Nghiên cứu giải thuật phân tuyến nhiều nút SINK cho WSN : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 60 52 02 0370

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ XUÂN VƢƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT
PHÂN TUYẾN NHIỀU NÚT SINK CHO WSN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ XUÂN VƢƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT
PHÂN TUYẾN NHIỀU NÚT SINK CHO WSN

NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VƢƠNG ĐẠO VY

HÀ NỘI – 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn “Nghiên cứu giải thuật phân
tuyến nhiều nút SINK cho WSN” là kết quả nghiên cứu và thực hiện của tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS.Vương Đạo Vy. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những
điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu.
Tất cả các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ và rõ ràng.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho
lời cam đoan của mình.

Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014

TÁC GIẢ

Lê Xuân Vƣơng


LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời gian gần đây, công nghệ và truyền thông đã có những bước phát triển
mạnh mẽ và đạt được những thành tựu ấn tượng, đóng góp một 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. 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, luận văn này
không nghiên cứu toàn bộ các giao thức định tuyến phân cấp mà tập trung nghiên cứu
một khía cạnh của loại định tuyến này để giúp mạng cảm biến không dây có thể sử dụng
một cách hiệu quả và tối ưu nguồn năng lượng bị giới hạn. Đó là nghiên cứu và giới thiệu
phương pháp lựa chọn node chủ cụm trong các mạng cảm biến không dây nhiều node
sink. Từ mỗi phương pháp, cố gắng nêu lên các đặc điểm và phân tích các ưu điểm và
nhược điểm của nó, qua đó giúp cho những người quan tâm nghiên cứu về mạng cảm
biến không dây một cái nhìn tổng quan và áp dụng từng phương pháp trong từng ứng
dụng cụ thể của mình.
Cấu trúc của Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

1


Chương 3: Các phương pháp chọn node chủ cụm trong mạng cảm biến không dây nhiều
node sink.
Để có thể hoàn thành luận văn này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về kiến thức

cũng như kinh nghiệm quý giá của các thầy cô, bạn bè trong Khoa Điện tử Viễn thông,
Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Đặc biệt, em xin chân thành cảm
ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Vương Đạo Vy – Khoa Điện tử Viễn Thông – Trường
Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, người đã tận tình hướng dẫn em trong
suốt quá trình hoàn thành Luận văn này.
Mặc dù đã nỗ lực cố gắng, song với hạn chế về kiến thức cũng như thời gian thực hiện,
luận văn này không thể tránh được những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý ,
chỉ bảo quý báu của các thầy cô giáo.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, tháng 10 năm 2014
Học viên
Lê Xuân Vương

2


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................... 1
MỤC LỤC .......................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................................... 6
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ................................................................................................. 7
CHƢƠNG 1:....................................................................................................................... 8
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................................................. 8
1.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 8
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây........................................................................... 9
1.2.1 Cấu trúc của một node mạng trong mạng cảm biến không dây .......................... 9
1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây .......................................................... 10
1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây ......................................................... 15
1.3.1 Khả năng chịu lỗi: ............................................................................................. 15
1.3.2 Khả năng mở rộng: ............................................................................................ 15

1.3.3 Giá thành sản xuất: ............................................................................................ 15
1.3.4 Ràng buộc về phần cứng: .................................................................................. 15
1.3.5 Môi trường hoạt động: ...................................................................................... 15
1.3.6 Tiêu thụ năng lượng: ......................................................................................... 16
1.3.7 Tính bảo mật: .................................................................................................... 16
1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ............................................................... 16
1.4.1 Ứng dụng trong môi trường: ............................................................................. 16
1.4.2 Ứng dụng trong y học: ...................................................................................... 17
3


1.4.3 Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày: ............................................................. 17
1.4.4 Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp: ............................................................. 17
1.4.5 Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp: ............................................................. 17
1.4.6 Ứng dụng trong quân sự:................................................................................... 17
1.5 Kết luận .................................................................................................................... 17
CHƢƠNG 2:..................................................................................................................... 19
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................................... 19
2.1 Giới thiệu ................................................................................................................. 19
2.2 Những thách thức trong vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây. ................. 19
2.3. Các vấn đề cần lưu ý đối với giao thức định tuyến ................................................ 19
2.3.1. Tính động của mạng ......................................................................................... 19
2.3.2. Triển khai các node ......................................................................................... 20
2.3.3. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến .................. 20
2.3.4. Tài nguyên hạn chế .......................................................................................... 20
2.3.5. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ........................................... 20
2.3.6. Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ..................................... 21
2.4. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây .................... 21
2.4.1 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centic protocols) ......................................... 23
2.4.2 Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) .............................................. 28

2.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) ........................................ 32
CHƢƠNG 3:..................................................................................................................... 37
CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỌN NODE CHỦ CỤM (CLUSTER HEAD) TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NHIỀU NODE SINK ......................................... 37
4


3.1 Giới thiệu ................................................................................................................. 37
3.2 Một số phương pháp chính về chọn node chủ cụm (Cluster Head) trong mạng cảm
biến nhiều node sink. ..................................................................................................... 38
3.2.1 Sử dụng phương pháp nhận dạng để lựa chọn node chủ cụm: ......................... 38
3.2.2 Phương pháp chọn node chủ cụm dựa trên bậc (degree) của node:................. 38
3.2.3 Phương pháp lựa chọn node chủ cụm liên quan đến trọng số của node. ......... 38
3.3 Lựa chọn node chủ cụm trong một số giao thức tiêu biểu. ...................................... 39
3.3.1 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức LEACH ............................................. 39
3.3.2 Lựa chọn node chủ cụm theo LEACH – C (LEACH Centralized) ................... 41
3.3.3 Lựa chọn node chủ cụm theo LEACH – F (Fixed Cluster, Rotating Cluster
Head) .......................................................................................................................... 41
3.3.4 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức PEGASIS .......................................... 41
3.3.5 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức HEED................................................ 43
3.3.6 Chọn node chủ theo tiền phân nhóm năng lượng động dựa vào năng lượng và
vị trí. ........................................................................................................................... 45
3.4 Kết luận .................................................................................................................... 46
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN...................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 49

5


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến
Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Hình 1.3 Cấu trúc phẳng
Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp
Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Hình 2.1 Hiện tượng bản tin kép
Hình 2.2 Hiện tượng chồng chéo
Hình 2.3 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN
Hình 2.4 Cơ chế của SPIN
Hình 2.5 Các pha trong Directed Diffusion
Hình 2.6 Mô hình hoạt động của LEACH.
Hình 2.7 Chuỗi trong PEGASIS
Hình 2.8 Hoạt động của GAF
Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái trong GAF
Hình 3.1 Xây dựng chuỗi sử dụng giải thuật Greedy
Hình 3.2 Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS

6


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADC

Analog Digital Coverter

Bộ chuyển đổi tương tự- số

GAF

Geographic Adaptive
Fidelity

Chính xác tương thích địa lý

GEAR

Geographic and EnergyAware Routing

Định tuyến dựa theo sự nhận biết
về địa lý và năng lượng

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

ID

Identification number

Chỉ số nhận dạng

IEEE

Institute of Electrical and
Electronic Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

LEACH

Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy

Phân nhóm phân bậc tương thích
năng lượng thấp

LEACH-C

Low-Energy Adaptive
Clustering HierarchyCentralized

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

PEGASIS

Power-efficient Gathering
in Sensor Information
System

Tập trung hiệu suất năng lượng
trong hệ thống thông tin cảm biến

SPIN

Sensor Protocols for
Information via
Negotiation

Giao thức thông tin cảm biến thông
qua sự đàm phán

TDMA

Task Assignment and Data
Advertisement Protocol

Đa truy nhập và phân chia theo
thời gian

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

7


CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trong chương mở đầu này, sẽ nêu lên các khái niệm chung nhất, khái quát nhất về
mạng cảm biến không dây cũng như các thành phần trong mạng, cấu trúc một node
mạng, của toàn mạng, các yếu tố cần xem xét khi nghiên cứu về mạng cảm biến không
dây và các ứng dụng thực tế của nó.
1.1 Giới thiệu
Trong thời gian gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát
triển và triển khai cho rất nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự hoạt động của
môi trường, giám sát không gian, giám sát các mặt trận quân sự, chẩn đoán sự hoạt động
của máy móc, thiết bị , theo dõi và giám sát các hoạt động của bác sỹ, bênh nhân trong
bệnh viện, theo dõi và điều khiển phương tiện giao thông xe cộ…
Hơn nữa, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, với sự phát
triển mạnh mẽ của các ngành như kỹ thuật Vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không
dây, công nghệ mạch tích hợp, cảm biến, tính toán và xử lý số liệu…đã tạo ra những con
cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp,
làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến trong thực tế.
Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node mạng với nhau nhờ sóng
radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng đã bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận,
thu thập thông tin, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị nhỏ gọn,
đơn giản, có giá thành thấp…và được phân bố với số lượng lớn trong một phạm vi rộng,
sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài.
Các node mạng có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt
độ, độ ẩm, ánh sáng..., định vị, theo dõi, thông báo các thông tin về mục tiêu cần giám
sát. Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm trung tâm để xử lý thông tin.

Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:
 Có khả năng tự tổ chức.
 Yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người
 Truyền thông vô tuyến và truyền đa bước.
 Triển khai số lượng lớn trên phạm vi rộng.
 Năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý bị giới hạn.
8


 Cấu hình thường xuyên thay đổi do môi trường hoặc do node mạng.
 Quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop
Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ, khả năng xử lý và tính toán
chính là những vấn đề thách thức trong mạng cảm biến không dây. Chính những đặc tính
này đã đưa ra những yêu cầu trong việc tính toán thiết kế mạng cảm biến không dây.
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2.1 Cấu trúc của một node mạng trong mạng cảm biến không dây
Để xây dựng nên mạng cảm biến không dây trước hết phải chế tạo và phát triển các
node mạng cảm biến giúp cấu thành nên mạng. Các node phải thỏa mãn một số yêu cầu
nhất định tùy theo mục đích sử dụng cụ thể: Các node phải có kích thước nhỏ gọn, giá
thành rẻ, hoạt động hiệu quả, có các thiết bị cảm biến có độ tin cậy cao, có khả năng tính
toán và có bộ nhớ lưu trữ đáp ứng đủ yêu cầu, phải có khả năng thu phát sóng vô tuyến
để thông tin liên lạc với các node khác và trạm cơ sở. Mỗi node cảm biến được cấu thành
bởi 4 phần cơ bản: bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý( a processing unit), bộ thu phát
(a transceiver unit) và bộ nguồn ( a power unit). Ngoài ra còn có thể có thêm những thành
phần khác tùy thuộc ứng dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát
nguồn ( a power generator) và bộ phận di dộng (mobilizer).

Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến

+) Bộ phận cảm biến (sensing units): Bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số

(ADC).
Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được
chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.

9


Có rất nhiều loại cảm biến, tùy vào ứng dụng trong mạng cảm biến mà ta có các loại cam
biến tương ứng, thường là dựa vào kiểu hoạt động của cảm biến ( tích cực, thụ động ) ,
phạm vi giám sát, năng lượng tiêu thụ, giá thành và kích thước…
+) Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ (storage unit):
Bộ vi xử lý là thiết bị quan trọng nhất trong node mạng cảm biến không dây. Có nhiệm
vụ làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các
node, sau đó xử lý trước khi gửi đi và nhận dữ liệu từ các node khác.
Bộ lưu trữ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thu thập về từ các node cảm biến, hoặc gói
dữ liệu từ các node khác. Yêu cầu kích thước của bộ nhớ và năng lượng tiêu thụ tương
ứng với yêu cầu về dữ liệu của ứng dụng của node mạng.
+) Phần thu phát vô tuyến : có nhiệm vụ kết nối các node vào mạng. Chúng gửi và nhận
các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các node lân cận tới các node khác hoặc tới trạm
cơ sở.
+) Bộ nguồn: là một trong số các phần cốt yếu của một node mạng cảm biến. Trong đó có
2 vấn đề cần quan tâm là khả năng lưu trữ, cung cấp năng lượng và khả năng thay thế
nguồn. Bộ nguồn thường là một số loại pin có năng lượng hạn chế và khả năng thay thế
trong node mạng là không thể do các khó khăn về địa hình triển khai và số lượng các
node mạng lớn. Để các node có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó nên có
khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.
Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu hết
các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác
cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch
chuyển các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm

biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây
1.2.2.1 Cấu trúc mạng
Đặc điểm của mạng cảm biến không dây là bao gồm một số lượng lớn các node cảm
biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên và đặc biệt là năng lượng
rất hạn chế. Do đó, cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế sao cho sử dụng
hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của toàn mạng. Vì
vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần đáp ứng những yếu tố kĩ thuật như:
+) Giao tiếp không dây multihop: Trong mạng cảm biến không dây, phương thức giao
tiếp giữa các node cảm biến là giao tiếp không dây. Do đó, việc giao tiếp trực tiếp giữa 2
node mạng sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hoặc vật cản. Đặc biệt là khi node phát và
10


node thu cách nhau càng xa thì càng cần công suất càng lớn. Vì vậy cần có các node
trung gian để làm node chuyển tiếp làm giảm công suất tổng thể. Do đó các mạng cảm
biến không dây cần dùng giao tiếp multihop.
+) Hoạt động hiệu quả năng lượng: Vấn đề năng lượng là vấn đề rất quan trọng cần giải
quyết của mạng cảm biến không dây. Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây
chính là sự hạn chế về năng lượng. Do vậy, để hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của toàn
mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật rất quan trọng trong mạng cảm biến không
dây.
+) Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách
tự động. Chẳng hạn như các node có thể tự xác định vị trí của nó thông qua các node
khác.
+) Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node
cảm biến không thu thập đủ dữ liệu cần phải có nhiều node cùng tham gia cộng tác hoạt
động để thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node tự thu thập dữ liệu rồi gửi ngay dữ liệu
đó đến trạm cơ sở thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu
của nhiều node trong 1 phân vùng nhất định, xử lý sơ bộ sau đó mới gửi tới trạm cơ sở

giúp tiết kiệm băng thông và năng lượng tiêu thụ.
Do đó, cấu trúc mạng mới cần thiết kế thỏa mãn các yêu cầu như:
 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node lân cận nhau.
Các node cảm biến được phân bố trong một vùng cảm biến như hình dưới. Mỗi node
cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định
tuyến lại đến các sink bởi cấu trúc đa điểm. Các trạm cơ sở có thể giao tiếp với các node
quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên trong
mạng ( là một node cảm biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết
bị thực sự như là một máy tính có khả năng tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng có
thể đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như mạng internet nơi
mà các yêu cầu thực sự đối với thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng.

11


Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
a, Cấu trúc phẳng (flat architecture)

Hình 1.3 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng
và chức năng. Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng
làm bộ chuyển tiếp. Với phạm vi truyền cố định, các node gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo
vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lượng lớn nguồn tiêu thụ. Giả thiết tất cả các nguồn

đều dùng cùng 1 tần số để truyền dữ liệu, vì vậy cần chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách
này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian hoặc tần
số.
b, Cấu trúc phân cấp (tiered architecture)
Trong cấu trúc phân cấp, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một
cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc vào kích thước của cụm đến node
định sẵn, thường là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các node tạo thành một

12


hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi node ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã
được định sẵn.

Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp

Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không
đồng đều giữa các node. Những chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp nhất
thực hiện các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng phân
phối dữ liệu.

Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Các nhiệm vụ xác định có thể được phân chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ
mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp này,
các cảm biến ở cấp thấp nhất đóng vài trò là bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi
tín hiệu, trong đó các node ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này và thực hiện các
chức năng như tính toán, phân phối dữ liệu.
13

Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn
mạng cấu trúc phẳng bởi các lý do sau:
+) Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vị các tài
nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các phần
cứng thống nhất, mỗi node chỉ cần 1 lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các
nhiệm vụ. Vì số lượng các node cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng nhất định, chi phí
của toàn mạng vì thế sẽ không quá cao. Thay vào đó, nếu số lượng lớn các node có chi
phí thấp được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ, chi phí toàn mạng sẽ
giảm xuống.
+) Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng. Khi cần tính toán nhiều
thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán.
Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các
node tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả
hơn. Do vậy với cấu trúc phân cấp mà các chức năng mạng được phân chia giữa các phần
cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ giúp tăng thời gian sống của toàn
mạng.
+) Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các node yêu cầu
thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân
tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi node trong mạng có n node là W/n
trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì
thông lượng của mỗi node sẽ giảm về 0.
Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc phân cấp đem lại nhiều triển vọng để khắc phục
vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó
các node ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm sink
đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông
qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính
với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng
. Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của
cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc phân

cấp và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng
cấu trúc phân cấp. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa
chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi node, một phần phân bố đến tập
con của các node. Giả thiết rằng các node đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một
cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của
14


chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa
chỉ trong mạng cấu trúc tầng.
1.3 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây là sự liên kết của số lượng lớn các node cảm biến. Các
node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về mặt tài nguyên và năng lượng. Do đó, cấu
trúc mạng cảm biến không dây có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây,
ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến không dây như sau:
1.3.1 Khả năng chịu lỗi:
Trong quá trình vận hành của mạng cảm biến không dây, một số các node cảm biến
có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh
hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình
thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động.
1.3.2 Khả năng mở rộng:
Phạm vi triển khai của mạng cảm biến không dây là không cố định. Nó phụ thuộc vào
từng yêu cầu cụ thể và từng đặc điểm của môi trường khi triển khai ứng dụng. Số lượng
các node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng
dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó, mạng cảm biến không dây phải có
khả năng làm việc mở rộng với số lượng các node thay đổi và sử dụng được tính chất mật
độ cao của mạng cảm biến.
1.3.3 Giá thành sản xuất:
Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí của

mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của
toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có
giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp.
1.3.4 Ràng buộc về phần cứng:
Do đặc điểm là có số lượng lớn các node cảm biến khi được triển khai, do đó các
node mạng cảm biến phải chịu các ràng buộc về phần cứng. Ngoài kích cỡ nhỏ,càng nhỏ
càng tốt ra, các node cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu
thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và
thích ứng tôt với môi trường.
1.3.5 Môi trƣờng hoạt động:
Các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện
tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng
15


xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong
những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
1.3.6 Tiêu thụ năng lƣợng:
Trong mạng cảm biến không dây, các node mạng cảm biến hoạt động dựa trên nguồn
năng lượng bị giới hạn ( như là pin ). Trong một số điều kiện nhất định, việc bổ sung
nguồn cho các node là không thể thực hiện được. Vì thế thời gian sống của node cảm
biến phụ thuộc phần nhiều vào pin. Việc duy trì và quản lý năng lượng của node đóng vai
trò quan trọng do sự cố nếu xảy ra với một vài node có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến toàn mạng.
1.3.7 Tính bảo mật:
Trong mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan trọng, đặc biệt là trong
quân sự. Việc truyền tín hiệu không dây luôn tiềm ẩn rủi ro mất thông tin, bị đánh cắp
thông tin rất lớn. Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu
tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận.
Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa

các tập tin, điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bít xác thực…
1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Trong thực tế, mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực
khác nhau. Nhờ những ưu điểm và đặc trưng mà mạng cảm biến không dây có được, nó
có thể được sử dụng để theo dõi và giám sát các vùng không gian rộng lớn và đa dạng về
điều kiện địa hình. Các node cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là
phát hiện sự kiện, nhận dạng, phát hiện vị trí…Cụ thể, có thể xem xét một số ứng dụng
của mạng cảm biến không dây trong một số lĩnh vực sau để làm nổi bật vai trò quan trọng
và cần thiết của mạng cảm biến không dây trong thực tế.
1.4.1 Ứng dụng trong môi trƣờng:
+) Phát hiện cháy rừng: Bằng việc triển khai mạng cảm biến không dây trong rừng, mỗi
node mạng sẽ thu thập các thông tin cần thiết như nhiệt độ, độ ẩm, khói... sau đó gửi về
trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, cảnh báo và phát hiện ra cháy. Điều này sẽ
giúp sớm phát hiện và ngăn chặn các thảm họa cháy rừng.
+) Cảnh báo lũ lụt: Hệ thống được triển khai bao gồm các node cảm biến về lượng mưa,
mực nước. Các node cảm biến cung cấp các thông tin cho hệ thống xử lý trung tâm để
phân tích và cảnh báo sớm.

16


+) Giám sát các hiện tượng địa chấn: Có thể triển khai mạng cảm biến gồm các node cảm
biến về sự rung chuyển trên mặt đất hoặc trong lòng đất giúp cảnh báo sớm động đất,
sóng thần, núi lửa phun trào.
1.4.2 Ứng dụng trong y học:
Giám sát trong y tế và chuẩn đoán: Trong tương lai không xa, các node cảm biến có thể
đủ nhỏ, đủ tin cậy để gắn lên cơ thể người giúp giám sát sức khỏe con người, cảnh báo
các nguy cơ bệnh tật nhờ đó có thể phát hiện sớm và chữa bệnh dễ dàng hơn.
1.4.3 Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày:
Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai trong nhà giúp đo nhiệt độ. Không

những thế chúng còn có thể phát hiện ra sự di chuyển trong nhà và thông báo đến các
thiết bị báo động trong trường hợp cảnh báo có trộm.
1.4.4 Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp:
Trong kinh doanh: việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa sẽ được giải phóng. Các kiện
hàng có thể gắn các node cảm biến chỉ cần tồn tại trong thời gian lưu trữ. Trong mỗi lần
kiểm kê, người ta chỉ cần quảng bá 1 bản tin tới kho lưu trữ. Tất cả các kiện hàng sẽ tự
động trả lời bản tin đó giúp bộc lộ thông tin về kiện hàng. Việc này đặc biệt hữu dụng
trong việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa số lượng lớn.
1.4.5 Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp:
+) Ứng dụng trong trồng trọt: Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai giúp
giám sát và duy trì độ ẩm đất trong trồng trọt.
+) Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cần triển khai các cảm
biến giúp dễ dàng theo dõi và giám sát tình trạng môi trường sống cho gia súc, gia cầm.
1.4.6 Ứng dụng trong quân sự:
Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong quân sự như giám sát quân đội, giám
sát các trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, đối phương, thăm dò, tấn công bằng
vũ khí công nghệ cao.
Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây có thể chia làm 2 loại là:
- Giám sát môi trường tĩnh.
- Giám sát môi trường động.
1.5 Kết luận
Trong chương này đã giới thiệu một cách tổng quan về cấu trúc của mạng cảm biến
không dây, đồng thời cũng nêu lên những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong
17


thực tiễn đời sống và sản xuất. Qua đó cho thấy mạng cảm biến không dây ngày càng có
vai trò quan trọng và đóng góp nhiều lợi ích trong thực tế. Với sự phát triển mạnh mẽ của
khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực cảm biến, công nghệ thông tin, điện tử… sẽ
ngày càng hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng và tiềm năng của mạng cảm biến không dây

trong tất cả các lĩnh vực.

18


CHƢƠNG 2:
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Giới thiệu
Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối
mặt với rất nhiều vấn đề. Đã có rất nhiều nghiên cứu và đề về các giải thuật mới để giải
quyết hiệu quả hơn vấn đề định tuyến dữ liệu. Các giải thuật định tuyến cần đáp ứng
được các yêu cầu về mặt ứng dụng và cấu trúc cũng như các đặc điểm riêng của mạng tùy
vào yêu cầu thiết kế. Trong chương này trình bày ba loại giao thức thông dụng thường
được dùng trong mạng cảm biến không dây, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (data
centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí
(location-based protocol).
2.2 Những thách thức trong vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây bên cạnh những điểm tương đồng với các hình thức mạng
khác thì ban thân nó cũng có những đặc điểm riêng biệt khác hẳn so với các loại mạng
khác. Do đó, định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều thách
thức như sau:
+) Trong mạng cảm biến không dây, số lượng các node là rất lớn, nên ta không thể xây
dựng 1 chế độ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các node cảm biến, vì thế không thể áp
dụng giao thức dựa trên IP.
+) Trong mạng cảm biến không dây, các luồng dữ liệu cảm biến đều là từ nhiều nguồn
khác nhau và truyền về node sink xác định.
+) Các node cảm biến bị hạn chế bởi năng lượng truyền tải, năng lượng sử dụng, quá
trình xử lý và lưu trữ dữ liệu. Do đó nguồn năng lượng của node cần được quản lý chặt
chẽ.
+) Lưu lượng thông tin truyền từ các node cảm biến sẽ có lượng dư thừa đáng kể vì có

thể các cảm biến trong cùng một vùng lân cận có thể phát đi cùng 1 dữ liệu. Những thông
tin dư thừa đó cần được xử lý sơ bộ bởi các giải thuật trước khi truyền đi giúp tăng hiệu
quả sử dụng băng thông cũng như tiết kiệm năng lượng.
2.3. Các vấn đề cần lƣu ý đối với giao thức định tuyến
2.3.1. Tính động của mạng
Mạng cảm biến không dây được tạo thành từ rất nhiều các node cảm biến khác nhau.
Trong các ứng dụng của mạng, tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể, đa số các node mạng
được thiết lập là cố định. Tuy nhiên, trong một số các ứng dụng đặc biệt, các node gốc và
19


các node cảm biến có thể di chuyển. Khi đó các bản tin chọn đường được lấy từ các node
di động hay được chuyển đến các node di động sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn như
đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng tần…Các sự kiện cảm nhận có
thể là động hoặc tĩnh phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể.
2.3.2. Triển khai các node
Sự phân bố các node trong mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào các ứng dụng cụ
thể và có thể được xác định trước hoặc tự phân bố. Trong trường hợp xác định trước, các
node có thể được phân bố bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã
định. Tuy nhiên, trong các hệ thống tự tổ chức, các node thường được phân bố một cách
ngẫu nhiên. Trong cấu trúc mạng mà các node được phân bố ngẫu nhiên này, vị trí của
các node chủ hay của các sink cũng góp phần không nhỏ trong việc sử dụng hiệu quả
năng lượng và hoạt động của mạng. Trong hầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các
node cảm biến thường có phạm vi ngắn do có sự hạn chế về năng lượng và băng thông.
Do đó, việc chọn đường sẽ được thực hiện qua nhiều bước nhảy.
2.3.3. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến
Các node cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lưu trữ, truyền dẫn và năng lượng
hạn chế. Tùy vào ứng dụng cụ thể, mật độ các node có thể từ ít đến nhiều. Hơn nữa, trong
nhiều ứng dụng, số lượng node có thể đạt con số hàng trăm, thậm chí hàng nghìn node
tùy ý bao phủ cả một vùng rộng lớn. Trong mạng này, đặc tính của các node cảm biến là

có tính thích nghi động, với yêu cầu về việc tự tổ chức cấu hình và quản lý tốt nguồn
năng lượng, các node cảm biến phải tự điều chỉnh liên tục để thích ứng với mỗi hoạt động
tại mỗi thời điểm.
2.3.4. Tài nguyên hạn chế
Các node cảm biến được thiết kế với độ phức tạp nhỏ nhất cho việc triển khai trong
phạm vi lớn để giảm thiểu chi phí cho toàn mạng. Năng lượng là vấn đề quan tâm chủ
yếu trong mạng cảm biến không dây. Làm thế nào để kéo dài thời gian sống của toàn
mạng trong khi các node hoạt động với nguồn năng lượng hạn chế. Vấn đề quản lý nguồn
năng lượng của node cũng như của toàn mạng trở thành thách thức thực sự với các nhà
khoa học trong nhiều lĩnh vực quan trọng.
2.3.5. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các node cảm biến với các node cao hơn
hoặc trạm gốc. Mô hình này phụ thuộc nhiều vào bản chất của ứng dụng cụ thể, các dữ
liệu được yêu cầu và sử dụng. Có một số mô hình dữ liệu được đề xuất nhằm tập trung
vào các yêu cầu về tương tác và nhu cầu tập hợp dữ liệu của nhiều ứng dụng khác nhau.
20


Một kiểu ứng dụng của mạng cảm biến không dây là mô hình thu thập dữ liệu dựa vào
việc lấy mẫu theo chu kỳ định sẵn hoặc truyền thông tin về sự thay đổi, xảy ra các sự kiện
trong môi trường được giám sát. Trong các ứng dụng khác, dữ liệu có thể được thu nhận,
lưu trữ hoặc được xử lý sơ bộ, tập trung tại một node trước khi được truyền về các sink.
Một loại thứ ba là mô hình dữ liệu tương tác hai chiều giữa các node cảm biến và sink.
2.3.6. Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
Các truy vấn và dữ liệu được truyền giữa trạm gốc và các vị trí đặt các node nhằm quan
sát hiện tượng là một khía cạnh quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Một phương
pháp cơ bản để thực hiện việc này là mỗi node cảm biến có thể truyền dữ liệu trực tiếp
đến trạm cơ sở. Tuy nhiên phương pháp này có chi phí rất đắt, đặc biệt xét về mặt năng
lượng, các node ở xa trạm cơ sở có khả năng cao bị tiêu hao năng lượng nhanh chóng và
kéo theo làm giảm thời gian sống của toàn hệ thống.

Nhằm giảm thiểu nhược điểm của phương pháp trên thì dữ liệu trao đổi giữa các node
cảm biến và trạm cơ sở có thể được thực hiện bằng cách thức truyền dữ liệu gói đa chặng
trong phạm vi ngắn. Phương pháp này giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể ở mỗi node và
cũng giảm đáng kể sự giao thoa truyền dẫn giữa các node khi cạnh tranh nhau kênh
truyền, đặc biệt khi gặp các mạng cảm biến không dây có mật độ các node cao.
Để đáp ứng các truy vấn từ các sink hoặc các sự kiện đặc biệt xảy ra tại môi trường cần
giám sát thì dữ liệu thu thập được từ các node sẽ được truyền đến trạm cơ sở thông qua
nhiều node trung gian bằng phương pháp truyền đa chặng.
Trong định tuyến đa chặng, các node trung gian giữ vai trò chuyển tiếp dữ liệu từ các
node cảm biến đến với trạm cơ sở. Việc xác định xem tập hợp các node nào tạo thành
đường dẫn chuyển tiếp dữ liệu cũng là một bài toán trong việc nghiên cứu các thuật toán
định tuyến. Nói chung việc định tuyến trong mạng với phạm vi lớn vốn đã là một vấn đề
khó khăn, các thuật toán nhằm vào nhiều yêu cầu thiết kế bao gồm đòi hỏi sự chính xác,
ổn định, tối ưu hóa và chú ý đến các sự thay đổi các thông số.
Với đặc tính bên trong của mạng cảm biến không dây bao gồm sự giới hạn về băng
thông và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến vừa phải thỏa
mãn các yêu cầu về lưu lượng vừa phải đảm bảo càng kéo dài thời gian sống của toàn
mạng.
2.4. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây là một thách thức khó khăn đòi hỏi
phải có sự cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh và hiệu quả hoạt động của mạng. Việc tìm ra
phương pháp cân bằng giữa sự cạnh tranh này cần thiết tạo ra một nền tảng chiến lược
21


phân tuyến. Khi thiết kế các giao thức phân tuyến trong mạng cảm biến không dây phải
xem xét các giới hạn của mạng về:
+) Công suất và tài nguyên của mỗi node mạng
+) Chất lượng thay đổi theo thời gian của các kênh vô tuyến
+) Khả năng mất gói và trễ

Dựa vào các yêu cầu thiết kế này, một số các chiến lược phân tuyến đã được đưa ra.
Nói chung, việc phân tuyến trong mạng cảm biến không dây có thể được chia làm các
loại chính như sau:
+) Loại thứ nhất: Giao thức định tuyến sử dụng phương pháp trung tâm dữ liệu để phân
bố sự quan tâm (interest) bên trong mạng. Phương pháp này sử dụng thuộc tính dựa trên
tên do đó một node nguồn truy vấn một thuộc tính của hiện tượng hơn là một node riêng
lẻ.
+) Loại thứ hai: Giao thức phân cấp theo cụm. 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 node cảm biến thường hạn
chế về khả năng mở rộng và rất khó để có thể liên kết hoạt động của các node 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 node 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.
Trong giao thức này, các node mạng tự tổ chức thành các cụm trong đó có một node có
mức năng lượng cao hơn các node khác và đóng vai trò là node chủ cụm. Node chủ cụm
thực hiện việc phối hợp hoạt động giữa các node trong cụm và chuyển tiếp thông tin giữa
các cụm với nhau. Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và
kéo dài thời gian sống của mạng.
+) Loại thứ ba: Giao thức định tuyến dựa theo vị trí phụ thuộc vào cấu trúc mạng. Trong
đó vị trí của các node cảm biến được sử dụng để phân tuyến dữ liệu. Trong giao thức này,
các node cảm biến được đánh địa chỉ dựa vào vị trí của chúng. Loại giao thức này rất có
ích cho những ứng dụng nơi mà vị trí của các node cảm biến trong vùng địa lý được bao
phủ bởi mạng liên quan đến truy vấn được đưa ra bởi node nguồn. Trong loại giao thức
định tuyến này, GAF và GEAR là hai giao thức rất đáng được chú ý.

22