Chương 1 đã được công bố trong Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin và truyền thông (JSTIC) 2016 [J1]. 8 cảm biến cần chuyển tiếp thông tin cảm biến về các sự kiện tới điểm tập hợp dữ liệu (sink). Mỗi sự kiện sẽ có yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ như độ trễ, tốc độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …[12], [90].1 mô tả một mạng cảm biến không dây đa sự kiện. Các nút cảm biến nằm rải rác trong trường cảm biến và thường gồm một hoặc vài thiết bị cảm biến đơn giản, nhỏ gọn, giá thành rẻ… tạo nên sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý và chuyển tiếp thông tin qua hạ tầng không dây về điểm tập hợp dữ liệu (sink) và từ đó chuyển tiếp tới người sử dụng cuối.
Dữ liệu được định tuyến về sink thông qua con đường trực tiếp hoặc qua đa chặng. Sink có thể truyền thông với nút quản lý nhiệm vụ qua vệ tinh hoặc Internet.1 Nút mạng Công nghệ điện tử siêu nhỏ (MEMS – Micro ElectroMechanical System) hỗ trợ sản xuất cảm biến dưới dạng vi cơ điện tử có kích thước từ vài micromet tới vài milimet [157]. Hệ thống định Bộ quản lý di vị động Khối cảm biến Khối xử lý Khối truyền thông Cảm Bộ xử lý Thiết bị biến ADC Bộ lưu trữ thu phát Bộ phận Khối nguồn phát điện Hình 1.2: Thành phần của một nút cảm biến [15] Một nút mạng cảm biến thường có bốn khối [15]: (1) khối cảm biến dùng để cảm nhận sự thay đổi từ môi trường bên ngoài và chuyển thành tín hiệu điện về khối xử lý, (2) khối xử lý có dung lượng nhỏ để quản lý dữ liệu thu được, (3) khối truyền thông là một bộ thu phát vô tuyến được sử dụng để trao đổi thông tin giữa các nút và (4) khối nguồn để cung cấp năng lượng cho các khối còn lại; ngoài ra còn tùy 9 vào ứng dụng cụ thể mà nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống định vị, bộ phận phát điện và bộ quản lý di động (Hình 1. Khối truyền thông (thu phát) trên nút cảm biến là khối tiêu thụ nhiều năng lượng nhất, vì thế rất nhiều nghiên cứu tập trung vào khối này để tiết kiệm năng lượng được nhiều hơn.2 Mạng lưới liên kết Với mạng cảm biến nói chung thì liên kết giữa các nút trong mạng có thể là hữu tuyến hoặc vô tuyến.
Điều kiện kết nối không dây ở khắp nơi cho phép việc truyền thông tin trong WSN đến các trạm thu và xử lý và vào Internet dễ dàng hơn rất nhiều và những ứng dụng hiện đại càng hướng tới việc sử dụng kết nối không dây do tính linh hoạt và dễ dàng triển khai. Mạng cảm biến không dây có thể biểu diễn như một đồ thị vô hướng G V , E trong đó V biểu diễn tập các đỉnh (các nút cảm biến và nút sink) và E biểu diễn các cạnh [139]. Giả sử có N nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong một vùng có phạm vi L×L (m2), tồn tại một liên kết E i, j giữa nút i và nút j nếu khoảng cách Euclidean Euclidean i, j không vượt quá bán kính truyền dẫn của nút cảm biến ( d max ). Nút tập hợp /giám sát dữ liệu còn gọi là sink được đặt ở vị trí cố định và không bị giới hạn về năng lượng, nó biết vị trí của mình và vị trí của toàn bộ nút cảm biến.
Với mạng cảm biến hướng theo sự kiện thì khi phát hiện sự kiện, nút cảm biến sẽ gửi thông tin trực tiếp hoặc tự tìm đường gián tiếp về sink thông qua lân cận của nó. Kết nối trong mạng cảm biến thường là kết nối một chiều hướng từ trường cảm biến về sink, song cũng tồn tại các kết nối theo chiều ngược lại khi các nút cảm biến yêu cầu tìm đường hoặc phát quảng bá thông tin. Việc truyền thông từ nút cảm biến về trạm gốc có thể là đơn bước (trực tiếp) hoặc đa bước (gián tiếp). Các nút cảm biến được triển khai dày đặc nên các nút thường ở gần nhau, vì thế truyền thông đa bước trong mạng cảm biến sẽ giúp việc tiêu thụ năng lượng của nút ít hơn so với truyền thông đơn bước [15].3 Mô hình năng lượng Năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây có ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông (thu, phát) và xử lý dữ liệu.
Trong ba thành phần này, năng lượng cho truyền thông là chủ yếu [15]. Trong luận án, năng lượng của nút cho việc thu phát thông tin được xây dựng dựa trên mô hình vô tuyến bậc nhất [58].3, elec là năng lượng cần để phát hoặc thu một bít dữ liệu còn amp là năng lượng để khuếch đại một bit dữ liệu bên phát, d là khoảng cách giữa bên phát và thu.3: Mô tả hình năng lượng thu phát của nút cảm biến [15], [58] Khi đó, năng lượng tiêu thụ để gửi một bản tin có độ dài là S bít tới nút ở khoảng cách d được tính theo công thức sau [58]: Ehop S , d 2 elec S amp S d 2 (1.4 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Định tuyến là tiến trình lựa chọn đường đi cho các gói tin từ nguồn qua mạng tới đích. Mục tiêu cơ bản của các giao thức định tuyến là đáp ứng được những yêu cầu chất lượng của ứng dụng và sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng.1 Phân loại định tuyến trong mạng cảm biến không dây Nhìn chung, định tuyến trong mạng cảm biến không dây được chia thành bốn loại chính dựa trên kiểu kiến trúc mạng, hoạt động của giao thức, việc thiết lập tuyến đường và nút khởi hoạt truyền thông.4 cho ta thấy sự phân loại các giao thức định tuyến cơ bản này [17], [41]. Trong định tuyến phẳng (flat-based), các nút cảm biến giữ vai trò và chức năng tương đương nhau trong việc thực hiện nhiệm vụ cảm biến và chuyển tiếp dữ liệu.
Phân loại giao thức định tuyến trong WSN Theo kiến Theo hoạt động của Theo việc Theo nút trúc mạng giao thức thiết lập khởi hoạt tuyến đường truyền thông Định Định Định Định Định Định Định Định Định Định Định Định Định tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến tuyến phẳng phân dựa dựa đa dựa dựa kết chủ theo lai nguồn đích cấp trên trên đường trên trên hợp động yêu vị trí đàm truy QoS cầu phán vấn Hình 1.4: Phân loại giao thức định tuyến trong WSN Trong định tuyến phân cấp (hierarchical-based) có sự phân biệt vai trò giữa các nút trong mạng. Các nút trong mạng cảm biến sẽ được phân chia vào các nhóm/cụm (cluster), mỗi nhóm sẽ có một chủ cụm (cluster head) 12 có vai trò thu nhận dữ liệu của các nút thành viên trong nhóm gửi về và tổng hợp, gửi dữ liệu hướng về trạm gốc (sink) [58]. Trong phương thức định tuyến dựa trên vị trí (location-based), vị trí của các nút được sử dụng để định tuyến dữ liệu trong mạng [130]. (2) Dựa trên cách thức hoạt động, các giao thức định tuyến được chia thành các loại: định tuyến dựa trên đàm phán (negotiation-based), định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS-based) và định tuyến xử lý dữ liệu coherent.
Định tuyến dựa trên đàm phán: Các giao thức này sử dụng phương pháp mô tả dữ liệu ở mức độ cao nhằm loại bỏ các thông tin dư thừa khi truyền lưu lượng. Quyết định chuyển tiếp lưu lượng cũng được xác định dựa vào nguồn tài nguyên sẵn có của nút. Mục tiêu chính của các giao thức loại này là tránh các thông tin dư thừa, thông tin trùng lặp bằng cách đàm phán, trao đổi các bản tin mô tả dữ liệu trước khi thực hiện truyền dữ liệu thực. Định tuyến đa đường: Các giao thức thuộc loại này sử dụng nhiều tuyến đường tới nút nguồn để truyền dữ liệu chứ không phải chỉ một tuyến duy nhất.
Mục tiêu của các giao thức dựa trên đa đường là nâng cao hiệu suất mạng, khả năng chịu lỗi, tăng độ tin cậy… Giao thức đa đường cũng cần cơ chế để duy trì nhiều tuyến vì vậy cũng cần thêm năng lượng tiêu thụ. Định tuyến dựa trên truy vấn: Các giao thức loại này thực hiện truyền lưu lượng dựa trên các truy vấn về dữ liệu cảm biến. Các truy vấn thường ở dưới dạng các mô tả về dữ liệu (nhiệm vụ cảm biến) và được các nút quảng bá trong mạng. Với nhóm giao thức loại này, cơ chế truy vấn thường là làm tràn lụt bản tin truy vấn trong mạng.
Định tuyến dựa trên chất lượng dịch vụ: Các giao thức này cần phải cân bằng giữa năng lượng tiêu thụ và các thông số liên quan tới đảm bảo chất lượng dịch vụ. Đặc biệt trong hoạt động giao thức, mạng phải đáp ứng được các yêu cầu tham số QoS nhất định như trễ, năng lượng, băng thông song cũng cần sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên của mạng. 13 Định tuyến xử lý dữ liệu coherent: Trong hoạt động của giao thức định tuyến này, nút thực hiện xử lý tối thiểu dữ liệu (lấy mẫu, nén …) trước khi truyền tới nút cảm biến khác hoặc tới các nút tổng hợp. Các nút tổng hợp thực hiện việc tổng hợp dữ liệu từ nhiều nút và truyền tới sink.
Định tuyến kiểu này giúp tối ưu hiệu quả về năng lượng cho mạng. (3) Dựa trên việc thiết lập tuyến đường được chia thành định tuyến chủ động (theo bảng-table driven), theo yêu cầu (on-demand) hoặc lai ghép. Trong các giao thức định tuyến chủ động (proactive routing/table-driven), tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, giao thức loại này hoạt động dựa trên sự trao đổi định kỳ của các bản tin điều khiển. Do đó một nút nguồn có thể gửi bản tin tới đích ngay lập tức khi nó cần mà không cần tốn thời gian cho việc tìm kiếm đường trong lúc truyền dữ liệu.
Sử dụng giao thức định tuyến Proactive, mỗi nút luôn cập nhật trạng thái của mạng và duy trì các tuyến đường cho dù tuyến đó có lưu lượng dữ liệu chuyển qua hay không. Các giao thức Proactive có hai ưu điểm nổi trội là (1) Mạng hội tụ nhanh: Khi topo mạng có sự thay đổi thì gần như ngay lập tức các nút trong mạng sẽ cập nhật thay đổi topo mạng của mình. (2) Độ trễ tuyến thấp: Mỗi nút có đầy đủ thông tin về topo mạng nên khi cần trao đổi thông tin thì nút nguồn có thể ngay lập tức tìm thấy tuyến đường đi tới đích. Đặc tính này rất phù hợp với việc truyền thông tin yêu cầu thời gian thực.