Đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây với một số giao thức định định tuyến

trở thành một 
trong những đề tài nghiên cứu hấp dẫn nhất trong 
lĩnh vực viễn thông những năm gần đây, trong đó, 
quan trọng nhất là khả năng triển khai mạng và khả 
năng đáp ứng được rất nhiều ứng dụng thực tế khác 
nhau của nó. Ngày nay, nhờ những tiến bộ trong 
công nghệ cảm biến, chi phí để xây dựng một mạng 
WSN được giảm đáng kể, thời gian hoạt động của 
các nút cảm biến cũng được cải thiện, thêm vào đó 
là ưu điểm của mạng WSN là rất đơn giản trong xây 
dựng và lập trình mạng. Tuy nhiên, nhân tố cốt lõi 
và quan trọng nhất khiến WSN được xem như một 
công nghệ mới đầy hứa hẹn chính là ở khả năng 
cung cấp những ứng dụng thực tế của nó. Với công 
nghệ cảm biến hiện đại, các nút cảm biến ngày nay 
có thể cảm biến được số lượng lớn tham số vật lý, từ 
những tham số đã rất phổ biến như: nhiệt độ, độ ẩm, 
ánh sáng và tia hồng ngoại, âm thanh, áp lực, các 
cảm biến hóa học, từ trường cho đến những loại 
tham số vô cùng tinh vi như: khả năng nhận thức 
(ví dụ như các cảm biến tương tác hoặc di chuyển). 
Chính nhờ khả năng cảm biến được rất nhiều thông 
số vật lý đó mà WSN ngày càng được ứng dụng 
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, giám sát 
môi trường và đa dạng sinh học, căn hộ thông minh, 
quản lý nhà máy hoặc các ứng dụng trong chăm sóc 
sức khỏe con người. Trong tương lai gần, WSN và 
các ứng dụng của nó sẽ đóng vai trò thiết yếu trong 
cuộc sống của con người [3].
Hình 1. Mô hình tổng quan về mạng cảm biến 
không dây
Tuy nhiên bên cạnh những ưu thế có được, 
mạng WSN đang phải đối mặt với rất nhiều thách 
thức một trong những thách thức lớn nhất đó là 
nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. 
Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung 
vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology64 Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016
lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác 
nhau. Trong đó đáng chú ý nhất là phương pháp sử 
dụng giao thức định tuyến phù hợp để tìm đường đi 
giữa các nút mạng, qua đó kéo dài đáng kể thời gian 
sống của mạng WSN.
2. MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trong bài báo này chúng tôi sẽ tập trung 
ba giao thức định tuyến hay được sử dụng trong 
mạng cảm biến không dây: Giao thức phân theo 
cụm thích ứng năng lượng LEACH (Low Energy 
Adaptive Clustering Hierarchy), giao thức phân cấp 
theo cụm thích ứng năng lượng tập trung LEACH 
(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy 
Centralized) và giao thức phân theo cụm cố đinh 
(STAT-CLUSTER).
2.1. Giao thức LEACH
Nguyên tắc hoạt động
Hoạt động của LEACH được chia thành các 
vòng , mỗi vòng được bắt đầu với pha thiết lập, 
trong đó diễn ra quá trình chọn nút chủ và thành lập 
cụm. Sau pha thiết lập là pha ổn định, trong pha này, 
xảy ra quá trình truyền dữ liệu đến nút chủ và đến 
trạm gốc (base station). Để giảm lượng bản tin vào 
đầu trong mạng thì pha ổn định phải dài hơn so với 
pha thiết lập [5].
Hình 2. Mô hình hoạt động của LEACH
Ưu điểm:
- Đơn giản: Trong giao thức định tuyến 
LEACH, nút cảm biến tự tiến hành quyết định nút 
chủ và phân bổ cụm, không đòi hỏi thông tin điều 
khiển từ trạm gốc và nút không yêu cầu hiểu biết 
về toàn bộ cấu hình mạng. Ưu điểm này giảm gánh 
nặng cho trạm gốc và lượng bản tin mào đầu truyền 
trong mạng.
Nhược điểm:
- Số cụm trong một vòng không cố định vì 
vậy thuật toán LEACH không có cơ chế nào để đảm 
bảo được số lượng cụm trong một vòng. Nhược 
điểm này dẫn đến hậu quả là có những vòng không 
có cụm nào được hình thành, trong khi ở những 
vòng khác lại có quá nhiều cụm, từ đó, dữ liệu gửi 
tới trạm gốc bị gián đoạn.
- Xác định nút chủ không căn cứ vào năng 
lượng còn lại: Một trong những ưu điểm của 
LEACH là phân bố đều vai trò làm nút chủ trong 
một chu kỳ cho tất cả nút mạng, tuy nhiên, trong 
trường hợp mạng lớn, khoảng cách từ nút đến trạm 
gốc chênh lệch nhau nhiều, do đó, lượng năng lượng 
tiêu hao khi trở thành nút chủ cũng khác xa nhau, 
nhưng LEACH lại không căn cứ vào năng lượng 
còn lại để lựa chọn nút chủ, mà căn cứ vào số lần đã 
trở thành nút chủ trong các vòng trước đó. Nhược 
điểm này làm cho nút ở xa trạm gốc mất năng lượng 
sớm hơn.
- Phân bổ cụm không hiệu quả: Quá trình 
chọn nút chủ và do đó là phân bổ cụm hoàn toàn 
không quan tâm tới vị trí của nút mạng nên có rất 
nhiều trường hợp hai nút chủ nằm cạnh nhau, tạo 
nên hai cụm chồng lấn lên nhau, ảnh hưởng đến 
hiệu quả của mạng.
Để khắc phục những nhược điểm của giao 
thức LEACH cơ bản, rất nhiều nghiên cứu đã được 
tiến hành, trong đó giao thức LEACH-C đã đưa ra 
được những giải pháp hiệu quả cho vấn đề đó và 
được đánh giá rất cao về khả năng ứng dụng trong 
mạng WSN [2,5].
2.2. Giao thức LEACH-C
Nguyên tắc hoạt động
Hình 3. Mô hình hoạt động pha thiết lập của 
LEACH-C
Về mặt ý tưởng, LEACH-C hoàn toàn giống 
với LEACH cơ bản, chỉ khác ở pha thiết lập, còn 
pha ổn định nó kế thừa từ giao thức LEACH. Khác 
với LEACH (mỗi nút sẽ có một xác suất để nó có 
thể được chọn làm nút chủ cụm), trong giao thức 
LEACH-C, quá trình lựa chọn cụm và nút chủ được 
thực hiện bởi trạm gốc. Trong pha thiết lập của 
LEACH – C, tất cả nút mạng sẽ gửi thông tin về 
trạng thái hiện tại của nó (bao gồm vị trí và năng 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016 Journal of Science and Technology 65
lượng còn lại) về trạm gốc. Trạm gốc, sau đó, sẽ 
dùng thuật toán tối ưu để xác định ra các cụm và nút 
chủ cho vòng hiện tại [5].
Ưu điểm:
- Phân bổ năng lượng hiệu quả: Trong 
LEACH-C, trạm gốc - không bị giới hạn về năng 
lượng - đảm nhiệm chức năng lựa chọn nút chủ, 
do đó, có thể áp dụng những thuật toán tối ưu phức 
tạp hơn và đưa nhiều tham số hơn vào quá trình ra 
quyết định, do đó, lựa chọn được nút chủ tối ưu hơn, 
nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của các nút 
trong mạng.
- Xác định nút chủ căn cứ vào năng lượng 
dự trữ: Với việc đưa tham số năng lượng dự trữ 
trở thành một điều kiện trong quá trình xác định 
nút chủ, rõ ràng là LEACH-C đạt hiệu quả tốt hơn 
LEACH cơ bản. Thêm vào đó, BS thực hiện chức 
năng xác định nút chủ làm giảm năng lượng cho xử 
lý tại các nút cảm biến.
- Phân bổ cụm hiệu quả theo vị trí: LEACH-C 
thực hiện tập trung thông tin toàn mạng về trạm 
gốc, nên BS xác định được topo mạng căn cứ vào 
vị trí của các nút, từ đó, có chiến lược phân bố cụm 
theo vị trí hiệu quả hơn LEACH.
- Kiểm soát được số cụm trong một vòng: 
Việc loại bỏ tham số ngẫu nhiên S trong quá trình 
lựa chọn nút chủ (từ đó hình thành nên cụm) đã giúp 
LEACH-C có thể xác định được số cụm trong một 
vòng hoạt động, ưu điểm này có tác động tích cực 
đến tính liên tục của dữ liệu nhận được tại BS.
Nhược điểm:
- Phức tạp: Việc thiết kế thuật toán để lựa 
chọn nút chủ tối ưu cho trạm gốc là rất phức tạp, với 
số lượng lớn tham số đầu vào.
- Số lượng lớn bản tin mào đầu: Trong giao 
thức LEACH-C, khi kết thúc một vòng, nút cảm 
biến phải gửi về cho BS thông tin về vị trí và trạng 
thái năng lượng của nút. Mặc dù kích thước của bản 
tin này nhỏ, nhưng với những nút có khoảng cách 
tới BS lớn thì năng lượng tiêu thụ cho việc gửi gói 
tin này cũng làm ảnh hưởng đáng kể tới thời gian 
sống của nút.
2.3. Giao thức Stat-Clustering
Nguyên tắc hoạt động
Giao thức Stat – Clustering tương tự với 
LEACH-C. Trạm gốc sẽ căn cứ vào tọa độ và năng 
lượng hiện tại của các node để phân chia cấu hình 
mạng. Tuy nhiên ở Stat - Cluster trạm gốc chỉ chia 
nhóm một lần và giữ nguyên cấu hình mạng đó để 
gửi dữ liệu.[5]
Ưu điểm:
Các node chủ cụm là cố định nên không tốn 
thời gian và năng lượng cho quá trình phân chia lại. 
Nhược điểm:
Thời gian hoạt động ngắn vì quá trình chọn 
node chủ cụm ban đầu là ngẫu nhiên và nếu các 
node chủ cụm này ở quá xa trạm gốc thì mạng sẽ hết 
năng lượng rất nhanh.
Trong phần 2 của bài báo chúng tôi đã giới 
thiệu về nguyên tắc hoạt động, ưu, nhược điểm của 
ba giao thức thường được sử dụng trọng mạng 
cảm biến không dây: LEACH, LEACH-C, STAT-
CLUSTER đây là tiền đề cho phần mô phỏng thực 
hiện ở phần 3 của bài báo.
3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Có khá nhiều phần mềm để mô phỏng 
mạng, tuy nhiên trong bài báo tác giả đã chọn phần 
mềm NS2 (Network Simulation 2) Để thực hiện 
việc mô phỏng ba giao thức LEACH, LEACH-C, 
STAT-CLUSTER dựa vào kết quả mô phỏng để 
đánh giá tính hiệu quả của các giao thức thông qua 
các tiêu chí: Năng lượng tiêu thụ của mỗi nút, thời 
gian sống của các nút, dữ liệu truyền thành công của 
các nút, tổng dữ liệu nhận được/tổng năng lượng 
tiêu hao.
3.1. Bài toán mô phỏng
Để xây dựng mô hình một mạng cảm biến 
không dây chúng ta cần quan tâm đến các tham số 
chính: Topo khởi tạo ban đầu, năng lượng ban đầu 
của các nút, kích thước mỗi gói tin, các thông số vật 
lý của kênh vô tuyến.
Kết quả mô phỏng thu được sẽ là: 
- Số nút hoạt động sau một thời gian xác định
- Tổng dữ liệu truyền đi từ mỗi nút đến trạm 
gốc
- Tổng năng lượng tiêu thụ của mỗi nút.
3.2. Kịch bản mô phỏng
Thời gian mô phỏng Max=600s
Số Cluster khởi tạo Num_cluster=5
Năng lượng khởi tạo của 
node
2J
Số node mạng 101(0->99; 100-BS)
Trạm gốc(BS) đặt ở tọa độ (50;175)
Vị trí các node mạng được 
khời tạo ngẫu nhiên
(1000;1000)
3.3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận
Đánh giá: Dựa vào Hình 4 hoạt động của ba 
giao thức định tuyến LEACH, LEACH-C và stat-
clus ta có thế thấy số lượng các node còn sống theo 
thời gian của hai giao thức LEACH, LEACH–c lớn 
hơn rất nhiều so với giao thức stat-clus. Giao thức 
stat-clus chỉ tiến hành phân cụm 1 lần nên năng 
lượng của các node sẽ hết rất nhanh và hệ thống sẽ 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology66 Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016
sớm ngừng hoạt động. Trong giao thức LEACH-C, 
do trạm gốc có các thông số về năng lượng và vị trí 
của các node cảm biến, nên việc lựa chọn các node 
chủ cụm tối ưu hơn, nên số lượng các node còn sống 
trong mạng khi sử dụng giao thức LEACH-C cao 
hơn khi sử dụng giao thức.
Hình 4. Sơ đồ các node mạng còn sống theo thời 
gian của ba giao thức
Hình 5. Tổng dữ liệu gửi thành công của các node 
theo thời gian
Đánh giá: Nhìn vào Hình 5 ta có thể thấy 
tổng dữ liệu mà các node gốc nhận được thì giao 
thức LEACH-C vượt trội hơn hẳn. Hiệu năng và 
độ tin cậy của mạng cao khi sử dụng giao thức định 
tuyến LEACH-C. Do đó việc sử dụng giao thức 
LEACH-C là tối ưu hơn về việc truyền dữ liệu giữa 
các node cảm biến tới trạm gốc hơn hai giao thức 
định tuyến LEACH và stat-clus.
Hình 6. Tổng mức độ tiêu thụ năng lượng của các 
node theo thời gian
Đánh giá: Dựa vào Hình 6 ta thấy trong 
khoảng 150 giây đầu tiên hoạt động mức độ tiêu thụ 
năng lượng của giao thức LEACH-C có cao hơn so 
với giao thức LEACH. Tuy nhiên càng thời gian về 
sau thì tổng mức năng lượng tiêu năng lượng của 
các node trong giao thức LEACH-C lại thấp hơn 
giao thức LEACH. Điều đó chứng tỏ, nếu xét toàn 
bộ quá trình hoạt động của toàn hệ thống mạng giao 
thức LEACH-C sẽ tối ưu hơn giao thức LEACH về 
mức tiêu thu năng lượng.
Hình 7. Tổng dữ liệu nhận được/tổng năng lượng 
tiêu hao
Đánh giá: Tại Hình 7 cho thấy tổng dữ liệu 
tại trạm gốc (BS) và tổng năng lượng tiêu hao của 
tất cả các node cảm biến trong mặc định. Dựa vào 
hình ta thấy giao thức định tuyến LEACH-C hoạt 
động hiệu quả hơn, tổng dữ liệu nhận được/mức 
độ tiêu thụ năng lượng là tăng ổn định và ít biến 
động hơn so với giao thức LEACH. Do quá trình 
chọn các node chủ cụm là ngẫu nhiên, nên càng thời 
gian hoạt động về sau hệ thống sử dụng giao thức 
LEACH hoạt động càng kém hiệu quả.
3.4. Nhận xét chung
Trong cùng một điều kiện môi trường giả 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 11/Tháng 9 - 2016 Journal of Science and Technology 67
lập (các thông số đầu vào là giống nhau) ba giao 
thức định tuyến phân cấp Static-cluster, LEACH, 
LEACH-C. Đối với giao thức định tuyến Static-
cluser, do các node CH là cố định nên mạng rất 
nhanh chóng dừng hoạt động (vì node CH hết năng 
lượng quá nhanh). Giao thức LEACH-C được cải 
tiến từ giao thức LEACH nên tối ưu hơn về các 
node sống theo thời gian, tổng năng lượng tiêu thụ 
và tổng dữ liệu nhận được tại node cơ sở so với giao 
thức LEACH.
4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong bài báo này chúng tôi đã trình bày 
tổng quan về mạng cảm biến không dây, những ứng 
dụng cần thiết của mạng cảm biến không dây đồng 
thời bài báo cũng giới thiệu được phương thức hoạt 
động, ưu nhược điểm của một số giao thức thường 
được sử dụng trong mạng cảm biến không dây để từ 
đó thực hiện việc mô phỏng ba giao thức LEACH, 
LEACH-C, STAT-CLUSTER dựa vào kết quả mô 
phỏng để đánh giá tính hiệu quả của các giao thức 
thông qua các tiêu chí: Năng lượng tiêu thụ của mỗi 
nút, thời gian sống của các nút, dữ liệu truyền thành 
công của các nút, tổng dữ liệu nhận được/ tổng năng 
lượng tiêu hao
Trên cơ sở nghiên cứu đã đạt được chúng tôi 
sẽ tiếp tục nghiên cứu tìm ra các giao thức mới để 
có thể vừa tiết kiệm đươc năng lượng tiêu thụ trên 
toàn mạng, vừa đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả từ 
các node về trạm gốc.
Tài liệu tham khảo
[1]. Lê Nhật Thăng, Nguyễn Quý Sỹ, Các kỹ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến, 
Tạp chí Bưu chính viễn thông, số 301, năm 2007.
[2]. Holger Karl, Andreas Willig, Protocols and Architecture for Wireless Sensor Networks, John 
Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005.
[3]. Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, 
and Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007.
[4]. Robrto Verdone, Davide Dardari, Gianluca Mazzini, Andrea Conti, Wireless Sensor and 
Actualtor Networks – Technologies, Analysis and Design, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New 
Jersey, 2006.
[5]. Bhaskar Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press, 2005.
PERFORMENCE EVALUATION OF A WIRELESS SENSOR NETWORK
WITH DIFFERENT ROUTING PROTOCOLS
Abstract:
Wireless Sensor Network (WSN) has been considerably applied and deployed in many areas, e.g. 
commonly used in order to monitor environmental conditions, in hospitals, army, and emergency. However, 
there are many issues and challenges in WSN, e.g. the limited energy resource is one of the most chal-
lenging. One of such challenge is the energy consumed in WSN which is very limited and non-chargeable. 
Therefore, many researchers have investigated in improvements of reducing the amount of energy required 
to provide routers in WSN. Our paper focuses on the study and evaluates the performance of some common 
routing protocols in WSN by providing a comparison among them through experiments in term of saving 
energy consumption in each node for each protocol. We believe that the paper can be considered as a good 
reference for using routing protocols in WSN.
Keywords: routing protocols, performance of routing networks, wireless sensor network.