Nghiên cứu một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây (tt)

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, các mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network –
WSN) đã được nghiên cứu, phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như:
giám sát môi trường, khí hậu, giám sát tình trạng hoạt động của máy móc, thiết bị, giám sát
bệnh nhân, giám sát và điều khiển giao thơng,...
Hơn nữa với phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực công nghệ cao, như kỹ thuật vi
điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, mạch cảm biến, xử
lý và tính tốn tín hiệu,...đã tạo ra những bộ cảm biến khơng dây có kích thước nhỏ, đa chức
năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, giúp tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của các
mạng cảm biến không dây trong các lĩnh vực của đời sống xã hội.
Vấn đề tiết kiệm năng lượng, nhằm kéo dài tuổi thọ của mạng, do các bộ cảm biến chủ
yếu sử dụng nguồn năng lượng pin có cơng suất nhỏ và khó thay thế. Một trong các hướng
giải quyết là nghiên cứu và ứng dụng các giao thức định tuyến có khả năng tích hợp và
truyền dữ liệu hiệu quả, giảm được mức tiêu hao điện năng đến tối thiểu, qua đó tăng thời
gian sống của mỗi nút mạng và cả mạng. Theo hướng nghiên cứu này, luận văn tập trung
nghiên cứu, mô phỏng và đánh giá một số giao thức định tuyến trong WSN khía cạnh tiết
kiệm năng lượng.

2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Các mạng cảm biến không dây là một dạng của mạng ad-hoc đã được quan tâm nghiên
cứu và ứng dụng trong những năm gần đây nhờ sự phát triển của các công nghệ mạch điện
tử, điều khiển và kết nối không dây. Tuổi thọ của từng nút mạng cũng như cả mạng được
kéo dài hơn nhờ các công nghệ tối ưu hóa sử dụng năng lượng.
Nhiều vấn đề của mạng cảm biến không dây đã được quan tâm nghiên cứu như mơ
hình mạng, kích thước nút, vấn đề cấp điện, vấn đề định tuyến truyền dữ liệu, tối ưu hóa sử
dụng tiết kiệm năng lượng… Luận văn này tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau:
 Tổng quan về mạng cảm biến không dây
 Các loại giao thức định tuyến trong WSN

 Một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng


2

3. Mục đích nghiên cứu
 Nghiên cứu một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng trong WSN.
 Mô phỏng và đánh giá một số giao thức định tuyến nhằm đưa ra các khuyến nghị về
sử dụng giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng trong WSN.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: Một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng trong
mạng cảm biến không dây.
 Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong môitrường mô phỏng.

5. Phương pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu lý thuyết
 Thử nghiệm trong môi trường mô phỏng.

6. Nội dung luận văn
 MỞ ĐẦU
 Chương 1: Tổng quan về WSN và vấn đề định tuyến tiết kiệm năng lượng
 Chương 2: Một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng trong WSN
 Chương 3: Thử nghiệm mô phỏng một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng
 KẾT LUẬN


3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ VẤN ĐỀ

ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây được các nhà nghiên cứu xem như một lĩnh vực “thú vị”
trong việc liên kết mạng không dây giữa các nút mạng có kích thước nhỏ (thậm chí chỉ như
hạt bụi với đường kính được tính bằng đơn vị nanơ mét). Cơ sở hạ tầng của WSN bao gồm
phần cảm biến, phần xử lý tính tốn và phần truyền thơng.
Khi nghiên cứu về WSN, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là
thời gian sống của các nút cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lượng của chúng. Các
nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp. Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn
và nói chung là khơng thể thay thế được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền
thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến
phải tập trung đầu tiên vào bảo tồn cơng suất.
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
 Có khả năng tự tổ chức, ít hoặc khơng có sự can thiệp của con người
 Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop
 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào việc yếu dần (fading) và hư
hỏng ở các nút
 Các giới hạn về năng lượng, công suất, bộ nhớ và cơng suất tính tốn.
Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi
trong thiết kế mạng cảm biến.

1.1.1. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.1.1.1. Thành phần mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến được phân bố phân tán trong trường cảm biến. Mỗi nút cảm biến
có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để gửi dữ liệu tới trạm gốc (sink). Việc chọn
đường để tới sink theo multi-hop, sink có thể liên lạc với người dùng qua các mạng khác
như Internet hay vệ tinh.
Như vậy có thể thấy rằng, một WSN bao gồm 4 thành phần chính:

4

 Tập các nút cảm biến, được trang bị cảm biến cho một hoặc một vài ứng
dụng cụ thể.
 Mạng kết nối, thường là mạng vô tuyến.
 Sink hay trạm gốc có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến)
hay ngồi mạng (như một máy tính tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng
có thể là một gateway cho một mạng khác lớn hơn như Internet.
 Tập các tài nguyên để xử lý dữ liệu nhằm đưa ra các cảnh báo, các định
hướng hay các kết quả thống kê mà người dùng mong muốn.
Ngoài ra, chúng ta có thể thấy rằng, WSN gồm 2 thành phần đặc trưng khác đó là
người dùng và trường cảm biến. Trong đó, người dùng có thể là một cơ quan an ninh,
một tổ chức xã hội hay một cá nhân người dùng đơn lẻ sở hữu nó… Cịn trường cảm biến có
thể là thế giới vật lý, một hệ thống sinh học hay hóa học.

1.1.1.2. Nút cảm biến (Sensor Node)
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản được minh họa trên Hình
1.2: Đơn vị cảm biến (a sensing unit), Đơn vị xử lý (a processing unit), Đơn vị truyền dẫn
(a transceiver unit), Bộ nguồn (a power unit).
Ngồi ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là
hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di
động (mobilizer).
Đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số
(Analog Digital Convert – 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 đưa vào bộ xử lý.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các
thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát
vô tuyến kết nối các nút vào mạng.

Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn. Các
bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng mặt trời. Ngồi
ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.

1.1.1.3. Một số cấu trúc đặc trưng của WSN


5

 Cấu trúc phẳng (Flat Structure)
Trong cấu trúc phẳng tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và
chức năng. Các nút giao tiếp với sink sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với
phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trị của bộ tiếp sóng đối với
một số lượng lớn nguồn. Tuy nhiên phương pháp này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có
nguồn chia sẻ đơn lẻ, như thời gian, tần số.
 Cấu trúc tầng (Tiered Structure)
Trong cấu trúc tầng các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi
dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn,
thường gọi là nút chủ (cluster head - CH). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ
thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
 Cấu trúc phân cấp trong WSN
Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính tốn và phân phối dữ liệu khơng
đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện
tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính tốn, và cấp trên cùng thực hiện phân
phối dữ liệu. Cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau:
 Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm biến bằng việc định vị các tài
nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Mạng cấu trúc tầng sẽ có
tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng.
 Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu
cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Do đó khi kích cỡ

mạng tăng lên thì thơng lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0.
Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn
đề này. Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng
cấu trúc tầng. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ.
 Đặc điểm của cấu trúc WSN
Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các
nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng
lượng rất khắt khe. Một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:


6

 Khả năng chịu lỗi: Một số các nút cảm biến có thể khơng hoạt động nữa do
thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường.
 Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm biến
được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng
con số này có thể vượt quá hàng triệu.
 Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút
cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí
của tồn mạng.
 Ràng buộc về phần cứng : Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các
nút cảm biến cần có các ràng buộc về phần cứng.
 Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát.
 Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết
nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên
bởi sóng vơ tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học.
 Cấu hình mạng cảm: Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút
được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng hàng
chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3. Chúng ta có thể

kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:
o Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc
xếp theo trật tự trên trường cảm biến.
o Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ
thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không
kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…).
o Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các
nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay
đổi chức năng.
 Sự tiêu thụ năng lượng: Các nút cảm biến khơng dây, có thể coi là một thiết bị
vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V).


7

1.1.2. Kiến trúc giao thức trong WSN
Theo các lớp chức năng, mơ hình giao thức của mạng WSN được chia làm 5 lớp:
lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải và lớp ứng dụng. Trong đó mỗi
lớp sẽ đảm nhiệm những chức năng cụ thể:
 Lớp vật lý: thực hiện chức năng cảm biến, cung cấp các kênh truyền thông, các kỹ
thuật điều chế, truyền, phát và xử lý tín hiệu.
 Lớp liên kết số liệu: đảm bảo khả năng truy cập và chia sẻ kênh truyền cho các
nút cảm biến, giảm thiểu đụng độ dữ liệu và kiểm soát lỗi.
 Lớp mạng: thực hiện kết nối mạng, quản lý sự tương thích của định tuyến với
tôpô mạng.
 Lớp truyền tải: thực hiện giao tiếp khi WSN cần kết nối với mạng khác
như Internet, đảm bảo độ tin cậy và điều khiển tắc nghẽn trong q trình truyền
thơng nội bộ trong WSN.
 Lớp ứng dụng: cung cấp các ứng dụng trên mạng, bao gồm xử lý ứng dụng,
tập hợp dữ liệu, xử lý các truy vấn với cơ sở dữ liệu bên ngoài.

Theo các thành phần quản lý, mơ hình giao thức của WSN được chia làm 3 phần:
phần quản lý năng lượng, phần quản lý di chuyển và phần quản lý nhiệm vụ.
 Phần quản lý năng lượng: điều khiển quá trình sử dụng năng lượng của nút
cảm biến.
 Phần quản lý di chuyển: phát hiện và ghi lại sự chuyển tiếp từ các nút cảm biến
do đó dễ dàng xác định được con đường quay trở lại.
 Phần quản lý nhiệm vụ: lập kế hoạch và cân bằng nhiệm vụ giữa các nút cảm
biến trong một vùng xác định.
1.1.3. Các đặc tính của WSN
Mỗi node trong WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor) hoặc
điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng node trong WSN là lớn
và khơng cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với mỗi node mạng là giá
thành thấp (10 - 50 usd) và kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2).
WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và
được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi


8

sơ đồ mạng... do vậy WSN đòi hỏi 1 sơ đồ mạng (topology) linh động (ad-hoc, mesh, star
...) và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình (auto-reconfigurable).
Trong một số WSN thơng dụng (giám sát, cảm biến, mơi trường ...), địa chỉ ID các
node chính là vị trí địa lý và giải thuật định tuyến dựa vào vị trí địa lý được gọi là
Geography Routing Protocol (GRT). Đối với mạng với số lượng lớn các node, sơ đồ mạng
không ổn định ... GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu bảng định tuyến
(routing table) lưu trữ tại các node.
Cluster hoá: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành các
clusters để ổn định topology của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến, giảm đụng độ
(collission) khi truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm được năng lượng tiêu thụ
, đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng node mạng (theo cluster).

Do giới hạn khả năng tính tốn của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng
lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính tốn và xử lý tín hiệu phi tập trung hoặc
gửi dữ liệu cần tính tốn cho các Base Station (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng
buộc về tiêu thụ năng lượng)
1.1.4. So sánh MANET và WSN
Mạng cảm biến không dây (WSNs) là một trường hợp đặc biệt của mạng ad hoc mà
có thể được sử dụng để giám sát và phân tích mơi trường chưa xác định một cách đáng tin
cậy. Một WSN bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến được triển khai dày đặc gần một
khu vực được theo dõi. Mạng lưới giao thức được sử dụng trong mạng ad hoc (MANETs) là
không phù hợp với yêu cầu độc đáo của WSN.
Cả MANETs và WSNs đều là các mạng không dây với một số điểm tương tự như
băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao, liên kết thường xuyên vỡ, chậm trễ, mất dữ liệu và không
giống nhau như cơ chế nhận dạng nút, nguồn lực, mơ hình truyền thơng, mục tiêu thực hiện
mạng, vấn đề thiết kế giao thức, vv

1.2. Vấn đề định tuyến tiết kiệm năng lượng trong WSN
Hiện nay, vấn đề năng lượng đang được các nhà nghiên cứu tập trung giải quyết, tuy
nhiên chưa có giải pháp nào mang tính tồn diện. Khi thiết kế WSN cần lưu ý để chọn lựa
các giao thức phù hợp với điều kiện năng lượng thực tế.
Chính vì những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuyến trong


9

mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức sau:
 Mạng cảm biến có một số lượng lớn các nút, cho nên ta không thể xây dựng được
sơ đồ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai số lượng lớn các nút đó vì lượng mào đầu
để duy trì ID quá cao.
 Dữ liệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và
truyền đến sink. Các nút cảm biến bị ràng buộc khá chặt chẽ về mặt năng lượng,

tốc độ xử lý và lưu trữ.
 Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khi được
triển khai ngoại trừ một vài nút có thể di động. Mạng cảm biến là những ứng dụng
riêng biệt.
 Việc nhận biết vị trí là vấn đề rất quan trọng vì tập hợp dữ liệu thơng thường đưa
lên vị trí. Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao vì các nút cảm biến thu lượm dữ liệu
dự trên hiện tượng chung.
Mục đích chính của mạng cảm biến là truyền thơng dữ liệu trong mạng, đồng thời, cố
gắng kéo dài thời gian sống của mạng và ngăn chặn sự cố ngắt kết nối bằng cách đưa ra
những kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt. Trong khi thiết kế các giao thức định tuyến,
chúng ta thường gặp phải những vấn đề sau:
 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng.
 Ràng buộc về tài nguyên.
 Phương pháp báo cáo số liệu.
 Mơ hình dữ liệu trong mạng cảm biến.

1.3. Một số ứng dụng của WSN
Sự xuất hiện của WSN hứa hẹn một phạm vi rộng lớn các ứng dụng tiềm năng như:
an ninh quốc phịng, mơi trường, y tế, thương mại và cơng nghiệp…Có thể dự đốn trong
tương lai, các WSN sẽ gắn liền với cuộc sống của con người giống như các máy tính điện
tử hiện nay.

1.3.1. Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng
Dựa vào các đặc tính: triển khai nhanh, khả năng tự tổ chức và sự hư hỏng một vài
nút cảm biến không ảnh hưởng nhiều tới hệ thống …Vì vậy mà WSN được sử dụng phổ
biến trong nhiều hoạt động an ninh, quốc phòng.


10

1.3.2. Ứng dụng trong giám sát môi trường
Khả năng cảm nhận nhạy bén, đo đạc chính xác và có thể hoạt động trong các môi
trường khác nhau của nút cảm biến mà WSN được ứng dụng để theo dõi sự di chuyển,
nghiên cứu mơi trường sống của các lồi động vật hoang dã và cảnh báo cháy.

1.3.3. Ứng dụng trong y tế
Trong lĩnh vực y tế, WSN hỗ trợ theo dõi bệnh nhân, quản trị thuốc trong bệnh viện,
theo dõi từ xa dữ liệu vật lý của con người, kiểm tra, theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong
bệnh viện.

1.3.4. Ứng dụng trong gia đình
Ngơi nhà thơng minh là một trong những ứng dụng đặc trưng. Ở đó các nút cảm biến
dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phịng và thơng báo cho chủ nhà hoặc
các cơ quan an ninh.

1.3.5. Ứng dụng trong ngành công nghiệp
Trong lĩnh vực công nghiệp, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc theo dõi
chất lượng sản phẩm, điều khiển môi trường trong những tịa nhà và cơng xưởng, điều
khiển tự động hóa, thiết bị chống mất cắp ô tô…

1.4. Kết luận chương I
Mạng cảm biến không dây với khả năng ứng dụng rộng rãi đã trở thành một đề tài
nghiên cứu rất được quan tâm trong những năm vừa qua. Do đó, đã có rất nhiều giải pháp
cơng nghệ mới được đưa ra nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của mạng, trong đó, khởi
đầu và đặc biệt quan trọng là những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực điện tử và cơng nghệ
cảm biến. Nhờ có những giải pháp trong lĩnh vực trên mà khả năng cảm biến, xử lý tín hiệu
và truyền thông của các nút cảm biến được cải thiện đáng kể, đồng thời, chi phí triển khai
mạng WSN cũng nhờ đó mà giảm xuống, mở ra tiềm năng phát triển mạnh mẽ cho WSN.
Chương I đã trình bày khái quát về một số giao thức thuộc ba loại giao thức định
tuyến trên. Mỗi loại giao thức định tuyến có đặc tính, ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó

trong q trình thiết kế mạng WSN, phải kết hợp chặt chẽ giữa việc nghiên cứu yêu cầu
thực tế ứng dụng mạng và giao thức định tuyến. Trong Chương II, Luận văn đi sâu nghiên
cứu các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng dùng trong các WSN.


11

CHƯƠNG II: MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM
NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN
2.1. Giới thiệu các giao thức định tuyến trong WSN
WSNs rất linh hoạt nên có thể hỗ trợ nhiều loại ứng dụng trong nhiều môi trường
khác nhau ngay cả khi nút cảm biến là cố định hay di động. Việc triển khai các mạng cảm
biến phụ thuộc lớn vào loại ứng dụng tương ứng. Tuy các ứng dụng này hướng tới những
mục tiêu khác nhau nhưng mục tiêu chính của các WSNs là cảm nhận, thu thập dữ liệu từ
một vùng nhất định, xử lý dữ liệu và truyền thông tin tới người dùng. Để thực hiện được
nhiệm vụ này một cách hiệu quả đòi hỏi các giao thức định tuyến phải cân bằng được khả
năng đáp ứng với hiệu quả năng lượng để có thể kéo dài thời gian hoạt động của toàn mạng.
2.1.1. Định nghĩa
Định tuyến chỉ ra hướng, sự di chuyển của các gói (dữ liệu) được đánh địa chỉ từ
mạng nguồn của chúng, hướng đến đích cuối thơng qua các node trung gian; thiết bị phần
cứng chuyên dùng được gọi là router (bộ định tuyến). Tiến trình định tuyến thường chỉ
hướng đi dựa vào bảng định tuyến, đó là bảng chứa những lộ trình tốt nhất đến các đích
khác nhau trên mạng.
Giao thức định tuyến được dùng trong khi thi hành thuật toán định tuyến để thuận
tiện cho việc trao đổi thông tin giữa các mạng, cho phép các router xây dựng bảng định
tuyến một cách linh hoạt. Trong một số trường hợp, giao thức định tuyến có thể tự chạy đè
lên giao thức đã được định tuyến..
2.1.2. Phân loại giao thức định tuyến
Một giao thức định tuyến tốt phải có khả năng cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của
mạng với hiệu quả sử dụng năng lượng. Để đạt được sự cân bằng này thì khả năng tính

tốn và truyền dẫn phải được lựa chọn phù hợp. Tuy nhiên, mỗi giao thức định tuyến hoạt
động lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau và nó chỉ hiệu quả với một số hồn cảnh, điều
kiện nhất định. Ngược lại, phạm vi ứng dụng của WSNs là rất lớn, do vậy việc phân loại
các giao thức định tuyến là cần thiết. Có nhiều phương pháp để phân loại các giao thức định
tuyến, tuy nhiên hiện nay có 4 phương pháp phân loại chính.
Thứ nhất, phân loại dựa trên cách gửi gói tin thơng qua con đường để tới bên nhận,


12

các giao thức định tuyến được phân thành 3 loại: loại chủ động, loại phản ứng và các giao
thức lai. Trong các giao thức chủ động, tất cả các con đường được tính tốn trước khi
chúng thực sự được sử dụng, trong khi các giao thức phản ứng, các con đường được tính
tốn theo u cầu. Các giao thức lai sử dụng kết hợp cả 2 ý tưởng này. Do hạn chế về khả
năng lưu trữ và số nút mạng có thể rất lớn nên các nút cảm biến khơng có khả năng lưu trữ
được khơng gian “khổng lồ” của các bảng định tuyến. Do đó các giao thức định tuyến phản
ứng và lai phù hợp hơn so với các giao thức chủ động trong các mạng WSNs.
Thứ hai, phân loại dựa theo kiểu tham gia của các nút cảm biến, các giao thức định
tuyến được chia thành 3 loại: các giao thức truyền thông trực tiếp, các giao thức phẳng, và
các giao thức phân bậc. Trong các giao thức truyền thơng trực tiếp hay cịn gọi là truyền
đơn chặng (single-hop), một nút cảm biến sẽ gửi dữ liệu trực tiếp tới sink mà không
thông qua bất kỳ một nút trung gian nào khác. Để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng
cao và duy trì thời gian hoạt động lâu dài của mạng, các nút cảm biến thường được tổ chức
phân bậc bằng cách gộp chúng lại thành các nhóm riêng biệt mà ở đó dữ liệu được xử lý
nội bộ tại mỗi nút đứng đầu nhóm (cluster head node) trước khi được gửi về sink. Các giao
thức sử dụng kiến trúc phân bậc này được gọi chung là các giao thức phân bậc.
Thứ ba, tùy thuộc giao thức định tuyến có khả năng nhận thức được vị trí hay không,
các giao thức định tuyến được phân thành 2 loại: giao thức định tuyến nhận thức được vị
trí, và giao thức định tuyến khơng nhận thức được vị trí. Cách phân loại này rất hữu ích
cho các ứng dụng cần xác định vị trí xảy ra hiện tượng đang quan tâm hay lân cận với

một điểm đặc biệt nào đó trong vùng hoạt động của mạng.
Cách phân loại cuối cùng dựa trên chất lượng dịch vụ, cơ chế định tuyến của các
giao thức này được xác định dựa trên một số hiểu biết về sự sẵn sàng tài nguyên (băng
thông) trong mạng cũng như yêu cầu chất lượng dịch vụ (mức độ tiêu thụ tài nguyên, trễ, độ
tin cậy,…) của luồng dữ liệu.
2.1.3. Các thách thức trong vấn đề định tuyến
Định tuyến trong mạng có quy mơ lớn là một vấn đề khó khăn và phải đối mặt với
nhiều thách thức như độ chính xác, tính ổn định và tối ưu các số liệu hiệu suất,…Các đặc
tính nội tại của WSN kết hợp với các hạn chế về năng lượng, băng thông và khả năng xử lý
đã gây ra nhiều trở ngại hơn trong việc đáp ứng các yêu cầu truyền thông và kéo dài thời
gian sống của mạng. Các thách thức trong vấn đề định tuyến gồm:


13

 Phạm vi và các đặc tính mạng thay đổi theo thời gian: Trong WSNs, các nút mạng
phải ở trạng thái động và phải có khả năng thích nghi cao.
 Nguồn tài nguyên hạn chế: Bài toán về năng lượng là bài tốn cơ bản và khó giải
nhất đối với WSNs khi mà các hoạt động của mạng hoàn toàn phụ thuộc vào tình
trạng năng lượng hiện tại của các nút cảm biến.
 Các mơ hình trao đổi dữ liệu cảm biến phụ thuộc vào từng ứng dụng: Mơ hình dữ
liệu diễn tả luồng thông tin giữa các nút cảm biến với sink.
2.2. Một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng
2.2.1. LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
LEACH là giao thức định tuyến được thiết kế để thu thập dữ liệu từ các nút cảm
biến và phân phối tới Sink. Mục đích chính của LEACH là:
 Kéo dài thời gian sống của mạng.
 Giảm năng lượng tiêu thụ tại mỗi nút cảm biến.
 Tập hợp và nén để giảm thiểu lượng dữ liệu lưu truyền.
Để đạt được những mục đích này, LEACH dựa trên phương pháp phân bậc và tổ

chức mạng thành tập các nhóm. Mỗi nhóm được quản lý bởi một nút đứng đầu (cluster
head). Các nút mạng là nút đứng đầu nhóm được LEACH lựa chọn ngẫu nhiên và quay
vòng vai trò để phân bố đều tải năng lượng.
Các hoạt động của LEACH được chia thành 2 giai đoạn là: thiết lập và ổn định trạng
thái. Trong giai đoạn thiết lập, các nhóm được hình thành và nút đứng đầu nhóm được lựa
chọn. Cịn trong giai đoạn ổn định trạng thái, dữ liệu được truyền từ các nút thành viên về
nút đứng đầu nhóm và từ các nút đứng đầu nhóm về Sink. Khoảng thời gian trong giai
đoạn ổn định trạng thái thường dài hơn so với khoảng thời gian trong giai đoạn thiết lập để
giảm thiểu chi phí của giao thức.
Khởi đầu giai đoạn thiết lập, một vài nút được xác định trước, tự mình quyết định trở
thành các nút đứng đầu nhóm theo quy tắc như sau. Mỗi nút sẽ chọn lấy một số ngẫu nhiên,
nằm trong khoảng từ 0 tới 1. Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn giá trị ngưỡng T(n) thì nút
đó sẽ trở thành nút đứng đầu ở vòng hiện tại. Giá trị ngưỡng được tính tốn dựa trên biểu
thức tốn học sau:


14

( )=

∗

∗

, ∈
(2.1)
0,

Trong đó:
p: xác xuất mong muốn trở thành nút đứng đầu nhóm.

r: vịng hiện tại.
G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút đứng đầu trong 1/p vòng cuối
Sau khi được lựa chọn là nút đứng đầu nhóm, các nút này sẽ quảng bá vai trị mới
của mình cho các nút khác trong mạng. Các nút cịn lại (khơng phải là nút đứng đầu) nhận
được thông tin quảng bá sẽ quyết định thuộc về một nhóm nào đó mà chúng muốn. Quyết
định này dựa trên cường độ tín hiệu của thơng tin quảng bá hay một số tiêu chuẩn khác như
chất lượng đường truyền.
Trong giai đoạn ổn định trạng thái, các nút mạng bắt đầu cảm biến và truyền dữ
liệu về nút đứng đầu nhóm của mình thơng qua khe thời gian được cấp phát. Việc thu
thập dữ liệu được diễn ra theo chu kỳ.
LEACH đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao nhờ tính năng tập trung và xử
lý dữ liệu nội bộ tại các nút đứng đầu nhóm. Nhờ đó, phạm vi của mạng được ổn định và
thời gian sống của mạng được kéo dài. LEACH cũng còn một số nhược điểm sau:
 Hoạt động của LEACH giả định tất cả các nút đều có thể liên lạc với Sink thơng
qua một chặng là không thực tế do khả năng lưu trữ và mức năng lượng của các
nút mạng thay đổi theo thời gian.
 Mặt khác, khoảng thời gian của giai đoạn ổn định trạng thái là rất quan trọng. Nếu
khoảng thời gian này ngắn, nó sẽ làm tăng chi phí của giao thức, trong khi q dài
thì nó sẽ làm năng lượng của nút đứng đầu sụt giảm nhanh chóng.
 Cuối cùng, do việc tập trung dữ liệu được thực hiện theo chu kỳ nên LEACH chỉ
phù hợp với các ứng dụng cần giám sát liên tục trong các mạng cảm biến.
Giao thức LEACH mở rộng (XLEACH) là một cải tiến của LEACH khi có xem xét
đến mức độ năng lượng của mỗi nút trong quá trình lựa chọn nút đứng đầu nhóm. Một
phiên bản khác của LEACH là LEACH-C. LEACH-C khác với LEACH trong giai đoạn
thiết lập. Thay vì các nhóm được hình thành một cách phân tán, LEACH-C sử dụng thuật
tốn phân nhóm tập trung. Bắt đầu giai đoạn thiết lập, các nút sẽ phải gửi thông tin gồm vị


15

trí (có được thơng qua hệ thống GPS) và mức năng lượng hiện tại của nó về Sink. Ngồi
việc xác định tốt các nhóm, Sink cần đảm bảo rằng tải năng lượng được phân bố đều trên
tất cả các nút.
Để giảm thiểu chi phí trong giai đoạn thiết lập, LEACH-F (Giao thức LEACH thực
hiện phân nhóm cố định) được đề xuất dựa trên hoạt động của LEACH. Ở LEACH-F số
lượng, phạm vi các nhóm được hình thành một lần duy nhất và cố định trên toàn mạng
trong tất cả thời gian hoạt động. Giải thuật LEACH-F sử dụng để phân chia nhóm giống
với LEACH-C nhưng vai trị của nút đứng đầu nhóm chỉ được quay vịng cho các nút trong
cùng một nhóm. Giai đoạn ổn định trạng thái của LEACH-F giống LEACH và LEACH-C.
2.2.2. PEGASIS (Power Efficient Gathering for Sensor Information System)
PEGASIS là giao thức nhằm cung cấp các cải tiến cho LEACH. PEGASIS giải
quyết những chi phí gây ra do sự hình thành các nhóm trong LEACH bằng cách xây dựng
chuỗi các nút cảm biến. Khi đó, thay vì phải duy trì sự hình thành và tập hợp các thành
viên trong nhóm, mỗi nút mạng chỉ cần quan tâm tới nút lân cận liền trước và liền sau nó
trong chuỗi. Kết quả là, dữ liệu cảm biến được từ các nút mạng sẽ tập trung tại nút đứng
đầu chuỗi rồi sau đó gửi tới Sink.
Các hoạt động của PEGASIS được chia làm 2 giai đoạn: xây dựng chuỗi và
truyền dữ liệu. Trong giai đoạn xây dựng chuỗi, nút mạng ở xa sink nhất được coi là điểm
bắt đầu, nút mạng lân cận gần nhất với nó sẽ được thêm vào để kéo dài chuỗi. Quá trình này
được tiếp tục thơng qua thuật tốn tham lam và dừng lại cho tới khi tất cả các nút mạng đều
được liên kết vào chuỗi.
Bắt đầu giai đoạn truyền tín hiệu, nút đứng đầu sẽ gửi một thẻ bài tới nút cuối cùng
bên phải cuối chuỗi. Khi nhận được thẻ bài này, nút cuối sẽ gửi dữ liệu nó thu lượm được
tới nút lân cận theo chiều xuôi trong chuỗi. Nút mạng nhận được dữ liệu sẽ hợp nhất dữ
liệu của nó với dữ liệu nhận được và gửi tới nút lân cận tiếp theo. Quá trình này được tiếp
tục cho đến khi dữ liệu tới được nút đứng đầu chuỗi. Sau khi nhận được dữ liệu từ phía bên
phải, nút đứng đầu lại gửi thẻ bài tới nút cuối cùng bên trái cuối chuỗi. Và quá trình tổng
hợp lại được thực hiện tương tự đến khi dữ liệu tới nút đứng đầu.
Với những hoạt động trên, PEGASIS kéo dài thời gian sống của mạng nhờ đạt được
việc tiêu thụ năng lượng đồng nhất và hiệu suất sử dụng năng lượng cao. Tuy

16

nhiên, PEGASIS thường gây ra trễ trước khi dữ liệu được tập trung để gửi tới Sink. Hơn
nữa, khi lựa chọn nút đứng đầu chuỗi, PEGASIS đã không xem xét vị trí của nó tới Sink
làm cho nút đứng đầu có thể ở xa Sink và phải sử dụng một năng lượng lớn hơn để truyền
dữ liệu.
Một vài phiên bản khác cho PEGASIS đã được đề xuất. Tiêu biểu trong đó là HPEGASIS với mục tiêu giảm độ trễ trong quá trình truyền dữ liệu tới Sink. Để giảm thiểu sự
chậm trễ trong PEGASIS, các gói tin được truyền song song dọc theo chuỗi. Để tránh xung
đột và nhiễu tín hiệu giữa các nút cảm biến, 2 giải pháp đã được xem xét. Đầu tiên là việc
mã hóa tín hiệu (có thể là CDMA) và thứ hai là chỉ các nút có sự tách biệt về khơng gian
mới được truyền dữ liệu cùng một lúc. Trong quá trình hoạt động, H- PEGASIS xây dựng
một chuỗi các nút tạo thành một cây như hệ thống phân cấp. Mỗi một nút lựa chọn một
mức độ truyền dữ liệu cụ thể tới một nút ở mức trên.
C-PEGASIS được thiết kế đặc biệt để giải quyết vấn đề dư thừa dữ liệu với 4 cải
tiến. Thứ nhất, các nút mạng được phân thành các cấp độ khác nhau tính từ Sink dựa trên
cường độ tín hiệu và tạo thành các vịng trịn đồng tâm tập trung. Số lượng các mức này
phụ thuộc vào các thông số như mật độ của mạng, số lượng các nút hay vị trí của Sink. Thứ
hai, việc xây dựng chuỗi sẽ được thực hiện riêng rẽ ở từng cấp độ. Thứ ba, một nút trong
chuỗi tại mỗi vùng cấp độ được lựa chọn là nút đứng đầu. Cuối cùng, việc truyền dữ liệu
được dựa trên tiến trình của PEGASIS.
2.2.3. TEEN (Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)
Giao thức TEEN được xây dựng nhằm cung cấp một cơ chế truyền nhận dữ liệu dựa
trên sự kiện trong mạng. TEEN đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng cao nhờ vào sự điều
khiển hoạt động thông qua các giá trị ngưỡng.
TEEN tổ chức các nút cảm biến thành một hệ thống phân bậc với nhiều cấp độ.
Trong kiến trúc phân cấp, dữ liệu được truyền đi từ các nút cảm biến tới nút đứng đầu
nhóm. Sau khi thu thập và tổng hợp dữ liệu từ các nút thành viên trong nhóm gửi tới, nút
đứng đầu nhóm gửi dữ liệu mà nó có tới nút đứng đầu cấp cao hơn. Q trình cứ tiếp tục

như vậy cho tới khi dữ liệu tới được Sink.
Dựa trên kiến trúc mạng phân cấp này, TEEN cung cấp cơ chế truyền nhận dữ liệu
thông qua 2 ngưỡng là: Ngưỡng cứng (HT) và ngưỡng mềm (ST). Như vậy, thông tin từ


17

các nút cảm biến chỉ được gửi về Sink nếu giá trị mà nó cảm nhận được vượt qua ngưỡng
cứng (HT). Thực tế xảy ra, giá trị cảm biến này có thể đạt được trong một khoảng thời
gian dài, do đó dữ liệu phải truyền đi một cách liên tục. Để giảm thiểu sự truyền gửi một
cách dư thừa thì ngưỡng mềm (ST) được sử dụng. Bất cứ khi nào ngưỡng cứng (HT) bị
vượt qua, các nút cảm biến sẽ kiểm tra ngưỡng mềm (S T) cho các lần quan sát tiếp theo.
Khi đó thơng tin chỉ được gửi đi nếu sự chênh lệch vượt qua ngưỡng mềm (ST).
TEEN sử dụng chiến lược của LEACH để hình thành các nhóm vì vậy TEEN khơng
thể tránh khỏi các vấn đề mà LEACH gặp phải. Thêm vào đó, do hoạt động gửi dữ liệu chỉ
xảy ra khi giá trị cảm biến vượt ngưỡng nên TEEN và APTEEN có thêm hai vấn đề mới:
Thứ nhất, khe thời gian của mỗi nút là lãng phí nếu như nó khơng có dữ liệu để gửi, trong
khi các nút khác phải đợi đến khe thời gian của mình. Thứ hai, khơng có cơ chế để phân biệt
1 nút chết với 1 nút mà giá trị cảm nhận của nó khơng vượt ngưỡng trong một thời gian dài.
2.2.4. AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector)
Giao thức định tuyến AODV là một trong những giao thức định tuyến theo cơ chế
phản ứng trong hệ thống mạng MANET. Tương tự như giao thức DSR, AODV cũng phát
gói tin broadcast để yêu cầu tìm đường khi có nhu cầu. Tuy nhiên điểm khác biệt cơ bản
đối với giao thức DSR là AODV sử dụng nhiều cơ chế khác để duy trì thơng tin bảng
định tuyến, chẳng hạn như nó sử dụng bảng định tuyến truyền thống để lưu trữ thông tin
định tuyến với mỗi entry cho một địa chỉ đích.
Khơng sử dụng cơ chế Source Routing và cũng không cần biết thông tin về các
node láng giềng của nó, AODV dựa trên các điểm vào của bảng định tuyến để phát gói
tin RREP về node nguồn và node nguồn dùng thông tin đó để gởi dữ liệu đến đích. Để
đảm bảo rằng thơng tin trong bảng định tuyến là mới nhất thì AODV sử dụng kỹ

thuật Sequence Number (kỹ thuật này dùng để nhận ra các con đường đi khơng cịn giá
trị trong quá trình cập nhật bảng định tuyến) để loại bỏ những đường đi khơng cịn giá
trị trong bảng định tuyến. Mỗi node sẽ có một bộ tăng số Sequence Number riêng cho nó.
Tương tự như cơ chế hoạt động của DSR, quá trình định tuyến của AODV cũng bao gồm 2
cơ chế chính: cơ chế tạo thơng tin định tuyến và cơ chế duy trì thơng tin định tuyến.
Cơ chế tạo thông tin định tuyến sẽ được thiết lập khi một nút nguồn có nhu cầu trao
đổi thơng tin với một nút khác trong hệ thống mạng. Trong hệ thống mạng MANET hoạt


18

động theo giao thức AODV, mỗi nút trong hệ thống mạng ln duy trì 2 bộ đếm: Bộ đếm
Sequence Number và Bộ đếm REQ_ID. Cặp thông tin <Sequence Number, REQ_ID> là
định danh duy nhất cho một gói tin RREQ. Cặp thông tin này sẽ bị thay đổi giá trị khi:
 Đối với Sequence Number:
o Trước khi một node khởi động tiến trình khám phá đường đi, đều này nhằm
chống sự xung đột với các gói tin RREP trước đó.
o Khi nhận được một gói tin RREP gửi từ nút đích để trả lời gói tin RREQ, nó
sẽ cập nhật lại giá trị Sequence number lớn nhất của một trong 2 giá trị:
Sequence number hiện hành mà nó lưu giữ đối với Sequence number trong gói
RREQ.
 Đối với REQ_ID: Khi có một sự thay đổi trong toàn bộ các nút lân cận của nó

dẫn đến sẽ có một số tuyến đường trong bảng định tuyến sẽ khơng cịn hiệu lực.
Số REQ_ID sẽ được tăng lên khi node khởi động một tiến trình mới.
Tiến trình được khởi động khi nào một node muốn trao đổi dữ liệu với một node
khác mà trong bảng định tuyến của nó khơng có thơng tin định tuyến đến node đích đó. Khi
đó tiến trình sẽ phát quảng bá một gói RREQ cho các node láng giềng của nó. Khi các node
láng giềng nhận được gói RREQ, nó sẽ kiểm tra tuần tự theo các bước:
 Bước 1: Xem các gói RREQ đã được xử lý chưa? Nếu đã được xử lý thì nó sẽ

loại bỏ gói tin đó và khơng xử lý thêm. Ngược lại sẽ chuyển qua bước 2.
 Bước 2: Nếu trong bảng định tuyến của nó chứa đường đi đến đích, thì sẽ kiểm
tra giá trị Destination sequence number trong entry chứa thông tin về đường
đi với số Destination sequence number trong gói RREQ, nếu số Destination
sequence number trong RREQ lớn hơn số Destination squence number trong
entry thì nó sẽ khơng sử dụng thông tin trong entry của bảng định tuyến để trả
lời cho node nguồn mà nó sẽ tiếp tục phát Broadcast gói RREQ đó đến cho các
node láng giềng của nó. Ngược lại nó sẽ phát Unicast cho gói RREP ngược trở lại
cho node láng giềng của nó để báo đã nhận gói RREQ. Gói RREP ngồi các
thơng tin như: địa chỉ nguồn, địa chỉ đích,… cịn chứa các thơng tin: destination
sequence number, hop-count, TTL. Ngược lại thì qua bước 3.
 Bước 3: Nếu trong bảng định tuyến của nó khơng có đường đi đến đích thì nó
sẽ tăng số Hop-count lên 1, đồng thời nó sẽ tự động thiết lập một đường đi ngược


19

(Reverse path) từ nó đến node nguồn bằng cách ghi nhận lại địa chỉ của node láng
giềng mà nó nhận gói RREQ lần đầu tiên. Entry chứa đường đi ngược này sẽ
được tồn tại trong một khoảng thời gian đủ để gói RREQ tìm đường đi đến đích
và gói RREP phản hồi cho node nguồn, sau đó entry này sẽ được xóa đi.
Q trình kiểm tra này sẽ lặp tuần tự cho đến khi gặp node đích hoặc một node trung
gian mà có các đều kiện thỏa bước 2. Trong q trình trả về gói RREP, một node có thể
nhận cùng lúc nhiều gói RREP, khi đó nó sẽ chỉ xử lý gói RREP có số Destination Sequence
number lớn nhất, hoặc nếu cùng số Destination sequence number thì nó sẽ chọn gói RREP
có số Hop-count nhỏ nhất. Sau đó nó sẽ cập nhật các thông tin cần thiết vào trong bảng định
tuyến của nó và chuyển gói RREP đi.
2.4. So sánh đặc tính nổi bật của 4 giao thức
Bảng 2.1 so sánh một số đặc tính tiêu biểu của 4 giao thức đã nghiên cứu tại phần 2.2
của chương này.

Đặc tính

Bảng 2.1: So sánh đặc tính của 4 giao thức
LEACH
PEGASIS
TEEN

AODV

Tiêu thụ năng
Năng lượng thấp, lượng đồng nhất
tùy biến và giao và hiệu suất sử
thức phân phối.
dụng năng lượng
cao.

Truyền nhận dữ
liệu theo sự
kiện, đạt hiệu
Giao thức đơn
quả năng lượng
giản, tốc độ
nhờ sự điều
truyền cao.
khiển hoạt động
thông
qua
ngưỡng

Hạn chế

Không áp dụng
đối với ứng dụng
ở các vùng rộng
lớn. Các nút chủ
luôn biến đổi.

Không xem xét
vị trí của nút
đứng đầu so với
sink  tiêu hao
năng lượng.

Như LEACH,
lãng phí khe thời
gian khi khơng
có dữ liệu gửi,
khơng có cơ chế
phân biệt nút
chết và nút có
giá trị cảm biến
không
vượt
ngưỡng.

Khi nút chết,
phải chế tạo lại
thông tin định
tuyến

Khả năng mở

Tốt

Tốt

Tốt

Tốt

Ưu điểm


20

rộng
Tập hợp dữ
liệu

Có

Khơng

Có

Khơng

Độ trễ

Nhỏ

Lớn

Nhỏ

Trung bình

Tiết kiệm năng
lượng

Trung bình

Khá

Trung bình

Trung bình

Cân bằng tải

Trung bình

Trung bình

Trung bình

Thấp

Lớp

Phân cấp, cụm

Phân cấp, chuỗi

Phân cấp, cụm

Phản ứng

Số nút trong
mạng

Cao

Cao

Cao

Thấp

Ứng dụng

Truyền gửi
liệu định kỳ.

Truyền gửi dữ Truyền gửi dữ
dữ Truyền gửi dữ
liệu theo sự liệu theo yêu
liệu định kỳ.
kiện.

cầu.

Sau đây là một số khuyến nghị áp dụng các giao thức LEACH, PEGASIS, TEEN và
AODV trong từng ứng dụng cụ thể:
 Đối với các ứng dụng sử dụng hình thức phân cấp nút mạng theo cụm hoặc
chuỗi và phương thức truyền gửi dữ liệu theo định kỳ thì sử dụng giao thức
định tuyến LEACH, PEGASIS. Với hình thức phản ứng và truyền gửi dữ liệu
theo sự kiện thì sử dụng giao thức định tuyến TEEN, cịn theo yêu cầu thì sử
dụng giao thức AODV.
 Với số lượng nút trong mạng lớn, vùng cảm biến rộng thì sử dụng các giao
thức định tuyến LEACH, PEGASIS và TEEN. Ngược lại sử dụng giao thức
định tuyến AODV.
 Các giao thức định tuyến LEACH, PEGASIS và TEEN thường được sử dụng
trong mạng WSN, giao thức định tuyến AODV thường được sử dụng trong
mạng MANET.
 Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ trễ dữ liệu truyền tải thấp kể cả theo theo
phương thức truyền tải định kỳ thì khơng nên sử dụng giao thức định tuyến
PEGASIS vì PEGASIS có độ trễ dữ liệu tương đối cao.
 Để tiết kiệm và đạt hiệu quả cao khi sử dụng khe thời gian được cấp phát cho
từng nút trong mạng thì khơng nên sử dụng giao thức TEEN.


21

2.4. Kết luận chương II
Chương này đã trình bày cơ chế hoạt động của 4 giao thức định tuyến đó là: LEACH,
PEGASIS, TEEN và AODV cùng một số giao thức được cải biến từ giao thức LEACH
(LEACH-C, LEACH-F), từ giao thức PEGASIS (H-PEGASIS, C-PEGASIS) và từ TEEN
(APTEEN). Mỗi giao thức đều có những ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn loại giao
thức nào hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng mà chúng ta triển khai. Mặc dù hoạt động của

các giải thuật định tuyến này đầy hứa hẹn trong vấn đề sử dụng hiệu quả năng lượng, các
nghiên cứu sau này cần phải xác định rõ các vấn đề như chất lượng dịch vụ của các ứng
dụng của các cảm biến hình ảnh và các ứng dụng thời gian thực.
Qua nghiên cứu lý thuyết tại chương này, chương tiếp theo sẽ thử nghiệm 3 giao thức
định tuyến đó là: LEACH, LEACH-C và PEGASIS. Qua đó đánh giá, đưa ra kết luận về
khả năng của từng giao thức về năng lượng và thời gian sống của mạng. So sánh 3 giao thức
với nhau trên cùng một bộ thông số mô phỏng.


22

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
3.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng NS2
NS2- Network Simulator Version 2 [14]: là phần mền mô phỏng mạng điều khiển sự
kiện riêng rẽ hướng đối tượng, được phát triển tại University of California, Berkeley, Hoa
Kỳ, viết bằng ngôn ngữ C++ và Otcl. NS2 được sử dụng rất phổ biến trong các nghiên cứu
khoa học về mạng và rất hữu ích cho việc mơ phỏng mạng diện rộng WAN và mạng LAN,
cũng như các mạng không dây.

3.1.1. Kiến trúc
3.1.2. Đặc điểm
3.1.3. Cài đặt mô phỏng
3.2. Mô phỏng một số giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng
Đối với từng giao thức LEACH, LEACH-C và PEGASIS, chạy mô phỏng cho 3
kịch bản (KB) như sau:
 Kịch bản 1 (KB1): Số nút: 100; Độ rộng vùng: (1000,1000); Năng lượng: 2J/node
 Kịch bản 1 (KB1): Số nút: 100; Độ rộng vùng: (500,500); Năng lượng: 2J/node
 Kịch bản 1 (KB1): Số nút: 50; Độ rộng vùng: (1000,1000); Năng lượng: 4J/node

3.2.1. Kịch bản, phương pháp và điều kiện thực hiện mô phỏng
3.2.2. Mô phỏng giao thức định tuyến LEACH
3.2.2.1. Số nút sống theo thời gian
Ở KB1 và KB2, khi đưa giảm vùng cảm biến xuống ¼ ở mức (500,500) thì giao thức
LEACH hoạt động gần như tương đương nhau. Tuy nhiên KB1 lại có thời gian sống lâu hơn
KB2 cụ thể là 772s và 746s mặc dù nhìn vào biểu đồ KB2 tốt hơn KB1 gần suốt quá trình.
KB3 khi chúng ta giảm số node xuống 50 nodes (1/2) và tăng năng lượng ban đầu của mỗi
nút lên 4J (x2), nhìn trên biểu đồ ta thấy KB3 có thời gian sống tốt nhất, cụ thể là 835s. So
sánh tỷ lệ các nút chết theo thời gian thì KB3 có tỷ lệ thấp hơn KB1 và KB2. Như vậy, khi
ta tăng năng lượng của mỗi nút LEACH hoạt động hiệu quả hơn.
3.2.2.2. Mức năng lượng tiêu hao thời gian


23

Khi cả 3 kịch bản đã tiêu hao hơn ¾ số năng lượng thì 3 KB có mức độ tiêu hao là
tương đối giống nhau.. Ở giai đoạn đầu thì ở KB1 và KB2 là tương đương cịn KB3 thì có
nhỉnh hơn một chút, ở khoảng thời gian hơn 400s thì KB3 đã đột ngột tiêu hao 50J năng
lượng trong vòng 10s…
3.2.2.3. Dữ liệu gửi tới BS theo thời gian
KB1 và KB2 có đường minh họa gần trùng khíp nhau có nghĩa là: dữ liệu từ các
node gửi tới BS của 2 KB là tương đương và đạt được mức 42.599 bits cho KB1 và 41.712
bits cho KB2. Mặc dù, khi xét với năng lượng tiêu hao và thời gian sống của mạng, KB3
của LEACH là tương đối tốt nhất nhưng dữ liệu gửi lại không tốt, KB3 chỉ gửi được tới BS
32.575 bits.
3.2.3. Mô phỏng giao thức định tuyến PEGASIS
3.2.3.1. Số nút sống theo thời gian
Ở KB1 và KB2, thời gian sống của mạng là 1.460s cho cả 2 kịch bản. Điều này dẫn
đến 1 nhận xét khi ta giảm vùng cảm biến xuống tới mức ¼ mà khơng có sự thay đổi và
biến động giảm các nút trong tồn mạng. Tuy nhiên, đối với KB3 thì có tốt hơn một chút

khi kết quả trả về là 1.480s. Khi ở khoảng 500s thì KB1 và KB2 mới bắt đầu có nút chết,
nhưng ở mức 150s thì KB3 đã xảy ra. Số nút sống theo thời gian được phân bố đều trong cả
quá trình.
3.2.3.2. Mức tiêu hao năng lượng theo thời gian
Một điều rất kỳ lạ là khi thực mô phỏng giao thức PEGASIS theo 3 kịch bản được
định sẵn như trên. Năng lượng tiêu hao trong cả 3 kịch bản gần như nhau. Khác nhau chút
đó là KB3 tiêu hao ít hơn chút do đó có thêm 20s thời gian sống toàn mạng.
3.2.3.3. Dữ liệu gửi tới BS theo thời gian
Từ thời điểm bắt đầu tới khoảng 470s, cả 3 kịch bản đều gửi dữ liệu tới BS là tương
đương nhau, tuy nhiên sau khoảng thời gian đó thì KB1 và KB2 đã cho kết quả tốt hơn so
với KB3 cụ thể là: KB1 và KB2 gửi 144.796 bits dữ liệu tới BS, KB3 chỉ gửi được 138.839
bits dữ liệu tới BS.
3.2.4. Mô phỏng giao thức định tuyến LEACH-C
3.2.4.1. Số nút sống theo thời gian


24

Khác với LEACH và PEGASIS đã trình bày ở trên. LEACH-C có kết quả mơ phỏng
từ KB1 và KB2 là tương đương, tuy nhiên đối với KB3 thì có sự đột phá nhất lớn so với 2
giao thức LEACH và PEGASIS. Cụ thể là: đối với KB1 và KB2 lần lượt là: 720s và 700s
riêng KB3 là 1120s tăng khoảng hơn 55%. Đây có thể là tín hiệu tốt và nó có thực hiện tốt
hay khơng, mức tiêu hao năng lượng và dữ liệu gửi về BS được phân tích dưới đây sẽ khẳng
định điều đó.
3.2.4.2. Mức năng lượng tiêu hao theo thời gian
Sự tiêu hao năng lượng của KB3 trải đều trong suốt quá trình, tuy nhiên KB1 và KB2
có độ tiêu hao năng lượng ở mức tương đối ln, mt khong ắ tng s nng lng trong ẵ
thi gian sống của toàn mạng.
3.2.4.3. Dữ liệu gửi tới BS theo thời gian
Ở tiêu chí này 3 kịch bản đã gửi 53.716 bits, 53.548 bits và 54.573 bits tới BS của lần

lượt KB1, KB2 và KB3. KB3 nhỉnh hơn một chút, tuy nhiên dữ liệu gửi tới BS là đều dặn
hơn so với KB1 và KB2. Tuy nhiên, khi mức tiêu hao năng lượng lớn thì tại khoảng thời
gian đó LEACH-C gửi được nhiều dữ liệu tới BS trong KB1 và KB2.
3.2.5. Kết quả và đánh giá
3.2.5.1. Thời gian sống của các nút
Từ kết quả 3 kịch bản mô phỏng của 3 giao thức LEACH, LEACH-C và PEGASIS
dẫn đến một số đánh giá như sau:


Ở kịch bản 3, khi giảm ½ số nút và tăng 2 lần năng lượng khởi tạo ban đầu của
mỗi nút, thời gian sống của mạng là tốt nhất trong cả 3 giao thức. Tuy nhiên, ở
giao thức LEACH-C, thời gian sống của mạng là tốt nhất là tăng khoảng 55% so
với 2 kịch bản KB1 và KB2.



Với 2 kịch bản KB1 và KB2, giao thức LEACH và LEACH-C cho thời gian sống
toàn mạng ở KB2 kém hơn 1 chút so với KB1, với PEGASIS thì thời gian sống
của KB1 và KB2 là bằng nhau.



Cùng một khơng gian trạng thái và các thuộc tính khởi tạo mạng, giáo thức
PEGASIS cho kết quả tốt nhất trong 3 giao thức thực hiện cảm biến. Thời gian
sống của mạng là gần gấp đôi so với 2 giao thức LEACH và LEACH-C.


25

3.2.5.2. Dữ liệu gửi tới BS

Từ kết quả dữ liệu gửi tới BS của 3 giao thức khi thực hiện mô phỏng với 3 kịch bản
đã nêu ở trên dẫn đến một số đánh giá như sau:


Nhìn chung, dữ liệu gửi tới BS của cả 3 giao thức thực hiện với 3 kịch bản tương
đối đều nhau, ở đây không có sự khác biệt quá rõ ràng. Với LEACH và
PEGASIS thì ở KB3 hơi kém một chút.



Về dữ liệu gửi tới BS, giao thức LEACH là kém nhất, LEACH-C nhiều hơn
khoảng 25% và 225% đối với PEGASIS.



Vậy, cùng một không gian trạng thái, các thiết lập ban đầu như nhau. Dữ liệu gửi
tới BS của giao thức PEGASIS là tốt nhất.

3.3. Kết luận chương III
Để đánh giá phần nào hiệu quả của ba giao thức giao thức định tuyến LEACH,
LEACH-C và PEGASIS, chương 3 đã tập trung vào mô phỏng từng giao thức dựa trên công
cụ mô phỏng NS 2.34. Đây là một trong những công cụ đang được sử dụng phổ biến nhờ
tính linh hoạt và khả năng mơ phỏng những hệ thống phức tạp.
Thông qua kết quả của các kịch bản mô phỏng, chương này đã đưa ra một số nhận
xét và đánh giá về hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho các nút cảm biến
của từng giao thức. Với kết quả này, cho thấy, ở một trường hợp cụ thể các giao thức có
những ưu, nhược điểm riêng nhưng xét chung thì PEGASIS là giao thức có mức tiêu hoa
năng lượng thấp nhất và dữ liệu gửi và nhận là tốt nhất.