Định tuyến tin cậy trong mạng cảm biến không dây

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT EAR Energy and Activity-Aware Routing Protocol EAR-DPS Energy Aware Routing with Dynamic Probability Scaling EARQ Energy Aware Routing Protocol EAR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM TRUNG KIÊN

ĐỊNH TUYẾN TIN CẬY TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS TRẦN THỊ NGỌC LAN

Hà Nội – Năm 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Trần Thị Ngọc Lan Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này

là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kì hình thức nào trước đây Ngoài ra trong đề tài có dùng một số hình vẽ của các tác giả khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Hà Nội, ngày 27 tháng 9 năm 2016

Tác giả luận văn

Phạm Trung Kiên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY – WSN 9

1.1 Giới thiệu 9

1.2 Cấu trúc của mạng WSN 10

1.2.1 Cấu trúc của 1 node mạng WSN 10

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 11

1.3 Kiến trúc giao thức mạng 18

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến 14

1.5 Ứng dụng của mạng WSN 16

1.6 Kết luận 17

CHƯƠNG 2 : ĐỊNH TUYẾN TIN CẬY TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 18 2.1 Giới thiệu 18

2.2 CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI TIN CẬY 23

2.2.1 Giao thức RMST 23

2.2.1.1 Các ví dụ 24

2.2.1.2 Đánh giá chất lượng 26

2.2.2 Giao thức PSFQ 26

2.2.2.1 Các ví dụ 27

2.2.2.2 Đánh giá chất lượng 30

2.2.3 Giao thức CODA 30

2.2.3.1 Các ví dụ 31

2.2.3.2 Đánh giá chất lượng 33

2.2.4 Giao thức ESRT 34

2.2.4.1 Các ví dụ 35

2.2.4.2 Đánh giá chất lượng 38

2.2.5 Giao thức GARUDA 39

2.2.5.1 Các ví dụ 40

2.2.5.2 Đánh giá chất lượng 45

2.2.6 Giao thức truyền tải tin cậy và thời gian thực (RT)2 45

2.2.6.1 Các ví dụ 48

2.2.6.2 Đánh giá chất lượng 52

2.3 Kết luận 53

CHƯƠNG 3: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN EARQ 55

3.1 Giới thiệu 55

3.2 Lý do lựa chọn nghiên cứu giao thức EARQ 57

3.3 Giao thức định tuyến EARQ 59

3.3.1 Thông điệp beacon và bảng định tuyến 59

3.3.2 Việc lựa chọn nút và chuyển tiếp gói tin 63

3.3.3 Xem xét lựa chọn thời gian deadline 65

3.4 Thiết kế với mạng nhỏ 68

3.5 Kết quả mô phỏng 75

3.6 Nâng cấp giao thức EARQ trong mạng cảm biến không dây 84

3.6.1 Mục đích của việc nâng cấp 84

3.6.2 Kết quả phân tích 85

3.7 Kết luận 90

KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EAR Energy and Activity-Aware

Routing Protocol EAR-DPS Energy Aware Routing with

Dynamic Probability Scaling EARQ Energy Aware Routing Protocol

EAR-RT Energy Aware Routing with

Real-Time Guarantee EEARQ Enhanced EARQ Protocol for

Reliable Routing ESRT Event-to-Sink Reliable Transport Giao thức truyền tải tin cậy sự

kiện đến sink GARUDA Achieving Effective Reliability for

Downstream Communication MAC Media Access Control Giao thức điều khiển truy nhập

môi trường MMSPEED Multipath Multi-SPEED Protocol

NACK Non-Acknowledgement

PSFQ Pump-slowly, fetch-quickly Giao thức gửi chậm nhận nhanh PDR Packet Delivery Rate Tỉ lệ chuyển gói tin

RMST Reliable Multi-Segment Transport Giao thức truyền tin cậy đa đoạn (RT)2 Real-Time and Reliable Transport Giao thức truyền tải tin cậy và

thời gian thực SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lí mạng cảm biến SPEED: Stateless Protocol for Real-Time

Communication TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận UDP User Datagram Protocol User Datagram Protocol

WISN Wireless Industry Sensor Network Mạng cảm biến công nghiệp

không dây WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Vùng hoạt động của mạng dựa trên mức tắc nghẽn và mức tin cậy………….34

Bảng 3.1: Thông số mô phỏng EARQ và một số giao thức khác……… 75

Bảng 3.2: Các thông số mô phỏng của giao thức EARQ và EEARQ……… 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 9

Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm ứng 10

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 13

Hình 2.1: Phân loại độ tin cậy trong mạng WSN 19

Hình 2.2: Cơ chế truyền iACK và eACK 20

Hình 2.3: Cơ chế dự phòng dựa trên mã xóa 21

Hình 2.4: Phục hồi lỗi với RMST trong chế độ không đệm 24

Hình 2.5: Phục hồi lỗi trong chế độ đệm……….……….………… 25

Hình 2.6: Hoạt động gửi và nhận của giao thức PSFQ 29

Hình 2.7: Cơ chế Open-loop hop-by-hop backpressure của CODA 32

Hình 2.8: Cơ chế closed-loop multi-source regulation 33

Hình 2.9: Mối liên hệ giữa độ tin cậy và tốc độ báo cáo và định nghĩa vùng hoạt động của ESRT 36

Hình 2.10: Phân tích chiếm dụng bộ đệm trong ESRT 37

Hình 2.11: Cơ chế chuyển gói đầu tiên trong GARUDA 41

Hình 2.12: Truyền gói đầu tiên và kiến trúc lõi trong GARUDA 42

Hình 2.13: Cơ chế phục hồi hai bước của GARUDA 44

Hình 2.14: Kết quả của tần số báo cáo của chuyển tin đúng thời gian (a) và tin cậy (b) 49

Hình 3.1: Các nút hàng xóm trong bảng định tuyến của nút i trong WISN 60

Hình 3.2: Ví dụ cho giá trị đơn hop cho thông tin đơn hop giữa nút i và các hàng xóm của nó, và giá trị kỳ vọng của nút hàng xóm 63

Hình 3.3: Triển khai các nút cảm biến 65

Hình 3.4: Ví dụ tính toán đường đi trong giao thức EARQ 69

Hình 3.5: Hiệu suất của EARQ theo tần số của thông điệp beacon 77

Hình 3.6: Tỉ lệ các gói nhỡ deadline, xem xét duy nhất deadline 78

Hình 3.7: Tiêu hao năng lượng trung bình của các nút, chỉ xem xét deadline 78

Hình 3.8: Tỉ lệ mất các gói chỉ xem xét duy nhất độ tin cậy 79

Hình 3.9: Tiêu thụ năng lượng trung bình của các nút 80

Hình 3.10: Tỉ lệ các gói tin lỡ thời hạn deadline hoặc bị mất gói, được xem xét cả deadline

và độ tin cậy 81

Hình 3.11: Tiêu thụ năng lượng trung bình của các nút, xem xét cả deadline và độ tin cậy 82

Hình 3.12: Số các gói tin kỳ vọng được vận chuyển kịp thời hạn tới nút sink thành công với 1mWhr 83

Hình 3.13: Chuyển gói tin của EARQ và EEARQ 86

Hình 3.14: Mất gói tin của EARQ và EEARQ 87

Hình 3.15: Phân tích trễ của EARQ và EEARQ 88

Hình 3.16: Phân tích năng lượng còn lại của EEARQ với EARQ 89

LỜI NÓI ĐẦU

Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin Hiện nay, người

ta tập trung triển khai các mạng cảm ứng không dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực đời sống như

y tế, quân sự, môi trường, giao thông…

Để xây dựng một mạng cảm biến không dây, rất nhiều vấn đề sẽ được quan tâm như môi trường của mạng, đối tượng giám sát, mô hình, giao thức, giá thành,… trong đó giao thức định tuyến trong mạng đóng vai trò quan trọng bậc nhất cho một hệ thống Có rất nhiều giao thức được xây dựng cho WSN với nhiều mục đích, mỗi giao thức có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với đặc thù từng mạng WSNs Một yếu tố khác cũng luôn được đặt lên hàng đầu đó là năng lượng Có nhiều cách để giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lượng, chọn một giao thức truyền tin tin cậy trong mạng là một trong số đó Một gói tin được truyền đi chính xác sẽ giúp tiết kiệm năng lượng cho việc phải gửi lại, một gói tin được truyền đến tức thời sẽ giúp giảm áp lực xử lý và bộ nhớ của các nút cảm biến từ đó cũng giúp tiết kiệm năng lượng Đây là một trong những thách thức rất lớn cho việc xây dựng giao thức định tuyến trong mạng WSN Nói cách khác sử dụng giao thức định tuyến

độ tin cậy cao sẽ tối ưu về mặt hiệu năng để có thể kéo dài tuổi thọ của mạng

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, nhờ sự định hướng và chỉ bảo tận tình của Ts Trần Thị Ngọc Lan – bộ môn kĩ thuật thông tin, viện Điện tử - Viễn thông, em đã chọn tìm hiểu về các giao thức định tuyến tin cậy trong mạng WSN và đánh giá hiệu quả hoạt động của một trong số giao thức đó, cụ thể ở đây là giao thức EARQ (Energy Aware Routing Protocol) Do khả năng, kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn của em không thể tránh khỏi những thiếu sót Em kính mong nhận được sự đánh giá nhận xét của các thầy cô giáo trong hội đồng bảo vệ giúp em có thêm kỹ năng và kinh nghiệm chuyên môn

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

– WSN

1.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng

vô tuyến (RF connection), trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp….và có số lượng lớn được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một phạm vi hoạt động rộng, sử dụng năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…) Hình 1.1 mô tả cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất,với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực : theo dõi sự thay đổi của môi trường khí hậu, giám sát các hoạt động quân sự, do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và

hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, giám sát các bác sĩ, bệnh nhân cũng như quản lí thuốc, theo dõi, điều khiển giao thông …

Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau :

 Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người

 Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop

 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến

 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng các node

 Các giới hạn về năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán

1.2 Cấu trúc của mạng WSN

1.2.1 Cấu trúc của 1 node mạng WSN

Mỗi nút cảm ứng được cấu tạo bởi 4 thành phần cơ bản (hình 1.2) : đơn vị cảm biến (sensing unit), đơn vị xử lí (processing unit), đơn vị truyền dẫn (transceiver unit) và bộ nguồn (power unit) [4] Ngoài ra còn có thêm các thành phần khác tùy vào từng ứng dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) hay bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm ứng

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện 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 tới các nút khác hoặc tới sink Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn

có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống 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 của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao

về vị trí Vì vậy cần phải có các bộ định vị Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi

sự chuyển động của vật nào đó Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Hoạt động hiệu quả năng lượng: Để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một các

tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị)

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

dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới 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 không dây

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.1 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 các sink bởi một cấu trúc đa điểm Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

1.3 Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình 1.3 Trong mạng cảm biến, dữ liệu thu được bởi các nút sẽ được định tuyến để gửi đến sink, sau đó sink sẽ gửi đến thiết bị đầu cuối thông qua truyền dẫn internet hay vệ tinh Đây là kiến trúc được sử dụng ở các nút gốc và nút cảm biến

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

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 phầnmềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng Trong lớp ứng dụng

có mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (Sensor Query and Data Dissemination)

 Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác Giao thức vận chuyển giữa sink và người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) có thể là giao thức gói người dùng UDP hay giao thức điều khiển truyền tải TCP thông qua Internet hoặc các mạng khác Còn giao thức giữa sink và nút cảm biến là giao thức kiểu như UDP

 Lớp mạng: Thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

 Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng 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

 Lớp liên kết 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 cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

 Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật

lý, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân

 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 nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

 Phần quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và đăng kí sự chuyển động của các nút Các nút giữ việc theo dõi xem ai là hàng xóm của chúng

 Phần quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm

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

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến

Thời gian sống bên ngoài: Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn Ví dụ: một loại pin kiềm cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi 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, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế Trong thực tế, pin rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng không cần thay thế trong vài năm Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin

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 chuyển mạch 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 thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ 1 cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các sensor

Tính chất mạnh (Robustness) : Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao phủ chính xác (fine-grained coverage) Mục tiêu này phổ biến ở số lượng lớn các thiết

bị không đắt tiền Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi Tốc

độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắt khe

và trong vùng của kẻ địch Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng kỹ xảo để có thể đáp ứng tốt Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầu của hệ thống là không bị hỏng với các thiết bị lỗi

Hiệu suất: Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị

về các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện 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 cả trên 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 suất cao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng của các thành phần trong nó cộng lại Các giao thức cung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính và các tài nguyên thông tin

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 độ dài) Có một vài hạn chế về thông lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến scalability của hoạt động mạng

Tính không đồng nhất (Heterogeneity) : Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong 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 đến thiết kế

Tự cấu hình (Autoconfigure) : Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các

hệ thống phân phối không cần chủ Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong thiết kế Ngay từ khi bắt đầu, các node trong WSN 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

Tự tối ưu và thích nghi: Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về điều 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 thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học được đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường 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 môi trường năng động trong khi nó đang sử dụng

Thiết kế có hệ thống: WSN có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng, nên cần có sự cân bằng giữa hai yếu tố:

 Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng riêng để đưa ra những hoạt động phát triển cao

 Tính mềm dẻo: các phương pháp thiết kế phải phổ biến cho các hoạt động

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

1.5 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 càng được 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,…

Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…

Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…

 Điều khiển:

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 ô nhiễm, chất thải

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

 Hệ thống giao thông thông minh:

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

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

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

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

1.6 Kết luận

Qua chương này, ta tìm hiểu được về định nghĩa, cấu trúc và các thành phần của một mạng cảm biến không dây Hiểu được thế nào là một mạng cảm biến WSN, cách thức hoạt động, liên lạc giữa các node và các ứng dụng của nó Đi sâu hơn ta thấy được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của mạng để từ đó có hướng nghiên cứu cải tiến và tối ưu cho từng mô hình mạng cụ thể

CHƯƠNG 2 : ĐỊNH TUYẾN TIN CẬY TRONG MẠNG CẢM

BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Giới thiệu

Trong WSN các dữ liệu quan trọng được thu thập bởi các nút cảm biến cần phải được chuyển tin cậy tới sink để giám sát môi trường Do tính chất nhạy với lỗi của liên kết không dây, đảm bảo truyền dữ liệu tin cậy từ các nút cảm biến tới sink là một thách thức lớn trong WSN Truyền dữ liệu tin cậy là đảm bảo rằng các gói mang thông tin sự kiện đến đích Trong WSN truyền tin cậy có thể chia thành các mức khác nhau (xem hình 2.1):

 Mức tin cậy gói hay sự kiện (packet hay event)

 Mức tin cậy hop-by-hop, hay end-to-end

Độ tin cậy packet yêu cầu tất cả các gói mang thông tin cảm nhận từ tất cả các nút cảm biến được truyền tin cậy tới sink Trong khi đó tin cậy event đảm bảo rằng sink chỉ lấy đầy

đủ thông tin về một sự kiện chắc chắn nào đó xảy ra trong mạng thay vì gửi tất cả các gói cảm nhận được

Để đạt được tin cậy packet hay event trong khôi phục thông tin bị mất tại mức hop by hop hay end-to-end thông qua việc sử dụng cơ chế truyền lại hay dự phòng Cơ chế truyền lại là đơn giản truyền lại những thông tin bị mất và có thể thực hiện trên cả mô hình end-to-end hoặc hop-by-hop Truyền lại end-to-end chỉ yêu cầu nút nguồn mà tạo ra gói tin truyền lại thông tin bị mất Truyền lại hop-by-hop cho phép các nút trung gian truyền lại thông tin bị mất tại bộ nhớ trong bộ nhớ đệm của chúng Trong cơ chế dự phòng, thông tin

dự phòng sẽ được thêm vào dữ liệu ban đầu cho phép nhận và khôi phục thông tin bị mất Giống như cơ chế truyền lại cơ chế dự phòng cũng thực hiện được trên cả hop-by-hop và end-to-end

Hình 2.1: Phân loại độ tin cậy trong mạng WSN

Trong dự phòng end-to-end mã hóa và giải mã chỉ được thực hiện tại nút nguồn và nút sink Trong khi đó dự phònghop-by-hop mã hóa và giải mã được thực hiện tại mỗi chặng trung gian để tái tạo lại bit bị mất tại mỗi chặng

Trong mạng cảm biến multi-hop, truyền tin cậy bằng truyền lại có thể được thực hiện nhờ cơ chế acknowledgement Cơ chế acknowledgement cơ bản gồm là eACK, NACK và iACK [12] eACK là phương thức truyền thống để chắc chắn nút nhận sẽ nhận được gói tin nó cần eACK dựa vào một thông điệp điều khiển đặc biệt mà nút nhận sau khi đã nhận thành công gói tin sẽ gửi lại Cũng như vậy NACK là thông điệp điều khiển đặc biệt cho phép người nhận thông báo cho người gửi truyền lại chuỗi mất tích cụ thể của tất cả các gói tin (xem hình 2.2)

Hình 2.2: Cơ chế truyền iACK và eACK

Quá nhiều bản tin eACK và NACK phát sinh có thể dẫn tới tắc nghẽn và lãng phí tài nguyên mạng, những đặc điểm này hoàn toàn không phù hợp với mạng cảm biến Mặt khác, trong cơ chế iACK luân phiên, nút gửi sau khi truyền gói tin, sẽ lắng nghe kênh truyền xem gói tin nó gửi đi có đến được đích không iACK khai thác tính broadcast của kênh không dây để tránh truyền tải thêm và lãng phí năng lượng do việc truyền thông điệp điều khiển (eACK/NACK)

Để ngăn chặn việc chiếm dữ bộ đệm do việc truyền lại mà có thể là nguyên nhân cho việc chậm trễ Các gói tin cần phải truyền lại ngay lập tức khi được phát hiện là mất Việc truyền lại ngay lập tức sẽ làm trầm trọng thêm trong tình trạng tắc nghẽn Điều này dẫn đến phải có một cơ chế truyền lại thông minh Tuy nhiên hạn chế về bộ nhớ của các nút và

số lượng lớn các gói tin nên có thể không đạt được tin cậy trong các nút cảm biến Điều đó cho ta nghĩ đến phương pháp truyền khác dựa trên thông tin dự phòng, để giải quyết vấn

đề do bộ nhớ đệm dữ liệu tại các nút (xem hình 2.3)

Hình 2.3: Cơ chế dự phòng dựa trên mã xóa

Ngoài truyền lại, một cách khác để đạt được mức truyền tin cậy là phương pháp dự phòng Trong đó nhiều bản sao của cùng một gói tin sẽ được truyền đi dựa trên mã xóa (erasures code), mã này sẽ cho phép phía thu có khả năng khôi phục lại các gói tin bị mất Đầu tiên ở phía gửi, gói tin sẽ bị phân mảnh thành m phần, sau đó mã hóa lại bằng cách thêm vào k mảnh dự phòng Khi đó sẽ có k+m mảnh được truyền đến sink, sau khi nhận

bộ k+m mảnh đã được mã hóa, sink tiến hành tái cấu trúc lại dữ liệu gốc Phía nhận có khả năng tái cấu trúc lại dỡ liệu gốc chỉ khi nó nhận được bằng hoặc nhiều hơn số phân mảnh gói tin của dữ liệu gốc Cũng giống như cơ chế truyền lại, cơ chế mã xóa có thể thực thi được trên cả hai mô hình truyền thông: hop-by-hop và end-to-end Với end-to-end, quá trình mã hóa/giải mã được thực hiện ở nút nguồn và sink, các nút trung gian chỉ đóng vai trò chuyển gói tin Tuy nhiên, với mô hình hop-by-hop quá trình mã và giải mã sẽ được thực hiện tại mỗi nút trung gian để giảm dữ liệu dư thừa Do đó mô hình end-to-end làm

tăng lưu lượng mạng vì làm tạo ra số lượng lớn mảnh dư thừa (dự phòng) khi so sánh mã xóa trong hop-by-hop

2.2 CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI TIN CẬY

xử lý lỗi khắp các tuyến trong mạng Cuối cùng, RMST sử dụng trong mạng lưới bộ nhớ đệm và đảm bảo cung cấp các dữ liệu gói được tạo bởi dòng sự kiện RMST dựa trên cơ chế định tuyến khuếch tán trực tiếp của một đường dẫn giữa nguồn và đích Do đó, một giả thuyết là các gói tin của một dòng chảy theo cùng một đường dẫn trừ khi có nút lỗi Trong trường hợp nút lỗi, khuếch tán trực tiếp được giả định để định tuyến lại các gói tin Trên

cơ sở giả định này, RMST có hai chế độ hoạt động:

 Chế độ không đệm: chế độ này hoạt động rất giống với giao thức lớp truyền tải thông thường, tức là chỉ có nguồn và đích đóng vai trò cung cấp độ tin cậy Do đó, những tổn thất gói tin được phát hiện tại đích và yêu cầu từ nút nguồn trong kiểu end-to-end qua một gói NACK Ưu điểm của chế độ này là không yêu cầu có sự tham gia và, xử lý bổ sung, lưu trữ và tiêu thụ điện năng từ các nút trung gian trong mạng multi-hop

 Chế độ đệm: trong chế độ này, các nút trung gian trên đường dẫn tăng cường lưu trữ dữ liệu gói đã truyền để giảm chi phí trong truyền lại end-toend Trong RMST, mỗi gói tin của một dòng được đánh dấu bởi một chuỗi số duy nhất Theo đó, các gói tin lỗi được phát hiện bất cứ khi nào có một lỗ trong chuỗi số nhận được Trong trường hợp lỗi gói, các nút yêu cầu truyền lại bằng cách gửi một gói NACK theo hướng ngược lại từ phía sink đến cảm biến, nghĩa là, con đường ngược lại như được giải thích trong các ví dụ dưới đây về chế độ không đệm và chế độ đệm

2.2.1.1 Các ví dụ

a) Ví dụ 1

Khôi phục lỗi trong chế độ không đệm được minh họa trong hình 2.4, trong đó một nút cảm biến đang cố gắng truyền tải một loạt các gói tin đến sink thông qua định tuyến multi-hop Số thứ tự của gói tin nhận được cuối cùng tại sink được thể hiện trong từng trường hợp

Hình 2.4: Phục hồi lỗi với RMST trong chế độ không đệm

Trong chế độ không đệm, truyền lại end-to-end được thực hiện để cung cấp độ tin cậy Trong hình 2.4(a), 4 gói tin bị mất trước khi đến sink Sink chỉ có thể nhận các gói tin bị mất sau khi nhận được gói 5 (xem hình 2.4 (b)) Sau đó, sink phát đi một gói

NACK trở lại nút nguồn như trong hình 2.4 (c) Các gói tin bị mất sau đó được truyền lại đến sink qua multi-hop như hình 2.4 (d)

b) Ví dụ 2

Trong chế độ đệm, như hình 2.5, các nút cảm biến nào đó được chỉ định là các nút bộ nhớ đệm (kí hiệu là nút màu đen trong hình 2.5) trên đường dẫn củng cố từ nút cảm biến đến sink Trên các đường dẫn khác đến sink, phát hiện mất gói cũng được thực hiện tại các nút bộ nhớ đệm Tương tự như chế độ không đệm, mất gói 3 trong hình 2.5 (a) chỉ có thể phát hiện bởi các nút bộ nhớ đệm sau khi nhận được gói 4 trong hình 2.5 (b) Sau đó, nút

bộ nhớ đệm phát đi một gói NACK trở lại nút nguồn như hình 2.5 (c)

Hình 2.5: Phục hồi lỗi trong chế độ đệm (nút màu đen là nút đệm)

Trong trường hợp này, như hình 2.5 (d), nút bộ nhớ đệm đầu tiên với gói mất trên đường trả lời ngược lại và gói tin được truyền đến sink Nếu gói tin không thế tìm thấy trong các nút bộ nhớ đệm, gói NACK được truyền cho đến khi nó tới nút nguồn

2.2.1.2 Đánh giá chất lượng

Trong chế độ đệm, RMST chủ yếu tạo các đoạn đáng tin cậy giữa hai nút bộ nhớ đệm liên tiếp và việc truyền lại được thực hiện trong các đoạn thay vì thông qua các tuyến end-to-end Kết quả là, các chi phí liên quan đến truyền lại end-to-end được giảm thiểu Hơn nữa, RMST nhằm mục đích cung cấp chuyển giao đảm bảo cho mỗi dòng trong WSN Điều này hữu ích cho các ứng dụng mà thông tin nút cá nhân là quan trọng RMST có thể phải chịu chi phí bổ sung từ bộ nhớ và xử lý bổ sung yêu cầu bộ nhớ đệm tại nút bộ nhớ đệm Điều này có thể làm tăng sự phức tạp và tiêu thụ năng lượng tổng thể của mạng Hầu hết các ứng dụng liên quan đến phát hiện hoặc theo dõi sự kiện có thể không yêu cầu độ tin cậy 100% vì dòng dữ liệu cá nhân có tương quan và mất mát chấp nhận được Tuy nhiên, RMST xử lý từng dòng riêng biệt, có thể dẫn đến quá tải các nguồn trong WSN Hơn nữa,

độ tin cậy đảm bảo qua mạng bộ nhớ đệm có thể dẫn đến chi phí đáng kể cho WSN với công suất và xử lý hạn chế Cuối cùng, RMST chỉ tập trung vào các khía cạnh độ

2.2.2 Giao thức PSFQ

Giao thức gửi chậm nhận nhanh PSFQ đã được phát triển để định nghĩa con đường từ sink tới các cảm biến Trái ngược với nhiều lớp truyền tải thường tập trung vào đường dẫn

từ cảm biến tới sink, đường dẫn đối lập thường xuyên được sử dụng cho những tác vụ quản

lý mạng và tái nhiệm của nút cảm biến Vì vậy, độ tin cậy là một mối quan tâm lớn Trong khi đường dẫn từ cảm biến tới sink có khả năng gặp phải sự cố mất thông tin do nguồn dữ liệu tương quan lớn được tạo ra bởi các cảm biến, con đường ngược lại yêu cầu hỗ trợ truyền tin end-to-end nhằm khuếch tán một cách có hiệu quả sự kiểm soát thông tin được phát ra từ sink tới các cảm biến Theo đó, giao thức PSFQ đưa ra ba chức năng chính:

 Hoạt động gửi: Vì độ tin cậy thường quan trọng hơn tính kịp thời, PSFQ cần một cơ chế phát dựa trên việc đưa từng gói tin vào mạng Trong trường hợp này, mỗi 30

một nút trên đường tới điểm đích phải chờ đợi một thời gian cụ thể trước khi chuyển tiếp các bản tin

 Hoạt động nhận: Trong trường hợp lỗi gói, mỗi nút tích cực thực hiện việc khôi phục dữ liệu nhằm thu thập các gói tin bị mất từ những nút kế cận

 Báo cáo trạng thái: PSFQ cũng cung cấp chức năng báo cáo mà tạo ra sự truyền tin trong vòng kín giữa cảm biến và sink Thông qua chức năng này, sink có thể thu thập thông tin liên quan tới sự vận hành của mạng

Sự vận hành chức năng phát là trạng thái mặc định của giao thức PFSQ nhằm khuếch tán thông tin từ sink tới cảm biến trừ trường hợp có lỗi Điều này sẽ được minh họa ngay sau đây

2.2.2.1 Các ví dụ

a) Ví dụ 1

Sự vận hành quá trình phát PSFQ được minh họa trong hình 2.6 (a), khi một cảm biến đang truyền gói tin đến nút A kế tiếp Nút A chuyển tiếp thông tin này tới nút B Hai thời điểm, Tmin và Tmax, được dùng để lên kế hoạch chuyển tiếp giữa các nút trên con đường dẫn

từ cảm biến tới sink Một cảm biến truyền các gói tin mỗi một khoảng thời gian Tmin tới nút ngay kế nó Khi nhận được gói tin, các nút kế tiếp truyền gói tin sau một thời gian chờ ngẫu nhiên, được lựa chọn nằm giữa hai khoảng Tmin và Tmax như minh họa trong hình 2.6 (a) Thời gian giữa các phiên truyền gói tin được tích hợp lại để cho phép các nút có thể khôi phục các gói tin bị mất Hơn nữa, sự trì hoãn ngẫu nhiên này cho phép giảm những phiên truyền tin dư thừa của một gói tin được thực hiện giữa các nút liền nhau.Nếu gói tin được chuyển tiếp bởi một trong số các nút, các nút kế tiếp còn lại sẽ triệt tiêu những hoạt động truyền tin khác

Một cảm biến phát ra những gói tin liên quan tới một thông điệp nhất định bằng một dãy số liên tiếp Nếu một nút trên đường dẫn từ sink tới cảm biến phát hiện ra chỗ trống trong dãy số liên tiếp của các gói tin này, quá trình thu nhận tin sẽ được bắt đầu Qua quá trình thu nhận, một nút tích cực phát ra các gói tin NACK để nhanh chóng phục hồi các gói tin thất lạc từ những nút kế cận, như sẽ được giải thích ở ví dụ sau

b) Ví dụ 2

Quá trình thu nhận được minh họa trong hình 2.6 (b) Khi nút A phát hiện một gói tin

bị mất, nó truyền đi gói tin NACK tới nút kế tiếp Có thể xảy ra trường hợp không có phản hồi hoặc chỉ một phần của gói tin bị mất được khôi phục Trong trường hợp này, nếu nút

A không nhận được hồi đáp trong khoảng thời gian Tr, mà Tr < Tmax, nó vẫn tiếp tục gửi gói tin NACK mỗi một khoảng Tr Nếu một trong những nút kế cận của nút A có gói tin trong bộ nhớ đệm, nó sẽ gửi gói tin trong một khoảng giữa (1/4) Tr và (1/2) Tr như trên hình 2.6 (b) Quá trình thu nhận dẫn tới việc khôi phục lỗi cục bộ thông qua các thông điệp NACK bền vững giữa hai quá trình truyền gói tin Tuy nhiên để ngăn ngừa sự bùng nổ của bản tin, PSFQ giới hạn truyền bản tin NACK tới nút kế cận trong một bước Nói cách khác, các bản tin NACK không được truyền thông qua các lộ trình nhiều bước

Cơ chế nhận biết mất thông tin ở PSFQ dựa vào một dãy số của gói tin trong một dòng Trong trường hợp các gói tin bị mất trên dòng, cơ chế này có thể phát hiện một cách hiệu quả những mất mát đó Tuy nhiên, cơ chế này không phù hợp với những trường hợp khi

mà gói tin cuối cùng trong dòng tin bị mất hay tất cả các gói tin liên quan đến dòng tin đều

bị mất Với trường hợp này, PSFQ cần một quá trình thu nhận chủ động nơi các bộ phận tiếp nhận tuân theo một quá trình thu nhận được định thời gian

c) Ví dụ 3

Như đã thấy trên hình 2.6(c), nếu một nút không nhận được gói tin trong khoảng thời gian Tpro, nó gửi một gói tin NACK tới nút kế cận thời gian chờ, Tpro, được quyết định sao cho tỷ lệ với sự khác biệt giữa dãy số cuối cùng cao nhất Smax của dòng tin, ví dụ là Tpro=

α(S max-Slast)Tmax, khi α ≥ 1 Kết quả là, nút gửi gói tin NACK sớm hơn nếu như nó ở gần điểm cuối của tin nhắn Trong trường hợp độ dài đệm bị giới hạn, thời gian chờ, Tpro, được định đoạt như sau: Tpro = αnTmax, mà n là thời gian đệm

Hình 2.6: Hoạt động gửi và nhận của giao thức PSFQ

Thành phần thứ ba của giao thức PSFQ là hoạt động báo cáo, cho phép sink có thể yêu cầu phản hồi từ các nút cảm biến theo một quy cách có thể đo lường được Chức năng báo cáo được thực hiện bởi sink bằng cách đặt một đơn vị tin vào gói tin tiêu đề (header package) Gói tin này sau đó được gửi đi qua mạng tới nút đích Khi nhận được yêu cầu báo cáo, nút cảm biến phản ứng ngay lập tức bằng cách truyền đi một bản tin báo cáo Mỗi nút trên con đường tới sink gửi thêm thông tin về trạng thái của mình tới báo cáo này bằng

cách đính kèm vào bản tin Nếu một nút trên đường không nhận được tín hiệu báo cáo trong khoảng Treport, nó tự tạo ra gói tin báo cáo của mình và gửi nó tới sink

Quá trình báo cáo cũng được sử dụng với những nhiệm vụ truyền gói tin đơn Nếu một thông điệp mà sink sẽ gửi có thể phù hợp với chỉ một gói tin, chức năng báo cáo sẽ được thực hiện bằng cách thiết lập bit báo cáo Bất kể khi nào nút cảm biến đích nhận được gói tin này, nó trả lời bằng một gói tin báo cáo Kết quả là, một cơ chế kiểm soát end-to-end được tích hợp vào giao thức PSFQ trong dòng gói tin đơn lẻ

2.2.2.2 Đánh giá chất lượng

PSFQ cần tới một chức năng giao thức đơn mà không yêu cầu cơ chế tin cậy end Kết quả là, giao thức có thể được thay đổi hiệu quả theo chuẩn của mạng Hơn nữa, hướng kết nối cần có giữa sink và cảm biến có khác biệt lớn so với hướng đi từ cảm biến tới sink PSFQ hướng tới việc cung cấp sự trung chuyển gói tin đáng tin cậy và có trật tự theo cách phân phối với hướng đi này

end-to-PSFQ dựa vào quá trình phát chậm để giới hạn sự tắc nghẽn Tuy nhiên, khi con số các nguồn trong mạng tăng lên, sự tắc nghẽn sẽ xuất hiện Hơn nữa, PSFQ kiểm soát độ tin cậy bằng cách xem xét những khả năng có trục trặc ở các kênh không dây Do vậy không có một cơ chế nào trong PSFQ có khả năng nắm bắt được các vấn đề về quá tải trong mạng cảm biến không dây Thêm vào đó, PSFQ giống một giao thức tin cậy hop-by-hop hơn là một giải pháp end-to-end Vì thế, độ tin cậy end-to-end không thể duy trì trong tất cả các trường hợp kể cả khi độ tin cậy hop-by-hop được đảm bảo Quá trình phát tin chậm đưa ra một sự trì hoãn giả lập trong mạng tại mỗi bước Kết quả là, các mạng có kích cỡ lớn thường gặp phải sự chậm trễ Mỗi khi một gói tín bị mất đi, nút nhận lưu trữ gói tin bị hỏng cho đến khi những gói tin bị mất được phục hồi Điều này làm gia tăng bộ nhớ cần có với giao thức PSFQ, điều mà có thể bị giới hạn ở các nút cảm biến

2.2.3 Giao thức CODA

Mục đích của giao thức nhận biết và tránh tắc nghẽn CODA là nhận biết và tránh tắc nghẽn tại WSN Với điều này, ba trường hợp tắc nghẽn chính sẽ được xem xét Trong

những ứng dụng của mạng cảm biến không dây, nơi mà các nút nguồn thường điều hòa lưu lượng thông tin, sự tắc nghẽn thường tạo lập ra gần hơn với các nút nguồn bởi sự cạnh tranh trong kênh không dây Hơn nữa, với các dòng lưu lượng tần suất thấp, sự tắc nghẽn

có thể xảy ra tạm thời tại những điểm nóng, nơi mà có nhiều dòng tin được vận hành Với hai loại tắc nghẽn này, CODA đưa ra cơ chế kiểm soát tắc nghẽn cục bộ Do cấu trúc và dung lượng của mạng, những điểm nóng bền vững vẫn tồn tại Điều này yêu cầu một cơ chế end-to-end để điều hòa dữ liệu trong các nút nguồn

Để nhận diện tắc nghẽn và những tình huống có thể tạo ra quá tải, CODA đưa ra ba cơ chế thông qua việc đưa tín hiệu để thông báo nguồn phát về sự tắc nghẽn (receiver-based congestion detection, open-loop hop-by-hop backpressure), và việc kiểm soát các tắc nghẽn trên diện rộng (closed-loop multi-source regulation)

2.2.3.1 Các ví dụ

a) Ví dụ 1

Với cơ chế điều hòa tắc nghẽn được minh họa trong hình 2.7 Một nút cảm biến sự kiện truyền tải một gói tin thông qua vùng bị tắc nghẽn Khi tắc nghẽn hay quá tải được nhận biết bởi một trong các nút bên trong vùng tắc nghẽn, (hình 2.7(a)), đầu thu phát đi một tín hiệu triệt nhiễu tới nút nguồn trên đường dẫn ngược chiều như minh họa trên hình 2.7 (b) Tín hiệu triệt nhiễu được sử dụng để thông báo cho các nút phía trên dòng tin về sự tắc nghẽn

Khi nhận được tín hiệu, các nút dòng lên giảm tần số phát hay thả trôi các gói tin để làm giảm sự tắc nghẽn ở nút trong đường dẫn tiếp theo Hơn nữa, tín hiệu triệt nhiễu được phát trở lại cho đến khi một nút mạng không bị tắc nghẽn nhận được tín hiệu như minh họa trên hình 2.7(b) Loại kiểm soát tắc nghẽn này được gọi là áp lực đẩy sau từng bước theo vòng mở Trong khi tín hiệu triệt nhiễu có khả năng không thể tới được với các nút nguồn,

nó có chức năng làm giảm sự tắc nghẽn trên những điểm nóng Thêm vào đó, như trên hình 2.7 (c), việc sử dụng các kỹ thuật con đường đan chéo, đường dẫn tiếp theo có thể được định hướng lại để tránh những điểm nóng đó

Hình 2.7: Cơ chế Open-loop hop-by-hop backpressure của CODA

Ngoài sự tắc nghẽn cục bộ có thể xảy ra như một kết quả của động lực trong mạng, dòng thông tin được tạo ra bởi các nút nguồn có thể gây nên tắc nghẽn toàn mạng Cụ thể hơn, nếu một nút nguồn đưa vào một lượng tin nhiều hơn so với khả năng tải của mạng, cơ chế tắc nghẽn cục bộ không thể làm giảm đi tắc nghẽn Trong trường hợp này, CODA sử dụng cơ chế đa nguồn khép kín (xem hình 2.8)

Hình 2.8: Cơ chế closed-loop multi-source regulation

Cơ chế này tương tự như sự kiểm soát tắc nghẽn end-to-end Mỗi nút nguồn giám sát tỉ

lệ nguồn, r Nếu tần suất nguồn vượt quá ngưỡng cho phép, r ≥ vSmax, là một phần của lưu lượng tối đa về lý thuyết của một kênh mạng, nút nguồn sẽ đi vào kiểm soát khép kín Trong trường hợp này, một bit điều tiết sẽ được đặt ra ở đầu gói tin để thông báo cho sink

Kết quả là, sink bắt đầu gửi các tín hiệu ACK từng hồi với mỗi số n các gói tin nhân được

Nếu nguồn không nhận được tín hiệu ACK, nó sẽ quyết định tắc nghẽn toàn mạng và giảm tần suất nguồn

2.2.3.2 Đánh giá chất lượng

Việc nhận diện tắc nghẽn trong một mạng WSN là cần thiết cho việc kiểm soát tắc nghẽn chính xác CODA sử dụng một sự kết hợp giữa mức thời gian đệm và điều kiện tải của kênh mạng để tạo ra khả năng nhận biết tắc nghẽn hiệu quả nhất Tương tự, CODA nhận diện được cả tắc nghẽn end-to-end và tắc nghẽn cục bộ trong các mạng WSN Kết quả là, một cơ chế kiểm soát tắc nghẽn được cung cấp cho các dòng tin dòng xuống CODA có thể làm gia tăng khả năng làm việc của mạng bằng cách phòng tránh tắc nghẽn Tuy nhiên, giao thức CODA không nhận diện được độ tin cậy Quá trình vận hành

của CODA cho thấy rằng sự kiểm soát tắc nghẽn ở các nút cảm biến không xét đến độ tin cậy đã phá hỏng khả năng tin cậy của truyền tin end-to-end [6] CODA chỉ đưa ra cách tránh tắc nghẽn và không cung cấp một hoạt động tin cậy Do đó, nó cần được kết hợp với một cơ chế tin cậy Vì vậy, cơ chế vận hành đa nguồn khép kín phải gánh chịu thời gian chờ thêm vào trong các trường hợp dòng lưu lượng cao

2.2.4 Giao thức ESRT

Giao thức truyền tải tin cậy sự kiện đến sink ESRT đối lập với lớp giao thức truyền tải được phát triển dựa trên tính tin cậy end-to-end, giao thức ESRT dựa trên tính tin cậy sự kiện đến sink và cung cấp sự nhận biết các sự kiện tin cậy mà không cần bộ nhớ đệm tức thời ESRT nhắm tới việc nhận biết cả tính tin cậy và sự tắc nghẽn ở mạng WSN Đặc điểm chính của sự truyền tải thông tin trong mạng WSN là mô hình truyền tải dựa trên dữ liệu

Cụ thể hơn, với người dùng, thông tin thu thập từ nhiều cảm biến có liên quan tới sự kiện thì quan trọng hơn rất nhiều so với thông tin độc lập được gửi đi từ mỗi nút Kết quả là, khái niệm về dòng tin, được định nghĩa là tín hiệu được gửi đi từ một nguồn tới một đích đến nhất định, không còn phù hợp nữa Thay vào đó một dòng tin từ sự kiện tới sink tồn tại, đó chính là một chuỗi các dòng tình từ một nhóm các cảm biến được đi kèm với một

sự kiện đơn lẻ ESRT hướng tới việc cung cấp tính tin cậy của dòng tin sự kiện thông qua

cơ chế kiểm soát tắc nghẽn Hơn nữa, các thuật toán của ESRT chạy chủ yếu trên sink, với chức năng được yêu cầu về việc kiềm chế tài nguyên nút cảm biến là nhỏ nhất Nó chủ yếu khai thác vào sự thật hiển nhiên là số lượng gốc của dòng tin được tạo lập bởi các nút cảm biến tới sink là tương quan nhờ mối liên hệ thời gian và không gian giữa những chỉ số cảm biến đơn lẻ

Bảng 2.1 - Vùng hoạt động của mạng dựa trên mức tắc nghẽn và mức tin cậy

(NC, LR) f < fmax và n>1 + є Không tắc nghẽn, độ tin cậy thấp (NC, HR) f ≤ fmax và n<1 – є Không tắc nghẽn, độ tin cậy cao

(C, HR) f > fmax và n<1 Có tắc nghẽn, độ tin cậy cao (C, LR) f > fmax và n ≥ 1 Có tắc nghẽn, độ tin cậy thấp OOR f < fmax và 1 – є ≤ n ≤1 + є Vùng hoạt động tối ưu

ESRT dựa vào sink để đo lường tính tin cậy của mạng WSN mỗi đơn vị thời gian T, cũng được gọi là khoảng nghỉ quyết định Tính tin cậy được đo dựa trên chỉ số gói dữ liệu

từ tất cả các nút cảm biến gắn liền với sự kiện Kết quả là, những định nghĩa như sau được

Theo đó, ESRT hướng tới việc định hình chỉ số báo cáo, f, của các nút nguồn để đạt

được tính tin cậy nhận diện sự kiện cần có, R tại sink với lượng dùng tài nguyên ít nhất

2.2.4.1 Các ví dụ

a) Ví dụ 1

Trong hình 2.9, khả năng tin cậy của một mạng WSN như một chức năng của chỉ số báo cáo f, của các nút cảm biến được minh họa Có thể quan sát thấy khả năng tin cậy r cho thấy sự gia tăng tuyến tính với chỉ số báo cáo nguồn, f cho tới khi f = fmax, vượt ra khỏi giới hạn tin cậy Điều này bởi vì mạng không thể xử lý sự đưa vào các gói dữ liệu ngày càng tăng cao và gói dữ liệu bị thả rơi vì nghẽn mạng Hơn nữa, với những chỉ số báo cáo cao hơn, f > fmax, khả năng làm việc thường thất thường và không trơn tru, và tính tính tin cậy bị giảm sút xuống dưới giá trị tin cậy nhỏ nhất tại f = fmax Mối quan hệ giữa tắc nghẽn mạng và tính tin cậy trong mạng WSN có thể thấy rõ tại hình 2.9 Theo đó, ESRT hướng tới việc kiểm soát tắc nghẽn để cung cấp chuyển tin sự sự kiện tin cậy bằng cách xác định

5 khu vực hoạt động như hình 2.9 Các vùng vận hành mạng dựa trên tắc nghẽn và tính tin cậy được đưa ra ở bảng 1

Để kiểm soát tắc nghẽn trong mạng, sink cần quyết định vùng vận hành của mạng Vùng này phụ thuộc vào hai yếu tố: liệu tắc nghẽn có tồn tại trong mạng hay không và liệu

tính tin cậy có được đảm bảo hay không Vì vậy, hai cơ chế được yêu cầu để ước lượng tắc nghẽn và tính tin cậy của mạng Trong mỗi khoảng nghỉ quyết định, τ, sink quyết định liệu mạng có đang vận hành theo vùng tin cậy cao hay thấp nhờ vào số các gói tin nhận được trong khoảng nghỉ đó Hơn nữa, một thuật toán nhận biết tắc nghẽn sẽ được vận hành trong vùng vận hành của mạng Theo vùng vận hành đó, sink kiểm soát tần suất báo cáo của các nút cảm biến để vận hành tại vùng vận hành tối ưu [15]

Hình 2.9: Mối liên hệ giữa độ tin cậy và tốc độ báo cáo và định nghĩa vùng hoạt

động của ESRT

Theo đó, xem hình 2.10, cho bk và bk-1 là các mức tối đa đệm ở phần cuối của thứ k và (k-1) lần báo cáo khoảng tương ứng và B là kích thước bộ đệm Sau đó, Δb là độ dài đệm quan sát tại cuối của khoảng báo cáo gần nhất, tức là, Δb = bk– bk-1 Do đó, nếu tổng các mức bộ đệm hiện tại tại cuối khoảng thời gian báo cáo thứ k và chiều dài đệm tăng vượt

quá kích thước bộ nhớ đệm, tức là b0+ Δb > B, các nút cảm biến cho rằng nó sẽ kiểm tra tắc nghẽn trong khoảng thời gian báo cáo tiếp theo Nếu một nút cảm biến phát hiện tắc nghẽn trong mạng, nó thông báo cho sink bằng cách sao lưu các gói tin được gửi đi Điều này được thông báo cho sink các điều kiện tắc nghẽn sắp tới có thể được kiểm tra vào lần báo cáo tiếp theo

Hình 2.10: Phân tích chiếm dụng bộ đệm trong ESRT

Các trạng thái của mạng được xác định tại mỗi khoảng thời gian quyết định thông qua việc đo lường độ tin cậy và thông báo tình trạng tắc nghẽn Theo đó, các sink cập nhật báo cáo của các nút cảm biến bằng cách phát một gói tin đến mỗi nút cảm biến Biểu thị tỉ lệ

báo cáo ở khoảng quyết định i là f i và mức độ tin cậy là η i , sink cập nhật tỉ lệ báo cáo, f i+1 , tại khoảng tiếp theo như sau: nếu mạng trong vùng (NC, LR) (No Congestion, Low Reliability), tỉ lệ báo cáo cần tăng để đạt được mức tin cậy cao hơn tại sink Do đó, tỉ lệ

báo cáo tích cực tăng f i+1 = f i / η i Trong vùng (NC, HR) (No Congestion, High Reliability), mạng đạt mức tin cậy yêu cầu và tài nguyên mạng có thể tiết kiệm bằng cách giảm tỉ lệ báo

cáo như OOR đạt được Trong trường hợp này, tỉ lệ báo cáo giảm f i+1 = f i /2 (1 + 1/η i ) để

bảo toàn năng lượng Trong vùng (C,HR) (Congestion, High Reliability), mạng bị tắc

nghẽn và tỉ lệ báo cáo cần giảm để giảm ùn tắc và cải thiện hiệu quả năng lượng Kết quả

là, một cách giảm bội được sử dụng của tỉ lệ báo cáo là f i+1 = f i / η i Cuối cùng, trong vùng (C, LR) (Congestion, Low Reliability), tỉ lệ báo cáo được giảm theo cấp số nhân để cải

thiện độ tin cậy và giảm tắc nghẽn trong mạng như f i+1 = f i ηi/k Nếu đạt được điểm hoạt động lý tưởng, tỉ lệ báo cáo sẽ luôn giữ ổn định

2.2.4.2 Đánh giá chất lượng

ESRT đưa ra một định nghĩa độ tin cậy mới được gọi là tính tin cậy sự kiện tới sink Định nghĩa này là cần thiết đối với truyền tải tin cậy của các sự kiện trong mạng WSN Dựa vào những định nghĩa này, ESRT đã đưa ra một lịch trình truyền tải tin cậy mới dành cho WSN Thêm nữa, các cơ chế kiểm soát tắc nghẽn hiệu quả được cung cấp bằng cách chuyển đổi cơ chế quyếtđịnh tới nút sink giàu năng lượng ESRT có một bộ phận kiểm soát tắc nghẽn phục vụ hai mục đích là đạt được mức tin cậy và tiết kiệm năng lượng Các thuật toán của ESRT chạy chủ yếu trên sink và yêu cầu chức năng nhỏ nhất tại nút cảm biến có tài nguyên hạn chế

Mục tiêu đầu tiên của ESRT là định hình mạng sát nhất có thể so với điểm vận hành tối

ưu, khi tính tin cậy cần có đã đạt được với năng lượng dung tối thiểu và không bị nghẽn mạng Thông qua các cơ chế được cập nhật phân phối, ESRT đồng quy về trạng thái vận hành tối ưu không kể tới trạng thái khởi đầu của mạng ESRT dựa vào sự giả định rằng điểm mốc chỉ cách các nút cảm biến một bước, như là một sink phát tín hiệu để cập nhật tần số sẽ được tiếp nhận bởi tất cả các nút cảm biến Mặc dù sự giả định này có thể đúng với một số ứng dụng, khi kích cỡ của mạng lớn dần, các chiến lược nhiều bước nhảy sẽ được yêu cầu để truyền thông tin từ sink tới cảm biến Bên cạnh đó, ESRT duy trì giá trị bền vững khi vận hành tần số f, ở điểm cuối của mỗi khoảng nghỉ quyết định với mỗi nút cảm biến Trong trường hợp một nhóm lớn những cảm biến có thông tin về sự kiện, tần suất vận hành sẽ không còn như cũ đối với tất cảcác cảm biến vì những tương tác cục bộ của chúng trong mạng Định nghĩa tính tin cậy từ sự kiện tới sink áp dụng cho những trường hợp mà thông tin ở mỗi cảm biến tương quan Do đó, ESRT không thể áp dụng cho những ứng dụng nơi thông tin cảm biến đơn lẻ là cần thiết

2.2.5 Giao thức GARUDA

Khi dữ liệu trôi trong đường dẫn về phía trước mang theo các sự kiện tương quan đã được nhận diện, dòng tin ở chiều ngược tại thường chứa dữ liệu được chuyển tiếp bởi sink với các mục đích vận hành hoặc ứng dụng cụ thể Điều này có thể bao gồm hệ điều hành nhị phân, lập trình/tái nhiệm các file định hình, truy vấn và ra lệnh ứng dụng cụ thể Sự khuếch tán các loại dữ liệu trên hầu như đều cần tới 100% truyền tải tin cậy Vì thế, sự tiếp cận tính tin cậy từ sự kiện tới sink, thích hợp với giao tiếp từ cảm biến tới sink, sẽ không còn thích hợp với việc nhận diện các yêu cầu tin cậy cao hơn của dòng tin trong chiều ngược lại Một yêu cầu cao như vậy về tính tin cậy của giao tiếp từ sink tới cảm biến bao gồm một mức độ nhất định sự truyền lại cũng như thừa nhận các cơ chế Tuy nhiên, những

cơ chế này nên được sát nhập với các giao thức lớp truyền tải một cách thận trọng để không hoàn toàn thỏa mãn với tài nguyên nghèo nàn của cảm biến không dây Với quan điểm này, tái truyền tải cục bộ và những sự thừa nhận tiêu cực khác sẽ được ưu tiên hơn là tái truyền tải end-to-end và các thừa nhận khác để duy trì hao phí năng lượng tối thiểu Mặt khác, sink có vai trò nhiều hơn trong quá trình truyền tải dữ liệu từ sink tới cảm biến trên đường dẫn ngược chiều Do vậy, sink, với đầy đủ năng lượng và tài nguyên kết nối, có thể phát ra

dữ liệu với các anten hiệu quả Kết quả là, lưu lượng tin được chuyển đến cấu trúc hạ tầng

đa bước nhảy WSN có thể được giảm đi và giúp các nút cảm biến bảo tồn năng lượng Do

đó, dữ liệu đi từ đường dẫn ngược sẽ trải qua ít tắc nghẽn so với đường cùng chiều Vì thế, tính tin cậy là rất quan trọng trên đường dẫn ngược nếu so sánh với cơ chế kiểm soát tắc nghẽn tích cực Đường dẫn ngược bao gồm dòng tin đa bước nhảy và one-to-many, tương

tự như các mạng không dây khác Có thể tồn tại nhiều lịch trình lớp truyền tải mà nhận nhận diện truyền tải tin cậy và kiểm soát tắc nghẽn trong trường hợp bộ phận gửi đơn và

đa bộ phận nhận [13] Mặc dù cấu trúc kết nối của đường dẫn ngược là một ví dụ của quá trình đổi kiểu đa nhiệm, những lịch trình này không hoàn toàn có khả năng đứng một mình như các giải pháp có thể ứng dụng được; mà chúng cần những sự điều chỉnh/cải thiện rõ rệt để đạt được yêu cầu đặc biệt của mô hình WSN Tiếp theo, chúng ta sẽ miêu tả giao