chương 1 Chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường. Qua đó thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta.Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến. Trên cơ sở đó, chương 2 của luận văn sẽ khảo sát một số giao thức trong mạng cảm biến không dây. CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Trong chương 2 luận văn khảo sát một số giao thức cơ bản của mạng cảm biến không dây: • Những khó khăn và các vấn đề trong thiết kế giao thức định tuyến • Phân loại các giao thức định tuyến • Giới thiệu một vài giao thức cụ thể • Phân tích đặc điểm của các giao thức • Khảo sát ưu điểm, nhược điểm của các giao thức.
Giới thiệu chung Các mạng cảm biến không dây rất linh hoạt nên có thể hỗ trợ nhiều loại ứng dụng trong nhiều môi trường khác nhau ngay cả khi nút cảm biến là cố định hay di động. Việc triển khai các mạng cảm biến phụ thuộc lớn vào loại ứng dụng tương ứng. Tuy các ứng dụng này hướng tới những mục tiêu khác nhau nhưng mục tiêu chính của tất cả các mạng cảm biến không dây là cảm nhận, thu thập dữ liệu từ một vùng nhất định, xử lý dữ liệu và truyền thông tin tới người dùng. Để thực hiện được nhiệm vụ này một cách hiệu quả đòi hỏi các giao thức định tuyến phải cân bằng được khả năng đáp ứng với hiệu quả năng lượng để có thể kéo dài thời gian hoạt động của toàn mạng.
Mặc dù lĩnh vực này còn đang trong thời mới phát triển nhưng có thể thấy sự phát triển của giao thức định tuyến sẽ là nền tảng của các mạng cảm biến không dây trong tương lai.1 Những khó khăn và các vấn đề trong thiết kế giao thức định tuyến [3, tr.139 – 142] Định tuyến trong mạng có quy mô lớn là một vấn đề khó khăn và phải đối mặt với nhiều thách thức như độ chính xác, tính ổn định và tối ưu các số liệu hiệu suất…Các đặc tính nội tại của mạng Cảm biến không dây kết hợp với các hạn chế về năng lượng, băng thông và khả năng xử lý đã gây ra nhiều trở ngại hơn trong việc đáp ứng các yêu cầu truyền thông và kéo dài thời gian sống của mạng. Do vậy, để thiết kế được một giao thức định tuyến tốt thì vừa phải xem xét tới các yếu tố ảnh hưởng tới mạng, vừa phải giải quyết các bài toán định tuyến cụ thể như: phạm vi và các đặc tính mạng thay đổi theo thời gian, nguồn tài nguyên hạn chế và các mô hình cảm biến dữ liệu phụ thuộc vào loại ứng dụng… Phạm vi và các đặc tính mạng thay đổi theo thời gian: Trong mạng cảm biến không dây, các nút mạng phải ở trạng thái động và phải có khả năng thích nghi cao. Khi cần, nó phải có khả năng tự tổ chức và tự bảo tồn năng lượng bằng cách liên tục điều chỉnh các hành vi để phù hợp với trạng thái và khả năng hiện tại. Hơn nữa, mức độ năng lượng tiêu hao của các nút cảm biến là không đồng đều dẫn tới nhiều nút mạng bị ngừng hoạt động sớm hơn so với các nút mạng khác.
Điều này làm thay đổi phạm vi hoạt động, gây trở ngại cho vấn đề định tuyến cũng như ảnh hưởng tới hiệu suất của toàn mạng. 13 Nguồn tài nguyên hạn chế: Bài toán về năng lượng là bài toán cơ bản và khó giải nhất đối với mạng Cảm biến không dây khi mà các hoạt động của mạng hoàn toàn phụ thuộc vào tình trạng năng lượng hiện tại của các nút cảm biến. Ngoài ra, việc tích hợp nhiều thành phần vào trong một thiết bị cảm biến nhỏ cũng làm hạn chế khả năng lưu trữ và khả năng xử lý của mỗi nút mạng. Do đó, yêu cầu được đặt ra là phải thiết kế được các giao thức định tuyến mới vừa có thể hoạt động hiệu quả với một loạt các hạn chế về tài nguyên nhưng vừa phải đáp ứng được yêu cầu về truyền thông một cách tin cậy, chính xác.
Các mô hình trao đổi dữ liệu cảm biến phụ thuộc vào từng ứng dụng: Mô hình dữ liệu diễn tả luồng thông tin giữa các nút cảm biến với sink. Các mô hình này phụ thuộc nhiều vào bản chất của các ứng dụng về việc dữ liệu được yêu cầu và sử dụng như thế nào. Một vài mô hình dữ liệuđã được đề xuất để giải quyết các nhu cầu về thu thập dữ liệu và các yêu cầu tương tác của một loạt các ứng dụng cảm biến. Một lớp các ứng dụng cảm biến yêu cầu mô hình thu thập dữ liệu theo định kỳ trong khi một lớp ứng dụng khác thì công việc này được thực hiện khi có xuất hiện một sự kiện đặc thù nào đó.
Trong một vài ứng dụng, dữ liệu có thể được chụp và lưu trữ lại, được xử lý và được tổng hợp lại bởi các nút cảm biến trước khi chúng được gửi tới sink. Tuy nhiên, có một số ứng dụng lại đòi hỏi sự tương tác 2 chiều giữa nút cảm biến và sink. Những đặc điểm này làm phát sinh thêm sự phức tạp trong vấn đề định tuyến cũng như trongkhai thác dữ liệu của các ứng dụng.2 Phân loại các giao thức định tuyến [2, tr.140][9] Một giao thức định tuyến tốt phải có khả năng cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng với hiệu quả sử dụng năng lượng. Để đạt được sự cân bằng này thì khả năng tính toán và truyền dẫn phải được lựa chọn phù hợp.
Tuy nhiên, mỗi giao thức định tuyến hoạt động lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau và nó chỉ hiệu quả với một sốhoàn cảnh, điều kiện nhất định. Ngược lại, phạm vi ứng dụng của mạng Cảm biến không dây là rất lớn, do vậy việc phân loại các giao thức định tuyến là cần thiết. Có nhiều cách để phân loại các giao thức định tuyến, tuy nhiên hiện nay có cách phân loại chính. Thứ nhất, phân loại dựa trên cách gửi gói tin thông qua con đường để tới bên nhận, các giao thức định tuyến được phân thành 3 loại: loại chủ động, loại phản ứng và các giao thức lai.
Trong các giao thức chủ động, tất cả các con đường được tính toán trước khi chúng thực sự là cần thiết, trong khi các giao thức phản ứng, các con đường được tính toán theo yêu cầu. Các giao thức lai sử dụng kết hợp cả 2 ý tưởng này. Do hạn chế về khả năng lưu trữ và số nút mạng có thể rất lớn nên các nút cảm biến không có khả năng lưu trữ được không gian “khổng lồ” của các bảng định tuyến. Do đó các giao thức định tuyến phản ứng và lai thì phù hợp hơn trong các mạng cảm biến không dây.
Thứ hai, phân loại dựa theo kiểu tham gia của các nút cảm biến, các giao thức định tuyến được chia thành 3 loại: các giao thức truyền thông trực tiếp (Directed communication), các giao thức phẳng (Flat-Architecture Protocols) và các giao thức phân 14 bậc (Hierarchical Protocol). Trong các giao thức truyền thông trực tiếp hay còn gọi là truyền đơn chặng, một nút cảm biến sẽ gửi dữ liệu trực tiếp tới sink mà không thông qua bất kỳ một nút trung gian nào khác. Theo loại giao thức này, nếu đường kính của mạng là lớn, thì năng lượng của các nút cảm biến ở xa sẽ bị tiêu hao rất nhanh chóng. Hơn nữa, số lượng các nút cảm biến tăng thì xung đột sẽ trở thành trở ngại lớn tới mục đích truyền dữ liệu.
Theo các giao thức phẳng, tất cả các nút trong mạng được đối xử bình đẳng. Khi 1 nút cần gửi dữ liệu, nó có thể tìm thấy một con đường thông qua một vài nút khác để tới được sink vì vậy các giao thức này còn được gọi là giao thức truyền đa chặng (multi-hop). Thông thường xác suất tham gia vào quá trình truyền dữ liệu của các nút xung quanh sink cao hơn các nút ở xa. Vì vậy các nút xung quanh sink thường hết năng lượng sớm hơn các nút khác.
Để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng cao và duy trì thời gian hoạt động lâu dài của mạng, các nút cảm biến thường được tổ chức phân bậc bằng cách gộp chúng lại thành các nhóm riêng biệt mà ở đó dữ liệu được xử lý nội bộ tại mỗi nút đứng đầu nhóm (cluster head node) trước khi được gửi về sink. Các giao thức sử dụng kiến trúc phân bậc này được gọi chung là các giao thức phân bậc. Thứ ba, tùy thuộc xem giao thức định tuyến có khả năng nhận thức được vị trí hay không, các giao thức định tuyến được phân thành 2 loại: giao thức định tuyến nhận thức được vị trí, và giao thức định tuyến không nhận thức được vị trí. Cách phân loại này rất hữu ích cho các ứng dụng cần xác định vị trí xảy ra hiện tượng đang quan tâm hay lân cận với một điểm đặc biệt nào đó trong vùng hoạt động của mạng.
Cách phân loại cuối cùng dựa trên chất lượng dịch vụ, cơ chế định tuyến của các giao thức này được xác định dựa trên một số hiểu biết về tài nguyên có thể sử dụng (băng thông) trong mạng cũng như yêu cầu chất lượng dịch vụ (mức độ tiêu thụ tài nguyên, trễ, độ tin cậy,…) của luồng dữ liệu. Thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng Cảm biến không dây phải xem xét đến các đặc trưng riêng của mạng. Hiện nay, nhiều giao thức định tuyến cho Cảm biến không dây đã được đưa ra và áp dụng. Các giao thức này được phân thành 4 loại đặc trưng như được mô tả trong hình 11 dưới đây: Hình 11.
Tổng quan về các giao thức định tuyến của mạng WSN. Các giao thức kiến trúc phẳng và tập trung dữ liệu [2, tr.143 – 148][9] Như đã được trình bày ở chương 1, điểm khác biệt lớn giữa mạng WSN và mạng MANET là số lượng nút cảm biến trong các ứng dụng thì rất lớn và rất khó có thể phân phát ID cụ thể cho từng nút cảm biến. Do vậy các giao thức định tuyến dựa trên địa chỉ không phù hợp cho mạng WSN. Để khắc phục được điều này, các giao thức định tuyến tập trung vào dữ liệu được đề xuất.
Thay vì ID của từng nút, các kỹ thuật định tuyến tập trung dữ liệu sẽ định danh các thuộc tính đặc trưng cho dữ liệu của mỗi loại ứng dụng cụ thể.