Tổng quan công nghệ WSNs và kỹ thuật định tuyến tiếp kiệm năng lượng trong WSNs

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
==== ====

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH
TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs

NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

HÀ NỘI 10-2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
==== ====

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH
TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ:

NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI 10-2008

MỤC LỤC
Lời cam đoan......................................................................................................i
Mục lục .............................................................................................................ii
Danh mục các từ viết tắt...................................................................................iii
Danh mục các hình vẽ.......................................................................................iv
Mở đầu...............................................................................................................v
PHẦN I. Tổng quan cơng nghệ WSNs ............................................................... 2
I. Giới thiệu và tổng quan của mạng cảm biến không dây(WSN) ..................... 2
1.1 Giới thiệu ................................................................................................. 2
1.1.1 Kiến thức cơ bản về kỹ thuật mạng cảm biến .................................. 2
1.2 Miêu tả cơ bản về kỹ thuật ..................................................................... 11
1.2.1 Khái niệm kiến trúc mạng .............................................................. 13
1.2.2 Thử thách và khó khăn ................................................................... 21
1.3 Kết luận ............................................................................................... 25
2.Ứng dụng của WSN ...................................................................................... 25
2.1 Giới thiệu ............................................................................................... 25
2.2 Cơ sở ...................................................................................................... 27
2.3 Phạm vi của các ứng dụng ..................................................................... 30
3.Kĩ thuật mạng không dây cơ bản .................................................................. 31
3.1 Giới thiệu ............................................................................................... 31
3.2 Kỹ thuật node cảm biến ......................................................................... 32
3.2.1 Tổng quát ........................................................................................ 32
3.2.2

Hardware và Software ................................................................. 33

3.3 Phân loại sensor ..................................................................................... 35
3.4 Các xu hướng của WN ........................................................................... 36

4. Các hệ thống và kỹ thuật truyền không dây ................................................. 38
4.1 Giới thiệu ............................................................................................... 38
4.2 Công nghệ rađiô cơ bản ........................................................................ 38
4.2.1 Sự lan Truyền và những sự suy giảm lan truyền ............................ 39


4.2.2 Điều chế .......................................................................................... 42
4.3 Kỹ thuật không dây sẵn có ..................................................................... 43
4.4 Kết luận .................................................................................................. 44
5. Giao thức kiểm soát truy nhập trung gian cho WSNs ................................. 45
5.1Giới thiệu ................................................................................................ 45
5.2 Cơ sở .................................................................................................... 46
5.3 Nền tảng của giao thức Mac ................................................................47
5.3.1

Các yêu cầu thực hiện ................................................................. 48

5.3.2

Các giao thức phổ biến ................................................................ 52

5.4 Giao thức Mac cho WSNs .................................................................... 62
PHẦN II. Giao thức định tuyến trong WSN ................................................... 64
6. Giao thức Định tuyến cho các mạng cảm biến không dây. ......................... 64
6.1. Giới thiệu .............................................................................................. 64
6.2 Background ......................................................................................... 65
6.3 Phổ biến và thu thập dữ liệu .................................................................. 66
6.4 Thách thức định tuyến và các vấn đề thiết kế trong mạng WSNs ......... 67
6.4.1 Quy mô và sự thay đổi Thời gian - Đặc điểm bất biến ................ 68
6.4.2 Sự giới hạn resource ....................................................................... 68

6.4.3 Mơ hình dữ liệu - Ứng dụng cảm ứng ............................................ 69
6.5 Kế hoạch định tuyến trong mạng cảm biến không dây ........................ 69
6.5.1 Kỹ thuật định tuyến WSN ............................................................ 71
6.5.2

Flooding và sự biến đổi ............................................................... 72

6.5.3 Giao thức cảm biến thông tin thông qua đàm phán SPIN .............. 74
6.5.4 Phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp (Leach) .......................... 80
6.5.5 Thu thập Năng lượng -Hiệu quả trong HT thông tin cảm biến ..... 84
6.5.6 Khuếch tán trực tiếp........................................................................ 88
6.5.7 Định tuyến địa lý ............................................................................ 94
6.6 Kết luận ................................................................................................ 101
PHẦN III. Chương trình mơ phỏng giao thức chọn đường Leach ............. 102
Kết luận ............................................................................................................106
Tài liệu tham khảo..............................................................................................107


PHẦN I. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs
I. Giới thiệu và tổng quan của mạng cảm biến không dây(WSN)
1.1 Giới thiệu
Một mạng cảm biến là một thành phần mà bao gồm có yếu tố cảm biến (theo
tiêu chuẩn), điện tốn, viễn thơng, cái mà đưa cho người quản lý có khả năng
cung cấp, quan sát tương tác với các sự vật và hiện tượng trong một môi trường
chuyên biệt. Các nhà quản lý khác nhau là trong các lĩnh vực xây dựng, chính
phủ, thương mại, cơng nghiệp. Mơi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh
học or là kết cấu IT. Các hệ thống cảm biến mạng được nhìn bởi các nhà quan
sát như là một kỹ thuật rất quan trọng cái mà sẽ là phát triển chủ đạo trong một
vài năm tới cho một plethora của các ứng dụng, mà còn là ăn ninh quốc gia. Các
ứng dụng tiêu biểu bao gồm , không bị giới hạn trong việc thu thập dữ liệu, điều

chỉnh, giám sát, và đo lường y học từ xa. Thêm vào việc cảm biến, một điều rất
đáng được quan tâm khác là điều khiển và hoạt động.
Có bốn thành phần cơ bản trong mạng cảm biến :
-

Việc lắp ráp của các cảm biến được lắp đặt và phân bố.

-

Một mạng kết nối (thông thường, không phải luôn luôn với cơ sở mạng
không dây)

-

Một trung tâm tiêu điểm của chùm thông tin

-

Thiết lập nguồn tại trung tâm điểm (hoặc ở trên) để xử lý các tín hiệu liên
kết, tiên lượng các biến cố, truy vấn các trạng thái, khai thác những dữ liệu.
Trong nội dung này, các nút tính và cảm biến được coi như là một phần của
mạng cảm biến, trong thực tế một vàì tính tính được thực hiện trong chính hệ
thống của nó . Bởi vì do số lượng lớn các dữ liệu tiềm năng được thu thập,
1.1.1 Kiến thức cơ bản về kỹ thuật mạng cảm biến
- Những nhà nghiên cứu xem WSNs(mạng cảm biến không dây) như là một lĩnh
vực mới mẻ và thú vị trong những hệ thống mạng lớn của các nút mạng khơng
dây có cơng suất thấp với một lượng rất ít CPU và bộ nhớ, và những mạng kết
hợp lớn mà có độ nhạy cao với môi trường. Những cảm biến trong một WSN

được sử dụng với rất nhiều mục đích, chức năng và khả năng khác nhau. Lĩnh
vực này hiện nay đang rất phát triển dưới sự thúc đẩy của các tiến bộ kỹ thuật
trong thời gian gần đây và kéo theo nó là vơ vàn các ứng dụng tiềm năng. Mạng
radar được sử dụng trong việc điều khiển không lưu, mạng điện quốc gia, và các
trạm khí tượng quốc gia được phủ khắp mạng các điểm đã được sắp đặt một cách
có hệ thống, tất cả đều là những ví dụ trước đây của việc triển khai mạng cảm
biến. Tuy nhiên, tất cả những hệ thống này sử dụng các máy tính và giao thức
truyền thơng chun dụng, rất đắt đỏ. Hiện nay đang có kế hoạch ứng dụng
những WSN tiết kiệm hơn vào an tồn vật lý, chăm sóc sức khoẻ và thương mại.
Mạng cảm biến mà một lĩnh vực đa diện mà có liên quan tới các ngành khác,
trong số đó có thể kể tới, vơ tuyến điện và mạng, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo,
quản lý dữ liệu, cấu trúc hệ thống cho việc quản lý kết cấu cơ sở thân thiện với
với người điều hanh, tối ưu hố tài ngun, thuật tốn quản lý cơng suất, và công
nghệ nền tảng( phần cứng và phần mềm, chẳng hạn như hệ điều hành).
- Công nghệ cảm biến và điều khiến gồm có các cảm biến từ trường và điện
trượng, các cảm biến tần số sóng vơ tuyến, cảm biến quang, điện quang và hồng
ngoại; rada, lase, cảm biến vị trí/ hướng; cảm biến địa chấn và sóng áp suất; cảm
biến liên quan tới các vấn đề về an ninh quốc gia. Chúng ta có thể xem cảm biến
ngày nay như các thiết bị thông minh, không đắt tiền được lắp đặt kèm trên các
thiết bị cảm biến; chúng là các điểm nút đa chức năng, không ràng buộc, công
suất thấp, giá thành rẻ và được đặt một cách hợp lý trên một điểm nút chìm
chính. Một mục tiêu mang tính thương mại là phát triển hồn thiện những hệ
thống cơ học vi điện - dựa trên hệ các cảm biến chiếm dung tích là 1mm3 . - Các
cảm biến được phát triển chủ yếu theo lối mật độ tập trung cao và số lượng lớn;
một WSN gồm có các nút phân bộ dày đặc và có hố trợ cảm biến, xử lý tín hiệu,
hệ thống tính tốn nhúng, và các ghép nối; các cảm biến được liên kết theo một
cách lơ gíc theo kiểu tự tổ chức( các cảm biến được bố trí theo chặng ngắn điểm
điểm, sắp xếp theo cặp chủ tớ cũng được chú ý). Kết quả là cần phải có các
phương pháp thiết kế mới cùng với một tập các luật đi kèm, nhưng không bị giới
hạn, việc truyền thông tin, vấn đề mạng và quản lý điều hành, bảo mật, tích hợp,

tính khả dụng và xử trong mạng cục bộ. Trong một vài trường hợp, hiện vẫn


đang còn một vài thách thức trong vân đề thu thập dữ liệu từ WNs bởi vì sự kết
tới và đi từ WNs có thể bị đứt đoạn vì trạng thái pin yếu (ví dụ, nếu chúng phụ
thuộc vào ánh sáng mặt trời để nạp điện) hoặc các hỏng hóc Wn khác. Thông
thường, một số rất lớn các đơn vị khách (64k trở lên) cần được hỗ trợ bởi hệ và
bộ máy giải mã.
Bề rộng của cảm biến tuân theo độ lớn về kích cỡ vật lý; chúng (hoặc, ít ra là
một vài thành phần của nó) có độ rộng từ các thiết bị cỡ nano tới cỡ meoscopic
tại một điểm, từ kích cỡ micro tới marco tại một điểm khác. Nanoscopic( cũng
được gọi là kích cỡ nano) chỉ đối tượng hoặc thiết bị có kích cỡ từ 1 tới 100mm
về đường kính; kích cỡ meoscopic là từ 10 đến 1000µm về đường kính; và kích
cỡ macrcoscopic là trong phạm vi mm tới m. Ở mức gần cuối của thang đo tìm
được trong các thang đo khác, các cảm biến sinh học, vi cảm biến bị động nhỏ
(ví dụ như Smart Dust - một hệ thống truyền thơng, tính tốn và cảm biến độc
lập sử dụng quang phổ nhìn thấy được để truyền dẫn) và tập hợp "lab-on-a-chip".
- Các cảm biến có thể là các thành phần điểm đơn hoặc có thể là các dãy dị đa
điểm.. Các cảm biến có thể là bị động hoặc tự cấp năng lượng; xa hơn là chuỗi
tiêu thụ năng lượng, một vài cảm biến có thể yêu cầu năng lượng tương đối thấp
từ pin hoặc đường dẫn. Ở điểm cao cuối của chuỗi tiêu thụ năng lượng, một vài
cảm biến có thể cần năng lượng rất lớn. (ví dụ cho rada).
- Các cảm biến tạo điều kiện cho việc trang bị và điều khiển các nhà máy, văn
phòng, nhà, phương tiện, thành phố và môi trường, đặc biệt là làm cho các công
nghệ có sẵn trở nên khả dụng. Với cơng nghệ mạng cảm biến (đặc biệt là với
mạng cảm bíên nhúng), các con thuyền, máy bay, và các tồ nhà có thể tự dị ra
được các lỗi về cấu trúc (ví dụ các vết nứt do việc giảm sức chịu lực).
- Chúng ta nhấn mạnh vào sự nổi bật của những tiêu chuẩn mở hỗ trợ cho
WSNs; việc tiêu chuẩn hoá đưa tới sự thương mại hố cơng nghệ, cuối cùng thì
nếu để một phát kiến mới trở thành một công nghệ phổ biến, các tiêu chuẩn mở

ở mức thương mại hoá, chipsets, và các sản phẩm là cần thiết để mà đáp ứng
dịch vụ thương mại và các đáp ứng về mức hoạt động theo quan điêm về tính tin
cậy, giá cả, tính khả dụng, độ bền, và tính đơn giản. Sau đây là mẫu phân loại về


các chủ đề nghiên cứu bằng tần suất công bố dựa trên qui mơ của nó về các tiêu
đề khoa học WSN gần đây.
-

Phân phối, bố trí

9.70%

-

Dị mục tiêu

7.27%

-

Xác định vị trí

6.06%

-

Tập hợp dữ liệu

6.06%

-

Định tuyển và tổng hợp

5.76%

-

An ninh

5.76%

-

Giao thức MAC

4.85%

-

Truy vấn và cơ sở dữ liệu

4.24%

-

Đồng bộ hoá thời gian

3.64%

-

Các ứng dụng

3.33%

-

Truyền thẳng

3.33%

-

Tối ưu hoá thời gian sống

3.33%

-

Phần cứng

2.73%

-

Lớp truyền

2.73%

-

Thuật toán phân tán

2.73%

-

Định tuyến theo nguồn tài nguyên

2.42%

-

Lưu trữ

2.42%

-

Phần sụn(middleware) và phân chia tác vụ

2.42%

-

Định cỡ

2.12%

-

Radio không dây và đặc tính kết nối

2.12%

-

Giám sát mạng

2.12%

-

Định tuyến phương vị

1.82%

-

Nén

1.82%

-

Phân loại

1.52%

-

Dung tích

1.52%

-

Các kỹ thuật lớp kết nối

1.21%

-

Điều khiển cấu trúc liên kết

1.21%

-

Các điểm nút di động

1.21%

-

Dò và ước lượng

1.21%

-

Hiện tượng khuếch tán

0.91%

-

Lập trình

0.91%

-

Điều khiển cơng suất

0.61%

-

Phần mềm

0.61%

-

Tự định tuyến

0.30%

- Để đánh giá tầm quan trọng và mức độ rủi ro của các tiêu chuẩn simplicityfostering trong việc tạo ra cơng nghệ có tính thực tế rộng, một là chỉ cần nghiên
cứu sự phát triển của hệ thống truy cập ngẫu nhiên không dây từ cuối thập niên
60 cho tới hệ thống LANs và WLAN/2.5G/3G ngày nay; hoặc ARPAnet ở đầu
năm 70 (ví dụ trong số rất nhiều,[1.24]) tới Internet ngày nay(ví dụ [1.25]); hoặc
Voice Over Packet giữa thập niên 70(ví dụ [1.26-1.60]) tới cơng nghệ Voice
Over IP hiện tại(ví dụ [1.31 1.32]); hoặc phương pháp nén video cuối những
năm 80 ( ví dụ [1.33]) tới cuộc cách mạng truyền dẫn video kỹ thuật số MPEG-2
và MPEG-4 hiện tại Xem hình 1.1 thể hiện sự chuyển dịch trong trọng tâm
ngành kỹ thuật theo thời gian.

Hình 1.1 : Chuyển dịch trọng tâm ngành kỹ thuật theo thời gian
- Thật ra, ở sự chuyển đổi này, mạng cảm biến đang phát triển rất nhanh; hiện tại
lĩnh vực này đang thu hút sự quan tâm rất lớn không chỉ từ giới học viện và
chính phủ mà cịn từ những nhà phát triển, sản xuất, các công ty, nhà phát minh,
và các nhà sản xuất dụng cụ nguyên gốc. Dựa theo các nhà quan sát ngành công
nghiệp, thị trường cảm biến không dây giờ đây đang trong tư thế sắn sàng
thương mại hoá. Báo cáo thị trường hiện tại chỉ ra rằng hơn nửa tỷ điểm nút


mạng đang được kỳ vọng sẽ được chuyển sang sử dụng các ứng dụng mạng
không dây vào năm 2010, và ứng vơi nó là hơn 7 tỷ đơ la.
- Việc thực hiện WSNs cần phải giải quyết giải quyết được các thách thức về
mặt kỹ thuật; tuy nhiên vào một khoảng thời gian thích hợp trong tương lai, xu
thế tiêu chuẩn hoá sẽ tối giản những thách thức này bằng việc giải quyết các vấn
đề trước đó và điều này sẽ dẫn đến sự ra đời của các linh kiện và chipset có sẵn.
Một trong những vấn đề của nghiên cứu và phát triển gần đây là việc cải thiện
vấn đề truyền thông công suất thấp cùng với việc xử lý tại các nút mạng và các
giao thức kết nối tự sắp xếp sao cho chi phí là thấp nhất. Một thử thách quan

trọng khác là việc cần thiết mở rộng cơ chế hoạt động tạm thời của các nút cảm
biến mặc dù bị giới hạn bởi nguồn cấp năng lượng. Cấu trúc của sóng vơ tuyến
rói riêng, bao gồm việc sử dụng các mạch có cơng suất bé, phải được lựa chọn
một cách phù hợp. Theo thuật ngữ thực tiễn, nó ám chỉ việc tiêu thụ năng lượng
ít cho cơng đoạn truyền tín hiệu qua kênh băng thơng hẹp và việc tiêu thụ năng
lượng ít phù hợp với quá trình tiền xử lý hoặc nén dữ liệu. Người ta đang tìm
kiếm các hệ thống truyền thơng khơng dây tiết kiệm năng lượng và nó cũng là
điển hình cho hệ thống WSNs. Tiết kiệm năng lượng là nhân tố quan trọng để
đảm bảo cho sự hoạt động lâu dài của các hệ thống khơng bức xạ (một vài hệ
thống có thể được bức xạ hoặc dựa trên các nguồn năng lượng khác).
- Hiệu suất năng lượng trong WSNs nói chung được thực hiện theo 3 cách:
o

Hoạt động trong vòng bé.

o

Xử lý nội mạng/mạng nội bộ để làm giảm dung tích dữ liệu(và

do đó giảm thời gian truyền).
o

Mạng có nhiều bước nhảy làm giảm yêu cầu cho việc truyền ở

khoảng cách xa vì sự mất mát tín hiệu truyền là hàm nghịch đảo theo cấp số mũ
với khoảng cách. Mỗi nút trong mạng cảm biến có thể làm việc như một bộ lặp,
do vậy làm giảm vùng phủ sóng yêu cầu của điểm nối và theo đó là cơng suất
truyền.
- Mạng không dây thông thường được thiết kế với dải điểm nối theo thứ tự 10,
100 hoặc hàng nghìn dặm. Việc giảm dải điểm nối và nén lượng dữ liệu trong

WSNs dẫn đến chi phí cho các điểm kết nối khác với khác hệ thống thông


thường khác. Tuy nhiên, những giới hạn về mặt công suất cùng với mong muốn
giảm giá thành của các điểm nút mạng đã đưa tới một khái niệm mà các nhà phát
triển gọi là "những thách thức về mặt thiết kế tinh vi(profound design
challenges)".. Các chipset CMOS mới(chất bán dẫn meta oxit bù, bổ sung) đã tối
ưu cho WSNs là chìa khố cho các thành cơng trong việc thương phẩm hố và
trên thực tế là nó đang được phát triển.
- Ta phân loại mạng cảm biến và các hệ thống thành 2 loại:
o Loại 1 WSNs(C1WSNs): hệ thống dựa trên mạch vòng gần như bất biến dựa
trên kết nối radio đa chặng giữa các WNs, điều khiển theo dạng định tuyến
động ở cả mạng không dây hay một phần là khơng dây. Điển hình cho dạng
này là các hệ thống quân sự .
o Loại 2 WSNs (C2WSNs): hệ thống điểm điểm hoặc đa điểm thường dùng
cách kết nối radio đơn chặng với WNs, điều khiển định tuyến tĩnh thông qua
mạng khơng dây; trường hợp tiêu biểu là sẽ chỉ có duy nhất một tuyến đường
đi từ WNs tới các nút khác nằm trên đất liền hoặc các điểm nút ở đường dây
phía trước (WNs là các nút treo). Hệ thống điều khiển ở các khu dân cư là ví
dụ điển hình cho dạng này.
-C1WSNs hỗ trợ tốt các ứng dụng tổng số node cao phân tán.(Ví dụ: giám sát
mơi trường, hệ thống an ninh quốc gia); C2WSNs lại hỗ trợ tốt hơn cho các ứng
dụng trong không gian phạm vi hẹp đã xác định chẳng hạn như một ngôi nhà,
nhà máy, toà nhà hay cơ thể con người; C1WSNs khác ở phạm vi và có thể xây
dựng được từ việc phát triển công nghệ không dây , C2WSN cho các ứng dụng
không dây mà tỉ lệ dữ liệu thấp trong phạm vi hẹp, chẳng hạn như hệ thống
RFID( nhận biết tần số radio) chuyển mạch ánh sáng, máy dò lửa và khói, bộ
điều chỉnh nhiệt và các ứng dụng trong gia đình. C1WNs có xu hướng làm việc
với các hệ thống đa điểm phạm vi rộng cùng các dịng thơng tin khổng lồ, ngược
lại với nó, C2WNs lại tập trung vào các kết nối điểm điểm trong phạm vi hẹp,

các ứng dụng từ điểm đầu tới điểm cuối với dòng dữ liệu dựa trên giao tác đã
được xác định.
- Trong một số năm, những người bán dạo đã sử dụng kỹ thuật của bản thân cho
việc thu thập các dữ liệu về đặc tính của thiết bị. Đầu những năm 2000,cã . giải


pháp được đưa ra là một chuẩn mới IEEE802.15.4 cùng với Zigbee(cụ thể hơn,
nó gầm các lớp phần mềm ở trên chuẩn IEEE802.15.4 mới được đưa ra và hỗ trợ
rất nhiều ứng dụng khác ). C2WSNs có các lớp thấp hơn của ngăn xếp giao thức
truyền thông(điều khiển truy cập phương tiện và vật lý) tương tự như mạng khu
vực cá nhân(PAN), được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.15 được phát triển
gần đây: do đó, sử dụng được các chuẩn IEEE này cho C2WSNs; IEEE802.15.4
hoạt động ở tần số công nghiệp 2.4 GHZ, băng tần radio bệnh viện và khoac học
và hỗ trợ tỉ lệ truyền lên tới 250Kbps ở dải từ 30 tới 200ft. Zigbee/IEEE802.15.4
được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như Bluetooth, Wi-Fi, và
băng thơng siêu rộng(UWB), và nó cũng đang được coi là mục tiêu của các ứng
dụng thương mại cho cảm biến kiểu điểm điểm tại những nơi mà sự kết nối là
không thể, năng lượng vô cùng thấp và giá thành rẻ.
- Với sự xuất hiện của tiêu chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4, các hệ thống được kỳ
vọng là đạt được những bước tiến dựa trên chuẩn cơ sở, cho phép các cảm biến
truyền thơng tin theo cách đã được tiêu chuẩn hố. C2WSNs( và C1WSNs với
vấn đề này) làm việc ở bên ngồi tồ nhà và trên một khu vực rộng có thể sử
dụng bất kỳ một công nghệ radio trong số đã được chuẩn hoá. Người ta hi vọng
rằng thị trường C2WSN (tỷ lệ dữ liệu thấp) sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương
lai gần: Khối lượng(dung tích) của các thiết bị không dây tỷ lệ dữ liệu thấp được
dự báo là sẽ gấp 3 lần kích thước của Wi-Fi vào cuối thập kỷ bởi vì sự phát triển
của hệ thống dựa trên chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4(các nhà quan sát ngành công
nghiệp hi vọng rằng số lượng các nút phù hợp với ZigBee sẽ tăng từ xấp xỉ 1
triệu vào năm 2005 tới 100 triệu vào năm 2008). Trong phần này sẽ thảo luận về
cả 2 loại công nghệ, C1WSNs và C2WSNs, nhưng người đọc nên nhớ rằng các

vấn đề kỹ thuật sẽ ảnh hưởng tới 2 lĩnh vực này ở các mức độ khác nhau.
- Trong một nghiên cứu rất đáng chú ý ở lĩnh vực di động và mạng hoc
(MANETs). WSNs tương tự như MANETs ở một vài điểm; ví dụ, cả 2 cùng liên
quan tới việc giao tiếp đa bước. Tuy nhiên, các ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật
cho 2 hệ này lại khác nhau đáng kể ở một vài khía cạnh.
- Chế độ điển hình của truyền thông trong WSN là từ các nguồn nhiều dữ liệu tới
thiết bị nhận dữ liệu hay bộ nhận(một loại thiết bị như là nghịch đảo của hệ


thống đa điểm) hơn là truyền thông giữa các 1 cặp nút. Nói cách khác, các nút
cảm biến sử dụng chủ yếu hệ đa điểm hoặc truyền thông phát thanh, đối lập với
hầu hết MANETs được dựa trên hệ truyền thông điểm điểm.
- Trong hầu hết các ứng dụng, cảm biển không duy chuyển(dù cho các hiện
tượng cảm nhận được lại thay đổi); điều này có nghĩa là đặc tính động của 2
dạng mạng là khác nhau.
- Bởi vì dữ liệu được thu thập bởi nhiều cảm biến dựa trên cùng một hiện
tượng, do vậy có khả năng dư thừa trong dữ liệu được truyền đi bởi rất nhiều
nguồn trong WSNs; đây khơng phải là tình huống thường xảy ra trong
MANETs.
- Bởi vì dữ liệu được thu thập bởi nhiều cảm biến dựa trên cùng một hiện tượng,
do đó có thể sẽ lệ thuộc vào thế hệ biến cố lưu lượng, chẳng hạn một vài mơ
hình giao thức truy cập ngẫu nhiên điển hình có thể là khơng tương xứng với
mức chờ phân tích; đây khơng phải là tình huống thường xảy ra trong MANETs.
- Một hạn chế về tài nguyên quan trọng trong WSNs là năng lượng; đây cũng
không phải ln ln là tình trạng thường gặp ở MANÉTs, nơi mà các thiết bị
truyền thơng có thể được thay thể hoặc nạp lại tương đối thường xuyên. Kích cỡ
của WSNs(đặc biệt là C1WSNs) và sự cần thiết của hệ thống vận hành tự động
trong khoảng thời gian lên tới hàng tuần hoặc hàng tháng chỉ ra rằng nguồn năng
lượng cần phải được quản lý hết sức thận trọng. Điều này ngăn ngừa việc truyền
dữ liệu tốc độ cao.

- Số các nút cảm biển trong một mạch cảm biến có thể được đặt theo thứ tự về
cường độ cao hơn là các nút trong một MANET.
-

Vì những lý do này mà rất nhiều giao thức định tuyến được đề xuất cho

MANETs lại không phù hợp cho WSNs, và do vậy, cần phải có cách bước tiếp
cận khác. Chú ý rằng MANETs trên một se sẽ không được đi sâu vào bàn luận
trong phạm vi đồ án này.
-

Cũng có một vài các nghiên cứu khác về mạng mắt lưới không

dây(WMNs)dành cho mục đích giảng dạy mở rộng. Wi-Fi dựa trên WMNs đang
được ứng dụng trong các vùng "hot", bao phủ một khu vực rộng lớn như quận
trung tâm của thành phố. Mặc dù WMNs có rất nhiều đặc tính mạng giống như


WSNs, về nguyên tăc, các ứng dụng của nó có nhiều hơn. Người ta hi vọng rằng
hệ thống C1WSN, loại mạng mà khơng địi hỏi sự móc mối, sẽ là một phần tương
đối lớn của các mạng WSNs được thương mại hố trong tương lai gần. Giống như
WSNs, WMNs có thể sử dụng cơng nghệ radio có sẵn chẳng hạn như Wi-Fi,
WiMax( Tương kết tồn cầu cho truy cập sóng cực ngắn), và điện thoại 3G.
1.2 Miêu tả cơ bản về kỹ thuật
Trong Phần 1.1 đã mô tả ở mức cao của các phương pháp tiếp cận, các vấn đề,
và các công nghệ liên kết với WSNs. Bổ sung một số chi tiết được cung cấp
trong phần này từ triển vọng chung chung, nhiều vấn đề này và khái niệm này
sau đó được thảo luận chi tiết trong chương tiếp theo. mạng cảm biến đối phó với
khơng gian và thời gian: vị trí, độ bao phủ, và đồng bộ hóa dữ liệu. Dữ liệu bản
chất là các loại “ tiền tệ” của một mạng cảm biến.

Thơng thường, sẽ có một số lượng lớn thời gian phụ thuộc dữ liệu. Vì vậy, mạng
cảm biến thường hỗ trợ trong tính tốn tốn. Một số mạng cảm biến sử dụng tài
nguyên node điều chế; những mạng khác sử dụng một kiến trúc phân cấp điều
chế. Thay vì gửi các dữ liệu thơ cho các nodes chịu trách nhiệm về các dữ liệu
hợp nhất, nodes thường xuyên sử dụng khả năng của mình xử lý địa phương để
thực hiện sự tính tốn cơ bản , và sau đó truyền tải chỉ một nhóm các dữ liệu và /
hoặc một phần xử lý dữ liệu.
Trong kiến trúc xử lý theo quá trình phân cấp, quá trình xử lý liên tiếp xảy ra tại
cùng một dãy cho đến khi các thông tin về các sự kiện quan tâm đến các quyết
định thích hợp và / hoặc hành chính điểm. Sensor nodes hầu như hạn chế nguồn
cung cấp năng lượng và các kênh truyền hình băng thơng; những khó khăn này,
cùng với một hình triển khai các số lượng lớn node cảm biếns, có pose��n, dữ liệu tại một tỷ lệ
cao hơn, trên con đường lựa chọn, do đó củng cố các nguồn nodes trên con đường
dẫn để gửi dữ liệu thường xuyên hơn. Con đường thực hiện thường xuyên nhất có
thể được giữ trong khi tiêu cực củng cố các con đường còn lại. Phủ định khơi phục
có thể đạt được do thời gian ra tất cả các dữ liệu-cao-tỷ lệ gradients trong mạng,
ngoại trừ cho những người đang tăng cường rõ ràng.. Hình 6,14 cho thấy dữ liệu tăng
cường giao hàng dọc theo một con đường.

Hình 6.13 Thiết lập hướng ban đầu


Hình 6.14 Dữ liệu nhận được dọc theo đường tăng cường
kênh, cũng như các node thất bại hoặc suy thoái gây ra bởi hiệu suất năng lượng
node giải hoặc hoàn tất depletion, có thể được sửa chữa, trong hướng dẫn lôi thôi.
Những thất bại thường được phát hiện bằng cách giảm tỷ lệ hoặc mất dữ liệu. Khi
một con đường giữa một sensing node và dữ liệu sink không thành, một con đường
thay thế, đó là gửi ở mức giá thấp hơn, có thể được xác định và tăng cường. Lossy
liên kết cũng có thể được tăng cường bởi tiêu cực hoặc gửi exploratory lợi ích với
các dữ liệu, hoặc đơn giản là do tỷ lệ cho các lân cận của bộ nhớ cache hết hạn theo

thời gian.
Khuếch tán trực tiếp có tiềm năng để tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tương tác cho
phép các địa nó để đạt được tương đối cao hiệu quả hoạt động trên con đường dẫn
unoptimized. Hơn nữa, các kết quả lôi thôi là cơ chế ổn định trong một phạm vi netđộng lực làm việc. Các trung tâm dữ liệu-obliterates cách tiếp cận các node cần cho
địa chỉ. Các chỉ dẫn cận lôi thôi, tuy nhiên, là coupled chặt chẽ vào một truy vấnsemantically đuổi theo u cầu trên dữ liệu mơ hình. Điều này có thể có giới hạn của
nó sử dụng để phù hợp với các ứng dụng như là một mô hình dữ liệu, nơi được sự
quan tâm-phù hợp với quy trình có thể đạt được một cách hiệu quả và


unambiguously
6.5.7 Định tuyến Địa lý
Mục tiêu của định tuyến địa lý là để sử dụng thơng tin vị trí để hình thành một lộ
trình hiệu quả tìm kiếm về hướng điểm đến. Đinh tuyến địa lý là rất phù hợp với cảm
biến mạng, nơi tổng hợp dữ liệu là một kỹ thuật hữu ích để giảm thiểu số lượng
truyền đi về hướng trạm gốc do loại bỏ sự dư thừa giữa các gói từ nhiều nguồn khác
nhau.
Sự cần thiết cho việc tổng hợp dữ liệu để giảm tiêu thụ năng lượng thay đổi trong
tính tốn và truyền thơng trong mơ hình cảm biến mạng từ một kiểu địa chỉ trung
tâm truyền thống, là nơi mà các tương tác giữa hai endpoints Việc giải quyết của
thông tin liên lạc, đến một kiểu trung tâm dữ liệu, nơi mà nội dung của các dữ liệu
quan trọng hơn nhận dạng của node là nơi mà thu thập các dữ liệu.
Trong mơ hình mới này, một ứng dụng có thể phát hành một truy vấn để hỏi về một
hiện tượng trong một khu vực vật chất cụ thể hoặc gần vùng lân cận của một mốc.
Ví dụ, nhà khoa học phân tích dịng chảy lưu lượng truy cập có thể được quan tâm
đến việc xác định số trung bình, kích thước, và tốc độ của xe mà đi lại trên một phần
cụ thể của một quốc lộ. Nhận dạng của người đó được cảm ứng thu thập và phổ biến
thông tin về lưu lượng dòng chảy trên một phần cụ thể của các quốc lộ như không
phải là quan trọng như nội dung dữ liệu .
Hơn nữa, nhiều nodes xảy ra để được nhắm mục tiêu nằm trong phần của các quốc lộ
có thể tham gia trong việc thu thập dữ liệu và tập hợp lại để trả lời những câu truy

vấn. tiếp cận phương pháp định tuyến truyền thống, phương pháp mà thường được
thiết kế để khám phá một đường dẫn giữa hai Addressable endpoints, cũng khơng
phải là thích hợp để xử lý truy vấn đa đường địa lý cụ thể. Đinh tuyến địa lý, mặt
khác, vị trí leverages lực thơng tin để đạt được một điểm đến, với mỗi địa điểm của
node được sử dụng như là địa chỉ của nó.
Ngồi ra để tương thích với các ứng dụng trung tâm dữ liệu,định tuyến địa lý u cầu
truyền thơng và tính tốn chi phí thấp. Trong định tuyến truyền thống phương pháp
tiếp cận như là một giao thức đường ngắn nhất được phân phối cho các mạng khơng
dây, kiến thức của tồn bộ mạng Tơ pơ, hoặc một tóm tắt nó,
Hơn nữa, để duy trì đúng con đường dẫn đến tất cả các điểm đến , định tuyến được
cập nhật thông tin của các trạng thái hiện nay Tô pô mô tả trong một định kỳ fashion
và liên kết khi thất bại xảy ra.Việc cần thiết phải cập nhật trạng thái Tô pô liên tục


có thể dẫn có thể dẫn đến chi phí đáng kể, tỷ lệ cho các sản phẩm về số lượng định
tuyến và tỉ lệ các thay đổi của topological trong mạng .
Đinh tuyến địa lý, mặt khác, không cần duy trì một trạng thái''nặng'' tại các routers để
theo dõi của trạng thái hiện tại của Tơ pơ. Nó địi hỏi chỉ thông tin tôpo single-hop
Tô pô, chẳng hạn như vị trí của các lân cận tốt nhất để thực hiện đúng các quyết định
chuyển tiếp. Bản chất tự -mô tả bản chất của định tuyến địa lý, kết hợp với các địa
phương pháp tiếp cận để quyết định sự cần thiết phải duy trì nội bộ chẳng hạn như
cấu trúc dữ liệu bảng định tuyến. Do đó, việc kiểm sốt chi phí là giảm đáng kể, do
đó tăng cường các quy mơ lớn trong mạng. Các thuộc tính làm cho định tuyến địa lý
là một giải pháp khả thi cho định tuyến trong tài nguyên-chế cảm biến mạng cảm
biến có nguồn tài nguyên bị hạn chế này.obliter- ates the need for maintaining
internal data structures such as routing tables.
Chiến lược định tuyến
Mục tiêu của định tuyến địa lý là để sử dụng thơng tin địa điểm để hình thành một
chiến lược định tuyến hiệu quả hơn mà không cần yêu cầu các flooding trong suốt
một mạng. Để đạt được mục tiêu này, một gói dữ liệu được gửi đến nodes nằm trong

một khu vực được xem chuyển tiếp. Trong lộ trình này, cũng được gọi tắt là
geocasting, chỉ có nodes mà nằm trong các khu chuyển tiếp rõ ràng là được phép để
chuyển tiếp các gói dữ liệu [6.23,6.24].
Các khu vực có thể được chuyển tiếp sta-tically xác định bởi các nguồn node, hoặc
được xây dựng theo kiểu động bởi các nodes trung cấp để loại trừ các node mà có
thể gây ra một đường vịng khi chuyển tiếp các gói dữ liệu. Nếu một node khơng có
thơng tin về các điểm đến, các tuyến đường có thể bắt đầu tìm kiếm như là một phát
sóng trực tiếp, đầy đủ. Nodes Trung cấp, với những kiến thức tốt hơn về điểm đến,
có thể giới hạn trong khu chuyển tiếp để lưu lượng truy cập trực tiếp về hướng điểm
đến.
Ý tưởng của giới hạn phạm vi điều chỉnh của gói tuyên truyền cho một khu vực
được xem là tương ứng với các property của trungtâm dữ liệu của mạng cảm biến,
trong đó điều quan tâm đến là nội dung dữ liệu, thay vì cảm biến, cung cấp các dữ
liệu. Các hiệu quả của chiến lược phụ thuộc chủ yếu trên con đường các chuyển tiếp
được xác định và cập nhật như là dữ liệu dịch chuyển về hướng điểm đến. Nó cũng
phụ thuộc vào kết nối của các nodes trong một khu thiết kế
Một chiến lược lần thứ hai được sử dụng trong định tuyến địa lý, gọi tắt là định
tuyến dựa trên vị trí, địi hỏi với một định tuyến dựa trên vị trí yêu cầu một node mà


chỉ biến thơng tin vị trí của lân cận trực tiếp của nó [6.25,6.26]. Một cơ chế chuyển
tiếp sau đó được sử dụng nhờ đó mà mỗi node chuyển một gói đến các node lân cận
gần nhất để đến đích. Một số số liệu đã được đề xuất để xác định khái niệm về gắn
bó, bao gồm cả các khoảng cách Euclidean đến các điểm đến, khoảng cách dự kiến
đến các điểm đến trên node hiện tại thẳng gia nhập và các điểm đến, và sự chệch
hướng hướng thẳng về hướng điểm đến.
giao thức định tuyến dựa trên vị trí có khả năng kiểm sốt để giảm chi phí và giảm
năng lượng, như flooding cho các khám phá node và tun truyền trạng thái có vị trí
trong single hop, Hiệu quả của các lộ trình.
Tuy nhiên, phụ thuộc vào mạng mật độ, sự chính xác của nodes địa phương, và quan

trọng hơn, trên quy định chuyển tiếp được sử dụng để di chuyển lưu lượng dữ liệu
truy cập về hướng điểm đến. Trong phần sau đây, các quy tắc chuyển tiếp thường sử
dụng ở vị trí dựa trên định tuyến này được mô tả. Kỹ thuật cơ bản được sử dụng để
khắc phục sự thiếu thơng tin vị trí và sự cố này được mô tả.
Phương pháp tiếp cận
chuyển tiếp quan trọng của đinh tuyến địa lý là quy định được sử dụng để chuyển
tiếp lưu lượng truy cập về hướng đích cuối cùng của nó. Ở vị trí dựa trên định tuyến,
mỗi node quyết định về hop kế tiếp dựa trên vị trí riêng của mình, vị trí của các lân
cận, và các điểm đến node. Chất lượng của các quyết định rõ ràng phụ thuộc vào độ
mở rộng của kiến thức của tồn cầu Tơ pơ của node [6,27].
kiến thức local của Tơ pơ có thể dẫn đến suboptimal đường cực thuận, được miêu tả
như ở hình 6,15, nơi mà các node hiện đang nắm giữ các gói, làm cho một quyết
định chuyển tiếp chỉ dựa vào kiến thức địa phương, Tơ pơ. Tìm đường dẫn tối ưu
u cầu các kiến thức tồn cầu của Tơ pơ. Các chi phí cho tồn cầu kiến thức của Tơ
pơ địi hỏi, tuy nhiên, là điều hạn chế nguồn tài nguyên-hạn hẹp trong WSNs. Để
khắc phục vấn đề này, rất nhiều các chiến lược chuyển tiếp đã được đề xuất [6.286.32].
Lộ trình định tuyến greedy chọn trong số lân cận của nó là một trong những điểm
gần nhất của các điểm đến. trong Hình trong 6.16, các node hiện đang nắm giữ
những tin nhắn, MH node, chọn node GRS như hop tiếp theo để chuyển tiếp tin
nhắn. Đó là lưu ý rằng việc lựa chọn quá trình được sử dụng trong chương trình này
chỉ xem xét các thiết lập của nodes là điểm đến gần hơn với hơn hiện thời thông báo
giữ. Nếu như các thiết lập trống rỗng, các chương trình khơng để tiến trình chuyển


tiếpTrong hầu hết các chiến lược chuyển tiếp-trong-R (MFR), nơi mà R đại diện cho
phạm vi truyền, một node truyền các gói của nó tới chuyển tiếp giữa các lân cận
của nó hướng về điểm đến. Dựa trên phương pháp tiếp cận này, hop tiếp theo được
lựa chọn để MH

Hình 6.15 . Globalized địa và quyết định chuyển tiếp

Hình 6.16 Đinh tuyến địa lý chuyển tiếp chiến lược.

chuyển tiếp các gói là node MFR. Đây là cách tiếp cận greedy cận thị và không nhất
thiết phải giảm đến mức tối thiểu, còn lại khoảng cách đến các điểm đến. Lịch trình
tiến trình - tiếp - gần nhất chọn các node gần nhất với quá trình chuyển tiếp. Dựa
trên lịch trình này, node NFP được chọn bởi MH để chuyển tiếp tin nhắn đến điểm
hẹn. node gần của gần nhất là một cách thay thế cho phương pháp tiếp cận này, trong
đó node hiện đang nắm giữ được thơng báo được chọn gần nhất trong số tất cả các
node lân cận và đó cũng là điểm đến gần hơn với điểm đến.
Lịch trình định tuyến compass chọn node với tối thiểu giữa các góc độ nối thẳng
hiện nay node và các điểm đến và nối thẳng một lân cận và các điểm đến. Hình
trong 6,16, node CMP sẽ được lựa chọn như hop tiếp theo để chuyển tiếp lưu lượng
truy cập đến các điểm đến.
Lịch trình chuyển tiếp Năng lượng-Thấp lựa chọn các node rằng địa phương với
năng lượng nhỏ nhất được yêu cầu, thể hiện trong mỗi phần Jun của phần đo, để tiến
trình chuyển tiếp về hướng tới mục tiêu. Trong cấu hình mạng hiển thị trong Hình
6,16, node lef được chọn bởi MH để di chuyển về hướng lưu lượng truy cập tới
điểm đến..


Như được nêu trước đó, các quy mơ và-trung tâm dữ liệu của định tuyến địa lý làm
cho nó một định tuyến khả thi thay thế trong WSNs. Ứng dụng các giả định, rằng các
địa điểm địa lý của tất cả các vùng lân cận nodes, hoặc ít nhất một thiết lập phụ,
được biết đến như là người giữ thông tin. Những thơng tin chính xác về vị trí địa lý
của nodes là thường có sẵn từ một hệ thống định vị tồn cầu (GPS) .
Có thể rằng trong một số cài đặt, sensing nodes có thể được trang bị các thiết bị GPS.
Trong đa số trường hợp, tuy nhiên, các tài nguyên và năng lượng giới hạn của node
cảm biếns cấm việc sử dụng các thiết bị GPS. Để địa chỉ này ngắn tới, chiến lược,

trong đó chỉ có GPS-augmented ranh giới nodes có thể truy cập vào thơng tin chính
xác vị trí đã được đề xuất [6,36]. ]. Nodes mà khơng có thiết bị GPS có thể sử dụng
một loạt các thuật toán triangularization để xác định vị trí của họ và vị trí của họ
nodes lân cận
Các chiến lược giả định rằng node cảm biếns không cần phải có khả năng hiểu
biết vị trí tọa độ của mình. Những chiến lược sử dụng ảo, như ngược với vật lý, hệ
thống phối hợp [6.36-6.39]. Bằng cách sử dụng một hệ thống phối hợp polar ảo, ví
dụ, nó được hiển thị rằng một biểu đồ nhãn có thể được đưa vào mạng Tô pô ban
đầu. Trong hệ thống này, mỗi node được đưa ra một nhãn mã hóa vị trí của nó trong
mạng Tơ pơ bản gốc trong điều kiện của một bán kính và một góc nhìn từ một vị trí
trung tâm [6,38].
[6.38]. Những tọa độ ảo khơng phụ thuộc vào tọa độ vật lý và do đó có thể được sử
dụng có hiệu quả trong đinh tuyến địa lý bằng cách sử dụng chỉ nhãn node. Nó được
nhắc đến giá trị mà lịch trình dựa trên node cảm biến phối hợp ảo có thể cần phải
biết đến khoảng cách, trong khoảng tổng các node. Này, lần lượt, có thể yêu cầu cập
nhật định kỳ để được trao đổi trong số các node cảm biếns và các điểm tham chiếu
Mặc dù các đơn giản, các phương pháp tiếp cận greedy định tuyến địa lý, có thể
khơng tìm thấy một con đường, ngay cả khi một tồn tại, hoặc đưa ra hiệu quả tuyến
đường kém. Điều này thường xảy ra khi, do trở ngại, ví dụ, khơng có node lân cận
gần hơn với các điểm đến hơn là gói giữ hiện tại. Để minh họa vấn đề này, xem xét
Hình 6,17, nơi node S1 nhu cầu để chuyển tiếp một gói với các điểm đến D.
Dựa trên các phương pháp tiếp cận greedy, S1 phải lựa chọn các lân cận gần nhất
tới các điểm đến như hop tiếp theo để chuyển tiếp các gói. Tuy nhiên, nodes S2 và
S3, cả hai xa hơn các điểm đến hơn là node S1 . Các tiếp cận greedy được mắc
trong một địa phương nhỏ nhất , (tức là, node S1) và không làm cho tiến trình


chuyển tiếp.
Trong mơi trường WSN, nơi có cảm ứng thường được nhúng vào môi trường hay
triển khai trong khu vực bỏ trống khơng truy nhập được sẽ có nhiều khả năng xảy ra.

Để circumvent voids, một biểu đồ nổi tiếng traversal quy định gọi tắt là các quy
định bên phải đã được
đề nghị ,quy tắc trạng thái rằng khi một gói đến từ một node Ni tới node Nj
,hop tiếp theo được đi qua bởi gói là gói liên tiếp ngược chiều kim đồng hồ từ node
Ni đến Nj với sự quan tâm tới ðNi , rìa Nj Þ . Trên các đồ thị với các rìa mà qua (ví
dụ, biểu đồ nonplanar), các quy định bên phải có thể khơng đi ngang mặt một ranh
giới. Để loại bỏ rìa qua mà khơng có vành phân vùng của graph, graph tương ứng
với các WSN được chuyển đổi thành một planar subgraph, trong đó tất cả các vành
được loại bỏ qua. Sau khi radio graph của chuyển đổi, chu vi của traversal, trong đó
các gói được chuyển dọc theo chu vi của void, được sử dụng. Chế độ này cũng được
gọi tắt là mặt traversal
Kết hợp traversal greedy với chu vi traversal, các thuật tốn định tuyến có thể hoạt
động như sau. Các thuật toán định tuyến bắt đầu ở chế độ greedy, nơi có đầy đủ
graph được sử dụng. Khi các phương pháp tiếp cận greedy thất bại, các node nhớ vị
trí của nó trong gói và đánh dấu các gói có trong chế độ chu vi. gói Chu vi chế độ,
sau đó sau một cách dễ dàng planar graph traversal..
Trong chế độ này, một gói đi successively gần hơn bề mặt của một planar
subgraph của graph đầy đủ radio mạng kết nối. Bề mặt được định nghĩa là các khu
vực có thể lớn nhất của mặt phẳng khơng được cắt bởi bất kỳ cạnh của graph. Khi
gói đạt đến một node gần hơn với các điểm đến, các chế độ reverts quay lại greedy .
Kết hợp greedy và cách tiếp cận mặt traversal được minh họa trong hình 6,18.
Những con số cho thấy các bước các gói sau để tiếp cận với một loạt các điểm đến.
Trên mỗi mặt, các traversal sử dụng các quy định bên phải để tiếp cận với một cạnh
đó qua các node thẳng S1 để kết nối các điểm đến D. Tại cạnh đó, các traversal di
chuyển đến mặt liền kề bởi các đường thẳng kết nối S1 tới D.
Đó là lưu ý rằng hai mặt đầu tiên và cuối cùng là mặt bên trong, trong khi mặt thứ ba
là một mặt bên ngoài. Đinh tuyến địa lý là một phương pháp tiếp cận hấp dẫn cho
định tuyến trong WSNs vì các chi phí thấp và địa tương tác. Sự tồn tại của liên kết

bất đối xứng , phân vùng mạng , và liên kết xuyên tăng sự phức tạp của các phương
pháp tiếp cận các xem xét. Biểu đồ Planar tốt hơn đồ có thể cần thiết.

Hình 6.17 Perimeter traversal on a planner graph.
6.6 Kết luận
Các thuộc tính của WSNs và các đặc tính của mơi trường trong đó node cảm biếns
thường được triển khai tạo thành một vấn đề định tuyến rất khó khăn. Trong chương
này, chúng tơi tập trung vào các vấn đề trung tâm để định tuyến trong WSNs và mô
tả chiến lược khác nhau được sử dụng để phát triển năng định tuyến giao thức cho
các mạng. Ở phần đầu tiên của chương chúng tôi đã thảo luận các lớp học các ứng
dụng cảm biến và đánh dấu sự độc đáo và phân biệt các tính năng của “tự nhiên'''của
các mơ hình lưu lượng.
Trong phần hai của chương chúng tôi cung cấp các phân loại một cách sơ lược các
định tuyến cơ bản được sử dụng để đáp ứng một cân bằng giữa năng lượng và hiệu
quả.
Trong một phần ba của chương trình bày một chúng tơi xem xét của một số giao
thức giải quyết các vấn đề của định tuyến của WSNs hiện nay. Nhiều chiến lược đã
nổi bật lên như các giải pháp khả thi để các vấn đề định tuyến. Như việc áp dụng
WSNs vào các lĩnh vực khác nhau trở nên rõ ràng, tiến bộ trong mạng phần cứng và


cơng nghệ pin sẽ mở đường cho việc chi phí thực tế để triển khai có hiệu quả của
các giao thức định tuyến.

PHẦN III. Chương trình mơ phỏng giao thức chọn đường Leach
Mô phỏng giao thức LEACH cho mạng cảm biến khơng dây
1. Mục đích
Chương trình mơ phỏng giao thức LEACH cho mạng cảm biến khơng dây mơ phỏng
thuật tốn phân nhóm các nút của LEACH và q trình tiêu thụ năng lượng của
mạng cảm biến khơng dây.

2. Thuật tốn phân nhóm các nút trong mạng
Q trình hoạt động của mạng trong giao thức LEACH được chia thành các vòng
làm việc. Mỗi vòng làm việc được bắt đầu với quá trình thiết lập các nhóm nút cảm
biến. Trong giao thức LEACH, các nút cảm biến tự đề xuất chúng là trưởng nhóm tại


thời điểm bắt đầu một vòng làm việc thứ r+1 (bắt đầu từ thời điểm t) với một xác
suất Pi(t) nào đó cho nút thứ i. Giá trị xác suất này được lựa chọn sao cho kỳ vọng
của các nút trưởng nhóm cho vịng này là k, trong đó k là số nhóm trong mạng.
Nghĩa là
N

E[# CH ]   Pi(t ) * 1  k

(1)

i 1

Trong đó N là tổng số nút của mạng. Để đảm bảo tất cả các nút đều là trưởng nhóm
với số lần như nhau, mỗi nút sẽ là trưởng nhóm 1 lần trong N/k vịng. Kết hợp các
rằng buộc trên có thể lựa chọn giá trị xác suất trở thành trưởng nhóm cho mỗi nút i
tại thời điểm t là
k

: Ci(t )  1

N
Pi(t )   N  k * (r mod )
k



0 : Ci(t )  0

(2)

Với r là số vòng làm việc đã qua và Ci(t)=0 nếu nút i đã là trưởng nhóm trong (r mod
N/k) vịng làm việc gần nhất và 1 nếu ngược lại.
Trong chương trình mơ phỏng, mỗi nút sẽ tự tạo ra một số ngẫu nhiên theo phân bố
chuẩn đơn vị. Nếu giá trị ngẫu nhiên này nhỏ hơn Pi(t) thì nút đó được chọn là
trưởng nhóm.
Sauk hi đã xác định được các nút trưởng nhóm. Các nút khác (khơng là trưởng
nhóm) sẽ kết hợp với nút trưởng nhóm gần mình nhất để tạo thành các nhóm cảm
biến.
3. Mơ hình tiêu thụ năng lượng
Các nút tiêu tốn năng lượng khi nhận và gửi thông tin.
Để truyền một bản tin l-bit đi một khoảng cách d, năng lượng tiêu tốn là:
2

 lEelec  l fs d : d  dcrossover
(3)
ETx (l , d )  ETx _ elec(l )  ETx _ amp (l , d )  
4

lEelec  l mpd : d  dcrossover
Với dcrossover 

 fs
(nhận được bằng cân bằng 2 phương trình trong (3))
 mp

Để nhận bản tin trên, năng lượng tiêu tốn là
(4)
ERx (l )  ERxelec(l )  lEelec
Eelec là năng lượng điện tử và phụ thuộc vào các yếu tố như mã hóa giải mã số, lọc
tín hiệu trước khi được gửi cho bộ khuếch đại.
Trong trường hợp của nút trưởng nhóm, nút này liên lạc với các nút thành viên (q
nút) để thu thập dữ liệu. Sau đó dữ liệu này được nén và gửi về trạm trung tâm với
kích thước bản tin là lAG [bit]. Khi đó năng lượng tiêu tốn tại nút trưởng nhóm sẽ là:
(5)
ECH  (q 1)ERx  qlEDA  ETx (lAG , dto tram )
3. Các điều kiện mơ phỏng
Trong thuật tốn LEACH, năng lượng tiêu tốn cho q trình hình thành các nhóm
(overhead)là rất nhỏ so với năng lượng tiêu tốn cho quá trình trao đổi dữ liệu đo mơi
trường. Do đó phần năng lượng này được bỏ qua trong q trình phân tích giao thức