Nghiên cứu định tuyến đơn phát dựa trên thông tin vị trí cho mạng cảm biển không dây

Vũ Văn Diện và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

135(05): 13 - 18

NGHIÊN CỨU ĐỊNH TUYẾN ĐƠN PHÁT DỰA TRÊN THÔNG TIN VỊ TRÍ
CHO MẠNG CẢM BIỂN KHÔNG DÂY
Vũ Văn Diện*, Nguyễn Thị Hiền
Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT
Định tuyến dựa trên thông tin vị trí đã thay thế định tuyến dựa trên topo trong mạng cảm biến
không dây. Kỹ thuật chuyển tiếp tham lam đã được sử dụng rất hiệu quả để chuyển tiếp gói tin từ
nguồn đến đích. Tuy nhiên, kiểu chuyển tiếp này có nhược điểm là dễ gặp thất bại khi gặp vùng
trống. Khi đó, nó sẽ sử dụng định tuyến khôi phục trên đồ thị phẳng để đưa gói tin qua vùng
trống. Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng hai đồ thị phẳng là RNG (Relative Neighbor
Graph) và GG (Gabriel Graph) trong định tuyến khôi phục. Qua mô phỏng, đánh giá định tuyến
khôi phục trên đồ thị phẳng RNG và GG, nhóm tác giả đã thấy được định tuyến khôi phục trên đồ
thị RNG cho kết quả tốt hơn xét về tỉ lệ phân phối gói tin thành công từ nguồn đến đích, chi phí
giao thức định tuyến được sử dụng.
Từ khóa: Mạng cảm biến không dây, định tuyến, chuyển tiếp, khôi phục, đồ thị phẳng

GIỚI THIỆU*
Các phương pháp định tuyến dựa trên topo
yêu cầu các nút này phải lưu trữ nhiều thông
tin về các đường định tuyến. Yêu cầu này
vượt ngoài khả năng đáp ứng của các nút cảm
biến. Ngoài ra, định tuyến dựa trên topo sử
dụng nhiều gói tin điều khiển để tìm và duy
trì các đường định tuyến. Ngoài tác động làm

giảm băng thông sẵn có cho dữ liệu, nhiều gói
tin điều khiển tiêu hao nhiều điện năng của
các nút và hệ quả là làm giảm tuổi thọ của các
nút. Với đặc điểm như phân tích ở trên, định
tuyến dựa trên topo hầu như không áp dụng
cho mạng cảm biến.
Trong những năm gần đây, một cách tiếp cận
hoàn toàn khác cho vấn đề định tuyến cho
mạng cảm biến không dây là sử dụng thông
tin về vị trí của các nút làm thông tin dẫn
đường. Tiếp cận mới này có tên là định tuyến
dựa trên thông tin vị trí. Định tuyến này giả
thiết mỗi nút biết về vị trí của nó bằng việc sử
dụng hệ thống định vị như GPS. Ngoài ra,
định tuyến cần sử dụng một dịch vụ khác,
được gọi là dịch vụ thông tin vị trí, để xác
định vị trí của nút đích. Trước khi thực hiện
giao thức định tuyến, nút nguồn xác định vị
trí của nút đích thông qua việc gọi dịch vụ
*

Tel: 0977 680685, Email:

thông tin vị trí. Sau đó, thông tin về vị trí của
nút đích được gắn vào mỗi gói tin cần chuyển
đi và được sử dụng làm thông tin dẫn đường.
Trong định tuyến dựa trên thông tin vị trí,
chuyển tiếp tham lam thường được sử dụng vì
tính đơn giản và hiệu qủa của nó. Tuy nhiên,
dạng chuyển tiếp này lại gặp thất bại khi xuất

hiện vùng trống. Khi đó, kỹ thuật khôi phục
sẽ được sử dụng để đưa gói tin thoát khỏi
vùng trống sử dụng đồ thị phẳng. Hai đồ thị
phẳng được sử dụng ở đây là đồ thị RNG và
GG, qua mô phỏng sẽ đánh giá được định
tuyến trên đồ thị phẳng nào là tốt hơn.
Phần II của bài báo trình bày tổng quan về
định tuyến dựa trên thông tin vị trí. Phần III
trình bày về các kỹ thuật chuyển tiếp dựa trên
thông tin vị trí. Định tuyến khôi phục trên đồ
thị phẳng được trình bày trong phần IV. Phần
V là kết quả mộ phỏng và đánh giá. Phần VI
là kết luận.
ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN THÔNG TIN
VỊ TRÍ
Định tuyến dựa trên thông tin vị trí sử dụng
kết hợp chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí
và kỹ thuật khôi phục để định tuyến gói tin.
Chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí là kỹ
thuật chuyển gói tin từ nút này đến nút khác
gần đích hơn. Độ gần đích của một nút có thể
đo bằng khoảng cách từ nút đó đến nút đích.
13

Nitro PDF Software
100 Portable Document Lane
Wonderland


Vũ Văn Diện và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Nút không có láng giềng gần đích hơn được
gọi là cực tiểu địa phương (local minima). Để
mỗi nút nhận được gói tin biết nên sử dụng
chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí hay kỹ
thuật khôi phục cho gói tin nhận được, thông
tin chỉ dẫn được ghi trong tiêu đề của gói tin
và được gọi là chế độ (mode) định tuyến của
gói tin. Nút nguồn thiết lập chế độ tham lam,
hay chế độ sử dụng chuyển tiếp dựa trên
thông tin vị trí, cho gói tin. Khi nhận được gói
tin ở chế độ tham lam, nút không có láng
giềng gần đích hơn nó sẽ thay đổi gói tin sang
chế độ khôi phục, hay chế độ sử dụng kỹ
thuật khôi phục, đồng thời ghi thông tin về vị
trí của nó vào tiêu đề gói tin ở trường nút
không có láng giềng gần đích hơn gặp cuối
cùng. Khi nhận được gói tin ở chế độ khôi
phục, nút gần đích hơn cực tiểu địa phương
gặp cuối cùng khôi phục gói tin về chế độ
tham lam. Ở những tình huống còn lại, nút
nhận được gói tin không thay đổi chế độ định
tuyến của gói tin và chỉ chuyển tiếp gói tin
bằng việc áp dụng chuyển tiếp dựa trên thông
tin vị trí hay kỹ thuật khôi phục tùy theo chế
độ định tuyến hiện tại của gói tin. Hành vi của
các nút trong định tuyến dựa trên thông tin vị
trí được mô tả trong Bảng 1.

Các kỹ thuật chuyển tiếp dựa trên thông tin vị
trí sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.
BẢNG 1. HÀNH VI CỦA MỖI NÚT CẢM
BIẾN TRONG ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN
THÔNG TIN VỊ TRÍ
------------------------------------------------------PROCEDURE Xử_lý_gói_tin
1: Nếu x là nút đích của gói tin,
1.1: Chuyển gói tin lên tầng trên (giao vận)
2: Ngược lại, tôi không phải là nút đích của
gói tin,
2.1: Nếu gói tin đang ở chế độ tham lam,
2.1.1: Sử dụng chuyển tiếp dựa trên thông
tin vị trí (GF) để chuyển gói tin
2.1.1.1: Nếu chọn được láng giềng để
chuyển gói tin theo GF, chuyển gói tin cho
láng giềng được chọn

135(05): 13 - 18

2.1.1.2: Nếu không chọn được láng
giềng để
chuyển gói tin theo GF, thì:
Đặt gói tin về chế độ khôi phục và
áp dụng kỹ thuật khôi phục để chuyển
gói tin.
Nếu áp dụng kỹ thuật khôi phục không
thành
công thì loại bỏ gói tin.
2.2: Ngược lại, gói tin đang ở chế độ khôi
phục,

2.2.1: Nếu có thể đưa gói tin về chế độ tham
lam,
thì chuyển gói tin về chế độ tham
lam rồi
quay lại bước 2.1.1.
2.2.2: Ngược lại, không thể đưa gói tin về
chế độ tham lam, áp dụng kỹ thuật khôi phục
để chuyển gói tin. Nếu áp dụng kỹ thuật khôi
phục không thành công thì loại bỏ gói tin.
------------------------------------------------------CHUYỂN TIẾP DỰA TRÊN THÔNG TIN
VỊ TRÍ
Chuyển tiếp theo khoảng cách/tham lam
Kỹ thuật chuyển tiếp dựa trên thông tin vị trí
được sử dụng rộng rãi nhất, vì tính đơn giản
của nó, kỹ thuật này là chuyển tiếp tham lam
(greedy forwarding) hay chuyển tiếp theo
khoảng cách [1]. Trong chuyển tiếp này,
khoảng cách đến đích được sử dụng làm
độ đo khi lựa chọn nút kế tiếp. Cụ thể, nút
hiện tại chọn láng giềng gần đích nhất và gần
đích hơn nó làm nút kế tiếp. Rất nhiều giao
thức được đề xuất sử dụng chuyển tiếp
tham lam [2, 3, 4]. Chuyển tiếp tham lam
có ưu điểm là đơn giản, hiệu quả và không
tạo vòng lặp định tuyến nhưng có yếu điểm là
dễ thất bại khi gặp các vùng trống [9], do
nút hết năng lượng, thiên tai, lũ lụt,... Nếu
chuyển tiếp tham lam được sử dụng thành
công bởi tất cả các nút trên đường định
tuyến từ nguồn đến đích, đường định tuyến sẽ

gần với đường tối ưu.

14

Nitro PDF Software
100 Portable Document Lane
Wonderland


Vũ Văn Diện và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

135(05): 13 - 18

chiếu của đoạn thẳng nối nút hiện tại đến láng
giềng lên đường thẳng đi qua nút hiện tại và
nút đích. Láng giềng gần đích hơn và có độ
đo lớn nhất được chọn làm nút kế tiếp.

Hình 1. Ví dụ về chuyển tiếp tham lam, y là nút
láng giềng gần nút đích D nhất
Hình 3. Ví dụ về chuyển tiếp theo góc, gói tin từ v
được chuyển đến u

Hình 2. Chuyển tiếp tham lam bị lỗi, khi không có
láng giềng nào của x gần D hơn nó

Chuyển tiếp theo góc
Chuyển tiếp theo góc (compass forwarding)

[5, 6, 7] cũng yêu cầu thông tin vị trí của
các láng giềng và nút đích như chuyển
tiếp tham lam nhưng sử dụng góc được
tạo bởi hai véctơ, một từ nút hiện tại đến
đích và một từ nút hiện tại đến láng giềng,
làm độ đo. Láng giềng có góc bé nhất sẽ được
chọn làm nút kế tiếp. So với chuyển tiếp tham
lam, chuyển tiếp theo góc ít thất bại do cực
tiểu địa phương nhưng có thể tạo ra vòng lặp
định tuyến. Sự khác biệt này có được do
chuyển tiếp theo góc không ràng buộc nút
kế tiếp phải gần đích hơn. Chuyển tiếp
theo góc chỉ thất bại khi nút hiện tại không
có láng giềng nào. Khi nút hiện tại không có
láng giềng gần đích hơn, gói tin được tạm
thời đẩy xa đích. Sau đó, khi gói tin được
chuyển tiếp gần đích hơn, vòng lặp định tuyến
có thể được tạo ra.
Chuyển tiếp theo bước tiến
Chuyển tiếp theo bước tiến (progress
forwarding) [8] sử dụng độ đo là độ dài hình

ĐỊNH TUYẾN KHÔI PHỤC TRÊN ĐỒ THỊ
PHẲNG
Định tuyến khôi phục
Chuyển tiếp tham lam thường hay được sử
dụng để đưa gói tin từ nguồn đến đích. Tuy
nhiên, khi xuất hiện vùng trống (rất hay xuất
hiện trong mạng cảm biến) thì kiểu chuyển
tiếp này hay gặp thất bại khi không có nút

láng giềng nào gần đích hơn nút hiện tại.
Trong trường hợp như vậy, ta sẽ sử dụng định
tuyến khôi phục để đưa gói tin thoát khỏi
vùng trống dựa trên đồ thị phẳng sử dụng quy
tắc bàn tay phải.

Hình 4: Quy tắc bàn tay phải, x nhận gói tin từ y,
và chuyển tiếp nó đến nút láng giềng đầu tiên theo
ngược chiều kim đồng hồ, z

Nếu gói tin đến được một nút mà nó gần đích
hơn nút cực tiểu địa phương thì sẽ khôi phục
chế độ chuyển tiếp tham lam từ nút này.
Ngược lại, gói tin vẫn sẽ được chuyển tiếp
theo quy tắc bàn tay phải trên đồ thị phẳng.
Các đồ thị phẳng
Một đồ thị mà không có hai cạnh giao nhau
được gọi là đồ thị phẳng . Một tập các nút với
15

Nitro PDF Software
100 Portable Document Lane
Wonderland


Vũ Văn Diện và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

sóng vô tuyến, ở đó các phạm vi sóng vô

tuyến là giống nhau (là r), có thể xem như là
một đồ thị: mỗi nút là một đỉnh, và cạnh (n;
m) tồn tại giữa các nút n và m nếu khoảng
cách giữa n và m, d (n, m)  r
Đồ thị RNG (Relative Neighbor Graph) và
GG (Gabriel Graph) [4] là hai đồ thị phẳng đã
được biết đến từ lâu.
Đồ thị RNG được định nghĩa như sau:
Cho một tập các đỉnh, cạnh (u, v) tồn tại giữa
đỉnh u và v nếu khoảng cách giữa chúng nhỏ
hơn hoặc bằng khoảng cách giữa một điểm w
bất kỳ (khác u, v) đến u hoặc đến v:

w  u, v : d (u, v)  max d (u, w), d (v, w)

Hình 5. Cạnh uv là cạnh của RNG khi giao 2
đường tròn tâm u và v phải không chứa w

Quá trình xây dựng đồ thị RNG từ đồ thị chưa
phải là RNG thực hiện bằng cách loại bỏ các
cạnh như sau:
For tất cả đỉnh v thuộc tập láng giềng N do
For tất cả đỉnh w thuộc N do
if w = = v then continue
else if d(u,v) > max[d(u,w), d(v,w)]
then
loại bỏ cạnh (u,v)
break
endif
end for

end for
Đồ thị GG được định nghĩa như sau:
Một cạnh (u, v) tồn tại giữa u và v nếu không
có đỉnh w nào khác trong vòng tròn nhận uv
làm đường kính. Ta có công thức sau:

w  u, v : d 2 (u, v)  d 2 u, w d 2 v, w

135(05): 13 - 18

Hình 6: Cạnh uv thuộc GG khi đường tròn đường
kính uv phải không chứa w

Quá trình xây dựng đồ thị GG từ đồ thị chưa
phải là GG thực hiện bằng cách loại bỏ các
cạnh như sau:
m = trung điểm của uv
for tất cả đỉnh v thuộc tập các láng giềng N
do
for tất cả w thuộc N do
if w = = v then continue
else if d(m,w) < d(u, m) then
loại bỏ cạnh (u, v)
end if
end for
end for
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Môi trường mô phỏng
Nhóm tác giả mô phỏng định tuyến khôi phục
trên đồ thị phẳng RNG và GG sử dụng phần

mềm mô phỏng ns-2 . Giao thức định tuyến
sử dụng là GPSR [4]. Môi trường mô phỏng
được thực hiện với 100 nút mạng trên vùng
1000 x 500.
Tỉ lệ phân phối gói tin thành công
Tỉ lệ phân phối gói tin thành công được xác
định bằng tỉ số giữa số gói tin nhận được chia
cho số gói tin gửi đi.
Kết quả mô phỏng được chỉ ra như trong hình
7 sau:

Hình 7: Tỉ lệ phân phối gói tin thành công

16

Nitro PDF Software
100 Portable Document Lane
Wonderland


Vũ Văn Diện và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Khi định khôi phục sử dụng đồ thị RNG cho
tỉ lệ phân phối gói tin thành công cao hơn so
với đồ thị GG.
Chi phí định tuyến
Hình 8 chỉ ra chi phí của giao thức định
tuyến, được đo bằng số gói tin được gửi đi

trên toàn mạng.

Hình 8: Chi phí giao thức định tuyến

Khi định tuyến khôi phục sử dụng đồ thị
RNG sẽ có chi phí giảm đi so với việc sử
dụng đồ thị GG.
KẾT LUẬN
Báo cáo đã trình bày về định tuyến khôi
phục dựa trên đồ thị phẳng trong định tuyến
dựa trên thông tin vị trí. Qua mô phỏng, đánh
giá ta thấy được được rằng định tuyến khôi
phục trên đồ thị RNG giảm thiểu được chi
phí so với GG mà lại cho tỉ lệ phân phối gói
tin thành công tốt hơn GG, làm cơ sở để lựa
chọn đồ thị phẳng khi định tuyến khôi phục
đưa gói tin thoát khỏi vùng trống và cùng với
chuyển tiếp tham lam đưa gói tin đến đích
thành công.

135(05): 13 - 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. G. G. Finn, “Routing and addressing
problems
in
large metropolitan-scale
internetwork,”
Tech.
Rep.

ISI/RR-87180,Information Sciences Institute, Mar. 1987.
2. P. Bose, P. Morin, I. Stojmenovic, and J.
Urrutia, “Routing with guaranteed delivery in
ad hoc wireless networks,” Wireless Networks,
7(6):609-616, 2001.
3. Q. Fang, J. Gao, and L. Guibas, “Locating and
bypassing routing holes in sensor networks,”
Mobile Networks and Applications, 11(2): 187200, April 2006.
4
B. Karp and H.T. Kung, “GPSR: Greedy
perimeter stateless routing for wireless sensor
networks,” Proc. of Mobicom, pp. 243-254, 2000.
5. P. Bose, P. Morin, “Online routing in
triangulations,” Proc. of 10th International
Symposium on Algorithms and Computation, pp.
113-122, 1999.
6. P. Bose, A. Brodnik, S. Carlsson, E. D.
Demaine, R. Fleischer, A. Lopez-Ortiz, P.
Morin, J. I. Munro, “Online routing in convex
subdivisions,” International Symposium on
Algorithms and Computation, pp. 47-59, 2000.
7. E. Kranakis, H Singh, and J. Urrutia,
“Compass routing on geometric networks,”
Proc. of the 11th Canadian Conference on
Computational Geometry, pp. 51-54, 1989.
8. I. Stojmenovic, X. Lin, “Loop-free hybrid
single-path/flooding routing algorithms with
guaranteed delivery for wireless networks,” IEEE
Trans. on Parallel and Distributed Systems, vol.
12, pp. 1023-1032, Oct. 2001.

9. B. Karp, “Challenges in geographic routing:
Sparse
networks,
obstacles,
and
traffic
provisioning,” DIMACS Workshop on Pervasive
Networking, Piscataway, NJ, May 2001.

17

Nitro PDF Software
100 Portable Document Lane
Wonderland


Vũ Văn Diện và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

135(05): 13 - 18

SUMMARY
RECOVERY ROUTING BASED ON PLANAR GRAPH IN GEOGRAPHIC
ROUTING FOR WIRELESS SENSOR NETWORK
Vu Van Dien*, Nguyen Thi Hien
College of Information and Communication Technology - TNU

Routing based on location information have alternatived the routing based on topology in wireless
sensor networks. Greedy forwarding technique has been used very effectively to forward packets

from source to destination. However, the drawback of this type of forwading is easy to fail to
meet holes. As such, it will use recovery routing on planar graphs to put packets through the
holes. In this paper, we use two planar graph, RNG (Relative Neighbor Graph) and GG (Gabriel
Graph) in the recovery routing. Through simulation, evaluating about recovery routing on planar
graphs RNG and GG, we saw the recovery routing on graph RNG for better results in terms of the
percentage distribution of packets from source to destination successfully, cost of routing protocol
used.
Key: Wireless sensor network, routing, forwarding, recovery, planar grap h

Ngày nhận bài:31/10/2014; Ngày phản biện:28/11/2014; Ngày duyệt đăng: 31/5/2015
Phản biện khoa học: TS. Đào Huy Du – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN
*

Tel: 0977 680685, Email:

18

Nitro PDF Software
100 Portable Document Lane
Wonderland