TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
Khái niệm
Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network – WSN) là một hệ thống mạng không dây, trong đó các nút được trang bị vi điều khiển, cảm biến và bộ truyền RF Các đặc điểm nổi bật của WSN bao gồm kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp, khả năng tự tổ chức và tự bảo trì, chi phí thấp, cùng với chu trình tác vụ ngắn Mạng này được sử dụng để thu thập và truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả giữa các nút.
Mạng cảm nhận không dây là tập hợp các nút mạng kết nối không dây, mỗi nút được trang bị nhiều đầu cảm biến để quan sát các hiện tượng như nhiệt, quang, âm thanh, địa chấn và sự kiện gia tốc Các đầu cảm biến này xử lý và phân tích dữ liệu thô, đáp ứng yêu cầu của người dùng Sự tiến bộ công nghệ gần đây đã cho phép thiết kế các nút mạng cảm nhận mới, nhỏ gọn và giá thành thấp, với khả năng giao tiếp không dây và tính toán tinh vi Mặc dù còn mới, mạng cảm nhận không dây hứa hẹn mang lại tiềm năng lớn cho nhiều ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống.
Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm nhận không dây
Các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ cao đã thúc đẩy mạng cảm nhận không dây ngày càng tiến bộ và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống Những ứng dụng nổi bật của mạng cảm nhận không dây có thể dễ dàng nhận thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Nhà là môi trường lý tưởng cho các mạng cảm nhận không dây, với nhiều ứng dụng công nghiệp và tiện nghi hiện đại Các thiết bị như điều khiển từ xa, PDA có thể quản lý tivi, đầu DVD, giàn âm thanh và các thiết bị điện tử khác, bao gồm đèn, rèm và khóa Người dùng có thể điều khiển toàn bộ tiện nghi trong nhà chỉ bằng một thiết bị điều khiển từ xa khi ngồi thoải mái Tiềm năng của mạng cảm nhận không dây còn nằm ở khả năng tích hợp nhiều dịch vụ, như tự động đóng rèm khi tivi bật hoặc tắt tiếng hệ thống giải trí khi có cuộc gọi đến.
Mạng cảm nhận không dây trong nhà hứa hẹn sẽ kết nối các thiết bị ngoại vi như bàn phím và chuột không dây với máy tính cá nhân Những ứng dụng này không chỉ có chi phí thấp mà còn tiêu thụ điện năng ít, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển mạng cảm nhận không dây.
Thị trường đồ chơi hiện nay đang mở rộng với sự phát triển của ứng dụng mạng cảm nhận không dây Danh sách các loại đồ chơi được hỗ trợ hoặc điều khiển qua mạng này ngày càng phong phú, bao gồm từ các trò chơi ô tô và tàu thuyền điều khiển bằng sóng vô tuyến truyền thống đến các trò chơi máy tính sử dụng cần điều khiển và thiết bị điều khiển không dây.
Khoá không có chìa điều khiển từ xa (RKE) là một ứng dụng quan trọng trong nhà, cho phép truy cập dễ dàng vào xe ô tô, cửa, cửa sổ và đèn bằng cảm biến điều khiển không dây Chủ nhà chỉ cần một thiết bị giống như chìa khóa với một nút bấm, khi nhấn nút, thiết bị sẽ khóa tất cả cửa ra vào và cửa sổ, tắt đèn trong nhà (trừ một số đèn ngủ), bật đèn bảo vệ an toàn bên ngoài và điều chỉnh hệ thống HVAC về chế độ ngủ hoặc mở cửa xe ô tô.
1.2.2 Giám sát các hoạt động công nghiệp
Phòng điều khiển là nơi hiển thị các chỉ dẫn và trạng thái của dây chuyền, bao gồm tình trạng van, thiết bị, nhiệt độ và áp suất của vật liệu Nó cũng điều khiển việc nhập vật liệu và quản lý hoạt động như đóng mở van và vận hành bếp lò, đồng thời giám sát trạng thái dây chuyền Các cảm biến trong hệ thống phản ánh trạng thái vật lý và thông tin truyền tải thường thay đổi chậm, do đó, trong điều kiện hoạt động bình thường, mạng chỉ cần tốc độ thấp nhưng yêu cầu độ tin cậy cao Mạng cảm nhận không dây với nhiều nút cung cấp các kênh truyền thông để thông báo tới các nút khác nhau.
Trong điều khiển chiếu sáng thương mại, chi phí sắp đặt hệ thống ánh sáng trong một tòa nhà bao gồm việc điều khiển ánh sáng qua các công tắc bật, tắt hoặc điều chỉnh cường độ chiếu sáng Hệ thống không dây linh hoạt, được điều khiển bằng chương trình, có khả năng quản lý nhiều đèn theo nhiều cách khác nhau, đồng thời đảm bảo an toàn cho hệ thống chiếu sáng thương mại.
Mạng không dây sử dụng các thuật toán phân tán với nhiều kênh, cho phép tự sửa chữa và bảo trì, phù hợp với sự thay đổi của các dây chuyền công nghiệp Điều này giúp cung cấp thông tin chính xác về tình trạng dây chuyền ngay cả trong những điều kiện khó khăn.
Mạng không dây là giải pháp lý tưởng cho việc giám sát và điều khiển hoạt động của máy móc trong không gian cụ thể Trong các ứng dụng này, cảm biến và thiết bị điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi các yếu tố như nhiệt độ, rung động và sự bôi trơn của các thành phần quay, từ đó tối ưu hóa thời gian bảo trì định kỳ.
1.2.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Có hai loại ứng dụng theo dõi sức khỏe sử dụng mạng cảm nhận không dây Thứ nhất là ứng dụng theo dõi thể lực, cho phép quần áo thông minh ghi lại nhịp tim và hơi thở, sau đó gửi dữ liệu đến máy tính cá nhân để phân tích Thứ hai là ứng dụng theo dõi sức khỏe tại nhà, giúp quản lý cân nặng và trọng lượng bệnh nhân qua kết nối không dây, hoặc theo dõi lượng đường trong máu để kiểm soát bệnh tiểu đường.
Việc sử dụng mạng cảm nhận không dây trong theo dõi sức khỏe đang gia tăng nhờ sự phát triển của các cảm biến sinh vật tương thích với công nghệ mạch tích hợp CMOS Những cảm biến này có khả năng phát hiện các men, axit nucleic và các nguyên liệu sinh học quan trọng khác với kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực dược học và chăm sóc y tế.
Trong bệnh viện, bác sĩ và bệnh nhân được theo dõi thông qua việc gắn cho mỗi bệnh nhân một nút mạng cảm biến nhỏ gọn, với mỗi nút đảm nhận một nhiệm vụ riêng biệt.
Cảm biến nhịp tim và cảm biến áp suất máu giúp theo dõi sức khỏe bệnh nhân, trong khi các bác sĩ có thể sử dụng nút cảm biến để xác định vị trí của mình trong bệnh viện.
1.2.4 Giám sát an ninh trong quân đội và an toàn công nghiệp
Mạng cảm nhận không dây mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt là khả năng thay thế nhân viên bảo vệ tại các khu vực nguy hiểm, như trong các mỏ khai thác Những mạng này không chỉ đảm bảo an toàn mà còn có thể phát hiện và xác định các mối đe dọa tiềm ẩn Được trang bị các cảm biến như mic, cảm biến địa chấn và radar băng tần rộng, mạng cảm nhận có thể được thiết kế nhỏ gọn và ngụy trang dễ dàng, phù hợp với môi trường tự nhiên Chúng hoạt động mà không cần cơ sở hạ tầng, sử dụng các thuật toán xử lý phân tán và tự động tìm đường đi mới khi có nút bị hỏng, làm cho mạng khó bị phát hiện và phá hủy Kỹ thuật trải phổ rộng và khả năng kết nối với nhiều mạng khác giúp tối ưu hóa nguồn pin và tăng cường tính bảo mật cho mạng cảm nhận không dây.
Mạng cảm nhận không dây có khả năng xác định vị trí, cho phép các nút mạng hoạt động như phần tử trong một mảng tự định hướng Mảng này có thể điều khiển theo sự bức xạ phân tán ngẫu nhiên, từ đó cung cấp bộ lọc dữ liệu hiệu quả cho mạng cảm nhận không dây.
Các chỉ tiêu của nút mạng cảm nhận không dây
Để đánh giá một nút mạng cảm nhận không dây, cần xem xét các chỉ tiêu cụ thể Những tiêu chí này không chỉ giúp lựa chọn loại vi điều khiển phù hợp mà còn hỗ trợ trong việc xây dựng hệ thống hiệu quả.
1.3.1 Năng lượng Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều năm thì các nút mạng cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp Việc tiêu thụ năng lượng thấp chỉ đạt được bằng cách kết hợp các thành phần phần cứng năng lượng thấp và chu trình hoạt động ngắn Trong thời gian hoạt động truyền thông radio sẽ tiêu thụ một phần năng lượng đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của nút mạng Các thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm hoạt động truyền nhận radio
Các ứng dụng mạng cảm nhận không dây đòi hỏi các thành phần tiêu thụ điện năng thấp hơn so với các mạng không dây hiện tại như Bluetooth Chẳng hạn, các thiết bị phục vụ cho cảm nhận y học và công nghiệp cần năng lượng từ các nguồn pin nhỏ, với thời gian sử dụng kéo dài từ vài tháng đến nhiều năm.
Các ứng dụng kiểm tra và điều khiển thiết bị công nghiệp cần pin có tuổi thọ lâu dài để duy trì hoạt động liên tục của thiết bị theo dõi Ngoài ra, những ứng dụng theo dõi môi trường trên diện rộng cũng đòi hỏi nhiều thiết bị, khiến việc thay thế pin thường xuyên trở nên không khả thi.
1.3.2 Kích thước và chi phí
Kích thước và giá thành của từng nút mạng ảnh hưởng lớn đến tính khả thi và chi phí triển khai công nghệ WSN Tổng chi phí vật tư và chi phí triển khai ban đầu là hai yếu tố quan trọng quyết định sự chấp nhận công nghệ này Với ngân sách hạn chế, việc giảm giá thành mỗi nút cho phép mua sắm thêm nhiều nút, từ đó triển khai mạng thu thập với mật độ cao hơn và thu thập được nhiều dữ liệu hơn.
Mục tiêu thiết kế giao thức và truyền thông mạng là loại bỏ sự cần thiết của các thành phần đắt đỏ và rời rạc, nhằm đảm bảo việc sử dụng mạng có thể diễn ra ở bất kỳ đâu Điều này được thực hiện bằng cách tối giản các yêu cầu về giao thức phức tạp và giảm thiểu nhu cầu bộ nhớ.
Một trong những yếu tố ảnh hưởng đến giá thành của nhiều mạng lớn là quản trị và bảo trì hệ thống Do đó, mạng cảm nhận không dây cần được thiết kế đặc biệt với khả năng tự cấu hình và tự bảo trì.
Một mạng “đặc biệt” không có phân phối vật lý hoặc địa thế lôgíc định trước cho các nút Khả năng “tự cấu hình” cho phép nút mạng phát hiện và tổ chức thành một mạng có cấu trúc mà không cần can thiệp con người “Tự bảo trì” là khả năng phát hiện và phục hồi lỗi trong các nút mạng hoặc liên kết truyền thông mà không cần sự can thiệp từ bên ngoài Để sản xuất các hệ thống và thiết bị đáp ứng yêu cầu tối giản chi phí cho các thành phần mạng không dây, việc phát triển tiêu chuẩn hóa nghi thức truyền thông là rất cần thiết.
Các nút mạng cần phải có khả năng thích nghi cao để phù hợp với các ngữ cảnh khác nhau, đồng thời đáp ứng các yêu cầu riêng biệt về thời gian sống, tốc độ lấy mẫu, thời gian đáp ứng và xử lý nội mạng của từng ứng dụng Để đáp ứng nhu cầu đa dạng này, kiến trúc WSN cần phải đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng Ngoài ra, do hạn chế về chi phí, mỗi thiết bị chỉ được trang bị phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể, đòi hỏi kiến trúc phải đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm Điều này đặt ra yêu cầu về tính modul cao của cả phần cứng và phần mềm, đồng thời đảm bảo tính hiệu quả của thiết bị.
1.3.4 Sức mạnh Để hỗ trợ các yêu cầu về thời gian sống, mỗi nút cần phải càng mạnh càng tốt Trong thực tế hàng trăm nút mạng sẽ hoạt động trong nhiều năm Để đạt được điều này hệ thống cần được xây dựng để vẫn có thể hoạt động khi một nút có lỗi Module hóa hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệ thống Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi chức năng có thể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành một ứng dụng hoàn chỉnh Để làm điều này, các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có thể và có giao tiếp chặt chẽ để ngăn chặn các tương tác không mong muốn Để tăng sức mạnh của hệ thống khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có khả năng đối phó với nhiễu ngoài Các mạng thường cùng tồn tại với các hệ thống không dây khác, chúng cần phải có khả năng để thích nghi theo các hành động khác nhau Nó cũng phải có khả năng hoạt động trong môi trường đã có các thiết bị không dây khác hoạt động với một hay nhiều tấn số Khả năng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu để đảm bảo một sự triển khai thành công
1.3.5 Bảo mật Để đạt được mức độ bảo mật mà các ứng dụng yêu cầu, các nút riêng lẻ cần có khả năng thực hiện sự mã hóa phức tạp và thuật toán xác thực Truyền dữ liệu không dây rất dễ bị chặn Chỉ có một cách bảo mật dữ liệu là mã hóa toàn bộ dữ liệu truyền, CPU cần có khả năng tự thực hiện các thao tác mật mã Để bảo mật toàn bộ các dữ liệu truyền, các nút cần tự bảo mật dữ liệu của chúng
Mạng an toàn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ dữ liệu của người dùng, đặc biệt là những người dùng tiềm năng Sự nhận thức về an toàn mạng là cần thiết, vì người dùng cần hiểu rằng dữ liệu của họ có thể bị truyền qua không gian và dễ bị truy cập bởi kẻ xấu.
Trong các ứng dụng sử dụng mạng cảm nhận không dây, người dùng không thể nhìn thấy dây hoặc cáp truyền tải thông tin, điều này làm tăng mối lo ngại về an toàn thông tin Mặc dù mã hóa thông báo là một phương pháp bảo vệ, nhưng trong nhiều trường hợp, mục tiêu an toàn chính của mạng cảm nhận không dây là đảm bảo rằng thông tin không bị sửa đổi bởi bất kỳ ai nhận được thông báo từ người gửi.
Việc đảm bảo an toàn thông báo yêu cầu kiểm tra và xác thực thông qua mã toàn vẹn thông báo phụ thuộc (MIC), mà người gửi và người nhận chia sẻ một khóa chung để phát sinh và xác nhận MIC Điều này giúp bảo vệ thông báo khỏi các cuộc tấn công, trong đó kẻ nghe trộm có thể ghi lại và gửi lại thông báo Để ngăn chặn tình trạng này, một máy đếm thông báo hoặc thiết bị bấm giờ được sử dụng trong tính toán MIC, đảm bảo rằng không có hai thông báo xác thực nào có cùng dữ liệu; nếu có, chúng sẽ bị đồng nhất.
Tốc độ truyền dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và khoảng cách là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu suất của mạng cảm biến không dây (WSN) Độ bao phủ của mạng bị giới hạn bởi khoảng cách truyền của các nút, ảnh hưởng đến mật độ tối thiểu có thể chấp nhận Nếu các nút đặt quá xa nhau, việc kết nối với mạng hoặc nút dự trữ sẽ gặp khó khăn, ảnh hưởng đến độ tin cậy Khi khoảng cách truyền radio đáp ứng mật độ nút cao, việc thêm nút sẽ tăng cường mật độ hệ thống, nhưng tốc độ truyền cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất mạng Tốc độ truyền cao giúp cải thiện khả năng lấy mẫu và giảm năng lượng tiêu thụ, vì thời gian truyền ngắn hơn đòi hỏi ít năng lượng hơn Tuy nhiên, việc tăng tốc độ cũng có thể dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng radio cao hơn.
Kiến trúc của mạng WSN
Trong một mạng phẳng không có cấu trúc lôgic, tất cả các nút cần hợp tác để quản lý mạng, bao gồm việc thiết lập và xóa liên kết, cũng như hợp nhất và tách rời các nút Giá trị của việc truyền thông trong mạng này phụ thuộc vào khả năng của các nút trong việc nhận thức môi trường xung quanh chúng trong khu vực lân cận ngay lập tức.
Trong kiến trúc vật lý của các nút mạng cảm nhận không dây, các thành phần chính được phân loại thành bốn nhóm: bộ vi xử lý, bộ lưu trữ, bộ truyền thông, và bộ cảm nhận, bộ khởi động Bộ vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý thông tin và điều khiển hoạt động của các nút mạng.
Có 2 điều rằng buộc cho các thành phần xử lý là năng lượng và giá Thực chất tất cả các bộ xử lý WSN hiện thời đều đã được sử dụng phổ biến nhờ vào sự phát triển về mặt công nghệ Một khi sự xử lý trong một nút phải hướng vào một sự đa dạng của các tác vụ khác nhau, nhiều nút có vài kiểu của bộ xử lý
Hiện nay, các nút cảm biến trong mạng cảm nhận thường sử dụng bộ nhớ DRAM và Flash với dung lượng lưu trữ tương đối nhỏ Do việc truyền thông là yếu tố tiêu thụ năng lượng chính trong mạng cảm biến không dây, chúng ta kỳ vọng rằng dung lượng lưu trữ tại mỗi nút sẽ ngày càng được nâng cao.
Mô hình truyền thông phổ biến cho các thế hệ mạng cảm nhận không dây hiện nay là truyền thông đa bước, cho thấy khả năng co dãn tốt và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ trong các mạng cảm nhận lớn Đặc biệt, việc lắng nghe trong quá trình truyền thông tiêu tốn năng lượng tương đương với việc truyền thông, điều này cần được chú ý.
1.4.1.4 Bộ cảm nhận, bộ khởi động
Các bộ cảm nhận được ví như đôi mắt của mạng cảm nhận, trong khi bộ khởi động đóng vai trò như cơ bắp của nó Công nghệ MEMS đã nâng cao khả năng xử lý ổn định, mang lại những kết quả đáng chú ý.
Có 3 loại nút mạng cần chú ý trong mạng cảm nhận không dây đa bước:
Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm nhận không dây
Các nút cảm nhận trong mạng không dây đóng vai trò quan trọng khi vừa đo đạc số liệu trực tiếp, vừa truyền thông tin về trạm gốc và chuyển tiếp dữ liệu từ các nút con khác Để tối ưu hóa thiết kế của nút mạng cho mạng cảm nhận không dây đa bước, việc sử dụng chip CC1010 được đề xuất như một giải pháp hiệu quả cho vai trò này.
Nói rõ hơn về điều này, chúng ta cùng xem xét kỹ hơn về các dạng kiến trúc mạng được đề cập cho mạng cảm nhận không dây:
- Mạng đơn: Nơi tất cả các nút liên kết trực tiếp với trạm gốc
- Mạng liên kết bước: Các nút truyền thông gián tiếp tới trạm gốc qua các nút trung gian, nhằm giảm năng lượng tải cho các nút
- Mạng liên kết bó: Nhóm các nút vào trong các bó, tập hợp dữ liệu và đánh dấu một nút giữ vai trò truyền thông với trạm gốc
Kiến trúc mạng đơn là dạng kiến trúc mạng đơn giản nhất, trong đó tất cả các nút cảm biến kết nối trực tiếp với trạm gốc Với phạm vi truyền thông hạn chế từ vài chục đến hàng trăm mét, kiến trúc này khó có thể mở rộng Do đó, mạng đơn thường được áp dụng cho các hệ thống hoạt động trong không gian nhỏ, nơi cần khả năng truyền thông nhanh chóng.
Hình 1.2: Kiến trúc mạng đơn
- Đơn giản, dễ cấu hình và thực hiện
- Tốc độ thực hiện nhanh
- Khó xác định nút truyền thông kế tiếp
- Nhanh tiêu hao năng lượng tại các nút (đặc biệt là các nút xa trạm gốc) 1.4.2.2 Mạng liên kết bước
Các nút mạng trong kiến trúc mạng liên kết bước vừa có chức năng cảm nhận và thu thập thông tin môi trường, vừa có khả năng chuyển tiếp dữ liệu từ các nút mạng khác Trong quá trình thiết lập, mỗi nút xác định lộ trình tối ưu để kết nối với trạm gốc thông qua các trạm trung gian Để tránh xung đột, các nút áp dụng giao thức CSMA, với dữ liệu được truyền sau mỗi khoảng thời gian t delay (s) Khi một nút hết năng lượng, hệ thống tự động điều chỉnh lộ trình để duy trì kết nối với trạm gốc.
Hình 1.3 Kiến trúc mạng liên kết bước
- Tiết kiệm năng lượng truyền tải từ các nút tới trạm gốc
- Dễ dàng mở rộng kích thước mạng
- Dữ liệu truyền qua nhiều trặng dẫn đến tiềm ẩn am báo tăng cao
- Dữ liệu tới nút trung gian liên tục khiến năng lượng nút trung gian tiêu hao nhanh chóng so với các nút thường
Trong mạng tổ chức, các nút được sắp xếp thành các bó, với mỗi nút thuộc ít nhất một bó Mỗi bó có tiêu đề hành động, đóng vai trò như điều khiển cục bộ cho các nút bên trong Các cổng vào của nút tạo điều kiện cho việc truyền thông giữa các bó Quá trình xếp nhóm này được áp dụng đệ quy, hình thành một cấu trúc phân cấp cho các bó.
Các nút trong bó thực hiện một giải thuật để lựa chọn nút đầu bó và các nút thành viên Tất cả các nút thành viên trong bó truyền dữ liệu tới nút đầu bó thông qua giao thức TDMA để kiểm soát truy cập Nút đầu bó nhận dữ liệu từ các thành viên, thực hiện các chức năng xử lý (như tập hợp dữ liệu) và sau đó truyền dữ liệu đến trạm gốc.
Hình 1.4: Kiến trúc mạng liên kết bó
- Tiết kiệm năng lượng truyền tải từ các nút tới trạm gốc
- Dễ dàng mở rộng kích thước mạng
Năng lượng tại các nút đầu bó tiêu hao nhanh chóng, có thể dẫn tới hoạt động của bó tạm dừng
Ta có thể nhận xét về các dạng kiến trúc mạng qua bảng sau: Đặc điểm Mạng đơn Mạng LK bước Mạng LK bó
Tốc độ tiêu thụ năng lượng Rất nhanh Nhanh
Chậm hơn (nhưng nút đầu bó ngược lại) Điều khiển truy cập Không đề cập CSMA TDMA
Tác động khi 1 nút ngừng hoạt động
Một nút ngừng hoạt động
Một nút ngừng (sau khi xác lập lại lộ trình)
Toàn bộ bó ngừng hoạt động (nếu là đầu bó)
Tiềm ẩn One hop Multiple hops Two hops
Phạm vi làm việc Nhỏ Rộng hơn Rộng nhất
Qua 3 dạng kiến trúc trên thì dạng kiến trúc bó tiêu thụ năng lượng thấp nhất, nhưng đi kèm với nó là những nguy cơ về sự tiềm ẩn lẫn sự tác động cao Đối với các mạng cảm nhận không dây thì yêu cầu về thời gian hoạt động của mạng đóng vai trò hết sức quan trọng, nên việc xây dựng một kiến trúc mạng có khả năng làm việc hiệu quả lẫn tiêu hao năng lượng thấp là rất cần thiết Do đó chúng ta có thể phát triển dựa trên ý tưởng của mạng liên kết bó xây dựng một kiến trúc mạng phù hợp hơn Trước hết ta cần quan tâm xem xét kỹ hơn về kiến trúc mạng liên kết bó.
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
Giới thiệu
Mạng cảm biến, mặc dù có nhiều điểm tương đồng với các mạng adhoc có dây và không dây, lại sở hữu những đặc tính độc đáo, tạo nên sự khác biệt cho chúng Những đặc tính này yêu cầu thiết kế các giao thức định routing mới, khác biệt hoàn toàn so với các giao thức trong mạng adhoc Sự tập trung vào những đặc điểm này đã tạo ra nhiều thách thức riêng biệt cho mạng cảm biến không dây (WSN) Chương này sẽ giới thiệu ba loại giao thức định tuyến chính trong mạng cảm biến: giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu, giao thức định tuyến phân cấp và giao thức định tuyến dựa vào vị trí.
Thách thức trong vấn đề định tuyến
Chính vì những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức sau:
Mạng cảm biến có nhiều nút, khiến việc xây dựng sơ đồ địa chỉ toàn cầu trở nên khó khăn do chi phí duy trì ID quá cao.
- Dữ liệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và truyền đến sink
- Các nút cảm biến bị rang buộc khá chặt chẽ về mặt năng lượng, tốc độ xử lý, lưu trữ
- Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khi được triển khai ngoại trừ một vài nút có thể di động
- Mạng cảm biến là những ứng dụng riêng biệt
- Việc nhận biết vị trí là vấn đề rất quan trọng vì việc tập hợp dữ liệu thông thường dựa trên vị trí
- Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao vì các nút cảm biến thu lượm dữ liệu dựa trên hiện tượng chung.
Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến
Mạng cảm biến chủ yếu nhằm truyền thông dữ liệu hiệu quả trong khi tối ưu hóa thời gian sống của mạng và ngăn chặn suy giảm kết nối thông qua các kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt Trong quá trình thiết kế các giao thức định tuyến, chúng ta thường phải đối mặt với nhiều thách thức khác nhau.
2.3.1 Đặc tính thayđổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng
Các nút cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lưu trữ và truyền dẫn hạn chế, dưới áp lực năng lượng nghiêm ngặt Mật độ các nút cảm biến trong mạng có thể thay đổi từ thưa thớt đến rất dày, với số lượng có thể lên đến hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn nút Những nút này thường được triển khai mà không có sự giám sát, bao phủ một vùng rộng lớn Đặc tính của các cảm biến là tính thích nghi cao, với nhu cầu tự tổ chức và bảo toàn năng lượng, buộc các nút cảm biến phải điều chỉnh liên tục để phù hợp với hoạt động hiện tại.
2.3.2 Ràng buộc về tài nguyên
Các nút cảm biến được thiết kế đơn giản để triển khai trong phạm vi lớn, giúp giảm chi phí mạng Năng lượng là yếu tố quan trọng trong mạng cảm biến không dây, đặc biệt là khi cần kéo dài thời gian sử dụng với nguồn năng lượng hạn chế Việc truyền gói đa hop là nguyên nhân chính gây tiêu thụ năng lượng trong mạng Để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, việc điều khiển tự động chu kỳ công suất của mạng cảm biến là cần thiết Tuy nhiên, quản lý năng lượng vẫn là một thách thức chiến lược trong nhiều ứng dụng quan trọng.
2.3.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến
Mô hình dữ liệu thể hiện luồng thông tin giữa các nút cảm biến và các sink, phụ thuộc vào bản chất của ứng dụng, bao gồm cách dữ liệu được yêu cầu và sử dụng Nhiều mô hình dữ liệu đã được đề xuất để đáp ứng các yêu cầu tương tác và nhu cầu thu thập dữ liệu cho nhiều loại ứng dụng khác nhau.
Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng khác nhau, yêu cầu mô hình thu thập dữ liệu dựa trên chu kỳ lấy mẫu hoặc sự kiện xảy ra trong môi trường quan sát Dữ liệu có thể được chụp và lưu trữ, hoặc xử lý và tập hợp tại một nút trước khi chuyển tiếp đến sink Ngoài ra, còn có mô hình tương tác hai chiều giữa các nút cảm biến và sink Nhu cầu hỗ trợ đa dạng các mô hình dữ liệu làm tăng tính phức tạp trong thiết kế giao thức định tuyến.
Cách thức truyền tải truy vấn và dữ liệu giữa các trạm cơ sở và vị trí quan sát là yếu tố quan trọng trong mạng cảm biến không dây Một phương pháp cơ bản là cho phép mỗi nút cảm biến truyền dữ liệu trực tiếp đến trạm cơ sở Tuy nhiên, phương pháp này, dựa trên bước nhảy đơn, có chi phí cao và khiến các nút xa trạm cơ sở nhanh chóng tiêu hao năng lượng, dẫn đến giảm thời gian sống của mạng.
Để giảm thiểu lỗi trong phương pháp truyền dữ liệu giữa các nút cảm biến và trạm cơ sở, việc sử dụng truyền gói đa bước nhảy qua phạm vi truyền ngắn là rất hiệu quả Phương pháp này không chỉ tiết kiệm năng lượng đáng kể mà còn giảm thiểu sự giao thoa giữa các nút khi cạnh tranh truy cập kênh, đặc biệt trong mạng cảm biến không dây có mật độ cao.
Dữ liệu giữa các nút cảm biến và các sink được truyền qua nhiều đường dẫn đa hop, như minh họa trong hình 3.1 Để đáp ứng các truy vấn từ sink hoặc các sự kiện đặc biệt trong môi trường, dữ liệu thu thập sẽ được gửi đến các trạm cơ sở.
Trong mạng cảm biến không dây, định tuyến đa hop yêu cầu các nút trung gian chuyển tiếp dữ liệu giữa nguồn và đích Việc xác định tập hợp các nút này để tạo thành đường dẫn dữ liệu là nhiệm vụ quan trọng trong thuật toán định tuyến Đặc biệt, trong mạng quy mô lớn, việc định tuyến trở nên khó khăn hơn, đòi hỏi các thuật toán phải đáp ứng nhiều yêu cầu thiết kế như độ chính xác, tính ổn định, khả năng tối ưu hóa và khả năng thích ứng với sự thay đổi của các thông số.
Hình 2.1 Mô hình truyền dữ liệu giữa sink và các nút
Mạng cảm biến có đặc tính nội tại như giới hạn băng thông và năng lượng, điều này tạo ra thách thức cho các giao thức định tuyến Các giao thức này cần phải đảm bảo đáp ứng yêu cầu lưu lượng trong khi vẫn duy trì thời gian sống lâu dài cho mạng.
Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến
Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến là một thách thức lớn, đòi hỏi sự cân bằng giữa tốc độ phản hồi và hiệu quả Để đạt được sự cân bằng này, cần phải xem xét khả năng tính toán và truyền dẫn của các nút cảm biến, đồng thời điều chỉnh cho phù hợp với các yêu cầu về băng thông, tiêu thụ năng lượng và khả năng xử lý của các nút di động Việc phát triển một chiến lược định tuyến hợp lý là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của mạng cảm biến không dây.
Việc thiết kế giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây cần xem xét các giới hạn về công suất và tài nguyên của từng nút, cũng như chất lượng kênh vô tuyến và khả năng mất gói Để đáp ứng các yêu cầu này, nhiều chiến lược định tuyến đã được phát triển Bảng (3.1) phân loại một số giao thức dựa trên các tiêu chí khác nhau Một loại giao thức sử dụng kiến trúc phẳng, trong đó các nút có vai trò như nhau, mang lại lợi ích như giảm thiểu số lượng đầu mối cần thiết và khả năng khám phá nhiều đường dẫn giữa các nút để tăng cường độ tin cậy.
Phân cấp theo cụm là một phương pháp hiệu quả trong mạng, giúp tối ưu hóa năng lượng, tăng cường sự ổn định và khả năng mở rộng Trong giao thức này, các nút mạng tự tổ chức thành các cụm, với một nút chủ có mức năng lượng cao hơn để điều phối hoạt động trong cụm và chuyển tiếp thông tin giữa các cụm Việc này không chỉ giảm thiểu tiêu thụ năng lượng mà còn kéo dài thời gian sống của mạng.
Loại giao thức định tuyến thứ 3 áp dụng phương pháp trung tâm dữ liệu để phân phối sự quan tâm (interest) trong mạng Phương pháp này dựa trên thuộc tính tên, cho phép nút nguồn truy vấn một thuộc tính của hiện tượng thay vì chỉ một nút cụ thể.
Bảng 2.1 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN
Phân phối quan tâm trong mạng được thực hiện thông qua việc gán nhiệm vụ cho các cảm biến, tập trung vào những câu hỏi liên quan đến các thuộc tính riêng lẻ Các giao thức khác có thể truyền tải quan tâm tới các nút thông qua các phương pháp như quảng bá, thuộc tính dựa trên multicast và geo-casting.
Giao thức thứ 4 sử dụng vị trí để xác định địa chỉ cho các nút cảm biến, rất hữu ích cho các ứng dụng yêu cầu biết vị trí của các nút trong khu vực địa lý được mạng bao phủ Giao thức này hỗ trợ hiệu quả trong việc xử lý các truy vấn từ nút nguồn.
Giao thức trung tâm dữ liệu
Flooding là kỹ thuật chung thườngđược sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong mạng adhoc vô tuyến và hữu tuyến
Chiến lược định tuyến đơn giản này không yêu cầu cấu hình mạng phức tạp, sử dụng phương pháp reactive để gửi dữ liệu đến các nút lân cận Mỗi gói tin sẽ được truyền qua tất cả các đường có thể, đảm bảo rằng trừ khi mạng bị ngắt, các gói sẽ luôn đến được đích.
Hình 2.2 Truyền gói trong Flooding
Khi cấu hình mạng thay đổi, các gói dữ liệu sẽ truyền theo những tuyến mới, dẫn đến việc tạo ra vô hạn bản sao của mỗi gói khi đi qua các nút Giải thuật này gặp phải ba nhược điểm lớn: đầu tiên là hiện tượng bản tin kép, khi hai gói dữ liệu giống nhau được gửi đến cùng một nút; thứ hai là hiện tượng chồng chéo, khi các nút cảm nhận cùng một vùng không gian và tạo ra các gói tương tự gửi đến các nút lân cận; và cuối cùng, thuật toán này không chú ý đến vấn đề năng lượng của các nút, khiến chúng nhanh chóng tiêu hao năng lượng và giảm thời gian sống của mạng.
Gossiping là một cải tiến trong giao thức truyền thông, cho phép mỗi nút ngẫu nhiên gửi gói tin nhận được đến một trong các nút lân cận Thuật toán này giúp giảm thiểu số lượng gói tin lan truyền trong mạng và ngăn chặn hiện tượng bản tin kép Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là gói tin có thể không bao giờ đến được đích.
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu, nhằm tối ưu hóa việc quan sát môi trường qua các nút cảm biến trong mạng Giao thức này hoạt động dựa trên nguyên tắc thích ứng tài nguyên và sắp xếp dữ liệu, cho phép các nút nhận biết nội dung dữ liệu trước khi truyền SPIN sử dụng tên dữ liệu để kết hợp mô tả dữ liệu (metadata) với dữ liệu tạo ra, từ đó thực hiện dàn xếp dữ liệu trước khi gửi đi Nơi nhận dữ liệu có thể thể hiện mối quan tâm bằng cách gửi yêu cầu lấy dữ liệu, đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến các nút quan tâm, giảm thiểu tình trạng bản tin kép và truyền dữ liệu dư thừa Việc sử dụng bộ mô tả dữ liệu cũng giúp loại trừ khả năng chồng lấn, khi các nút chỉ quan tâm đến tên loại dữ liệu cụ thể.
Việc thích ứng tài nguyên giúp các nút cảm biến chạy SPIN điều chỉnh theo trạng thái năng lượng hiện tại Mỗi nút có khả năng dò tìm bộ quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng trước khi tiến hành truyền hoặc xử lý dữ liệu Khi năng lượng còn lại thấp, các nút có thể giảm hoặc loại bỏ một số hoạt động như truyền dữ liệu hoặc gói tin Sự thích nghi này góp phần gia tăng thời gian sống của mạng Để thực hiện việc truyền và sắp xếp dữ liệu, các nút sử dụng giao thức với ba loại bản tin khác nhau.
Hình 2.3 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN
Hình 2.4 Hoạt động của SPIN
Hoạt động của SPIN bao gồm 6 bước chính Bước 1 là gửi ADV để thông báo dữ liệu mới tới các nút trong mạng Bước 2 là gửi REQ để yêu cầu dữ liệu mà các nút quan tâm Sau khi nhận được ADV, các nút sẽ gửi REQ để lấy dữ liệu Bước 3 là nhận bản tin DATA, chứa dữ liệu cảm biến và thông tin mô tả kèm theo Bước 4, nút nhận dữ liệu sẽ chia sẻ thông tin này bằng cách phát bản tin ADV với mô tả dữ liệu Bước 5, các nút lân cận sẽ gửi REQ để yêu cầu dữ liệu Cuối cùng, bước 6 là truyền DATA đến các nút đã yêu cầu.
Giao thức SPIN có một số hạn chế, đặc biệt là khi nút trung gian không chú ý đến dữ liệu cụ thể nào đó, dẫn đến việc dữ liệu không thể đến được đích mong muốn.
2.5.3 Directed Diffusion Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đốivới việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính của phương pháp này là tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin,định vị trong vùng lân cận mạng Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đường truyền dẫn Đặc điểm duy nhấtcủa giao thức này là sự kết hợp với khả năng của nút để có thể tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng
The main components of this protocol include four elements: interest (network interests), data message (data packets), gradient, and reinforcements Directed diffusion utilizes a publish-and-subscribe model, where a sink node describes its interests using a pair of attribute-value pairs.
Bảng (2.2) miêu tả cặp thuộc tính-giá trị, các nút cảm biến có khả năng đáp ứng interest này sẽ trả lời kèm theo dữ liệu tươngứng
Hoạt động của Directed Diffusion được mô tả như sau: Mỗi khi có nhiệm vụ cảm biến tích cực, nút sink sẽ gửi quảng bá bản tin interest theo chu kỳ đến các nút lân cận Bản tin này sẽ được truyền qua tất cả các nút trong mạng như một sự quan tâm đến dữ liệu cụ thể Mục tiêu chính của quá trình thăm dò này là xác định xem có nút cảm biến nào có khả năng tìm kiếm dữ liệu tương ứng với interest hay không Tất cả các nút đều duy trì một bộ nhớ cache interest để lưu trữ các mục interest khác nhau.
Bảng 2.2 Miêu tả interert sử dụng cặp thuộc tính-giá trị
Mỗi mục trong cache lưu trữ một interest khác nhau, bao gồm các trường như nhãn thời gian, gradient cho mỗi nút lân cận và trường duration Nhãn thời gian ghi lại thời điểm nhận được interest cuối cùng, trong khi mỗi gradient lưu trữ tốc độ dữ liệu và chiều gửi dữ liệu Tốc độ dữ liệu được xác định từ thuộc tính khoảng thời gian trong bản tin interest, và trường duration xác định thời gian tồn tại của interest.
Gradient là liên kết phản hồi của các nút lân cận khi nhận bản tin interest Việc truyền bản tin interest trên toàn mạng cùng với việc thiết lập gradient tại mỗi nút giúp tìm kiếm và thiết lập các đường dẫn giữa sink yêu cầu dữ liệu và các nút cung cấp thông tin đó.
Khi một nút phát hiện sự kiện, nó sẽ tìm kiếm trong cache để xác định có interest phù hợp hay không Nếu có, nó sẽ tính toán tốc độ sự kiện cao nhất cho tất cả các gradient lối ra và thiết lập một phân hệ cảm biến để lấy mẫu các sự kiện này Các nút sau đó gửi mô tả về sự kiện cho các nút lân cận có gradient Những nút lân cận này kiểm tra cache để tìm entry phù hợp; nếu không có, chúng sẽ loại bỏ dữ liệu, còn nếu có, chúng sẽ thêm bản tin vào cache và tiếp tục gửi dữ liệu cho các nút lân cận khác.
Hình 2.5 Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion
Khi một nút nhận được một interest, nó sẽ kiểm tra trong cache của mình xem có entry nào phù hợp hay không Nếu không có, nút sẽ tạo một entry mới, sử dụng thông tin từ interest để thiết lập các thông số trong entry Entry này bao gồm các trường gradient với tốc độ và chiều tương ứng với nút lân cận Nếu interest đã có trong cache, nút sẽ cập nhật nhãn thời gian và trường duration cho phù hợp Một trường gradient sẽ bị loại bỏ khỏi entry nếu nó quá hạn.
Trong quá trình thiết lập gradient, các sink sẽ tạo ra một tập hợp các đường dẫn nhằm tối ưu hóa tốc độ dữ liệu với sự kiện chất lượng cao Điều này được thực hiện thông qua quy trình tăng cường đường dẫn, cho phép sink tận dụng sự hỗ trợ từ các nút lân cận Bằng cách gửi lại bản tin interest nguồn với tốc độ cao qua các đường dẫn đã chọn, sink có thể gia tăng tần suất gửi dữ liệu từ các nút nguồn Một ưu điểm của phương pháp directed diffusion là khả năng thay thế nhanh chóng các đường dẫn bị lỗi bằng những đường dẫn có tốc độ dữ liệu thấp hơn, đảm bảo tính liên tục trong việc truyền tải thông tin.
Kỹ thuật định tuyến này ổn định dưới phạm vi mạng động Loại giao thức định tuyến này tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Giao thức phân cấp
LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một giao thức phân cấp nhằm thu thập và phân phối dữ liệu đến các trạm cơ sở, với mục tiêu chính là tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây Giao thức này giúp cải thiện hiệu quả truyền tải dữ liệu bằng cách tạo ra các cụm, từ đó giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ của mạng.
- Mở rộng thời gian sống của mạng
- Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng
LEACH sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền dẫn trong mạng bằng cách tổ chức thành các cụm, mỗi cụm được quản lý bởi một nút chủ Nút chủ có trách nhiệm thu thập dữ liệu từ các nút thành viên theo chu kỳ, đồng thời cố gắng giảm thiểu dư thừa dữ liệu tương quan Sau khi tập hợp, nút chủ sẽ truyền dữ liệu đã được xử lý đến các trạm cơ sở qua phương thức single hop Thêm vào đó, LEACH thiết lập mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA, trong đó mỗi nút trong cụm được gán một khe thời gian để truyền tin.
Mô hình LEACH, như trong hình vẽ (3.6), cho phép các nút chủ quảng bá mô hình TDMA đến các nút thành viên trong cụm Để giảm thiểu xung đột giữa các nút cảm biến, LEACH áp dụng mô hình truy cập đa phân chia theo mã CDMA Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha: pha thiết lập và pha ổn định Pha thiết lập gồm hai bước, bao gồm lựa chọn nút chủ và thông tin về cụm, trong khi pha ổn định tập trung vào thu lượm, tập trung và truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn so với bước thiết lập nhằm giảm thiểu hiện tượng mào đầu.
Hình 2.6 Mô hình mạng LEACH
Trong bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và
1 Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ T(n) được tính như sau:
Trong đó: p: tỉ lệ phần trăm nút chủ r: chu kì hiện tại G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối
Sau khi được chọn làm nút chủ, các nút này sẽ thông báo vai trò mới của mình cho các nút còn lại trong mạng Các nút khác sẽ dựa vào thông tin và cường độ tín hiệu nhận được để quyết định xem có tham gia vào cụm hay không Sau đó, các nút này sẽ thông báo cho nút chủ về mong muốn trở thành thành viên của cụm mà nút chủ quản lý.
Trong quá trình tạo cụm, các nút chủ sẽ phát triển và phân phối mô hình TDMA cho các nút thành viên Mỗi nút chủ cũng sẽ chọn một mã CDMA và thông báo cho các thành viên trong cụm Sau khi quá trình thiết lập hoàn tất, pha ổn định trạng thái bắt đầu, các nút trong cụm sẽ thu thập dữ liệu và sử dụng các khe thời gian để truyền dữ liệu đến nút chủ.
Dữ liệu được thu thập theo chu kỳ, và mô phỏng cho thấy giao thức LEACH giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả Mức độ tiết kiệm năng lượng này chủ yếu phụ thuộc vào hệ số tập trung dữ liệu của các nút chủ trong cụm.
Tuy nhiên LEACH cũng có một số khuyết điểm sau:
Giả định rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền dữ liệu đến trạm cơ sở qua một bước nhảy là không thực tế, do dự trữ năng lượng và khả năng của các nút thay đổi theo thời gian Thêm vào đó, khoảng chu kỳ ổn định trạng thái là yếu tố quan trọng để giảm năng lượng cần thiết, bù đắp lượng mào đầu gây ra bởi quá trình xử lý lựa chọn cụm Chu kỳ ngắn sẽ làm tăng lượng mào đầu, trong khi chu kỳ dài sẽ nhanh chóng tiêu hao năng lượng của nút chủ.
LEACH là một thuật toán phân tán giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách phân bổ yêu cầu năng lượng cho tất cả các nút trong mạng, với vai trò nút chủ được luân chuyển dựa trên năng lượng còn lại Thuật toán này không cần sự quản lý từ trạm cơ sở, cho phép quản lý cụm diễn ra cục bộ mà không yêu cầu hiểu biết về toàn bộ mạng Hơn nữa, việc tập trung dữ liệu theo cụm giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, vì các nút không cần gửi dữ liệu trực tiếp đến sink.
PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems), PEGASIS phân cấp là một họ các giao thức định tuyến và tập trung thông tin trong mạng cảm biến
Giao thức này nhằm kéo dài tuổi thọ của mạng bằng cách tối ưu hóa việc tiêu thụ năng lượng đồng nhất và nâng cao hiệu suất năng lượng tại tất cả các nút Đồng thời, nó cũng giúp giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền dữ liệu đến sink.
Giao thức này nghiên cứu mô hình mạng với các nút đồng nhất phân bố trên một khu vực địa lý, có khả năng nhận biết vị trí của các nút khác và điều khiển công suất cũng như vùng phủ sóng Các nút được trang bị bộ thu phát sóng hỗ trợ CDMA, có nhiệm vụ thu thập và truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở Mục tiêu là phát triển cấu trúc định tuyến và sơ đồ tập trung dữ liệu nhằm giảm thiểu tiêu thụ công suất và đảm bảo truyền dữ liệu đến trạm cơ sở với độ trễ thấp nhất, đồng thời cân bằng mức tiêu thụ công suất giữa các nút trong mạng.
Giải thuật này sử dụng mô hình cấu trúc dạng chuỗi
Dựa trên mô hình này, các nút sẽ giao tiếp với nút hàng xóm gần nhất Chuỗi bắt đầu từ nút xa sink nhất và dần dần các nút mạng được thêm vào, tạo thành một chuỗi lớn hơn từ nút hàng xóm gần nhất Các nút được gán vào chuỗi theo cách greedy, từ nút lân cận gần nhất đến các nút còn lại trong mạng Để xác định nút lân cận gần nhất, mỗi nút sử dụng cường độ tín hiệu để đo khoảng cách tới các nút xung quanh Dựa trên dữ liệu này, các nút điều chỉnh cường độ tín hiệu để chỉ có nút lân cận gần nhất có thể nhận tín hiệu.
Trong chuỗi, một nút sẽ được chọn làm nút chủ với nhiệm vụ truyền dữ liệu đến trạm cơ sở Vị trí của nút chủ sẽ được thay đổi sau mỗi chu kỳ, chu kỳ này do sink quản lý Việc chuyển trạng thái giữa các vòng có thể được khởi động bằng tín hiệu công suất cao từ sink Quá trình quay vòng nút chủ giúp đảm bảo công bằng trong việc tiêu thụ năng lượng giữa các nút trong mạng Tuy nhiên, cần lưu ý rằng sự thay đổi này có thể khiến nút chủ di chuyển xa trạm cơ sở, dẫn đến việc cần yêu cầu công suất cao để truyền dữ liệu.
Trong mạng dọc theo chuỗi, dữ liệu được tập trung theo một quy trình cụ thể Đầu tiên, chain leader gửi một thẻ bài đến nút cuối cùng bên phải Khi nhận được tín hiệu, nút cuối sẽ chuyển dữ liệu thu thập được đến nút lân cận theo chiều xuôi Quá trình này tiếp tục khi mỗi nút tập trung dữ liệu và gửi đến nút gần nhất cho đến khi dữ liệu đến nút chủ Cuối cùng, nút chủ sẽ tập trung dữ liệu một lần nữa và gửi đến sink.
Mô hình tập trung dữ liệu dạng chuỗi, mặc dù đơn giản, có thể gây ra độ trễ khi dữ liệu được truyền đến sink Để giảm thiểu độ trễ này, một giải pháp hiệu quả là tập trung dữ liệu song song dọc theo chuỗi Đặc biệt, việc sử dụng các nút trang bị bộ thu phát CDMA sẽ giúp giảm độ trễ một cách đáng kể.
Sử dụng PEGASIS giúp khắc phục vấn đề mào đầu do sự hình thành cụm động trong LEACH, đồng thời giảm số lần truyền và nhận dữ liệu thông qua việc tập hợp thông tin Tuy nhiên, PEGASIS gặp phải độ trễ đường truyền lớn đối với các nút xa trong chuỗi, và có thể xảy ra hiện tượng thắt cổ chai tại nút chính.
Giao thức dựa trên vị trí
Mục tiêu chính của giải thuật định tuyến dựa trên thông tin vị trí của các nút cảm biến là tìm đường đi hiệu quả đến đích Giải thuật này đặc biệt phù hợp với mạng cảm biến, nơi việc tập trung dữ liệu giúp giảm thiểu việc truyền tin đến trạm cơ sở bằng cách loại bỏ sự dư thừa giữa các gói tin từ các nguồn khác nhau Đồng thời, loại định tuyến này yêu cầu tính toán và lượng mào đầu truyền dẫn thấp Bài viết sẽ xem xét một số giao thức định tuyến dựa trên vị trí.
Giải thuật chính xác theo địa lý (GAF) là một phương pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả, chủ yếu áp dụng cho các mạng ad hoc di động và mạng cảm biến GAF tận dụng sự dư thừa dữ liệu bằng cách coi một nhóm nút con trong mạng là tương đương về mặt giao thức Nó chia vùng quan sát thành các hình vuông nhỏ, trong đó các nút có thể giao tiếp vô tuyến với nhau GAF giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách tắt các nút không cần thiết mà không làm giảm độ chính xác của định tuyến, tạo ra một lưới ảo cho khu vực bao phủ Mỗi nút sử dụng GPS để xác định vị trí và kết hợp với các điểm tương đương trên lưới nhằm tối ưu hóa chi phí định tuyến Nhờ vào sự tương đương này, GAF có thể duy trì các nút trong trạng thái nghỉ, từ đó kéo dài tuổi thọ của mạng cảm biến khi số lượng nút tăng lên.
Các nút 2, 3 và 4 trong mạng lưới có thể truyền tín hiệu tới nút 5, với khả năng có 2 trong số 3 nút này ở trạng thái nghỉ Các nút sẽ chuyển đổi giữa trạng thái nghỉ và hoạt động để đảm bảo tải được phân bổ một cách cân bằng Trong GAF, có ba trạng thái chính được định nghĩa: phát hiện (discovery) để xác định các nút lân cận, hoạt động (active) để tham gia vào quá trình định tuyến, và nghỉ (sleep) khi các nút không hoạt động.
Sự chuyển trạng thái trong GAF được thể hiện qua hình (2.8), cho thấy thời gian nghỉ của mỗi nút phụ thuộc vào các thông số điều chỉnh trong quá trình định tuyến Để kiểm soát độ di động, mỗi nút trong lưới ước lượng thời gian rời khỏi lưới của nó và gửi thông tin này đến các nút lân cận.
Hình 2.7.Ví dụ về lưới ảo trong GAF
Các nút trong mạng không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ của mình dựa trên thông tin từ các nút lân cận để đảm bảo định tuyến chính xác Trước khi thời gian nghỉ của các nút hoạt động hết hạn, các nút đang nghỉ sẽ thoát khỏi trạng thái đó và một trong số chúng sẽ trở thành nút hoạt động GAF được áp dụng cho cả mạng có nút không di động (GAF cơ bản) và mạng có nút di động (GAF thích ứng di động).
Hình 2.8 Sự chuyển trạng thái trong GAF
GAF duy trì hoạt động của mạng bằng cách giữ cho các nút đại diện luôn hoạt động trong từng vùng của lưới ảo Kết quả mô phỏng cho thấy GAF có hiệu suất tương đương với giao thức định tuyến trong mạng ad hoc thông thường về tổn thất gói, đồng thời kéo dài thời gian sống của mạng nhờ tiết kiệm năng lượng Mặc dù GAF là giao thức dựa trên vị trí, nó cũng có thể được xem như một giao thức phân cấp với các cụm dựa trên vị trí địa lý Trong mỗi vùng lưới xác định, nút đại diện hoạt động như nút chủ để truyền dữ liệu đến các nút khác, nhưng không thực hiện nhiệm vụ hợp nhất hay tập trung dữ liệu như các giao thức phân cấp thông thường.
Yu et al đã đề xuất việc sử dụng thông tin địa lý để phân phối các yêu cầu đến các khu vực thích hợp, vì các yêu cầu dữ liệu thường liên quan đến các thuộc tính địa lý Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) tận dụng nhận thức về năng lượng và thông báo thông tin địa lý tới các nút lân cận Việc định tuyến thông tin theo vùng địa lý rất hữu ích trong các hệ thống xác định vị trí, đặc biệt là trong mạng cảm biến Ý tưởng này giúp hạn chế số lượng yêu cầu trong Directed Diffusion bằng cách tập trung vào một vùng xác định thay vì gửi yêu cầu tới toàn bộ mạng GEAR cải tiến hơn Directed Diffusion, từ đó tiết kiệm được nhiều năng lượng hơn.
Trong giao thức GEAR, mỗi nút duy trì hai loại chi phí: chi phí ước lượng (estimated cost) và chi phí học được (learned cost) để định hướng đến đích thông qua các nút lân cận Chi phí ước lượng kết hợp năng lượng còn lại và khoảng cách đến đích, trong khi chi phí học được là sự cải tiến của chi phí ước lượng, giúp định tuyến hiệu quả qua các hốc trong mạng Hốc xảy ra khi một nút không có nút lân cận nào gần hơn đến vùng đích so với chính nó Khi không có hốc, chi phí ước lượng và chi phí học được sẽ bằng nhau Chi phí học được được truyền ngược lại một hop mỗi khi gói tin đến đích, giúp điều chỉnh việc thiết lập đường cho gói tiếp theo.
Có 2 pha trong giải thuật này:
GEAR sử dụng phương pháp tự chọn nút lân cận dựa trên năng lượng và vị trí địa lý để định tuyến gói tin đến vùng đích một cách hiệu quả.
Khi có nhiều nút lân cận gần hơn so với đích, thuật toán GEAR sẽ lựa chọn nút tiếp theo trong số tất cả các nút lân cận này Điều này giúp tối ưu hóa quá trình tìm kiếm và đảm bảo hiệu quả trong việc đạt được mục tiêu.
Khi tất cả các nút đều ở xa, sẽ xuất hiện một lỗ hổng GEAR sẽ chọn nút tiếp theo để tối thiểu hóa chi phí của nút lân cận Trong tình huống này, một trong các nút lân cận được chọn để chuyển tiếp gói dựa trên chi phí đã học Lựa chọn này có thể được cập nhật trong quá trình truyền gói khi chi phí đã học hội tụ.
Chuyển tiếp gói trong vùng có thể thực hiện qua hai phương pháp chính: chuyển tiếp địa lý đệ quy và flooding có giới hạn Flooding có giới hạn hiệu quả trong các mạng sensor có mật độ thấp, trong khi đó, đối với mạng có mật độ cao, chuyển tiếp địa lý đệ quy lại tiết kiệm năng lượng hơn Trong trường hợp mật độ cao, vùng được chia thành 4 phần nhỏ và tạo ra 4 bản sao của gói, quá trình này tiếp tục cho đến khi chỉ còn 1 nút Tuy nhiên, ở những vùng có mật độ thấp, chuyển tiếp địa lý đệ quy có thể không hoàn thành, dẫn đến việc định tuyến không hiệu quả Khi đó, flooding có giới hạn sẽ được áp dụng.
Hình 2.9.Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR
Kết luận
Chương này tổng kết nhiều giao thức định tuyến, mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng Hiện nay, nhiều cải tiến cho các giao thức này đã được đưa ra với kết quả khả quan Việc lựa chọn giao thức phù hợp hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng triển khai Mặc dù các thuật toán định tuyến hứa hẹn hiệu quả năng lượng, nghiên cứu tiếp theo cần xác định rõ vấn đề chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng cảm biến hình ảnh và ứng dụng thời gian thực.