NGHIÊN CỨU ĐỊNH TUYẾN ĐƠN PHÁT DỰA TRÊN THÔNG TIN VỊ TRÍ CHO MẠNG CẢM BIỂN KHÔNG DÂY

Qua mô phỏng, đánh giá định tuyến khôi phục trên đồ thị phẳng RNG và GG, nhóm tác giả đã thấy được định tuyến khôi phục trên đồ thị RNG cho kết quả tốt hơn xét về tỉ lệ phân phối gói tin

NGHIÊN CỨU ĐỊNH TUYẾN ĐƠN PHÁT DỰA TRÊN THÔNG TIN VỊ TRÍ CHO MẠNG CẢM BIỂN KHÔNG DÂY

Vũ Văn Diện * , Nguyễn Thị Hiền

Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Định tuyến dựa trên thông tin vị trí đã thay thế định tuyến dựa trên topo trong mạng cảm biến không dây Kỹ thuật chuyển tiếp tham lam đã được sử dụng rất hiệu quả để chuyển tiếp gói tin từ nguồn đến đích Tuy nhiên, kiểu chuyển tiếp này có nhược điểm là dễ gặp thất bại khi gặp vùng trống Khi đó, nó sẽ sử dụng định tuyến khôi phục trên đồ thị phẳng để đưa gói tin qua vùng trống Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng hai đồ thị phẳng là RNG (Relative Neighbor Graph) và GG (Gabriel Graph) trong định tuyến khôi phục Qua mô phỏng, đánh giá định tuyến khôi phục trên đồ thị phẳng RNG và GG, nhóm tác giả đã thấy được định tuyến khôi phục trên đồ thị RNG cho kết quả tốt hơn xét về tỉ lệ phân phối gói tin thành công từ nguồn đến đích, chi phí giao thức định tuyến được sử dụng

Từ khóa: Mạng cảm biến không dây, định tuyến, chuyển tiếp, khôi phục, đồ thị phẳng

GIỚI THIỆU*

Các phương pháp định tuyến dựa trên topo

yêu cầu các nút này phải lưu trữ nhiều thông

tin về các đường định tuyến Yêu cầu này

vượt ngoài khả năng đáp ứng của các nút cảm

biến Ngoài ra, định tuyến dựa trên topo sử

dụng nhiều gói tin điều khiển để tìm và duy

trì các đường định tuyến Ngoài tác động làm

giảm băng thông sẵn có cho dữ liệu, nhiều gói

tin điều khiển tiêu hao nhiều điện năng của

các nút và hệ quả là làm giảm tuổi thọ của các

nút Với đặc điểm như phân tích ở trên, định

tuyến dựa trên topo hầu như không áp dụng

cho mạng cảm biến

Trong những năm gần đây, một cách tiếp cận

hoàn toàn khác cho vấn đề định tuyến cho

mạng cảm biến không dây là sử dụng thông

tin về vị trí của các nút làm thông tin dẫn

đường Tiếp cận mới này có tên là định tuyến

dựa trên thông tin vị trí Định tuyến này giả

thiết mỗi nút biết về vị trí của nó bằng việc sử

dụng hệ thống định vị như GPS Ngoài ra,

định tuyến cần sử dụng một dịch vụ khác,

được gọi là dịch vụ thông tin vị trí, để xác

định vị trí của nút đích Trước khi thực hiện

giao thức định tuyến, nút nguồn xác định vị

trí của nút đích thông qua việc gọi dịch vụ

*

Tel: 0977 680685, Email: vvdien@ictu.edu.vn

thông tin vị trí Sau đó, thông tin về vị trí của nút đích được gắn vào mỗi gói tin cần chuyển

đi và được sử dụng làm thông tin dẫn đường Trong định tuyến dựa trên thông tin vị trí, chuyển tiếp tham lam thường được sử dụng vì tính đơn giản và hiệu qủa của nó Tuy nhiên, dạng chuyển tiếp này lại gặp thất bại khi xuất hiện vùng trống Khi đó, kỹ thuật khôi phục

sẽ được sử dụng để đưa gói tin thoát khỏi vùng trống sử dụng đồ thị phẳng Hai đồ thị phẳng được sử dụng ở đây là đồ thị RNG và

GG, qua mô phỏng sẽ đánh giá được định tuyến trên đồ thị phẳng nào là tốt hơn

Phần II của bài báo trình bày tổng quan về định tuyến dựa trên thông tin vị trí Phần III trình bày về các kỹ thuật chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí Định tuyến khôi phục trên đồ thị phẳng được trình bày trong phần IV Phần

V là kết quả mộ phỏng và đánh giá Phần VI

là kết luận

ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN THÔNG TIN

VỊ TRÍ Định tuyến dựa trên thông tin vị trí sử dụng kết hợp chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí

và kỹ thuật khôi phục để định tuyến gói tin Chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí là kỹ thuật chuyển gói tin từ nút này đến nút khác gần đích hơn Độ gần đích của một nút có thể

đo bằng khoảng cách từ nút đó đến nút đích

Nút không có láng giềng gần đích hơn được

gọi là cực tiểu địa phương (local minima) Để

mỗi nút nhận được gói tin biết nên sử dụng

chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí hay kỹ

thuật khôi phục cho gói tin nhận được, thông

tin chỉ dẫn được ghi trong tiêu đề của gói tin

và được gọi là chế độ (mode) định tuyến của

gói tin Nút nguồn thiết lập chế độ tham lam,

hay chế độ sử dụng chuyển tiếp dựa trên

thông tin vị trí, cho gói tin Khi nhận được gói

tin ở chế độ tham lam, nút không có láng

giềng gần đích hơn nó sẽ thay đổi gói tin sang

chế độ khôi phục, hay chế độ sử dụng kỹ

thuật khôi phục, đồng thời ghi thông tin về vị

trí của nó vào tiêu đề gói tin ở trường nút

không có láng giềng gần đích hơn gặp cuối

cùng Khi nhận được gói tin ở chế độ khôi

phục, nút gần đích hơn cực tiểu địa phương

gặp cuối cùng khôi phục gói tin về chế độ

tham lam Ở những tình huống còn lại, nút

nhận được gói tin không thay đổi chế độ định

tuyến của gói tin và chỉ chuyển tiếp gói tin

bằng việc áp dụng chuyển tiếp dựa trên thông

tin vị trí hay kỹ thuật khôi phục tùy theo chế

độ định tuyến hiện tại của gói tin Hành vi của

các nút trong định tuyến dựa trên thông tin vị

trí được mô tả trong Bảng 1

Các kỹ thuật chuyển tiếp dựa trên thông tin vị

trí sẽ được trình bày trong phần tiếp theo

BẢNG 1 HÀNH VI CỦA MỖI NÚT CẢM

BIẾN TRONG ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN

THÔNG TIN VỊ TRÍ

-

PROCEDURE Xử_lý_gói_tin

1: Nếu x là nút đích của gói tin,

1.1: Chuyển gói tin lên tầng trên (giao vận)

2: Ngược lại, tôi không phải là nút đích của

gói tin,

2.1: Nếu gói tin đang ở chế độ tham lam,

2.1.1: Sử dụng chuyển tiếp dựa trên thông

tin vị trí (GF) để chuyển gói tin

2.1.1.1: Nếu chọn được láng giềng để

chuyển gói tin theo GF, chuyển gói tin cho

láng giềng được chọn

2.1.1.2: Nếu không chọn được láng giềng để

chuyển gói tin theo GF, thì:

Đặt gói tin về chế độ khôi phục và

áp dụng kỹ thuật khôi phục để chuyển gói tin

Nếu áp dụng kỹ thuật khôi phục không thành

công thì loại bỏ gói tin

2.2: Ngược lại, gói tin đang ở chế độ khôi phục,

2.2.1: Nếu có thể đưa gói tin về chế độ tham lam,

thì chuyển gói tin về chế độ tham lam rồi

quay lại bước 2.1.1

2.2.2: Ngược lại, không thể đưa gói tin về chế độ tham lam, áp dụng kỹ thuật khôi phục

để chuyển gói tin Nếu áp dụng kỹ thuật khôi phục không thành công thì loại bỏ gói tin - CHUYỂN TIẾP DỰA TRÊN THÔNG TIN

VỊ TRÍ

Chuyển tiếp theo khoảng cách/tham lam

Kỹ thuật chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí được sử dụng rộng rãi nhất, vì tính đơn giản của nó, kỹ thuật này là chuyển tiếp tham lam (greedy forwarding) hay chuyển tiếp theo khoảng cách [1] Trong chuyển tiếp này, khoảng cách đến đích được sử dụng làm

độ đo khi lựa chọn nút kế tiếp Cụ thể, nút hiện tại chọn láng giềng gần đích nhất và gần đích hơn nó làm nút kế tiếp Rất nhiều giao thức được đề xuất sử dụng chuyển tiếp tham lam [2, 3, 4] Chuyển tiếp tham lam

có ưu điểm là đơn giản, hiệu quả và không tạo vòng lặp định tuyến nhưng có yếu điểm là

dễ thất bại khi gặp các vùng trống [9], do nút hết năng lượng, thiên tai, lũ lụt, Nếu chuyển tiếp tham lam được sử dụng thành công bởi tất cả các nút trên đường định tuyến từ nguồn đến đích, đường định tuyến sẽ gần với đường tối ưu

Hình 1 Ví dụ về chuyển tiếp tham lam, y là nút

láng giềng gần nút đích D nhất

Hình 2 Chuyển tiếp tham lam bị lỗi, khi không có

láng giềng nào của x gần D hơn nó

Chuyển tiếp theo góc

Chuyển tiếp theo góc (compass forwarding)

[5, 6, 7] cũng yêu cầu thông tin vị trí của

các láng giềng và nút đích như chuyển

tiếp tham lam nhưng sử dụng góc được

tạo bởi hai véctơ, một từ nút hiện tại đến

đích và một từ nút hiện tại đến láng giềng,

làm độ đo Láng giềng có góc bé nhất sẽ được

chọn làm nút kế tiếp So với chuyển tiếp tham

lam, chuyển tiếp theo góc ít thất bại do cực

tiểu địa phương nhưng có thể tạo ra vòng lặp

định tuyến Sự khác biệt này có được do

chuyển tiếp theo góc không ràng buộc nút

kế tiếp phải gần đích hơn Chuyển tiếp

theo góc chỉ thất bại khi nút hiện tại không

có láng giềng nào Khi nút hiện tại không có

láng giềng gần đích hơn, gói tin được tạm

thời đẩy xa đích Sau đó, khi gói tin được

chuyển tiếp gần đích hơn, vòng lặp định tuyến

có thể được tạo ra

Chuyển tiếp theo bước tiến

Chuyển tiếp theo bước tiến (progress

forwarding) [8] sử dụng độ đo là độ dài hình

chiếu của đoạn thẳng nối nút hiện tại đến láng giềng lên đường thẳng đi qua nút hiện tại và nút đích Láng giềng gần đích hơn và có độ

đo lớn nhất được chọn làm nút kế tiếp

Hình 3 Ví dụ về chuyển tiếp theo góc, gói tin từ v

được chuyển đến u

ĐỊNH TUYẾN KHÔI PHỤC TRÊN ĐỒ THỊ PHẲNG

Định tuyến khôi phục

Chuyển tiếp tham lam thường hay được sử dụng để đưa gói tin từ nguồn đến đích Tuy nhiên, khi xuất hiện vùng trống (rất hay xuất hiện trong mạng cảm biến) thì kiểu chuyển tiếp này hay gặp thất bại khi không có nút láng giềng nào gần đích hơn nút hiện tại Trong trường hợp như vậy, ta sẽ sử dụng định tuyến khôi phục để đưa gói tin thoát khỏi vùng trống dựa trên đồ thị phẳng sử dụng quy tắc bàn tay phải

Hình 4: Quy tắc bàn tay phải, x nhận gói tin từ y,

và chuyển tiếp nó đến nút láng giềng đầu tiên theo

ngược chiều kim đồng hồ, z

Nếu gói tin đến được một nút mà nó gần đích hơn nút cực tiểu địa phương thì sẽ khôi phục chế độ chuyển tiếp tham lam từ nút này Ngược lại, gói tin vẫn sẽ được chuyển tiếp theo quy tắc bàn tay phải trên đồ thị phẳng

Các đồ thị phẳng

Một đồ thị mà không có hai cạnh giao nhau được gọi là đồ thị phẳng Một tập các nút với

sóng vô tuyến, ở đó các phạm vi sóng vô

tuyến là giống nhau (là r), có thể xem như là

một đồ thị: mỗi nút là một đỉnh, và cạnh (n;

m) tồn tại giữa các nút n và m nếu khoảng

cách giữa n và m, d ( n , m )  r

Đồ thị RNG (Relative Neighbor Graph) và

GG (Gabriel Graph) [4] là hai đồ thị phẳng đã

được biết đến từ lâu

Đồ thị RNG được định nghĩa như sau:

Cho một tập các đỉnh, cạnh (u, v) tồn tại giữa

đỉnh u và v nếu khoảng cách giữa chúng nhỏ

hơn hoặc bằng khoảng cách giữa một điểm w

bất kỳ (khác u, v) đến u hoặc đến v:

 ( , ), ( , ) 

max ) , (

:

u



Hình 5 Cạnh uv là cạnh của RNG khi giao 2

đường tròn tâm u và v phải không chứa w

Quá trình xây dựng đồ thị RNG từ đồ thị chưa

phải là RNG thực hiện bằng cách loại bỏ các

cạnh như sau:

For tất cả đỉnh v thuộc tập láng giềng N do

For tất cả đỉnh w thuộc N do

if w = = v then continue

else if d(u,v) > max[d(u,w), d(v,w)]

then

loại bỏ cạnh (u,v)

break

endif

end for

end for

Đồ thị GG được định nghĩa như sau:

Một cạnh (u, v) tồn tại giữa u và v nếu không

có đỉnh w nào khác trong vòng tròn nhận uv

làm đường kính Ta có công thức sau:

  u w d   v w d

v u d

v

u

w  , : 2( , )  2 ,  2 ,



Hình 6: Cạnh uv thuộc GG khi đường tròn đường

kính uv phải không chứa w

Quá trình xây dựng đồ thị GG từ đồ thị chưa phải là GG thực hiện bằng cách loại bỏ các cạnh như sau:

m = trung điểm của uv

for tất cả đỉnh v thuộc tập các láng giềng N

do for tất cả w thuộc N do

if w = = v then continue else if d(m,w) < d(u, m) then

loại bỏ cạnh (u, v)

end if end for end for

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ

Môi trường mô phỏng

Nhóm tác giả mô phỏng định tuyến khôi phục trên đồ thị phẳng RNG và GG sử dụng phần mềm mô phỏng ns-2 Giao thức định tuyến

sử dụng là GPSR [4] Môi trường mô phỏng được thực hiện với 100 nút mạng trên vùng

1000 x 500

Tỉ lệ phân phối gói tin thành công

Tỉ lệ phân phối gói tin thành công được xác định bằng tỉ số giữa số gói tin nhận được chia cho số gói tin gửi đi

Kết quả mô phỏng được chỉ ra như trong hình

7 sau:

Hình 7: Tỉ lệ phân phối gói tin thành công

Khi định khôi phục sử dụng đồ thị RNG cho

tỉ lệ phân phối gói tin thành công cao hơn so

với đồ thị GG

Chi phí định tuyến

Hình 8 chỉ ra chi phí của giao thức định

tuyến, được đo bằng số gói tin được gửi đi

trên toàn mạng

Hình 8: Chi phí giao thức định tuyến

Khi định tuyến khôi phục sử dụng đồ thị

RNG sẽ có chi phí giảm đi so với việc sử

dụng đồ thị GG

KẾT LUẬN

Báo cáo đã trình bày về định tuyến khôi

phục dựa trên đồ thị phẳng trong định tuyến

dựa trên thông tin vị trí Qua mô phỏng, đánh

giá ta thấy được được rằng định tuyến khôi

phục trên đồ thị RNG giảm thiểu được chi

phí so với GG mà lại cho tỉ lệ phân phối gói

tin thành công tốt hơn GG, làm cơ sở để lựa

chọn đồ thị phẳng khi định tuyến khôi phục

đưa gói tin thoát khỏi vùng trống và cùng với

chuyển tiếp tham lam đưa gói tin đến đích

thành công

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 G G Finn, “Routing and addressing problems in large metropolitan-scale internetwork,” Tech Rep ISI/RR-87-180,Information Sciences Institute, Mar 1987

2 P Bose, P Morin, I Stojmenovic, and J Urrutia, “Routing with guaranteed delivery in

ad hoc wireless networks,” Wireless Networks, 7(6):609-616, 2001

3 Q Fang, J Gao, and L Guibas, “Locating and bypassing routing holes in sensor networks,” Mobile Networks and Applications, 11(2): 187-

200, April 2006

4 B Karp and H.T Kung, “GPSR: Greedy perimeter stateless routing for wireless sensor networks,” Proc of Mobicom, pp 243-254, 2000

5 P Bose, P Morin, “Online routing in triangulations,” Proc of 10th International Symposium on Algorithms and Computation, pp 113-122, 1999

6 P Bose, A Brodnik, S Carlsson, E D Demaine, R Fleischer, A Lopez-Ortiz, P Morin, J I Munro, “Online routing in convex subdivisions,” International Symposium on Algorithms and Computation, pp 47-59, 2000

7 E Kranakis, H Singh, and J Urrutia,

“Compass routing on geometric networks,” Proc of the 11th Canadian Conference on Computational Geometry, pp 51-54, 1989

8 I Stojmenovic, X Lin, “Loop-free hybrid single-path/flooding routing algorithms with guaranteed delivery for wireless networks,” IEEE Trans on Parallel and Distributed Systems, vol

12, pp 1023-1032, Oct 2001

9 B Karp, “Challenges in geographic routing: Sparse networks, obstacles, and traffic provisioning,” DIMACS Workshop on Pervasive Networking, Piscataway, NJ, May 2001.

SUMMARY

RECOVERY ROUTING BASED ON PLANAR GRAPH IN GEOGRAPHIC

ROUTING FOR WIRELESS SENSOR NETWORK

Vu Van Dien * , Nguyen Thi Hien

College of Information and Communication Technology - TNU

Routing based on location information have alternatived the routing based on topology in wireless sensor networks Greedy forwarding technique has been used very effectively to forward packets from source to destination However, the drawback of this type of forwading is easy to fail to meet holes As such, it will use recovery routing on planar graphs to put packets through the holes In this paper, we use two planar graph, RNG (Relative Neighbor Graph) and GG (Gabriel Graph) in the recovery routing Through simulation, evaluating about recovery routing on planar graphs RNG and GG, we saw the recovery routing on graph RNG for better results in terms of the percentage distribution of packets from source to destination successfully, cost of routing protocol used

Key: Wireless sensor network, routing, forwarding, recovery, planar grap h

Ngày nhận bài:31/10/2014; Ngày phản biện:28/11/2014; Ngày duyệt đăng: 31/5/2015

Phản biện khoa học: TS Đào Huy Du – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN

*

Tel: 0977 680685, Email: vvdien@ictu.edu.vn