Giao thức định tuyến LEACH trong WSN

Đồ án tốt nghiệp Mục lục
MỤC LỤC
SVTH: Nguyễn Trọng Dương, lớp: D06VT1 1
Đồ án tốt nghiệp Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
CDMA
Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CSMA
Carrier Sense Multiple
Access
Đa truy nhập cảm nhận theo sóng
mang
DS-SS
Direct Sequence - Spread
Spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
GAF
Geographic Adaptive
Fidelity
Chính xác tương thích địa lý
GEAR
Geographic and Energy-
Aware Routing
Định tuyến dựa theo sự nhận biết
về địa lý và năng lượng
IEEE

Institute of Electrical and
Electronic Engineers
Viện kỹ thuật điện và điện tử
ISM
Industrial, scientific, and
medical
Công nghiệp, khoa học, y tế
LEACH
Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
Phân nhóm phân bậc tương thích
năng lượng thấp
LEACH-
C
Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy-
Centralized
Phân nhóm phân bậc tương thích
năng lượng thấp - tập trung
LEACH-
F
Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy-
Fixed
Phân nhóm phân bậc tương thích
năng lượng thấp - Cố định
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
PAN Personal Area Network Mạng vùng cá nhân
PEGASIS

Power-efficient Gathering
in Sensor Information
System
Tập trung hiệu suất năng lượng
trong hệ thống thông tin cảm biến
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
SAR
Sensor Aggregates
Routing
Giao thức cảm biến kết hợp
SMP
Sensor Management
Protocol
Giao thức quản lý cảm biến
SPIN
Sensor Protocols for
Information via
Negotiation
Giao thức thông tin cảm biến
thông qua sự đàm phán
SPIN-BC
Sensor Protocols for
Information via
Negotiation - Broadcast
media
Giao thức thông tin cảm biến
thông qua sự đàm phán – môi
trường quảng bá
SPIN-EC
SPIN-PP with a low

energy threshold
Giao thức thông tin cảm biến
thông qua sự đàm phán – điểm
điểm với mức ngưỡng năng
lượng thấp
SPIN-PP
Sensor Protocols for
Information via
Negotiation – Point to
Point
Giao thức thông tin cảm biến
thông qua sự đàm phán – điểm
điểm
SPIN-RL SPIN-BC for lossy
networks
Giao thức thông tin cảm biến
thông qua sự đàm phán – môi
Đồ án tốt nghiệp Thuật ngữ viết tắt
trường quảng bá cho mạng suy
hao
TDMA
Task Assignment and Data
Advertisement Protocol
Đa truy nhập và phân chia theo
thời gian
UWB Ultra-Wideband Băng siêu rộng
WPAN
Wireless Personal Area
Network
Mạng vô tuyến cá nhân

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây
Đồ án tốt nghiệp Lời mở đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ và truyền thông đã đạt được những bước
phát triển ấn tượng và đang đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống của con người.
Chính sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã làm cho hoạt động trao đổi thông
tin trở thành một đặc trưng của xã hội hiện đại. Tuy nhiên, xã hội càng tiến bộ thì
những nhu cầu của con người ngày càng phong phú và khắt khe hơn. Để đáp ứng được
tốt yêu cầu đó, đòi hỏi những người trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học phải không
ngừng sáng tạo để tìm ra những giải pháp công nghệ mới, không những chỉ đáp ứng
tốt nhu cầu hiện tại của xã hội, mà còn định hướng cho những ứng dụng mới trong
tương lai. Sự ra đời của mạng cảm biến không dây WSN được đánh giá là một trong
những ví dụ điển hình của những giải pháp công nghệ như vậy.
Mạng WSN có những ưu thế vượt trội như khả năng ứng dụng phong phú, chi
phí triển khai thấp do các nút mạng có giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng nhưng vẫn
đảm bảo khả năng cảm biến và truyền thông tốt. Tuy nhiên, bất cứ một hệ thống nào
có tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi cũng đều phải đối mặt với rất nhiều thách thức,
và WSN cũng không phải là một ngoại lệ. Một trong những thách thức lớn nhất của
mạng cảm biến là nguồn năng lượng của các nút cảm biến bị giới hạn và không thể
nạp lại. Để giải quyết vấn đề đó, hiện nay, rất nhiều hướng nghiên cứu đang tập trung
vào việc tìm ra giải pháp để cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng
cho mạng cảm biến nhưng đáng chú ý nhất là phương pháp sử dụng giao thức định
tuyến phù hợp. Kết quả là rất nhiều giao thức định tuyến đã được đưa ra, trong đó,
những giao thức định tuyến phân cấp được đánh giá là rất hiệu quả.
Để nắm bắt được một công nghệ mới là một việc rất khó khăn, do đó, quyển đồ
án này không nghiên cứu toàn bộ các giao thức định tuyến phân cấp mà tập trung vào
nghiên cứu “Giao thức định tuyến LEACH trong WSN”. Đặc biệt chú trọng vào
những ưu điểm nổi trội của giao thức LEACH, đồng cũng chỉ ra những nhược điểm
còn tồn tại, từ đó, đề xuất những giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của giao
thức thông qua mô phỏng trên nền OMNeT++ trong ba chương:

Chương I: Định tuyến trong mạng WSN. Chương này đưa ra cái nhìn tổng quan
về WSN, bao gồm khái niệm, ứng dụng và một số giao thức định tuyến chính đang
được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng WSN.
Chương II: Giao thức định tuyến LEACH. Chương này tập trung vào phân tích
hoạt động và thuật toán của giao thức LEACH. Từ đó, đánh giá ưu điểm, nhược điểm
và đề suất hai giao thức LEACH cải tiến là LEACH-C và LEACH-F.
Chương III: Đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của các giao thức định tuyến
LEACH bằng công cụ mô phỏng OMNeT++. Ba giao thức định tuyến trên đang được
sử dụng rộng rãi trong WSN, chương này sẽ đi sâu phân tích, xây dựng chương trình
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1
6
Đồ án tốt nghiệp Lời mở đầu
mô phỏng ba thuật toán LEACH, LEACH-C và LEACH-F trên nền OMNeT++, qua
đó, phân tích, đánh giá ưu điểm của mỗi giao thức.
Để hoàn thành được đồ án này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về mặt
kiến thức cũng như kinh nghiệm của các thầy giáo, cô giáo khoa Viễn thông I, Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
Cô giáo: ThS. Nguyễn Thị Thu Hằng, người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá
trình làm đồ án.
Mặc dù đã nỗ lực cố gắng, song với thời gian hạn chế, quyển đồ án chắc chắn
không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của thầy
giáo, cô giáo.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, Ngày 29 thánh 11 năm 2010
Sinh viên
Nguyễn Trọng Dương
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1
7
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
CHƯƠNG 1: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG WSN

Chương một sẽ trình bày những thông tin khái quát về ý tưởng và những ứng
dụng của mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network), đồng thời
cũng chỉ ra những thách thức về mặt kỹ thuật mà mạng WSN phải đối mặt và các giải
pháp công nghệ hiện tại được đưa ra để giải quyết các vấn đề đó. Trong đó, tập trung
chủ yếu vào vấn đề thiết kế giao thức định tuyến.
Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày khái quát một số giao thức định tuyến
được sử dụng phổ biến trong WSN. Để từ đó, nhận thấy được vai trò và khả năng ứng
dụng của đề tài nghiên cứu “giao thức định tuyến LEACH trong WSN” vào thực tiễn
xây dựng và triển khai mạng WSN.
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Tổng quan về WSN
Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) được định nghĩa
là một mạng lưới được hình thành từ số lượng lớn các nút cảm biến và có ít nhất một
trạm gốc. Nút cảm biến là những thiết bị nhỏ gọn, có khả năng tự hành và hoạt động
trong một số điều kiện đặc biệt như: sử dụng nguồn năng lượng pin, tiêu tốn ít năng
lượng và có đầy đủ các tính năng để thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán,
lưu trữ dữ liệu nhằm đưa ra các nhận định toàn cục về môi trường xung quanh. Ngoài
ra, chúng cũng được trang bị bộ thu, phát vô tuyến để truyền thông với trạm gốc, là nơi
mà các thông số từ nút gửi về sẽ được phân tích, tính toán, lưu trữ và luôn sẵn sàng
cho người sử dụng [1][18].
Hình 1.1: Mô
hình mạng
cảm biến
thông thường
Có rất
nhiều lý do
khiến WSN
trở thành
một trong
những đề tài

Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 8
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
nghiên cứu hấp dẫn nhất trong lĩnh vực viễn thông những năm gần đây, trong đó, quan
trọng nhất là khả năng triển khai mạng và khả năng đáp ứng được rất nhiều ứng dụng
thực tế khác nhau của nó. Ngày nay, nhờ những tiến bộ trong công nghệ cảm biến, chi
phí để xây dựng một mạng WSN được giảm đáng kể, thời gian sống của các nút cảm
biến cũng được cải thiện, thêm vào đó là ưu điểm của mạng WSN là rất đơn giản trong
xây dựng và lập trình mạng. Tuy nhiên, nhân tố cốt lõi và quan trọng nhất khiến WSN
được xem như là một công nghệ mới đầy hứa hẹn chính là ở khả năng cung cấp những
ứng dụng thực tế của nó. Với công nghệ cảm biến hiện đại, các Nút cảm biến ngày nay
có thể cảm biến được số lượng lớn tham số vật lý, từ những tham số đã rất phổ biến
như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và tia hồng ngoại, âm thanh, trấn động, áp lực, các cảm
biến hóa học, từ trường… cho đến những loại tham số vô cùng tinh vi như: khả năng
nhận thức (ví dụ như các cảm biến tương tác hoặc di chuyển). Chính nhờ khả năng
cảm biến được rất nhiều thông số vật lý đó mà WSN ngày càng được ứng dụng rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, giám sát môi trường và đa dạng sinh học, căn hộ
thông minh, quản lý nhà máy hoặc các ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe con người.
Trong tương lai gần, WSN và các ứng dụng của nó sẽ đóng vai trò thiết yếu trong cuộc
sống của con người [7].
Thiết kế một mô hình mạng WSN chung duy nhất để đáp ứng được hàng loạt các
ứng dụng trên là vô cùng khó khăn, do đó, với mỗi một loại ứng dụng cụ thể, chúng ta
phải thiết kế một kiểu mạng WSN phù hợp với nó. Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế,
tựu trung lại, WSN có một số đặc điểm như:
 Chất lượng dịch vụ: Thông thường, những thông số về chất lượng dịch vụ
truyền thống (thường bắt nguồn từ các ứng dụng đa phương tiện) như: giới hạn
về độ trễ hoặc băng thông tối thiểu không phải là yêu cầu quan trọng trong
WSN. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, việc truyền các gói tin theo chu kỳ
lại được đặt lên hàng đầu, hoặc trong một số trường hợp khác, độ tin cậy của
thông tin, trễ,… lại là vấn đề rất quan trọng.
 Khả năng chịu lỗi: Yếu tố đặc biệt quan trọng là WSN phải có khả năng xử lý

được những vấn đề như: các nút có thể hết năng lượng hoặc bị hỏng, hoặc
truyền thông vô tuyến giữa hai nút bị ngắt.
 Thời gian sống: Trong hầu hết các kịch bản, nút cảm biến đều hoạt động nhờ
vào một nguồn cung cấp năng lượng có giới hạn (sử dụng pin). Việc thay thế
nguồn năng lượng của nút trên thực tế thường là không thực hiện được, đồng
thời, một mạng WSN phải duy trì được trong một khoảng thời gian yêu cầu
hoặc càng lâu càng tốt. Do đó, thời gian sống của mạng WSN trở thành một vấn
đề rất quan trọng.
 Khả năng mở rộng: Mạng WSN có thể bao gồm một số lượng rất lớn nút cảm
biến, do đó, kiến trúc và giao thức mạng được áp dụng phải có khả năng mở
rộng dễ dàng.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 9
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
 Khả năng duy trì: Cả môi trường hoạt động của WSN và bản thân nó luôn luôn
thay đổi, do đó, hệ thống phải có khả năng thích nghi tốt. Điều này đòi hỏi phải
có cơ chế giám sát trạng thái của các nút để điều chỉnh các thông số hoạt động
(ví dụ như chấp nhận cung cấp dữ liệu với chất lượng kém hơn khi nguồn năng
lượng yếu). Theo hướng này, mạng lưới phải tự bảo trì hoặc nó cũng có thể
tương tác với các cơ chế bảo trì bên ngoài để đảm bảo rằng nó có thể hoạt động
và đáp ứng được những tiêu chuẩn như yêu cầu.
Như vậy, bên cạnh những ưu thế có được, mạng WSN đang phải đối mặt với rất
nhiều thách thức đó là làm sao để tìm ra được các cơ chế có thể đáp ứng được tất cả
yêu cầu về đặc điểm trên. Một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng
lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập
trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến
trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong đó đáng chú ý nhất là phương pháp sử dụng giao
thức định tuyến phù hợp để tìm đường đi giữa các nút mạng, qua đó kéo dài đáng kể
thời gian sống của mạng WSN, đây chính là mục tiêu nghiên cứu của đồ án này.
1.1.2. Những hướng nghiên cứu WSN
Những nghiên cứu trong lĩnh vực WSN đã được thực hiện ở một vài mức độ, bắt

đầu từ mức phần tử, mức hệ thống và tất cả đều hướng tới mức độ ứng dụng. Các
nghiên cứu ở mức phần tử chủ yếu tập trung vào cải thiện khả năng cảm ứng, truyền
thông và tính toán của các thiết bị cảm biến riêng biệt. Những nghiên cứu ở mức độ hệ
thống tập trung vào việc tìm ra cơ chế nhằm thiết lập mạng lưới, phối hợp một số thiết
bị cảm biến với nhau và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả. Các nghiên cứu ở
mức độ ứng dụng thì quan tâm tới quá trình triển khai mạng cảm biến vào những ứng
dụng cụ thể [2].
 Mức độ phần tử: Với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, đặc
biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời của nhiều hệ thống vi điện tử hiện
đại, ít tiêu tốn năng lượng và khả năng xử lý tín hiệu rất tốt. Những phát minh
trong công nghệ điện tử chính là cơ sở cho sự ra đời của các bộ cảm biến với
kích thước nhỏ, giá thành rẻ và từ đó, mạng cảm biến WSN ngày càng được
ứng dụng rộng rãi.
Xuất phát từ yêu cầu cải thiện khả năng xử lý tín hiệu và truyền thông của các
nút cảm biến, hàng loạt các nghiên cứu ở mức phần từ ([2][5][17]) đã được tiến hành
và kết quả là rất nhiều phát kiến mới được ứng dụng nhằm cải thiện khả năng của nút
cảm biến. Những nghiên cứu ở mức phần tử chủ yếu tập trung vào những vấn đề sau:
Cải thiện khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh thông qua bộ cảm biến
và chuyển đổi thành tín hiệu số, nghiên cứu các công nghệ truyền thông (chủ yếu là vô
tuyến) giữa các nút cảm biến và giữa nút cảm biến với trung tâm, cải tiến công nghệ
chế tạo nhằm làm giảm giá thành và kích thước của nút cảm biến.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 10
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
 Mức độ hệ thống: Các nút cảm biến thông thường phải hoạt động với nguồn
năng lượng và băng thông hạn chế, hơn nữa, một mạng cảm biến lại bao gồm số
lượng nút rất lớn, do đó, quá trình thiết kế và quản lý mạng gặp rất nhiều khó
khăn. Chính những thách thức này là động lực cho những nghiên cứu ở mức độ
hệ thống nhằm cải thiện sự tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến.
Trong các nghiên cứu ở mức độ hệ thống, những giải pháp trong lớp vật lý và lớp
ứng dụng hoàn toàn có thể triển khai trong các ứng dụng khác nhau của mạng cảm

biến. Tuy nhiên, việc thiết kế lớp giao thức mạng trong quá trình triển khai mạng
WSN lại vô cùng phức tạp, vì mỗi một ứng dụng khác nhau, mạng cảm biến có những
đặc điểm, yêu cầu và thách thức khác nhau, nên đỏi hỏi phải có những giao thức định
tuyến phù hợp với nó. Chính vì vậy, những nghiên cứu ở mức độ hệ thống[3][4][5] tập
chung chủ yếu vào lớp mạng nhằm mục đích thiết kế các giao thức định tuyến tiết
kiệm năng lượng.
Kết quả của hướng nghiên cứu này là phát minh ra hàng loạt những thuật toán
định tuyến mới nhằm giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến. Các
giao thức định tuyến có thể phân chia thành ba loại: Giao thức định tuyến trung tâm dữ
liệu, giao thức định tuyến phân cấp và giao thức định tuyến căn cứ vào vị trí.
 Mức độ ứng dụng: Mạng cảm biến không dây WSN được đánh giá là có thể
cung cấp nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: quân sự, y học, môi trường,…
Những nghiên cứu ở mức độ ứng dụng chủ yếu tập trung tìm hiểu các thông số
liên quan tới vấn đề lắp đặt và vận hành mạng cảm biến theo cách hiệu quả
nhất.
1.1.3. Vấn đề định tuyến
Mặc dù mạng cảm biến có nhiều đặc điểm tương đồng với mạng Adhoc, nhưng
chúng cũng có một số đặc trưng riêng, đòi hỏi phải có các giải pháp công nghệ hoàn
toàn khác với mạng Adhoc. Do vậy, WSN yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến
mới, khác xa so với các giao thức định tuyến đã tồn tại trong mạng Adhoc. Quá trình
thiết kế giao thức định tuyến để WSN có thể đáp ứng được tốt những đặc trưng riêng
đó đã dẫn đến hàng loạt thách thức lớn và riêng có đối với WSN. Phần này, sẽ trình
bày những thách thức phải đối mặt trong quá trình thiết kế giao thức định tuyến cho
WSN [9].
Mục đích chính của mạng cảm biến là truyền thông dữ liệu trong mạng, đồng
thời, cố gắng kéo dài thời gian sống của mạng và ngăn chặn sự cố ngắt kết nối bằng
cách đưa ra những kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt. Trong khi thiết kế các giao
thức định tuyến, chúng ta thường gặp phải những vấn đề sau:
 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng:
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 11

Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
Các nút cảm biến hoạt động với sự giới hạn về khả năng tính toán, lưu trữ và
truyền dẫn dưới ràng buộc về năng lượng khắt khe. Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể mà
mật độ các nút cảm biến trong mạng sẽ được phân bổ khác nhau. Hơn nữa, trong nhiều
ứng dụng, số lượng các nút cảm biến có thể lên đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn
nút và được phân bổ trong một vùng rộng lớn. Trong mạng như vậy, bắt buộc các nút
cảm biến phải có khả năng thích nghi tốt, vì nó phải liên tục điều chỉnh để thích ứng
với sự thay đổi của môi trường mạng nhằm tự tổ chức và bảo toàn năng lượng.
 Ràng buộc về tài nguyên:
Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến phải được thiết kế với độ phức
tạp nhỏ nhất và dễ dàng triển khai trong phạm vi rộng để giảm chi phí toàn mạng.
Năng lượng là mối quan tâm chính trong mạng cảm biến không dây và vấn đề quản lý
năng lượng đã trở thành một thách thức chiến lược trong nhiều ứng dụng quan trọng.
Làm thế nào để kéo dài thời gian sống của mạng trong khi các nút hoạt động với sự
giới hạn về năng lượng dự trữ? Năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến phụ thuộc vào
khoảng cách truyền và môi trường có nhiều vật cản không. Trong hầu hết các trường
hợp, định truyến đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ năng lượng ít hơn là việc truyền
trực tiếp. Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu đề
(overhead) để điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền, do đó, định
truyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink.
 Phương pháp báo cáo số liệu:
Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà quá trình báo cáo số liệu trong WSN
có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc kết hợp
các phương pháp này. Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với những ứng
dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ, khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm
biến và bộ phát tín hiệu theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo
chu kỳ thời gian xác định. Trong trường hợp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các
nút cảm biến phải phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm
biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra
bởi nút gốc.

 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến:
Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các nút cảm biến và sink. Mô hình
này phụ thuộc nhiều vào đặc điểm của các ứng dụng cụ thể, mà như ta đã biết, mạng
WSN được thiết kế nhằm đáp ứng một số lượng lớn ứng dụng thực tiễn. Trong một số
ứng dụng, yêu cầu mô hình thu thập dữ liệu mà dựa trên việc lấy mẫu theo chu kỳ hay
khi xảy ra các sự kiện trong môi trường quan sát, trong các ứng dụng khác, dữ liệu có
thể được cảm biến và lưu trữ, hoặc có thể được xử lý, tập hợp tại một nút trước khi
chuyển tiếp đến sink.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 12
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
1.2. Khảo sát một số thuật toán định tuyến
Như đã nêu ở phần trên, có rất nhiều vấn đề phải xem xét khi thiết kế một giao
thức định tuyến trong WSN. Một giao thức định tuyến thỏa mãn được các yêu cầu đó
có nghĩa là đã tạo ra được sự cân bằng giữa khả năng phản ứng với môi trường xung
quanh và hiệu quả của mạng, tức là phải đảm bảo thông tin dữ liệu đầy đủ trong khi
vẫn tối ưu hóa công suất truyền và xem xét đến tài nguyên hạn chế của các nút mạng,
đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền vô tuyến. Trên cơ sở đó, nhiều giao
thức đã được đưa ra, phần này sẽ giới thiệu một số giao thức định truyến đã được thiết
kế cho mạng cảm biến.
1.2.1. Phân loại các giao thực định tuyến
Căn cứ vào mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến, chúng ta có thể phân chia các
giao thức định tuyến thành 3 loại: Giao thức trung tâm dữ liệu, giao thức phân cấp và
giao thức dựa trên vị trí.
 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu
Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến thì việc xác định số nhận dạng toàn
cầu cho từng nút là không khả thi. Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu cùng với việc
triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra một tập hợp các nút
chuyên dụng. Vì thế, dữ liệu được truyền từ mọi nút trong vùng triển khai tới sink.
Tuy nhiên, các nút sẽ gửi dữ liệu với độ dư thừa đáng kể vì không có cơ chế quản lý vị
trí. Do vậy, người ta đã đưa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra tập

hợp các nút và thực hiện tập trung dữ liệu trong suốt quá trình truyền. Ý tưởng này đã
được nghiên cứu và phát triển để rồi thiết kế thành giao thức trung tâm dữ liệu.
Trong loại giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và
đợi dữ liệu từ các sensor được chọn trước trong vùng. SPIN là giao thức đầu tiên thuộc
loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm bớt sự dư thừa dữ
liệu và tiết kiệm năng lượng. Sau đó Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) được
phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong loại định tuyến trung tâm dữ liệu.
 Giao thức định tuyến phân cấp
Khi công nghệ điện tử phát triển làm cho giá thành của các bộ cảm biến giảm
đáng kể thì khả năng và nhu cầu triển khai một mạng WSN trên pham vi rộng xuất
hiện. Khi đó, một vấn đề nảy sinh là yêu cầu về khả năng mở rộng của mạng. Một cấu
trúc mạng phẳng với số lượng lớn nút cảm biến thường hạn chế về khả năng mở rộng
và rất khó để có thể liên kết hoạt động của các nút trong toàn mạng với nhau. Để giải
quyết vấn đề này, cấu trúc mạng phân cấp (clusters) được đề xuất nhằm giải quyết vấn
đề này. Hướng tiếp cận này có thể giảm thiểu đáng kể yêu cầu với các nút trong cảm
biến, xử lý dữ liệu và truyền thông trong cùng một cụm, do đó, tạo ra khả năng sử
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 13
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
dụng hiệu quả năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng. Ngoài ra, cấu trúc phân
cấp cũng có thể cung cấp khả năng cân bằng tải nếu cần thiết.
Tuy nhiên, mục đích chính của định tuyến phân cấp là để đạt được và duy trì tính
hiệu quả trong việc tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến bằng cách đặt chúng
trong giao tiếp multihop thuộc phạm vi một cụm cụ thể, đồng thời, thực hiện tập trung
và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến sink. Sự hình thành các cụm
chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của nút cảm biến và vùng lân cận của nút so với
các nút chủ của cụm.
LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho
mạng cảm ứng. Ý tưởng của LEACH là động lực cho rất nhiều giao thức định tuyến
phân cấp khác phát triển.
 Giao thức định tuyến dựa trên vị trí

Hầu hết các ứng dụng mạng cảm biến đều yêu cầu thông tin về vị trí của các nút
để phục vụ cho những mục đích khác nhau. Vì mạng cảm biến không có chế độ địa chỉ
nào như địa chỉ IP và chúng được triển khai trong một vùng không gian rộng lớn, vì
vậy thông tin về vị trí cần phải được sử dụng trong các dữ liệu định tuyến theo cách
hiệu quả về mặt năng lượng, từ đó, các giao thức định tuyến dựa trên vị trí được phát
triển.
Trong loại giao thức định tuyến này, GAF và GEAR là hai giao thức rất đáng
được chú ý.
1.2.2. Các giao thức định tuyến
1.2.2.1. Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu
 SPIN
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức trung tâm dữ
liệu đầu tiên, dựa trên sự thỏa thuận về dữ liệu được quan tâm trước khi chuyển tiếp
dữ liệu nhằm giảm sự dư thừa và tiết kiệm năng lượng. Mục tiêu chính của giao thức
này là tập trung quan sát môi trường một cách hiệu quả vào một số nút cảm biến riêng
biệt trên toàn bộ mạng.
Nguyên lý của giao thức này là dựa trên sự thích ứng về tài nguyên và sắp xếp dữ
liệu. Trong SPIN, tất cả các loại dữ liệu khác nhau đều được đánh dấu bằng một bộ
miêu tả dữ liệu hay còn gọi là meta-data. Khi một nút cảm biến nhận được một một
gói tin dữ liệu mới, nó phát quảng bá meta-data của bản tin dữ liệu đó tới các nút lân
cận (chứ không chuyển tiếp ngay gói dữ liệu) và chờ phản hồi từ các nút này. Khi
nhận được bản tin request từ nút lân cận nào thì gửi gói data cho nút đó.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 14
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
Các nút lân cận khi nhận được một bản tin quảng bá có chứa meta-data từ nút
hàng xóm, nó sẽ quyết định xem có cần loại dữ liệu đó không, nếu cần thì gửi trả lại
bản tin request.
Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) là các nút trong giao thức
SPIN sẽ biết về loại dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào được truyền trong mạng . Nơi
nhận dữ liệu bày tỏ mối quan tâm đến nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy

được dữ liệu đang được quảng bá. Điều này tạo ra sự giàn xếp dữ liệu để đảm bảo rằng
dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm loại dữ liệu này. Do đó mà loại trừ khả năng
bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng.
Việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ nguy cơ chồng chất vì các nút có
thể giới hạn số lượng loại dữ liệu mà chúng quan tâm đến. Mỗi nút theo dõi mức tiêu
thụ năng lượng của mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng còn
lại thấp các nút này có thể giảm số lượng dữ liệu mà nó quan tâm hoặc loại bỏ một số
hoạt động như là truyền meta-data hoặc các gói. Chính khả năng thay đổi để thích nghi
với nguồn năng lượng hiện có của các nút đã làm tăng thời gian sống của toàn mạng.
[8]
Để truyền và sắp xếp dữ liệu, giao thức SPIN sử dụng ba loại bản tin.
Hình 1.2: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN
Hình 1.3: Hoạt động của SPIN
Hoạt động của SPIN gồm 6 bước:
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 15
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
 Bước 1: Gửi ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các nút.
 Bước 2: Gửi REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu mà nút quan tâm. Sau khi nhận
được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu.
 Bước 3: Bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến và kèm
theo mào đầu miêu tả dữ liệu.
 Bước 4: Sau khi một nút nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các nút
còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu
(metadata).
 Bước 5: Quá trình truyền gói dữ liệu tiếp tục bằng việc các nút xung quanh gửi
bản tin REQ yêu cầu dữ liệu.
 Bước 6: DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này.
Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế nảy sinh khi nút trung gian không
quan tâm đến dữ liệu nào đó thì dữ liệu không thể đến được đích.
 Directed Difussion

Directed Diffussion – giao thức truyền tin trực tiếp – là một giao thức định tuyến
dữ liệu ở trung tâm mạng WSN. Mục đích của giao thức là giải quyết vấn đề giới hạn
trong khả năng mở rộng mạng lưới của các giao thức trung tâm dữ liệu, tuy nhiên,
Directed Diffussion cố gắng tìm ra một giải pháp đơn giản, thay vì phụ thuộc vào khả
năng định vị toàn cầu của các nút, giao thức này tạo ra sự tương tác giữa các nút trong
một vùng [8].
Cấu trúc của truyền tin trực tiếp bắt nguồn từ chính cách thức hoạt động bên
trong của một mạng cảm biến: Người vận hành hệ thống sẽ thông qua sink, tạo ra một
yêu cầu tới một vùng xác định nào đó trong mạng theo hướng nhất định, các nút trong
vùng đó sẽ thu thập dữ liệu cần thiết và gửi trả lại để hoàn thành yêu cầu. Mỗi khi dữ
liệu được thu thập, mỗi nút cảm biến sẽ kết hợp với các nút lân cận để truyền kết quả
trở về sink.
Giao thức Directed Diffusion bao gồm 4 thành phần: interest (thông tin yêu cầu),
data message (các bản tin dữ liệu), gradient và reinforcements. Hoạt động của Directed
Dissfusion có thể được mô tả như sau:
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 16
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
Hình 1.4: Hoạt động của Directed Diffusion
 Truyền interest: Dữ liệu được gán nhãn bằng các cặp giá trị thuộc tính. Một yêu
cầu cảm biến tạo bởi sink sẽ được gửi trên toàn mạng dưới dạng các interest.
Bản tin này sẽ truyền qua tất cả các nút trong mạng thể hiện sự quan tâm đến
một loại dữ liệu nào đó. Mục đích của việc thăm dò này là để xem xét xem có
nút cảm biến nào đó có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng với interest không.
Mỗi một nhiệm vụ do sink gửi đi được miêu tả bằng một danh sách các cặp giá
trị thuộc tính, ví dụ, danh sách này có thể chứa kiểu dữ liệu được yêu cầu, chu kỳ thời
gian mà sink muốn nhận thông tin về nhiệm vụ được yêu cầu, thời gian tồn tại của
toàn bộ nhiệm vụ, vùng mạng được chỉ định… Như vậy, mỗi một nhiệm vụ cảm biến
do sink yêu cầu được mô tả trong một bản tin interest.
Tất cả các nút đều duy trì một ngăn xết interest gọi là interest cache để lưu trữ
các interest khác nhau. Mỗi một mục interest lại có nhiều trường khác nhau gồm: Một

trường nhãn thời gian timestamp chứa thời điểm cuối cùng nhận được interest tương
thích, một số trường gradient tương ứng với các nút hàng xóm (mỗi một gradient có
một trường tốc độ dữ liệu chứa tốc độ dữ liệu yêu cầu bởi nút hàng xóm và hướng
truyền), một trường chu kỳ chỉ ra khoảng thời gian tồn tại của interest.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 17
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
Khi nút cảm biến nhận được một interest, nó kiểm tra trong bộ nhớ cache của nó,
nếu không có mục interest nào tương ứng thì nút sẽ tạo ra một mục interest mới với
các thông số có trong interest vừa nhận được. Ngược lại, nếu như interest nhận được
có trong cache thì nút sẽ cập nhật nhãn thời gian và trường duration vào mục interest
tương ứng. Sau khi nhận một interest, một nút sẽ quyết định broadcast interest này tới
tất cả các hàng xóm của nó, hoặc nó có thể chỉ gửi interest tới một vài nút lân cận,
hoặc cũng có thể hủy interest đó nếu như nó vừa mới gửi một interest cùng loại. Đối
với hàng xóm của nút gửi interest, nhận được interest chuyển tiếp từ nút nào thì nó coi
nút đó là nguồn của interest, mặc dù trên thực tế, interest này được bắt nguồn từ sink.
Theo cách thức hoạt động đó, các interest được truyền đi trên toàn mạng thông qua sự
tương tác giữa các nút lân cận.
 Thiết lập Gradient: Quá trình các bản tin interest được truyền đi cũng chính là
quá trình thiết lập các đường truyền có thể trong mạng (gradient). Các gradient
này được sử dụng để định tuyến cho gói tin dữ liệu (dữ liệu phù hợp với
interest) trở lại sink. Dữ liệu sẽ được truyền trở về sink thông qua các đường
truyền đa điểm, nút trung gian có thể lưu trữ hoặc tính toán dữ liệu.
 Truyền dữ liệu: Một nút cảm biến nằm trong vùng đích của một interest có
nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi bản tin dữ liệu đi ở tốc độ bằng với tốc độ lớn
nhất chỉ ra trong trường gradients của nó.
Khi nút nhận được một bản tin dữ liệu từ một trong các nút hành xóm của nó, nó
sẽ tìm kiếm interest tương ứng trong cache. Nếu như không tồn tại interest nào tương
ứng, gói dữ liệu sẽ bị loại bỏ. Nếu nút nhận được một bản tin dữ liệu mà có một mục
interest phù hợp, để đề phòng trường hợp lặp vòng, nút tiến hành kiểm tra cache dữ
liệu, cache này lưu trữ đường đi của các bản tin dữ liệu mới nhận được. Nếu như bản

tin dữ liệu nhận được khớp với một mục trong cache dữ liệu thì bản tin đó cũng bị loại
bỏ. Ngược lại, bản tin dữ liệu sẽ được thêm vào cache dữ liệu và gửi tới nút lân cận.
Trước khi gửi một bản tin dữ liệu, một nút cần kiểm tra danh sách đường truyền
trong mục interest. Nếu tất cả các đường truyền có tốc độ dữ liệu lớn hơn hoặc bằng
tốc độ yêu cầu của gói tin đến, nút này sẽ có thể chuyển tiếp gói tin dữ liệu vừa nhận
được tới nút lân cận dự phòng. Nếu một vài đường truyền có tốc độ dữ liệu thấp hơn
những đường truyền khác, nút sẽ chuyển những đường truyền đó xuống thành đường
truyền dự phòng.
Như vậy, Directed disffusion có ưu điểm là nếu một đường dẫn nào đó giữa sink
và một nút bị lỗi, một đường dẫn có tốc độ dữ liệu thấp hơn sẽ được thay thế. Kỹ thuật
định tuyến này ổn định và phù hợp với mạng yêu cầu tính linh hoạt cao. Loại giao thức
định tuyến này tiết kiệm năng lượng đáng kể.
1.2.2.2. Giao thức định tuyến phân cấp
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 18
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
 LEACH
LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized) là giao thức
phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp. Trong giao thức LEACH, các nút cảm
biến được tập hợp thành từng cụm, thực hiện chức năng thu thập và truyền dữ liệu tới
các sink hoặc trạm gốc thông qua nút chủ.
Mục tiêu chính của LEACH là:
 Kéo dài thời gian sống của mạng
 Giảm năng lượng tiêu thụ của mỗi nút
 Tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng
LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụm
được quản lý bởi nút chủ. Nút chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ, trong đó nhiệm vụ đầu
tiên là thu thập dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình nhận dữ liệu,
nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa do có nhiều dữ liệu giống nhau.
Nhiệm vụ thứ hai của nút chủ là trực tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến trạm
gốc, quá trình truyền dữ liệu này có thể được thực hiện theo kiểu single-hop hoặc

mutil-hop. Nhiệm vụ thứ ba là các nút chủ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian
TDMA (Time Division Multiple Access), mỗi nút trong cụm được gán một khe thời
gian nhất định, dùng để định thời hoạt động, thu thập và gửi dữ liệu về nút chủ. Giao
thức định tuyến LEACH sẽ được trình bày rõ hơn trong phần sau.
 PEGASIS
PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems -Tập trung
hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến) là một giao thức định tuyến
phân cấp. PEGASIS thực hiện 2 nhiệm vụ:
 Kéo dài thời gian sống cho mạng.
 Đồng bộ năng luợng tại tất cả các nút mạng và giảm độ trễ của gói dữ liệu.
PEGASIS áp dụng trên mô hình mạng bao gồm tập hợp các nút được phân bố
đồng nhất trên một vùng địa lý. Trong đó mỗi nút đều biết được thông tin về vị trí các
nút khác trong toàn mạng. Bên cạnh đó chúng cũng có khả năng điều khiển công suất
và bao phủ một vùng tùy ý. Các nút này được trang bị bộ thu phát sóng sử dụng công
nghệ CDMA.
Nhiệm vụ của nút cảm biến là thu thập và truyền dữ liệu đến sink, thông thường
là các trạm gốc. Mục đích chính của giao thức là phát triển một cấu trúc định tuyến và
một sơ đồ tập trung dữ liệu nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, đồng thời, dữ liệu
được tập trung và truyền đến trạm cơ sở với trễ truyền dẫn nhỏ nhất, trong khi vẫn cân
bằng sự tiêu thụ năng lượng giữa các nút trong mạng.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 19
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
Hoạt động của pegasis gồm 3 bước: Xây dựng chuỗi, chọn nút chủ, truyền dữ
liệu, xử lý lỗi khi nút chết.
 Xây dựng chuỗi: Mục đích là tạo ra một chuỗi các nút cảm biến – mỗi nút có
thể nhận và truyền dữ liệu tới nút bên cạnh. Quá trình thêm nút vào chuỗi được
thực hiện tuân theo thuật toán Greedy. Bắt đầu với nút xa sink nhất để đảm bảo
rằng tất cả nút cảm biến ở xa đều có nút lân cận gần nó vì trong thuật toán
greedy khoảng cách giữa các nút sẽ tăng dần và nút nằm trong chuỗi sẽ không
được thăm lại, nút mạng được thêm dần vào chuỗi làm cho chuỗi lớn dần, kể từ

nút hàng xóm gần nhất.
Để xác định được nút lân cận gần nhất, mỗi nút sử dụng cường độ tín hiệu để đo
khoảng cách tới các nút lân cận của nó. Sau khi xác định xong, nó sẽ điều chỉnh cường
độ tín hiệu sao cho chỉ có nút lân cận gần nhất nghe được.
Hình 1.5: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy
 Chọn nút chủ: Sau khi chuỗi được thành lập, bước tiếp theo là chọn nút chủ.
Trong một chuỗi chỉ có một nút được chọn làm nút chủ, trách nhiệm của nút
chủ là truyền dữ liệu tập hợp được tới trạm cơ sở. Vai trò nút chủ sẽ được thay
đổi trong chuỗi theo vị trí sau mỗi vòng. Việc quay vòng nút chủ trong chuỗi
nhằm đảm bảo sự cân bằng trong tiêu thụ năng lượng giữa các nút mạng. Tuy
nhiên, trong nhiều trường hợp, việc thay đổi có thể làm khoảng cách giữa nút
chủ và trạm gốc lớn, khi đó nút này lại yêu cầu công suất cao để truyền dữ liệu
đến trạm cơ sở.
Nút chủ được chọn theo cách sau: ở vòng thứ i thì nút thứ i mod N (N là số nút
trong mạng) sẽ làm chủ.
 Truyền dữ liệu: Quá trình tập hợp dữ liệu trong mạng được tiến hành dọc theo
chuỗi. Trong một vòng, mỗi nút nhận dữ liệu từ nút hàng xóm và kết hợp với
dữ liệu mà nó thu nhận được rồi chuyển tiếp đến nút hàng xóm kế tiếp trong
chuỗi.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 20
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
Trong một vòng, PEGASIS sử dụng cơ chế điều khiển token passing được khởi
tạo bởi nút chủ để bắt đầu truyền dữ liệu từ hai đầu của chuỗi. Chi phí cho các bản tin
điều khiển này là rất nhỏ vì kích thước thẻ bài nhỏ. Đầu tiên nút chủ sẽ gửi một thẻ bài
tới nút cuối cùng bên phải của chuỗi. Khi nhận được tín hiệu này nút cuối sẽ gởi dữ
liệu nó cảm biến được đến nút lân cận theo chiều xuôi trong chuỗi, nút hàng xóm này
tiến hành tập hợp dữ liệu và tiếp tục chuyển tiếp đến nút lân cận gần nó nhất, cứ như
vậy cho đến khi dữ liệu được gửi đến nút chủ. Sau đó, nút chủ tập hợp dữ liệu và gửi
đến sink.
Hình 1.6: Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS

1.2.2.3. Giao thức định tuyến dựa trên vị trí
 GAF
GAF (Geographic Adaptive Fidelity) là một thuật toán định tuyến xuất phát từ
mạng Adhoc di động nhưng có thể áp dụng cho mạng cảm biến, mục tiêu của GAF là
tiết kiệm năng lượng cho các nút dựa trên cơ sở khoanh vùng nút theo vị trí [8].
Theo giao thức này, toàn bộ vùng bao phủ của mạng được chia thành nhiều phân
vùng nhỏ và cố định nhờ cơ chế thiết lập nên các lưới ảo. Mỗi phân vùng trong GAF là
một khu vực hình vuông, có kích thước bằng nhau, phụ thuộc vào công suất truyền
yêu cầu và hướng truyền thông. Nút cảm biến xác định phân vùng mà nó thuộc về
thông qua xác định vị trí chính xác của nó nhờ thông tin từ hệ thông định vị toàn cầu
GPS (Global Poisitioning System) và so sánh với thông tin của lưới ảo được thiết lập
trước đó.Tất cả nút cảm biến trong cùng một phân vùng được đánh giá ngang cấp khi
xác định giá định tuyến.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 21
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
Hình 1.7: Hoạt động của GAF
Lưới ảo được xây dựng theo cách thức nhất định nhằm đảm bảo rằng, với hai
vùng lân cận G1 và G2 bất kỳ, thì một nút ở vùng G1 phải có khả năng truyền thông
với tất cả nút ở vùng G2, nhờ đó mà tất cả nút trong cùng một vùng là ngang hàng
nhau khi định tuyến. Giả sử rằng bán kính vùng phủ vô tuyến tối đa của nút mạng là
như nhau và bằng R, độ dài một cạnh của phân vùng hình vuông theo các lưới ảo bằng
nhau và bằng l, theo nguyên tắc thiết lập lưới ảo, khoảng cách xa nhất có thể giữa hai
nút thuộc hai phân vùng liền kề bất kỳ phải nhỏ hơn R. Từ đó, suy ra:
(1.2)
GAF đảm bảo tính tương đương của tất cả nút trong cùng một phân vùng bằng
cách giữ ít nhất một nút trong mỗi phân vùng ở trạng thái hoạt động trong suốt một
chu kỳ thời gian và thiết lập tất cả nút còn lại trong phân vùng đó ở trạng thái nghỉ.
Nút cảm biến trong cùng một phân vùng có thể tương tác với nhau để quyết định xem
nút nào sẽ nghỉ và trong thời gian là bao lâu. Cách thiết lập này không làm ảnh hưởng
tới kết nối của toàn mạng và tính chính xác của thuật toán định tuyến, trong khi đó lại

cải thiện được nút hiệu năng sử dụng năng lượng của các nút mạng bằng cách tắt các
nút lân cận của nút được lựa chọn. Nút ở trạng thái hoạt động sẽ đảm nhận vai trò thu
thập dữ liệu trong vùng của nó, truyền và chuyển tiếp dữ liệu về trạm gốc hoặc tới các
nút đang hoạt động khác.
Như vậy, mặc dù GAF là một giao thức định tuyến dựa trên vị trí, nhưng cũng có
thể được coi là một giao thức phân cấp, trong đó, những phân vùng được xác định
bằng lưới ảo tương đương với các cụm và tiêu chí để phân cụm là căn cứ vào vị trí của
nút. Tuy nhiên, nút chủ không thực hiện bất cứ chức năng tổng hợp, phân tích dữ liệu
nào như trong giao thức phân cấp thông thường khác.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 22
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
Để cân bằng tải và năng lượng tiêu thụ giữa các nút trong cùng một phân vùng,
nút cảm biến lần lượt chuyển từ trạng thái nghỉ sang trạng thái hoạt động. Sự thay đổi
này được thực hiện thông qua ba trạng thái: Tìm kiếm (Discovery), hoạt động (active)
và nghỉ (sleep).
 Discovery: Trạng thái Discovery là trạng thái khi một nút tìm kiếm hàng xóm
của nó trong cùng một phân vùng. Khi ở trong trạng thái discovery, một nút sẽ
bật sóng radio và trao đổi bản tin discovery để tìm nút khác trong cùng phân
vùng. Một bản tin discovery chứa ID của nút, ID của phân vùng, năng lượng
còn lại của nút và trạng thái của nút.
 Active: Trạng thái Active được sử dụng để định tuyến dữ liệu trong mạng. Khi
một nút bắt đầu trạng thái active, nó thiết lập một khoảng thời gian T
a
để xác
định nó sẽ tồn tại ở trạng thái này trong bao lâu, và khi khoảng thời gian này kết
thúc, nó quay trở lại trạng thái Discovery. Một nút đang ở trạng thái Discovery
hoặc Active có thể chuyển thành trạng thái Sleep khi nó phát hiện ra có một
hoặc vài nút tương đương khác sẽ đảm nhiệm nhiệm vụ định tuyến.
Hình 1.8: Sự chuyển trạng thái trong GAF
 Sleep: Trong suốt thời gian nút tồn tại ở trạng thái sleep, nó tắt sóng vô tuyến.

Khoảng thời gian của trạng thái Sleep phụ thuộc vào từng loại ứng dụng và phụ
thuộc vào một số thông số liên quan được thiết lập trong quá trình định tuyến.
Để lựa chọn nút mới thực hiện nhiệm vụ định tuyến, tức là chuyển nút đó sang
trạng thái Active, các nút thực hiện thủ tục Ranking. Quyết định này được thực
hiện căn cứ vào một số nguyên tắc và thông tin về cân bằng tải cũng như năng
lượng còn lại của các nút nhằm mục đích kéo dài tối đa thời gian sống của
mạng.
Giao thức GAF cũng có thể hỗ trợ mạng chứa nút di động: Mỗi nút trong một
phân vùng sẽ ước lượng thời gian rời khỏi phân vùng đó của mình và gửi cho nút lân
cận của nó. Theo đó, nút lân cận mà đang trong trạng thái Sleep sẽ điều chỉnh thời gian
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 23
fdsfds
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
nghỉ của mình nhằm đảm bảo việc định tuyến luôn chính xác và không bị ngắt quãng.
Trước khi khoảng thời gian rời phân vùng của một nút đang Active kết thúc, các nút
nghỉ sẽ hoạt động trở lại và một trong số chúng sẽ chuyển trạng thái thành Active.
 GEAR
Giao thức GEAR (Geographic and Energy Aware Routing) là giao thức định
tuyến nhận biết năng lượng và vị trí. Trong một số ứng dụng, mạng cảm biến thường
yêu cầu những thông tin dữ liệu có bao gồm cả những thông số về vị trí địa lý, từ đó
giao thức GEAR ra đời [8][7].
Rất nhiều hệ thống định vị sử dụng giao thức này để truyền thông tin tới một
vùng địa lý nhất định, ví dụ như một ứng dụng mạng cảm biến quan tâm tới nhiệt độ
trung bình của khu vực R nhất định trong khoảng thời gian Δt. Khi đó, nếu sử dụng
giao thức Directed Diffusion thì phải gửi bản tin Interest trên toàn mạng lưới, làm lưu
lượng thông tin trên mạng tăng lên và lãng phí tài nguyên mạng. GEAR giới hạn số
lượng bản tin Interest bằng cách định tuyến trực tiếp yêu cầu cảm biến này tới vùng
đích. Theo đó, GEAR có thể tiết kiệm nhiều năng lượng hơn.
Trong giao thức GEAR, mỗi một gói tin yêu cầu có một vùng đích nhất định.
Mỗi nút biết được chính xác vị trí và mức năng lượng còn lại của nó cũng như vị trí và

mức năng lượng còn lại của nút lân cận. Để có được các thông tin này, nút có thể sử
dụng giao thức hello đơn giản với nút hàng xóm.
Hình 1.9: Hoạt động của GEAR
Quá trình chuyển tiếp một gói tin tới tất cả các nút thuộc một vùng đích nhất định
bao gồm hai bước:
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 24
Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Định tuyến trong mạng WSN
 Bước thứ nhất là làm sao để truyền được gói tin tới vùng đích: GEAR sử dụng
một bộ nhận biết năng lượng và vị trí hàng xóm để định tuyến gói tin tới vùng
đích, nút nguồn sẽ định tuyến dữ liệu của nó tiến gần tới vùng đích, đồng thời
cố gắng cân bằng lượng năng lượng tiêu thụ của các nút hàng xóm.
 Bước thứ hai là chuyển phát gói tin trong một vùng: Trong hầu hết trường hợp,
GEAR sử dụng thuật toán chuyển tiếp vị trí đệ quy để truyền gói tin trong cùng
một vùng. Tuy nhiên, khi mật độ nút cảm biến thưa, restricted flooding được sử
dụng.
Để mô tả hoạt động của bước một, chúng ta giả định rằng nút N cần gửi một gói
tin tới vùng đích là R với trung tâm là D. N tạo ra sự cân bằng giữa mục đích định
tuyến gói tin tới vùng đích và yêu cầu cân bằng năng lượng tiêu thụ của các nút trung
gian thông qua việc tối thiểu hóa hàm tính cost, gọi là Learned cost. Hàm này là sự kết
hợp giữa năng lượng tiêu thụ để truyền gói tin tới vùng đích R và khoảng cách tới
vùng R.
Mỗi một nút N đều chứa một cờ h(N,R), cờ này được gọi khi cần tìm cost tới
vùng R cho nút N. Các nút sẽ định kỳ cập nhật cờ h(N,R) của nó đối với các nút lân
cận. Nếu một nút không có chứa thông tin về cờ h(N
i
,r) của nút lân cận N
i
, nó sẽ tính
toán giá ước lượng c(N
i

,R) và đặt nó như là một giá trị mặc định. C(N
i
,R) được tính
như sau:
(1.2)
Trong đó:
là một tham số có thể điều chỉnh được.
d là khoảng cách từ tới D. Được xác định bằng giá trị lớn nhất trong số tất
cả khoảng cách từ các nút lân cận của N tới D.
e(N
i
) là năng lượng tiêu thụ tại nút N
i
, được tính bằng giá trị năng lượng
tiêu thụ lớn nhất trong số các hàng xóm của N.
Nút N lựa chọn nút hàng xóm N
min
làm nút chuyển tiếp tiếp theo khi nút này có
giá trị hàm h(N
min
,R) + C(N, N
min
) nhỏ nhất, trong đó, C(N, N
min
) thể hiện chi phí
truyền một gói tin từ N tới N
min
. Như vậy, thông qua việc cập nhật cờ chi phí hoặc một
hàm chi phí ước lượng mặc định cho mỗi hàng xóm của nút, nút thực hiện truyền tiếp
gói tin tới vùng đích theo đường dẫ tối ưu.

Khi một gói tin đã ở trong vùng đích, một luồng flooding có thể được sử dụng để
phát tán gói tin đó trong vùng R. Tuy nhiên, flooding sử dụng rất nhiều năng lượng,
đặc biệt là với những mạng có mật độ nút cảm biến cao. Do đó, phương pháp chuyển
tiếp vị trí đệ quy được sử dụng để phát tán gói tin trong vùng R.
Nguyễn Trọng Dương - D06VT1 25