi n :

- Các node phân b dày *c

- Các node d b h h"ng

- Giao th c m ng thay %i th ng xuyên

- Node b gi i h n v công su t ,kh n ng tính toán và b nh

- Các node có th không c ng nh t toàn h th ng vì s l ng l n các node

Hình 1.2 Các thành ph n trong m t Node Các thành ph n c u t o nên m t node trong m ng c m bi n nh trên hình 1.2 :

- M t c m bi n (có th là m t hay dãy c m bi n) và n v th c thi (n u có)

- ( n v x lý

- ( n v liên l c b.ng vô tuy n

- Ngu n cung c p

- Các ph n ng d!ng khác …

1.2 Khái quát và phân lo i NODE c m bi n :

M ng c m bi n không dây g m nhi u c m bi n phân b phân tán bao ph m t vùng a lý Các node c m bi n hay còn g i là WNs có kh n ng liên l c vô tuy n v i các node lân c n và các ch c n ng c b n nh x lý tín hi u ,qu n lý giao th c m ng và b+t tay v i các node lân

c n truy n d li u t$ ngu n n trung tâm Ch c n ng c b n c a các node trong m ng WSns ph! thu c vào ng d!ng c a nó ,m t s ch c n ng chính :

- Xác nh c giá tr các thông s t i n i l+p *t Nh có th tr v nhi t ,áp su t ,c ng ánh sáng … t i n i kh o sát

- Phát hi n s t n t i c a các s ki n c n quan tâm và c l ng các thông s c a s ki n

ó Nh m ng c m bi n không dây dùng trong giám sát giao thông ,c m bi n ph i nh n bi t

c s di chuy n c a xe c , o c t c và h ng di chuy n c a các ph ng ti n ang

l u thông …

- Phân bi t các i t ng Ví d! ph ng ti n l u thông mà c m bi n nh n bi t c là xe con ,xe t i ,hay xe buýt …

- Theo d u các i t ng Ví d! trong m ng c m bi n không dây quân s ,m ng c m bi n

ph i c p nh t c v trí các ph ng ti n c a i ph ng khi chúng di chuy n trung vùng bao

ph c a m ng …

Các h th ng có th áp ng th i gian th c hay g n nh th ,tùy theo yêu c u và m!c ích

c a thông tin c n thu th p

C m bi n g m nhi u nhóm ch c n ng c ,hóa ,nhi t , i n ,t$ ,sinh h c ,quang ,ch t l"ng ,sóng siêu âm ,c m bi n kh i … C m bi n có th c a ra bên ngoài môi tr ng nguy h i

;môi tr ng có nhi t cao ,m c dao ng ,nhi u l n ,môi tr ng hóa ch t c h i ;có th l+p

*t trong h th ng robo t ng hay trong h th ng nhà x &ng s n xu t Công ngh c m bi n

và i u khi n bao g m tr ng i n và t$ ;c m bi n sóng radio ;c m bi n quang ,h ng ngo i

;radars ,lasers ;c m bi n v trí hay nh v ;c m bi n h ng m!c ích ph!c v! cho an ninh sinh hóa …

o n 1999 có kích th c l n h n m t ng xu ,các IC tích h p c m bi n Các n m ti p theo ,kích th c node gi m i r t nhi u V i s phát tri n c a các công ngh nano ,MEMS kích

th c gi m i áng k kèm theo gi m n ng l ng tiêu th! ,t ng th i gian s d!ng ,kh n ng

x lý , %n nh cao h n … Nh ng n m u 2000 ,th tích trung bình các node c) 16,387 mm³ , n 2007 là 1-mm³

Kh n ng

l u tr , tính toán

Ch

Giao th c các l p

th p

Giao th c các l p cao

;IEEE MAC

(nh tuy n

trung bình bi n thông

s hóa - sinh

m

;IEEE MAC

l i > m

;IEEE MAC

(nh tuy n

m;IEEE MAC

(nh tuy n

(a ch c

n ng ,c m

bi n thông

s hóa – sinh

l i ; 10² -

m

;IEEE MAC

(nh tuy n t nh

C c nh"

( mm³) Ít di ng Pin, gi B x lý

m c th p ,l u tr

m c trung bình

(a ch c

n ng ,c m

bi n thông

s v t lý –hóa –sinh

> m

;IEEE MAC C) micro

;IEEE MAC C) nano

(< mm³)

Không di

ng

B x lý trung bình l u tr

M t

ng ;>

m

;IEEE MAC

B ng 1.1 : Phân lo i các node theo c i m 1.2.2 Môi tr ng ho t ng c a sensor node (WNs) :

Node c m bi n b ràng bu c b&i m t s y u t :

• Ngu n cung c p : các node b gi i h n b&i n ng l ng cung c p ,vi c s d!ng hi u

qu ngu n n ng l ng là chìa khóa cho thi t k các h th ng WSNs

• Liên l c : M ng vô tuy n th ng b gi i h n v b ng thông ,nhi u kênh truy n Các

y u t này nh h &ng n tin c y ,ch t l ng d ch v! và b o m t c a h th ng

• Tính toán : Các node có công su t tính toán và b nh gi i h n (i u này nh h &ng

n vi c l a ch n gi i thu t x lý d li u ho t ng t i node

• S không ch+c ch+n các thông s : D li u c n thu th p có th kèm theo nhi u t$ môi

tr ng S h h"ng các node có th làm sai d li u S s+p *t các node gây sai l ch ho t

S thu nh" kích th c ,giá thành là v n quan tr ng hàng u S tích h p c m bi n ,vi

x lý ,ngu n n ng l ng và giao ti p m ng thông tin trên m t chip s làm vi c trao %i d li u

gi a c m bi n và môi tr ng bên ngoài tr& nên d dàng h n

Vi c tiêu chu#n hóa c3ng r t quan tr ng T o ra các tiêu chu#n chung s giúp m ng c m

bi n vô tuy n không dây ng d!ng r ng rãi h n trong th c t ,có kh n ng giao ti p v i các

m ng khác ,giao di n Internet ,cung c p các d ch v! a d ng h n Các nghiên c u ang h ng

n các k thu t ch t o c m bi n m i ,h th ng m ng c m bi n phân b ,tích h p c m bi n trong các h th ng th ng m i ,h' tr hi u qu cho các quá trình ra quy t nh

WSNs là s t p h p các kích th c nh" g n( compact-size), c! th là cac node c m

bi n v i giá thành th p, có kh n ng làm vi c trong i u ki n môi tr ng t nhiên ho*c o c các thông s khác và a nh ng thông tin n trung tâm cho các x lý phù h Các node trong

m ng WSNs có th liên l c v i các node xung quanh nó, và còn có th có các x lý d li u thu c tr c khi g&i n các node khác WSNs cung c p r t nhi u các ng d!ng h u ích 1.3.1 Các mô hình phân b :

Nh ã c c p trong ph n u, mô hình WSNs c xây d ng ch y u theo 2 lo i:

• Category 1 WSNs (C1WSNs): H th ng l i k t n i a ng gi a các node qua kênh truy n vô tuy n, s d!ng giao th c nh tuy n ng

• Category 2 WSNs (C2WSNs): Mô hình i m- i m hay a i m- i m, ch y u là các liên k t n (single- hop) gi a các node, dùng giao th c nh tuy ntính

Hình 1.4: D ng 1 WSNs ,liên k t multipoint–to-point ,multihop dùng nh tuy n ng

Hình 1.5: D ng 2 WSNs liên k t point-to-point ,Star nh tuy n t nh

Theo cách khác có th chia mô hình theo 2 d ng h p tác ( cooperative) và b t h p tác (noncooperative) Trong d ng h p tác các node chuy n ti p thông tin cho các node lân c n Còn trong d ng b t h p tác, các node truy n thông tin tr c ti p lên trung tâm mà không qua các node lân c n

Hình 1.6 :Các node theo mô hình h p tác và b t h p tác M*c dù còn có các cách phân lo i mô hình khác, tuy nhiên theo 2 d ng C1WSNs và C2WSNs

là t%ng quát nh t cho cá cách c u hình m ng WSNs Các ng d!ng c xây d ng trên các

th ng th ng m i (IEEE 802.11 b hay IEEE 802.5.4) trong dãy t n 2.4- GHz

Trong nh ng n m g n ây, các nghiên c u v WSN ã t c b c phát tri n m nh

m ,các b c ti n t$ các nghiên c u h a h4n tác ng l n n các ng d!ng r ng rãi trong các

l nh v c an ninh qu c gia, ch m sóc s c kh"e, môi tr ng, n ng l ng, an toàn th c ph#m và

s n xu t…

1.3.3 Các ví d v ng d ng d ng 1 WSN ( C1WSN):

ng d ng quân s!, an ninh và thiên nhiên:

Trong ph n ng v i d ch b nh, th m h a thiên nhiên, l ng l n các c m bi n

c th t$ trên không, m ng l i các c m bi n s cho bi t v trí ng i s ng sót, vùng nguy hi m, giúp con ng i giám sát các thông tin chính xác m b o hi u qu và an toàn cho các ho t ng tìm ki m

S d!ng m ng WSNs h n ch s có m*t tr c ti p c a con ng i trong môi tr ng nguy hi m ,ng d!ng an ninh bao g m phát hi n xâm nh p và truy b+t t i ph m

• M ng c m bi n quân s phát hi n và có c thông tin v s di chuy n c a i

• Giám sát an ninh trong khu v c dân c , th ng m i…

• Theo dõi biên gi i k t h p v i v tinh…

Hình 1.7 : ng d ng WSNs trong an ninh qu c gia và lu t pháp

Hình 1.8 : ng d ng c m bi n trong quân s Hình 1.8 a ra các ví d! v ng d!ng c m bi n trong quân s Các c m bi n trang b trên các ph ng ti n k thu t ph!c v! cho vi c giám sát các ho t ng c a chi n tr ng

ng d ng trong giám sát xe c và thông tin liên quan:

M!c tiêu c a các h th ng này là thu th p thông tin qua các m ng c m bi n, x lý và

l u tr d li u t i trung tâm, s d!ng d li u ó cho các ng d!ng c n thi t

H th ng c l+p *t d c theo các ng chính, m ng c m bi n s t p h p d li u v t c

l u thông, m t xe, s l ng xe trên ng D li u sau ó c truy n n trung tâm d

li u x lý M ng theo dõi liên t!c, cung c p thông tin c p nh t th ng xuyên theo th i gian

th c Các thông tin thu c dùng giám sát l u l ng, i u ph i giao thông ho*c cho các m!c ích khác

Hình 1.9 : H th ng c m bi n trên các ng cao t c 1.3.4 Các ví d v ng d ng d ng 2 WSN ( C2WSN):

Các ng d!ng d ng này dùng mo hình i m- i m ( hay mô hình sao), v i các liên k t

n vô tuy n nh tuy n t nh C2WSN ng d!ng trong i u khi n t ng các tòa nhà, công nghi p, y t , i u khi n & n i c trú… Các ng d!ng g m i u khi n ánh sáng, nhi t , an ninh, môi tr ng, c m bi n trong y khoa, i u khi n t$ xa trong gia ình hay công nghi p,… Nhi u ng d!ng c xây d ng theo chu#n IEEE 802.15.4 (ZigBee) ZingBee cung c p t!

t ng tác và áp ng c các *c i m c a liên l c vô tuy n (RF)

RigBee có th c xây d ng trong nhi u m ng không dây v i gia th p, tiêu th! ít công su t ngu n v i s l ng l n các node V n quan tâm là chu#n này ch a nhi u giao th c, t c

d li u và các t n s thích h p áp d!ng r ng rãi Gi a RigBee c thi t k cho môi tr ng chu k/ nhi m v! th p, nh tuy n t nh ho*c ng, nhi u node cùng ho t ng Trong khi Bluetooth c thi t k cho ng d!ng òi h"i ch t l ng cao ( QoS), chu k/ nhi m v! thay

%i, t c d li u v$a ph i, s node gi i h n

M'i c m bi n có m t b dao ng áng th c b x lý chính sau m t kho ng th i gian

nh t nh sáng ch làm vi c

Hình 1.10 : Th i gian ho t ng Pin trong Bluetooth(BT)và ZigBee

So sánh th i gian ho t ng pin trong 2 chu#n Bluetooth và ZigBee Hình 1.10 cho th y th i gian ho t ôngh pin c a chu#n ZigBee cao h n so v i Bluetooth

"i u khi n các thi t b# trong nhà:

,ng d!ng WSN cung c p i u khi n, b o qu n, ti n nghi và an ninh

Hình 1.11 : Các ng d ng i u khi n

Các node c m bi n c l+p trên các thi t b , v trí c n thi t, sau ó k t n i m ng truy n d

li u v node trung tâm M t kh n ng có th phát tri n là các c m bi n theo dõi y t c g+n

tr c ti p lên co th ng i b nh o c th ng xuyên các thông s v huy t áp, nh p tim,…

Các tòa tháp t! ng:

,ng d!ng cung c p kh n ng i u khi n, qu n lý, t o s ti n l i trong ki m soát, an ninh… Qu n lý nhi u h th ng cùng lúc, h th ng chi u sáng, nhi t , an ninh, giám sát nhân viên, qu n lý hi u qu tiêu th! n ng l ng trong nhà, g+n các chip lên hàng hóa, gi m

c th i gian ki m tra…có th d dàng c th c hi n b.ng C2WSNs và công ngh ZigBee (*c i m n%i b t là dùng các công ngh microsensor tiêu th! r t ít công su t, thu phát vô tuy n, k thu t liên l c và c m bi n không dây a ch c n ng

• Các c m bi n k t h p nhi t , ánh sáng, âm thanh, v trí

• Giao di n m ng vô tuy n

• N ng l ng ho t ng lâu dài

• Ph n m m i u khi n cho các ng d!ng

Hình 1.12 : i u khi n ánh sáng trong phòng

Qu n lý quá trình t! ng trong công nghi p :

Hình 1.13 : Các ng d ng trong công nghi p

Các ng d!ng trong s n xu t công nghi p g m i u khi n, qu n lý, hi u su t, và an toàn Các

c m bi n *t trong môi tr ng làm vi c giám sát quá trình s n xu t, ch t l ng s n ph#m,

ki m soát môi tr ng làm vi c, qu n lý nhân viên,… d li u c a v trung tâm ng i

qu n lý có th a ra các quy t nh k p th i Trên hình 1.13, các node c m bi n k t n i thành

m ng l i g i d li u n node trung tâm, s d!ng giao th c nh tuy n t nh

Các ng d ng trong y h$c:

M t s b nh vi n và trung tâm y t ang ng d!ng công ngh WSNs vào ti n ch#n oán,

ch m sóc s c kh"e, i phó v i các d ch b nh và ph!c h i ch c n ng cho ng i b nh WSNs cho phép theo dõi tình tr ng c a các b nh nhân kinh niên ngay t i nhà, làm cho vi c phân tích

và i u tr thu n ti n h n, rút ng+n th i gian i u tr t i b nh vi n WSNs còn cho phép thu

th p thông tin y t qua th i gian dài thành các c s& d li u quan tr ng, các bi n pháp can thi p hi u qu

Hình 1.14 : Các ng d ng trong y khoa 1.4 K t lu%n ch ng 1

Chính vì nh ng u i m, l i th to l n mà công ngh c m bi n mang l i mà vi c s n xu t,

ng d!ng c m bi n càng tr& nên r ng rãi và ang là m t xu th phát tri n trong t ng l i.T$ các kh n ng ng d!ng r ng l n c a WSNs có th rút ra k t lu n:

“ B t c & âu, con ng i mu n theo dõi, quan sát, ph n ng v i nh ng s ki n hay hi n

t ng trong môi tr ng *c bi t nào ó h có th dùng m ng WSNs”

Ch ng 2 : NH TUY N TRONG M NG C M BI N VÔ

TUY N (WSN)

2.1 Gi i thi u

Xét theo c u trúc m ng, nh tuy n trong WSNs có th c chia thành : nh tuy n ngang hàng ( nh tuy n ph1ng) – flat based routing, nh tuy n phân c p – hierarechical based routing và nh tuy n d a vào v trí – location based routing

V i nh tuy n ngang hàng, t t c các nút m ng (Nodes) có ch c n ng và vai trò gi ng nhau Trong nh tuy n phân c p, các nút m ng có vai trò khác nhau ( nh tuy n d a vào vi c khai thác v trí c a các Nodes nh tuy n ng truy n d li u M t giao th c nh tuy n (routing protocol) c coi là có kh n ng thích ng n u các thông s h th ng nh t nh có

th ki m soát thích ng v i các i u ki n m ng hi n hành và m c n ng l ng có s5n Ngoài ra, giao th c nh tuy n có th c phân lo i thành giao th c ch n ng a ng (multipath – based), giao th c d a vào truy v n (query – based), nh tuy n theo th"a thu n (negotiation – based), nh tuy n k t h p (coherent – based) ho*c nh tuy n theo ch t l ng

d ch v! (QoS – based) tùy theo c ch ho t ng c a giao th c Ngoài ra, giao th c nh tuy n c3ng có th c phân lo i thành 3 lo i, ch ng (proactive), t ng tác (reactive) và giao th c nh tuy n h'n h p (hybrid protocol) tùy thu c vào cách ngu n nh tuy n ng

t i ích Trong các giao th c ch ng, t t c các tuy n c tính toán tr c khi có l nh yêu

c u, trong khi v i giao th c ph n ng, các tuy n ng c tính toán theo yêu c u Các giao

th c nh tuy n ghép t n d!ng u i m c a c hai giao th c trên, khi các nút c m ng (sensory nodes) & trong tr ng thái t nh, b ng nh tuy n thích h p h n dùng các giao th c

t ng tác M t l ng n ng l ng lân c n tìm tuy n và thi t l p các giao th c t ng tác

M t lo i khác c a nh tuy n là giao th c nh tuy n k t h p, trong giao th c này, các node

g i d li u n m t trung tâm n i d li u c t%ng h p và có th ti p t!c c x lý, vì v y

gi m chi phí tuy n v m*t n ng l ng tiêu hao

Hình 2.1 : Phân lo i nh tuy n trong m ng c m bi n vô tuy n

2.2 Các giao th c c u trúc m ng c b n

2.2.1 Giao th c ngang hàng (ph ng)

Lo i giao th c nh tuy n u tiên là giao th c nh tuy n a b c nh y (multihop) ngang hàng Trong m ng ngang hàng, m'i nút m ng có m t ch c n ng gi ng nhau và các nút m ng

c m ng k t h p v i nhau Do có quá nhi u nodes ng nh t (các node có cùng ch c n ng),

vi c xác nh nh n d ng toàn c u cho t$ng nodes là không kh thi Vì v y, trung tâm d li u

nh tuy n (data – centric routing) c phát tri n Trung tâm d li u nh tuy n yêu c u tr m

c s& (based stations) v n tin n các vùng xác nh và i d li u t$ Nodes c m bi n c a các vùng lân c n Vì d li u c yêu c u b.ng cách v n tin, c n ph i nhóm các Nodes cùng tính

ch t v i nhau và xác nh rõ tính ch t c a d li u SPIN và truy n tin tr c ti p (directed diffusipon) là 2 giao th c u tiên thu c lo i này mà ã c p n vi c dàn x p d li u gi a các nút gi m b t s d th$a d li u và ti t ki m n ng l ng Hai giao th c này ã d n n

s phát tri n c a nhi u giao th c khác v i cùng ý t &ng chung

a) Giao th c nh uy n thông tin d a trên s dàn x p d li u (Sensor protocols for

Information via Negotiation - g i t t là SPIN):

SPIN là m t giao th c có kh n ng thích ng, trong SPIN, t t c thông tin & m'i node s c phân tán n t t c các node trong cùng m ng l i, gi nh r.ng t t c các node trong m ng

u có th là c s& nh n d li u Ng i dùng có th v n tin t i b t kì nút nào và nh n c thông tin yêu c u ngay l p t c Các giao th c này khai thác tính ch t c a các nút m ng g n nhau thì ch a thông tin gi ng nhau, nên ch c n ph i truy n nh ng d li u mà các node khác không có Các giao th c thu c SPIN dùng s dàn x p d li u và thu t toán khác nhau phù

h p v i ngu n tài nguyên có s5n (resource-adaptive algorithms) Các node trong SPIN s d!ng m t b miêu t d li u miêu t chính xác nh ng d li u c ch a (meta-data) và dàn x p d a trên các b miêu t d li u này tr c khi truy n d li u Vi c này giúp lo i b"

nh ng d li u d th$a c truy n C u trúc c a các b d li u miêu t này là riêng bi t v i t$ng ng d!ng và không c nh s5n trong SPIN Ví d!, b c m bi n có th nh n d ng riêng báo meta-data n u sensors c m bi n c m t vùng xác nh SPIN c3ng có th truy

c p và theo dõi m c tiêu th! n ng l ng c a các node và thay %i giao th c d a trên ngu n

n ng l ng còn l i Các giao th c ch y trong th i gian th c và truy n thông tin n m ng l i

k c khi ng i dùng không v n tin yêu c u d li u

Lo i giao th c SPIN c phát tri n kh+c ph!c l'i c a flodding b.ng cách dàn x p thông tin và thích ng v i ngu n n ng l ng có s5n Lo i giao th c này c phát tri n d a trên hai

g i nhi u d li u d th$a và ch ng chéo Flodding s d n n quá t i vì các yêu c u

gi ng nhau c g i n cùng m t node, s trùng l*p khi hai node nh n d li u c m

bi n t$ cùng m t vùng và g i gói d li u gi ng nhau n cùng m t a ch , c3ng vì h n ch v

n ng l ng khi các node không bi t l ng tài nguyên có s5n nh ng v n dùng nhi u n ng

l ng truy n nh ng gói thông tin d th$a Gossiping không b v n v quá t i b.ng cách

g i gói thông tin n m t node b t k/ thay vì g i n t t c các node Tuy nhiên, vi c này làm

ch m ng truy n c a d li u qua các node

Vi c dàn x p các b mô t d li u trong SPIN lo i tr$ các v n c a flodding, vì v y

có th t i u hóa ngu n n ng l ng SPIN g m ba b c vì node c m bi n s d!ng ba gói thông tin ADV, REQ và DATA liên l c v i nhau ADV c dùng qu ng cáo v nh ng

d li u m i, REQ dùng yêu c u thông tin và DATA là gói thông c yêu c u Giao th c

c b+t u khi m t node c a SPIN nh n c m t thông tin m i mà nó có kh n ng truy n cho các node khác Node này s phát m t tin ADV bao g m b miêu t thông tin nó v$a nh n

c N u m t node lân c n mu n nh n c thông tin này, node ó s g i m t tin REQ yêu c u tin DATA và tin DATA s c g i i Quy trình này s c l*p i l*p l i, truy n

d li u toàn b c m bi n

Các giao th c thu c SPIN bao g m nhi u giao th c, 2 giao th c chính là SPIN-1 và SPIN-2,

c 2 u bao g m dàn x p thông tin tr c khi truy n d li u m b o ch nh ng thông tin

c n thi t c truy n i M'i node c3ng có b truy v n ngu n n ng l ng riêng, ki m tra

l ng n ng l ng mà node ó ã tiêu th! và truy v n s tiêu th! n ng l ng c a các node khác tr c khi truy n tin SPIN-1 bao g m ba b c nh ã nói & trên SPIN-2 là m& r ng c a SPIN-1, bao g m kh n ng nh n d ng ngu n n ng l ng d a vào các ng )ng nh s5n Khi các nodes d th$a n ng l ng, SPIN-2 s s d!ng giao th c gi ng nh SPIN-1 Trong tr ng

h p thi u n ng l ng, các node s c m ng c ngu n n ng l ng ã t ng )ng n ng

l ng th p SPIN-1 và SPIN-2 là hai giao th c n gi n có th phát n ng l ng m t cách hi u

qu mà không ph i xác nh m t l ng thông tin cho m'i node xung quanh Các giao th c khác c3ng thu c SPIN :

- SPIN-BC : phát tri n cho các kênh truy n tin

- SPIN-PP : dành cho truy n tin i m n i m (point-to-point)

- SPIN-EC : gi ng SPIN-PP nh ng có thêm b chu#n oán ngu n n ng l ng

- SPIN-RL : thêm vào SPIN-PP kh+c ph!c s c khi m t kênh làm m t d li u trên

ng truy n

M t u i m c a SPIN là thay %i c a c u trúc hình h c m ng (topology) c gi i h n trong

ph m vi nh" vì các node ch c n quan tâm n nh ng node li n k v i nó SPIN ti t ki m nhi u n ng l ng h n flodding, dàn x p các b miêu t thông tin làm gi m g n m t n a l ng thông tin d th$a Xem xét nh ng ng d!ng c a vi c phát tri n xâm nh p m ng khi thông tin chính xác c n c báo cáo theo chu k/ và gi s các node & r t xa ngu n và n u các node truy n thông tin không c n x lý thông tin ó, thông tin s không c truy n n i m n b) Truy n tin tr c ti p (Directed diffusion) :

Truy n tin tr c ti p là m t mô hình k t h p d li u ph% bi n cho m ng không dây (ây là

m t mô hình trung tâm thông tin (data-centric - DC) và c! th v i t$ng ng d!ng

(application awareness) khi t t c d li u phát ra t$ node c m ng c *t tên theo ph ng pháp c*p thu c tính- giá tr Ý t &ng chính cho m t mô hình DC là t%ng h p thông tin t$ các ngu n khác nhau (k t h p thông tin trong m ng) b.ng cách lo i b" thông tin d th$a, gi m thi u s l ng ng truy n vì th ti t ki m n ng l ng và kéo dài tu%i th c a giao ti p Thay vì nh tuy n c o n ng, nh tuy n DC nh tuy n ng truy n t$ nhi u ngu n

n m t ích n chung, cho phép thông tin trong m t m ng c t%ng h p l i và lo i tr$

nh ng thông tin th$a thãi B n thành ph n chính c a truy n tin tr c ti p là gradient (có th xem nh h ng và t c truy n), interest (thông tin yêu c u), data message (các b n tin d

li u) và reinforcement

Trong truy n tin tr c ti p, b c m ng xem xét các tr ng h p t o ra các gradient c a thông tin trong các vùng m ng lân c n Tr m thông in s v n tin yêu c u thông tin b.ng cách phát thông tin yêu c u (interest) Thông tin interest s miêu t nhi m v! mà m ng l i yêu

c u Tin interest c truy n trong m ng theo mô hình nh tuy n hop-by-hop, tin này c3ng

s c các node phát cho nh ng node lân c n Khi tin interest c truy n trong m ng, gradient c xác l p tìm ki m các thông tin c yêu c u và a các thông tin này quay

v node ã v n tin Có ngh a là, m t tr m có th v n tin yêu c u thông tin b.ng cách phát các tin interest và nh ng node & gi a s truy n các tin interest M'i b c m ng nh n c tin interest s t o ra m t gradient n i ngu n tin v l i tr m M t gradient xác nh rõ thu c tính, giá tr và h ng c a thông tin ( m nh c a m t gradient n các vùng lân c n khác nhau có

th khác nhau, làm cho l ng thông tin c truy n n khác nhau Vòng l*p ch c lo i b" sau khi thông tin ã c truy n Khi gradient th"a mãn yêu c u t$ tin interest, tuy n thông tin s c nh b.ng cách t%ng h p nhi u tuy n khác nhau ch n và c ng c m t tuy n

h p lí nh t ng n ng$a flooding ti p t!c gây quá t i ( gi m l ng thông tin b hao h!t trên ng truy n, thông tin liên t!c c t%ng h p l i Vi c này giúp tìm ra m t m ng l i t%ng h p thông tin t$ node ngu n n tr m yêu c u Tr m s c làm m i liên t!c và g i l i tin interest khi nó b+t u nh n thông tin t$ ngu n, vì các tin interest có th không c truy n m t cách chính xác trong m ng l i

Hình 2.2 : M t ví d v s khu ch tán c a m ng c m bi n

T t c các node c m ng trong m ng l i s d!ng truy n tin tr c ti p có th nh n d ng

c ng d!ng (application-aware), cho phép vi c truy n tin ti t ki m n ng l ng b.ng cách

ch n nh ng ng truy n th c nghi m t t nh t và b.ng cách s d!ng b nh m (caching)

l u và x lí thông tin trong h th ng Caching t ng hi u qu , m nh (robustness) và tính m& r ng (scalability) c a s ph i h p gi a các node c m ng – i u thi t y u c a mô hình khu ch tán tin (diffusion) Các ng d!ng khác c a truy n tin tr c ti p là chuy n m t s

ki n (Event) quan tr ng n m t s vùng trong m ng c m ng m t cách t nhiên Cách thu

h i thông tin này ch phù h p v i nh ng yêu c u liên t!c khi node v n tin không có s5n thông tin theo yêu c u trong m t kho ng th i gian Directed diffusion cho phép ng truy n s d!ng m t l n c l p ra cho các yêu c u b t th ng này tránh vi c xác l p nh ng gradients cho các yêu c u

Ho t ng c a ph ng pháp t%ng h p thông tin dùng trong mô hình truy n tin tr c ti p ch u

nh h &ng t$ m t s tác nhân bao g m v trí c a các node ngu n trong m ng l i, s ngu n

và c u trúc m ng Nh.m nghiên c u các tác nhân nói trên, hai mô hình v trí ngu n c phát tri n Mô hình th nh t là mô hình d a vào bán kính xung quanh node v n tin (event radius – ER), mô hình th hai d a vào các ngu n ng u nhiên (Random sources –RS) Trong mô hình

ER, m t i m trong m ng l i c nh là a i m c a event, i m này s t ng ng v i

m t s ki n c c p nh t b&i các node c m bi n t t c các node trong ph m vi S (ph m vi

c m ng) t$ event này mà không ph i là node nh n tin (BS) s c coi là ngu n d li u S ngu n d li u trung bình là kho ng 6S2n trên m t n v di n tích m ng v i n node c m ng Trong mô hình RS, m t s k nodes mà không ph i là BS c l a ch n ng u nhiên thành ngu n d li u Khác v i mô hình ER, các ngu n không nh t thi t ph i & g n nhau Trong c hai mô hình, v i m t l ng n ngl ng nh nhau, nhi u ngu n d li u h n có th c n i

v i m t BS Tuy nhiên, m%i mô hình s ho t ng t t h n v m*t t i u hóa n ng l ng tùy vào ng d!ng Vi c ti t ki m n ng l ng b.ng cách t%ng h p thông tin trong truy n tin tr c

ti p có th c thay %i t ng m nh t ng quan v i các ho t ng trong nh ng s ki n

ã c cám ng

Hình 2.3 : Hai mô hình s d ng trong ki u nh tuy n trung tâm

Truy n tin tr c ti p khác SPIN & hai m*t Th nh t, truy n tin tr c ti p g*p v n trong

vi c yêu c u thông tin vì BS g i tin yêu c u n các node c m bi n b.ng flooding Tuy nhi n, trong SPIN, b cám ng qu ng bá v s t n t i c a thông tin tr c, cho phép các node c n thông tin ó g i yêu c u Th hai, t t c liên l c trong truy n tin tr c ti p là t$ m t node n node lân c n, m'i node u có th t%ng h p x lí và cache d li u Trong khi ó, SPIN không

c n ph i duy trì m t c u trúc m ng toàn c u Tuy nhiên, truy n tin tr c ti p có th không s d!ng c cho m t s ng d!ng nh ki m tra môi tr ng, nh ng ng d!ng yêu c u thông tin liên t!c c truy n v BS (ó là do truy n tin tr c ti p v n hành theo yêu c u H n n a,

ki m tra xem d li u th"a mãn yêu c u s c n thêm các tiêu (overhead) cho các node c m

ng

c) nh tuy n theo tin n (rumour routing):

(nh tuy n theo tin n là m t bi n th c a truy n tin tr c ti p, c s d!ng khi nh tuy n d a trên v trí a lí không kh thi Nói m t cách t%ng quát, truy n tin tr c ti p dùng flooding phát yêu c u n toàn b m ng l i khi không có nh ng tiêu chí a lí khu ch tán yêu c u Tuy nhiên, trong m t s tr ng h p, chi m t l ng nh" d li u c yêu c u, vì

v y không c n thi t ph i dùng n flooding M t cách khác là ch s d!ng flooding n u s event nh" nh ng s yêu c u l n Ý t &ng chính là nh tuy n các yêu c u n các node ã

nh n m t event nào ó thay vì dùng flooding cho toàn h th ng l y thông tin v các even

ã x y ra ( phát event ra toàn m ng, thu t toán nh tuy n theo tin n dùng nh ng gói tin dài h n g i là agent Khi m t node phát hi n ra m t event, nó s thêm event ó vào b ng g i

là b ng event (event table) và thi t l p m t agent Agent s i toàn m ng truy n thông tinh

v các event trong b ng ó cho các node & xa h n Khi m t node có yêu c u cho m t event, các nodes ã bi t tuy n ng có th tr l i yêu c u b.ng cách xem l i event table c a chính

nó Vì v y không c n ph i dùng flooding cho toàn m ng, gi m thi u s hao h!t thông tin khi truy n tin M*t khác, rumor routing ch duy trì m t tuy n t$ ngu n n ích n, trong khi truy n tin tr c ti p cho phép d li u c nh tuy n qua nhi u ngu n nh ng v i t c

ch m K t qu t$ các ch ng trình mô ph"ng cho th y rumor routing ti t ki m c nhi u

n ng l ng h n flooding và c3ng có th kh+c ph!c các l'i c a node Tuy nhiên, rumour routing ch ho t ng t t v i s event nh" V i s event l n, chi phí duy trì agent và event table & các node tr& nên b t kh thi khi không có yêu c u t$ các BS H n n a, các tiêu liên quan n rumour routing b chi ph i b&i các thông s khác nhau dùng trong thu t toán

nh là time-to-live (TTL), liên quan n yêu c u và agent Vì các node nh n thông tin v các event t$ agent, ph"ng oán v tuy n ng truy n c a m t agent s có nh h &ng l n n

ho t ng c a vi c ch n b c hop ti p theo trong rumour routing

d) Thu t toán chuy n ti p chi phí t i thi u (minimum cost forwarding algorithm –

MCFA):

Thu t toán MCFA t n d!ng th c t r.ng h ng nh tuy n luôn c xác nh là n m t

tr m (base station) c nh & ngoài m ng vì v y, các node cam ng không c n ph i có m t ID riêng biêt hay duy tri b ng nh tuy n Thay vào ó, m'i node duy trì c l ng v chi phí t i thi u truy n tin t$ node ó n base-station M'i tin chuy n ti p v i node c m ng s c phát n các node lân c n Khi m t node nh n c tin, nó s ki m tra xem nó có thu c