Giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây

Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

Mục lục

Nhóm 2

1


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

Danh mục hình vẽ và bảng

Nhóm 2

3


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

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.
Do đó, nhóm 2 đã chọn đề tài nghiên cứu “Giao thức định tuyến LEACH trong
mạng cảm biến không dây”. Trong đề tài, nhóm chúng em đặc biệt chú trọng nghiên
cứu về cách thức hoạt động của giao thức LEACH, rồi chỉ ra các đặc điểm nổi trội của
giao thức LEACH đồng thời cũng nêu ra các điểm hạn chế còn tồn tại. Sau đó đưa ra
các biện pháp, các giao thức cải tiến của LEACH. Phần đề tài được nêu ra trong ba
chương:
Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương này đưa ra cái nhìn
tổng quan về WSN, bao gồm khái niệm, cấu trúc, đặc điểm, những thách thức, yêu cầu
và ứng dụng của WSN .
Chương II: Khảo sát một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây.
Chương này giới thiệu một số giao thức định tuyến chính đang được sử dụng phổ biến
trong các ứng dụng của WSN
Chương III: 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 một số giao thức LEACH cải tiến.
Do kiến thức và khả năng của chúng em còn hạn chế nên đề tài này không tránh
khỏi thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự góp ý của cô và các bạn sinh viên để
Nhóm 2

5


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn nữa.
Hà Nội, ngày 08 tháng 03 năm 2015
Nhóm sinh viên

Nhóm 2

7


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được
phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi
của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn
công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết
bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh
viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ... Hơn nữa với sự tiến
bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử,
công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm
biến, xử lý và tính toán tín hiệu...đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa
chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng
rãi của mạng cảm biến không dây.
Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không đây, bao gồm khái
niệm, đặc điểm, cấu trúc mạng, mô hình phân lớp, quản lý năng lượng, ứng dụng của
mạng cảm biến không dây trong đời sống.

1.1 Khái niệm
Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một mạng bao gồm
nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông
qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích
thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.
Mạng cảm nhận không dây(WSN) là mạng sử dụng phương thức truyền nhận bằng
sóng vô tuyến mà các nút mạng được tích hợp bộ vi điều khiển và bộ cảm biến.
Tóm lại khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa trên công thức đơn giản sau:
Cảm biến + CPU + sóng vô tuyến = WSN
Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần: Các bộ vi xử lý rất nhỏ,
bộ nhớ giới hạn,bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của
các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc
vào từng ứng dụng. Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những
đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính
là sự giới hạn về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công
suất thấp. Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế
được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các
dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào
bảo toàn công suất.

1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
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
Nhóm 2

9


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

-

-

-

-

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.

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.

1.3 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến
Một mạng cảm biến không dây thường có 4 thành phần sau:
- Các nút cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên, có thể tập trung hoặc phân

tán trên mô hình mạng.
- Mạng lưới liên kết giữa các nút cảm biến lại với nhau: Hữu tuyến hoặc vô tuyến.
- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu ( Clustering )
- Bộ phận xử lí dữ liệu trung tâm.
Ngoài ra, một trong những yếu điểm hạn chế liên quan đến thời gian tồn tại của các
mạng cảm biến không dây chính là những nguồn năng lượng giới hạn phục vụ cho
hoạt động của các nút cảm biến được triển khai trong mạng. Để đạt được hiệu quả sử
dụng năng lượng cao và duy trì thời gian hoạt động lâu dài của mạng, các nút cảm biến
thường được tổ chức phân bậc bằng cách gộp chúng lại thành các cụm riêng biệt mà ở
đó số liệu được thu thập và xử lý nội bộ tại các nút chính (cluster head nodes) trước
khi chúng được gửi về một trạm gốc nào đó. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
phân cụm được minh họa ở hình vẽ dưới đây.

Nhóm 2

11

Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

Hình 1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây phân cụm

Như vậy, việc phân cụm hình thành nên một cấu trúc phân cấp 2 mức mà ở đó các
nút chủ hình thành nên một bậc cao còn các nút thành viên của cụm thuộc về một bậc
thấp hơn.
Lưu ý rằng, các nút trong một nhóm không truyền số liệu mà chúng thu thập được
về trực tiếp trạm gốc mà phải thông qua nút chủ của cụm. Nút chủ có nhiệm vụ:
- Điều phối hoạt động giữa các nút trong nhóm và thu thập số liệu của các nút (Vì
các nút có thể tạo ra các số liệu trùng lặp và thừa. Số liệu giống nhau từ nhiều nút
có thể được tập hợp lại, sắp xếp, lọc loại bỏ số liệu thừa trùng lặp với mục đích
giảm số lần truyền dẫn).
- Truyền trực tiếp các số liệu đã được tập hợp, tinh lọc về trạm gốc hoặc thông qua
truyền dẫn nhiều chặng (multi-hop) nghĩa là qua các nút chính khác.

1.4 Mô hình phân lớp trong mạng cảm biến không dây
Mô hình phân lớp của mạng cảm nhận không dây bao gồm các lớp: Lớp ứng dụng,
lớp vận chuyển, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý. Trong đó lớp vận chuyển
đảm bảo luồng dữ liệu khi lớp ứng dụng yêu cầu, lớp mạng hỗ trợ định tuyến cho lớp
vận chuyển trong truyền dữ liệu đa bước, thủ tục thâm nhập môi trường của lớp liên
kết dữ liệu nhằm hạn chế xung đột với các nút hàng xóm, cuối cùng lớp vật lý đảm
nhận truyền nhận gói tin một cách hiệu quả. Trong nội dung của bài tập nhóm này chỉ
tìm hiểu về 3 lớp dưới cùng trong mô hình phân lớp của mạng WSN, đó là lớp vật lý,
lớp liên kết dữ liệu, mạng nhằm phục vụ cho việc tìm hiểu giao thức định tuyến trong
lớp mạng sẽ được trình bày ở chương 2.

Nhóm 2

13

Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

Ứng dụng
Vận chuyển
Mạng
Liên kết dữ liệu
Vật lý
Hình 2: Mô hình phân lớp trong mạng WSN

1.4.1 Lớp vật lý
Chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, hát tần số sóng mang, điều chế, lập mã và tách
sóng.
Một vài đặc điểm quan trọng của lớp vật lý trong mạng cảm nhận là:
+ Tiêu thụ năng lượng thấp
+ Truyền công suất thấp tương ứng với khoảng cách truyền ngắn.
+ Phần cứng có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng.
+ Tốc độ dữ liệu thấp từ vài chục tới vài trăm kilobits trên giây
+ Cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ
+ Có khả năng chịu đựng sự thay đổi của môi trường cao
1.4.2 Lớp liên kết dữ liệu
Chịu trách nhiệm ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy
nhập môi trường. Nó đảm bảo giao tiếp điểm - điểm, điểm - đa điểm tin cậy. Môi
trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động nên giao thức điều khiển truy
nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu
hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
1.4.3 Lớp mạng
Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu cung cấp bởi lớp truyền tải. Việc định
tuyến trong mạng cảm biến ẩn chứa rất nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc,

năng lượng hạn chế, tính không đồng nhất về khả năn xử lý, liên kết, năng lượng… Do
vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến hải tuân thủ các nguyên tắc sau:
Tính hiệu quả về mặt năng lượng phải đặt lên hàng đầu.
Các mạng cảm biến gần như là tập chung dữ liệu
Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng
Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí
Nhận biết được các thuộc tính của mạng, tính đồng nhất, không đồng nhất.
Nhìn chung, lớp mạng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng định tuyến
ngang hàng, định tuyến phân cấp , định tuyến dựa theo vị trí. Về mặt hoạt động, chúng
được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy
vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyến theo chất lượng dịch vụ
(QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based).
•
•
•
•
•

Nhóm 2

15


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
1.5 Quản lý năng lượng của các thiết bị
1.5.1 Chế độ hoạt động và năng lượng tiêu thụ
Như các phần trên đã trình bày thì năng lượng trong mạng cảm biến không dây là
vấn đề đặc biệt quan trọng bởi vậy điều khiển tiết kiệm năng lượng là vấn đề rất được
quan tâm, năng lượng tiêu thụ chủ yếu trong hoạt động vi điều khiển, thiết bị vô tuyến,
và một phần trong bộ nhớ và phụ thuộc vào kiểu của cảm biến. Chế độ hoạt động của

các thành phần của nút mạng trong chế độ tiết kiệm năng lượng là rất được quan tâm
trong xây dựng nút mạng, ví dụ với vi điều khiển là chế độ “rỗi” hay “ngủ”, với thiết
bị vô tuyến truyền nhận là bật hay tắt chế độ truyền, cảm biến hay bộ nhớ có thể bật
hay tắt.
1.5.2 Tiết kiệm năng lượng trong vi điều khiển
Phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ chế tạo của nhà sản xuất và chương trình ứng
dụng chạy trên vi điều khiển, bao gồm điều khiển chế độ hoạt động và tốc độ xử lý
của vi điều khiển tương ứng với yêu cầu dữ liệu cần xử lý, thuật toán xử lý của ứng
dụng cũng giảm được đáng kể số phép toán cần thực hiện.
1.5.3 Tiết kiệm năng lượng trong bộ nhớ
Bộ nhớ phổ biến trong mạng cảm nhận thường là Flash hoặc RAM, trên thực tế
năng lượng tiêu thụ trên bộ nhớ tương ứng với năng lượng tiêu thụ trên vi điểu khiển.
Thời gian đọc dữ liệu và năng lượng tiêu thụ tương ứng với loại bộ nhớ, thời gian ghi
và năng lượng tiêu thụ lúc ghi thì phức tạp hơn một chút vì nó còn phụ thuộc vào loại
dữ liệu.
1.5.4 Tiết kiệm năng lượng trong truyền nhận vô tuyến.
Đây là hoạt động tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong mạng cảm nhận, tương tự
như vi điều khiển truyền nhận vô tuyến cũng có thể hoạt động ở những chế độ khác
nhau (bật – tắt) chế độ tắt có thể chiếm đa số thời gian, chỉ hoạt động khi được kích
hoạt do vậy tiết kiệm đáng kể năng lượng.
Trong chế độ truyền một phần năng lượng được sử dụng để phát sóng vô tuyến, nó
phụ thuộc chủ yếu vào loại điều chế, khoảng cách truyền, kĩ thuật lọc, đồng bộ tần số.
Tương tự như chế độ truyền, chế độ nhận cũng có thể chuyển giữa 2 trạng thái tắt
- bật, thường thì chế độ truyền và nhận được sử dụng đan xen nhau, ví dụ trong thí
nghiệm của khóa luận này truyền và nhận được luân phiên nhau, với trạm cơ sở thì chế
độ chủ yếu là nhận, còn chế độ truyền chỉ hoạt động khi yêu cầu thủ tục xây dựng lại
tuyến hoặc trong thủ tục yêu cầu nhận dữ liệu từ nút cơ sở.
1.5.5 Tiết kiệm năng lượng của cảm biến.
Đây là vấn đề quan trọng cần được quan tâm trong tiết kiệm năng lượng của mạng
không dây bởi sự đa dạng của thiết bị này, việc lựa chọn cảm biến, giao diện kết nối.

1.5.6 Mối liên hệ giữa việc tiền xử lý và truyền – nhận dữ liệu.
Sau khi đã có cái nhìn khái quát về năng lượng tiêu thụ trên vi xử lý và truyền nhận
dữ liệu thì câu hỏi đặt ra là: kết hợp giữa việc xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu như thế
nào để tiết kiệm năng lượng nhất ? Ví dụ: dữ liệu mà ta nhận được tại mỗi nút mạng
thường ở dạng thô, nếu ta gửi dữ liệu này về trạm gốc mà không xử lý trước thì kích
thước dữ liệu này rất lớn, như vậy sẽ kéo theo một loạt các nút khác cũng phải truyền
– nhận một lượng dữ liệu lớn dẫn tới tiêu tốn rất nhiều nút này. Kết quả là năng lượng
Nhóm 2

17


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
tiêu thụ khi truyền dữ liệu chưa xử lý sẽ lớn hơn rất nhiều năng lượng mà nút sử dụng
để xử lý dữ liệu thô trước khi truyền đi. Việc lựa chọn có xử lý dữ liệu thô trước khi
truyền đi hay không thường dựa trên loại ứng dụng (loại dữ liệu), và kích thước mạng,
phương pháp tiền xử lý thường được sử dụng trong các mạng có kích thước lớn.

1.6 Những thách thức trong mạng cảm biến
Những khó khăn khi thiết kế phần cứng, giao thức truyền thông và các ứng dụng là
vấn đề để triển khai mạng cảm biến thành hiện thực. Duy trì đời sống của mạng cảm
biến và xây dựng một mô hình mạng thông minh là hai thách thức chung, những thách
thức cơ bản là:
- Cấu trúc liên kết trong mạng cảm biến thay đổi thường xuyên.
- Mạng cảm biến sử dụng mô hình truyền thông quảng bá, khác với hầu hết các mạng
-

-

khác thường dựa trên cách truyền thông cơ sở là point to point.

Mạng cảm biến rất hạn chế về năng lượng, khả năng tính toán và phần cứng.
Các thiết bị trong mạng cảm biến rất dễ bị hủy hoại/chết.
Thiết bị mạng cảm biến không có chung chuẩn nhận dạng toàn cầu vì số lượng là
rất lớn.
Mạng cảm biến triển khai với số lượng nút lớn sẽ dẫn đến xung đột (va chạm về
mặt truyền thông) và gây tắc nghẽn mạng. Để tránh va chạm mạng cảm biến có quy
định phạm vi truyền dẫn và thời gian truyền dẫn riêng.
Với các thiết bị tùy biến có khả năng di động yêu cầu hệ thống có khả năng nhận
dạng và phản ứng với sự di chuyển đó.
Sự thay đổi của điều kiện môi trường yêu cầu hệ thống có những thay đổi để thích
hợp hơn.

1.7 Những yêu cầu chung của mạng cảm biến
Mạng cảm biến có những yêu cầu sau:
- Số lượng thiết bị cảm biến lớn: Sử dụng các thiết bị giá rẻ và kích thước nhỏ nên số

lượng thiết bị tham gia trong một vùng mạng có thể lên tới hàng ngàn nút. Khả năng
mở rộng và quản lý số lượng lớn các thiết bị điện là một vấn đề khá quan trọng.
Phân cụm chính là một giải pháp của vấn đề này. Mạng sẽ phân thành các cụm và
bầu ra các nút chính để quản lý nhóm này.
- Sử dụng năng lượng thấp: Trong nhiều ứng dụng, một số nút cảm biến sẽ được triển
khai ở một vị trí khá xa vì thế khả năng phục vụ của nút đó không được tốt. Do đó
tuổi đời của nút đó sẽ rất ngắn, tuổi đời của một nút được xác định bằng tuổi thọ
pin, do đó đòi hỏi phải tiêu hao năng lượng ở mức tối thiểu (sạc năng lượng cho
một số lượng nút cảm biến sẽ mất nhiều thời gian và tốn kém nên không khả thi).
- Sử dụng hiệu quả bộ nhớ nhỏ: Khi xây dựng mạng cảm biến, các yêu cầu lưu trữ,
tính toán thông tin trong bảng định tuyến, sao chép dữ liệu, an ninh yêu cầu bộ nhớ
trong của thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ có dung lượng thích hợp.
- Tập hợp, thu thập dữ liệu: Số lượng lớn các nút cảm biến có thể gây tắc nghẽn
mạng thông tin. Để giải quyết điều này yều cầu nút chủ cụm trong mạng cảm biến

Nhóm 2

19


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
có khả năng tổng hợp dữ liệu, làm một số tính toán (ví dụ tính giá trị trung bình …)
và sau đó phát đi những thông tin tóm tắt mới.
- Tự tổ chức mạng: Do trong mạng cảm biến số lượng các nút lớn và tiềm năng của
từng nút với những đăc điểm điển hình nên yêu cầu khả năng tự tổ chức là thiết yếu.
Hơn nữa, các nút cảm biến có thể bị hỏng (do thiếu năng lượng hoặc rủi ro ngoài),
và các nút mới có thể được đưa vào mạng. Do đó, mạng phải có khả năng định kỳ
tái cấu hình chính nó để có thể tiếp tục hoạt động. Một nút riêng lẻ có thể bị ngắt
kết nối với phần còn lại của mạng nhưng nhìn trên tổng thể mạng cần duy trì một
mức độ kết nối cao.
- Xử lý tín hiệu hợp tác: Một yếu tố để phân biệt với các mạng di động tùy biến
(MANET) là mạng cảm biến cần dự đoán và phát hiện một số sự kiện quan trọng
chứ không chỉ nhằm mục đích truyền thông. Để cải thiện hiệu suất mạng thì giải
pháp hiệu quả nhất là tích hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến. Việc tích hợp dữ liệu này
kéo theo việc truyền dữ liệu và bản tin điều khiển. Điều này lại đưa thêm những
giới hạn vào kiến trúc mạng.
- Khả năng truy vấn: Có 2 loại địa chỉ trong mạng cảm biến đó là data-centric (trung
tâm dữ liệu) với truy vấn được gửi tới những vùng đặc biệt trong mạng và addresscentric (trung tâm địa chỉ) với các truy vấn được gửi đến một nút riêng biệt.

1.8 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm nhận không dây có rất nhiều ứng dụng nhưng hầu hết các ứng dụng
đều thuộc ba dạng: thu thập dữ liệu môi trường, giám sát an ninh, và theo dõi đối
tượng.
1.8.1 Quân sự
Dựa trên ưu điểm có thể triển khai nhanh chóng ( Dải từ máy bay), với khả năng tự

cấu hình lại khi có nút bị hỏng đưa mạng cảm nhận không dây trở thành một ứng dụng
hữu ích trên chiến trường. Chủ yếu là: theo dõi lực lượng, trang bị, hướng di chuyển,
phát hiện giám sát mục tiêu, các dấu hiệu vũ khí nguyên tử, sinh học.
1.8.2 Môi trường
Đây là ứng dụng phổ biến nhất của mạng cảm nhận không dây bao gồm: theo dõi sự
xuất hiện và di chuyển của động vật, theo dõi nhiệt độ, mức nước, áp suất khí quyển…
v.v Trong đó ứng dụng dễ nhận thấy nhất là cảnh báo cháy rừng, cảnh báo lũ.
1.8.3 Y tế
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân, các
triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý bên
trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh
nhân trong bệnh viện.
Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện: mỗi bệnh nhân được gắn một nút
cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm
biến xác định nhịp tim trong khi nút cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ cũng
có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong
bệnh viện.
Nhóm 2

21


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
1.9 Kết luận
Mạng cảm biến không dây WSN với khả năng ứng dụng rộng rãi đã trở thành một
đề tài nghiên cứu rất được quan tâm trong những năm vừa qua. Do đó, đã có rất nhiều
giải pháp công nghệ mới được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của mạng,
trong đó, khởi đầu và đặc biệt quan trọng là những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực điện
tử và công nghệ cảm biến. Nhờ có những giải pháp trong lĩnh vực trên mà khả năng
cảm biến, xử lý tín hiệu và truyền thông của các nút cảm biến được cải thiện đáng kể,

đồng thời, chi phí triển khai mạng WSN cũng nhờ đó mà giảm xuống, mở ra tiềm năng
phát triển mạnh mẽ cho WSN.
Chương1 đã trình bày tổng quan về mạng cảm biến, các vấn đề về khái niệm, cấu
trúc, mô hình phân lớp, quản lý năng lượng, những thách thức, yêu cầu và ứng dụng
của mạng cảm biến.

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH
TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
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, mạng cảm biến không dây 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 mạng cảm biến không dây
có thể đáp ứng được tốt những đặc trưng riêng đó đã dẫn đến hàng loạt thách thức lớn
và riêng có đối với mạng cảm biến không dây. Chương này sẽ trình bày ba loại giao
thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến, đó là :
+ Định tuyến trung tâm dữ liệu (data - centric protocol).
+ Định tuyến phân cấp (hierarchical protocol).
+ Định tuyến dựa vào vị trí (location - based protocol).

2.1 Phân loại và so sánh các giao thức 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.
Ngoài ra, một mạng cảm biến có thể dựa trên cấu trúc mạng hoặc cách thức hoạt
động của giao thức để phân loại các giao thức định tuyến khác nhau. Dựa trên cấu trúc
mạng có thể chia thành: Giao thức định tuyến phẳng, giao thức định tuyến phân cấp,

giao thức định tuyến dựa theo vị trí. Dựa vào cách thức hoạt động của giao thức được
chia thành: giao thức định tuyến thương lượng, giao thức định tuyến dựa trên QOS,
giao thức định tuyến kết hợp, giao thức định tuyến đa đường, giao thức định tuyến truy
vấn.

Nhóm 2

23


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

Hình 3: Phân loại các giao thức dịnh tuyến trong WSNs

Chương này sẽ trình bày ba loại giao thức định tuyến chính hay được dùng trong
mạng cảm biến, đó là :
 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
Nhóm 2

25


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
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 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.

2.2 Các giao thức định tuyến
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.
Nhóm 2

27


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
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.
Để truyền và sắp xếp dữ liệu, giao thức SPIN sử dụng ba loại bản tin.

Hình 4: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN

Hình 5: Hoạt động của SPIN

Hoạt động của SPIN gồm 6 bước:
- 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.
Nhóm 2

29

Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
- 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.
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:

Nhóm 2

31


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

Hình 6: 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.
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
Nhóm 2

33

Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
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.
2.2.2 Giao thức định tuyến phân cấp
 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.
Nhóm 2

35


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
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.
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

Nhóm 2

37


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
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 7: 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.
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.
Nhóm 2

39


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

Hình 8: Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS

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.
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.

Nhóm 2

41


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
Hình 9: 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)
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.

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.

Nhóm 2

43


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông

fdsfds

Hình 10: 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
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.
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
Nhóm 2

45

Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
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 11: 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:
- 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 Ni, nó sẽ tính toán
giá ước lượng c(Ni,R) và đặt nó như là một giá trị mặc định. C(N i,R) được tính như
sau:
(2)
Trong đó:

Nhóm 2

47


Bài tập nhóm cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông
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(Ni) 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(Nmin,R) + C(N, Nmin) nhỏ nhất, trong đó, C(N, Nmin) thể hiện chi phí truyền
một gói tin từ N tới Nmin. 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.
Giả sử rằng nút Ni nhận được một gói tin cho vùng R và nhận thấy nó cũng nằm
trong R. Ni copy bản tin này thành bốn bản khác nhau và định hướng chúng tới 4 phân
vùng nhỏ trong R. Quá trình phân chia và chuyển tiếp đệ quy này được lặp lại cho đến
khi nút hiện tại là nút cuối cùng trong một phân vùng. Tiêu chuẩn để xác định đó có
phải là nút cuối cùng không như sau: khi điểm xa nhất thuộc vùng vẫn nằm trong vùng
phủ sóng của nút nhưng không có nút hàng xóm nào của nó nằm cùng phân vùng với
nó, và khi đó, gói tin sẽ bị loại bỏ.

Hình 12: Chuyển tiếp địa lý đệ quy

2.3 Kết luận
WSN phải đối mặt với rất nhiều thách thức, trong đó, thách thức lớn nhất là vấn
đề sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại của nút cảm
biến. Để giải quyết vấn đề này, rất nhiều giao thức định tuyến đã được thiết kế và được
phân chia thành ba loại chính: giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu, giao thức định
tuyến phân cấp và giao thức định tuyến căn cứ vào vị trí.
Chương hai đã trình bày khái quát về một số giao thức thuộc ba loại giao thức
định tuyến trên. Mỗi loại giao thức định tuyến có đặc tính, ưu điểm và nhược điểm
riêng, do đó, trong quá trình thiết kế mạng WSN, phải kết hợp chặt chẽ giữa việc
nghiên cứu yêu cầu thực tế của ứng dụng mạng và nghiên cứu giao thức định tuyến.
Nhóm 2

49