Định tuyến PEGASIS trong mạng WSN

Đoạn văn bản giới thiệu mạng cảm biến không dây (WSN) như một hệ thống gồm các thiết bị cảm biến giá rẻ, tiêu thụ ít năng lượng, đa chức năng. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã dẫn đến việc ứng dụng rộng rãi WSN trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y tế, quân sự, môi trường, và giao thông. WSN được đặc trưng bởi kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, khả năng tự tổ chức và tự bảo trì, cùng với giá thành thấp. Mỗi nút trong mạng có thể trang bị nhiều đầu cảm nhận, xử lý dữ liệu thô và truyền không dây giữa các nút, tạo nên một mạng lưới quan sát các hiện tượng vật lý và điều kiện môi trường. Các ứng dụng của WSN rất tiềm năng và trong tương lai, nó sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, nhờ khả năng khai thác tối đa các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được. WSN có khả năng thu thập dữ liệu ở nhiều vị trí khác nhau, giúp quan sát các hiện tượng vật lý như nhiệt độ, âm thanh, sự chấn động, áp suất, và chuyển động.

Tài liệu đề cập đến nhiều ứng dụng thực tiễn của mạng cảm biến không dây (WSN). Một ứng dụng quan trọng là trong ngôi nhà thông minh, cho phép điều khiển từ xa các thiết bị gia dụng như TV, đầu DVD, hệ thống âm thanh, đèn, rèm cửa và khóa. WSN tạo điều kiện cho việc tích hợp nhiều dịch vụ, ví dụ tự động đóng rèm khi bật TV hoặc tắt tiếng khi có điện thoại. Hệ thống khóa không cần chìa khóa từ xa (RKE) là một ứng dụng khác, cho phép người dùng khóa/mở cửa, cửa sổ, đèn và hệ thống HVAC từ xa. Trong lĩnh vực an ninh, WSN có thể thay thế nhân viên bảo vệ trong các khu vực nguy hiểm như mỏ, đồng thời có thể được sử dụng để phát hiện mục tiêu tấn công tiềm tàng. WSN cũng có thể được ngụy trang để hòa nhập với môi trường tự nhiên, khó bị phát hiện và phá hủy. Một ứng dụng khác trong môi trường là cung cấp thông tin thời tiết như mưa, độ ẩm và nhiệt độ cho nông nghiệp, giúp theo dõi điều kiện thời tiết trên diện rộng với chi phí thấp và tiêu thụ điện năng thấp.

Việc triển khai mạng cảm biến không dây (WSN) phải đối mặt với nhiều thách thức. Kích thước và chi phí của mỗi nút ảnh hưởng đến chi phí triển khai tổng thể. Giảm giá thành mỗi nút cho phép triển khai mạng với mật độ cao hơn, thu thập được nhiều dữ liệu hơn. Các nút cần có khả năng thích ứng cao với các ngữ cảnh khác nhau, đáp ứng các yêu cầu về thời gian sống, tốc độ lấy mẫu, và xử lý nội mạng. Kiến trúc WSN cần mềm dẻo để phục vụ nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng cũng cần đơn giản để giảm chi phí. An toàn thông tin là một mối quan tâm, tuy nhiên, trong nhiều ứng dụng, mã hóa không phải là vấn đề chính. Đồng bộ thời gian giữa các nút là cần thiết để đảm bảo sự tương quan giữa các lần đọc cảm biến và hoạt động của ứng dụng, tránh tiêu hao năng lượng không cần thiết. Khoảng cách truyền radio và tốc độ truyền ảnh hưởng đến mật độ nút mạng và hiệu suất của hệ thống. Xử lý dữ liệu nội mạng giúp giảm tải cho mạng nhưng đòi hỏi thêm tài nguyên tính toán. Tiêu hao năng lượng nhanh, đặc biệt ở các nút xa trạm gốc, là một thách thức lớn cần được giải quyết.

Mặc dù có nhiều điểm tương đồng với mạng ad-hoc, mạng cảm biến không dây (WSN) lại có những đặc tính riêng biệt, đặt ra những thách thức lớn cho thiết kế giao thức định tuyến. Các nút trong WSN có ràng buộc về tài nguyên nghiêm ngặt, bao gồm năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ hạn chế. Mật độ nút có thể thay đổi từ thưa thớt đến rất dày tùy thuộc vào ứng dụng, và số lượng nút có thể lên tới hàng trăm hoặc hàng nghìn, thường được triển khai ngẫu nhiên và không được giám sát liên tục. Do đó, các giao thức định tuyến cần phải thích ứng động với những thay đổi về cấu trúc mạng và điều kiện hoạt động, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng để kéo dài thời gian sống của mạng. Việc truyền gói multi-hop là nguồn tiêu thụ năng lượng chính, đòi hỏi phải có các cơ chế quản lý năng lượng hiệu quả. Thêm vào đó, WSN thường cần hỗ trợ nhiều mô hình dữ liệu khác nhau, làm tăng độ phức tạp của thiết kế giao thức định tuyến.

Tài liệu phân loại ba loại giao thức định tuyến chính trong WSN: định tuyến trung tâm dữ liệu (data-centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol), và định tuyến dựa vào vị trí (location-based protocol). Sự lựa chọn giao thức phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm yêu cầu về hiệu quả năng lượng, độ trễ, độ tin cậy và khả năng thích ứng với môi trường hoạt động. Việc tìm kiếm sự cân bằng giữa tốc độ đáp ứng của mạng và hiệu quả sử dụng năng lượng là một thách thức quan trọng. Mào đầu (overhead) là một chỉ số quan trọng cần được tối ưu hóa, bao gồm lượng băng thông sử dụng, tiêu thụ năng lượng, và yêu cầu xử lý của các nút. Một chiến lược định tuyến hiệu quả cần phải cân bằng giữa các yêu cầu này để đảm bảo hiệu suất tối ưu của mạng.

Tài liệu đề cập đến một số giao thức định tuyến cụ thể, bao gồm Flooding, SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation), và Directed Diffusion. Flooding, mặc dù đơn giản, lại gây ra hiện tượng bản tin kép, chồng chéo và tiêu hao năng lượng quá mức. SPIN tập trung vào việc dàn xếp dữ liệu, giúp giảm thiểu việc truyền dữ liệu dư thừa và tiêu thụ năng lượng, nhưng vẫn có hạn chế khi nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu. Directed Diffusion là một giao thức trung tâm dữ liệu, tập trung vào việc tiết kiệm năng lượng bằng cách chỉ truyền dữ liệu tới các nút quan tâm. LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) được mô tả như một giao thức phân cấp, sử dụng cơ chế lựa chọn nút chủ để tập trung dữ liệu và giảm tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, LEACH có thể gây ra hiện tượng thắt cổ chai ở nút chủ và tiêu hao năng lượng không đồng đều. Các giao thức khác như GAF (Geographic and Energy-Aware Routing) và GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) khai thác thông tin về vị trí địa lý để tối ưu hóa định tuyến và tiết kiệm năng lượng.

Phần này đề cập đến việc sử dụng OMNeT++, một môi trường mô phỏng mạng linh hoạt, để nghiên cứu mạng cảm biến không dây (WSN). OMNeT++, viết tắt của Objective Modular Network Testbed in C++, cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho việc mô phỏng hoạt động của các hệ thống mạng phức tạp, bao gồm cả WSN. Nó hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C++ và sử dụng ngôn ngữ NED để kết hợp các mô-đun thành các mô hình lớn hơn. OMNeT++ có giao diện đồ họa trực quan, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và phân tích kết quả mô phỏng. Phần mềm này được sử dụng để mô phỏng các giao thức và thuật toán trong WSN, cho phép đánh giá hiệu suất của chúng trong các điều kiện khác nhau. Việc sử dụng OMNeT++ trong nghiên cứu này giúp minh họa và đánh giá hiệu quả các giao thức định tuyến trong các tình huống thực tế, mà không cần triển khai thực tế tốn kém và phức tạp.

Trong phần mô phỏng, tài liệu tập trung vào giao thức PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems), một giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc chuỗi nhằm tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng. PEGASIS được so sánh với LEACH, một giao thức khác cũng được sử dụng rộng rãi trong WSN. Mô hình năng lượng đơn giản được sử dụng trong mô phỏng, trong đó tiêu thụ năng lượng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (d²) hoặc mũ bốn khoảng cách (d⁴) tùy thuộc vào khoảng cách truyền. Mô phỏng bao gồm việc đánh giá hiệu quả của PEGASIS trong việc giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng, so sánh với LEACH. Việc mô phỏng cũng xem xét trường hợp các nút chết ngẫu nhiên trong mạng và khả năng PEGASIS thích ứng với những thay đổi này.

Kết quả mô phỏng cho thấy PEGASIS có những cải thiện đáng kể so với LEACH. PEGASIS khắc phục được nhược điểm của LEACH như lượng mào đầu lớn do thông tin cụm động và tiêu hao năng lượng không đồng đều. PEGASIS, bằng cách tối thiểu hóa khoảng cách truyền và nhận giữa các nút, chỉ sử dụng một lần truyền dữ liệu hợp nhất trên mỗi vòng đến trạm cơ sở, dẫn đến việc giảm tiêu thụ năng lượng tổng thể. Việc các nút luân phiên truyền dữ liệu hợp nhất đến trạm cơ sở giúp cân bằng năng lượng tiêu tán trong mạng và tăng khả năng chống lại lỗi khi các nút chết. Kết quả mô phỏng này chứng minh hiệu quả của PEGASIS trong việc kéo dài thời gian sống của mạng cảm biến không dây, đặc biệt trong điều kiện mật độ nút cao và tiêu thụ năng lượng hạn chế. Các chỉ số cụ thể như tỷ lệ nút chết được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các giao thức.