Đề xuất các thuật toán định tuyến đem lại hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến không dây

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Gusek GLPK Under Scite Extended Kit là phần mềm mã nguồn mở hỗ trợ cho GLPK LEACH Low-energy adaptive clustering hierarchy Giao th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN SỸ MINH

ĐỀ XUẤT CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

ĐEM LẠI HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Nguyễn Thanh Tùng

Hà Nội- Năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian tích cực tìm hiểu, nghiên cứu đến nay tôi đã hoàn thành tốt các nhiệm vụ đề ra của luận văn Có được kết quả này, trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS Nguyễn Thanh Tùng – Khoa Quốc Tế, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, người đã tận tình hướng dẫn cho tôi những định hướng và những ý kiến rất quý báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Truyền dữ liệu

và Mạng máy tính, Khoa Công nghệ thông tin và Phòng Đào tạo, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa học này Đồng thời, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy,

cô giáo phản biện đã dành thời gian đọc luận văn và đóng góp nhiều ý kiến bổ ích cho tôi

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, những người luôn khuyến khích và giúp đỡ tôi trong mọi hoàn cảnh khó khăn Tôi xin cảm ơn

cơ quan và các đồng nghiệp đã hết sức tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên

Nguyễn Sỹ Minh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kiến thức trình bày trong luận văn này là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày lại theo cách hiểu của tôi Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài liệu có liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đó Phần lớn những kiến thức tôi trình bày trong luận văn này chưa được trình bày hoàn chỉnh trong bất cứ tài liệu nào

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học viên

Nguyễn Sỹ Minh

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn ……… 02

Lời cam đoan ……… 03

Mục lục ……… 04

Danh sách ký hiệu và chữ viết tắt ……… 07

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……… 10

Lời mở đầu ……… 12

Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây ……… 14

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không ……… 14

1.2 Nền tảng phát triển ……… 14

1.2.1 Mạng Ad hoc không dây ……… 15

1.2.2 Nền tảng công nghệ ……… 15

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây ……… 18

1.3.1 Cấu trúc tổng quát ……… 18

1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến ……… 22

1.3.3 Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây ………… 24

1.3.3.1 Cấu trúc phẳng ……… 24

1.3.3.2 Cấu trúc tầng ……… 25

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ……… 27

1.4.1 Các ứng dụng về môi trường 28

1.4.2 Các ứng dụng trong y học ……… 29

1.4.3 Ứng dụng trong gia đình ……… 29

1.4.4 Trong công nghiệp ……… 29

1.4.5 Trong nông nghiệp……… 30

1.4.6 Trong quân sự ……… 30

1.4.7 Trong giao thông ……… 30

1.5 Kết luận chương 1 ……… 30

Chương 2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ……… 31

2.1 Giới thiệu ……… 31

2.2 Các giao thức định tuyến trong WSN 33

2.2.1 Giao thức định tuyến phẳng (Flat Routing) 35

2.2.1.1 Flooding và Gossiping 35

2.2.1.2 Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận –SPIN 38

2.2.1.3 Directed Disffusion 42

2.2.1.4 Giao thức gán tuyến liên tiếp SAR 46

2.2.1.5 Giao thức chuyển tiếp giá tối thiểu (MCFA) 46

2.2.2 Giao thức phân cấp 46

2.2.2.1 LEACH 47

2.2.2.2 PEGASIS 50

2.2.2.3 TEEN và APTEEN 52

2.2.3 Giao thức dựa trên vị trí 54

2.2.3.1 GAF 54

2.2.3.2 GEAR 56

2.3 Kết luận chương 2 57

Chương 3 Mô hình toán cho vấn đề định tuyến tối ưu trong mạng cảm biến không dây và giải pháp 58

3.1 Xây dựng mô hình toán cho vấn đề định tuyến tối ưu trong mạng cảm biến không dây 58

3.1.1 Giới thiệu về vấn đề quy hoạch tuyến tính (LP) 58

3.1.2 Giới thiệu ngôn ngữ AMPL (MathProg) 60

3.1.3 Mô hình toán học cho vấn đề định tuyến tối ưu trong mạng cảm biến không dây 62

3.2 Thuật toán Heuristic 65

3.2.1 Giới thiệu thuật toán Heuristic 65

3.2.2 Phương pháp Heuristic SP_RE cho vấn đề định tuyến trong WSNs ……… 65

3.3 Mô phỏng 67

3.3.1 Đặc điểm kênh vô tuyến 67

3.3.2 Thiết lập mô hình mạng và kết quả mô phỏng 71

3.4 Kết luận chương 3 73

Chương 4 Mô phỏng mạng cảm biến không dây với NS2 74

4.1 Giới thiệu giao thức định tuyến AODV và ERS, EERS 74

4.2 Đề xuất phương pháp cải tiến 78

4.3 Mô phỏng và đánh giá hiệu năng 79

4.3.1 Mô hình nguồn năng lượng 79

4.3.2 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor 80

4.3.2.1 Phần mềm NS-2 80

4.3.2.2 Cơ chế hoạt động của phần mềm NS-2 81

4.3.3 Thiết lập mã lập trình mô phỏng 83

4.3.4 Kết quả mô phỏng 86

4.4 Kết luận chương 4 90

KẾT LUẬN 91

DANH MỤC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHỤ LỤC 96

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ

viết tắt Chữ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

ACK Acknowledgement Bản tin phúc đáp

ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - Số

AMPL A Mathematical

Programming Language

Ngôn ngữ lập trình toán học

AODV Ad-hoc On-Demand Distance

Vector

Giao thức định tuyến theo yêu cầu

BS Base Station (Sink) Trạm gốc

C4ISRT Military Command, Control,

Communications, Computing, Intelligence, Servaillence, Reconnaissance and Targeting systems

Hệ thống chỉ huy tự động ( chỉ huy, kiểm soát, thông tin liên lạc, máy tính, tình báo, giám sát và trinh sát)

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

DD Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp

EDD Enhanced Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp nâng cao

ERS Expanding Ring Search Mở rộng vòng tìm kiếm

EERS Efficient Expanding Ring

Search

Mở rộng hiệu quả vòng tìm kiếm

GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật chính xác theo địa lý GEAR Geographic and Energy-

Aware Routing

Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng hiệu quả năng lượng

GLPK GNU Linear Programming

Kit

Là phần mềm tối ưu hóa mã nguồn

mở dùng để giải các bài toán quy hoạch tuyến tính

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

Gusek GLPK Under Scite Extended

Kit

là phần mềm mã nguồn mở hỗ trợ cho GLPK

LEACH Low-energy adaptive

clustering hierarchy

Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp

LP Linear Programming Quy hoạch tuyến tính

LDPC Low-Density Parity Check Kiểm tra bit chẵn lẻ mật độ thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MCFA Minium Cost Forwarding

Algorithm

Giao thức chuyển tiếp giá tối thiểu

PEGASIS Power-efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Tổng hợp năng lượng trong các hệ thống thông tin cảm biến

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RSS Received Signal Strength Độ mạnh tín hiệu thu được

RSSI Received Signal Strength

Indicator

Bộ chỉ thị độ mạnh tín hiệu thu được

SAR Sequential Assignment

Routing

Định tuyến phân phối tuần tự

SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lí mạng cảm biến SPIN Sensor protocols for

information via negotiation

Giao thức cho thông tin dữ liệu thông qua đàm phán

SQDDP Sensor Query and Data

Remaining Energy lượng còn lại

TADAP Task Assignment and Data

Advertisement Protocol

Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng cảm biến TCP Transmission Control

Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn

TDMA Time Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TEEN Threshold sensitive Energy

Efficient sensor Network protocol

Giao thức hiệu quả về năng lượng nhạy cảm với mức ngưỡng

UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng WINS Wireless Integrated Network

Sensors

Cảm biến mạng tích hợp không dây

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây

Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Hình 2.1 Các ứng dụng trong mạng WSN

Hình 2.2 Mô hình truyền dữ liệu đa chặng

Hình 2.3 Phân loại giao thức định tuyến

Hình 2.4 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin

Hình 2.5 Bùng nổ lưu lượng do Flooding

Hình 2.6 Vấn đề overlap lưu lượng do Flooding

Hình 2.7 Hoạt động cơ bản của giao thứ SPIN

Hình 2.8 Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN – PP

Hình 2.9 Giao thức SPIN – BC

Hình 2.10 Truyền interest

Hình 2.11 Hoạt động cơ bản của giao thức định tuyến Directed Disffusion

Hình 2.12 Pha cài đặt gradient

Hình 2.13 Phân phối dữ liệu theo đường được chọn nâng cao chất lượng

Hình 2.14 Mô hình mạng LEACH

Hình 2.15 Các pha trong LEACH

Hình 2.16 Cấu trúc mạng hình chuỗi

Hình 2.17 Nhóm phân cấp trong TEEN và APTEEN

Hình 2.18 Ví dụ về lưới ảo trong GAF

Hình 2.19 Sự chuyển trạng thái trong GAF

Hình 2.20 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR

Hình 3.1 Phương pháp SP_RE

Hình 3.2 Mô phỏng năng lượng đơn giản

Hình 3.3 Nghiệm của phương pháp Heuristic với các topology mạng Hình 3.4 Nghiệm tối ưu của mô hình toán với topology mạng khác nhau Hình 3.5 Tỉ lệ giữa nghiệm thuật toán SP_RE và mô hình toán học

Hình 4.1 AODV Khám phá và duy trì tuyến

Hình 4.2 Ví dụ 2 trường rq_min_energy và rp_energy

Hình 4.3 Trình bày phương pháp cải tiến

Hình 4.4 Cấu trúc chương trình NS-2

Hình 4.5 Tính đối ngẫu giữa C++ và Otcl

Hình 4.6 Kiến trúc tổng quan của NS-2

Hình 4.7 Các giao thức được hỗ trợ trong NS2 mô phỏng mạng không dây Hình 4.8 Thời gian hoạt động của mạng

Hình 4.9 Thông lượng trung bình của mạng

Hình 4.10 Tỉ lệ phân phát gói tin PDR

LỜI MỞ ĐẦU

1 Nền tảng và mục đích

Tiến bộ mới trong công nghệ điện tử đã cho phép sản xuất các bộ cảm biến nhỏ và chi phí thấp đồng thời kết hợp cảm biến, xử lý tín hiệu và khả năng thu phát không dây Các thiết bị này có thể được nối mạng với nhau để hình thành các mạng cảm biến không dây Các mạng này được triển khai trong nhiều ứng dụng quân sự và dân sự, chẳng hạn như phát hiện mục tiêu từ xa, theo dõi thời tiết, dự báo thời tiết, thăm dò tài nguyên thiên nhiên và quản lý thiên tai Mặc dù có nhiều ứng dụng tiềm năng, các mạng cảm biến không dây vẫn còn phải đối mặt với một số thách thức mà các mạng không dây khác, như các mạng

di động không có Thách thức khó khăn nhất của các thiết kế của các mạng cảm biến không dây là năng lượng hạn chế của pin của các thiết bị cảm biến Điều này giới hạn thời gian hoạt động mà các mạng cảm biến không dây có thể hoạt động trong các ứng dụng

Đã có nhiều giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng đã được thiết kế cho các mạng cảm biến không dây, trong đó năng lượng là một mối quan tâm cần thiết Có rất nhiều khía cạnh của một kiến trúc mạng có thể được thiết kế để

có năng lượng hiệu quả, bao gồm cả việc thiết kế các giao thức định tuyến Giao thức định tuyến đóng một phần quan trọng trong hiệu quả năng lượng của các mạng cảm biến không dây (WSNs), vì dữ liệu truyền thông chiếm phần lớn các nguồn tài nguyên năng lượng của mạng

Do đó, mục đích của luận văn này là tập trung vào phát triển các thuật toán định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng Các thuật toán này được thiết kế để thực hiện truyền thông dữ liệu trong khi đảm bảo kéo dài thời gian hoạt động của WSNs

2 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được bố cục làm 4 chương cụ thể như sau:

Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây: Trình bày định

nghĩa, cấu trúc mạng WSNs, các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc và các ứng dụng của WSNs

Chương 2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây: Trình bày các

vấn đề phải đối mặt khi định tuyến đường đi trong WSNs và các giao thức định tuyến đang được dùng phổ biến trong mạng cảm biến, cuối cùng là đánh giá ưu điểm, nhược điểm của các giao thức định tuyến hiện tại

Chương 3 Mô hình toán cho vấn đề định tuyến tối ưu trong mạng cảm biến không dây và giải pháp: Xây dựng mô hình toán cho vấn đề định

tuyến tối ưu trong mạng cảm biến không dây như một bài toán tối ưu tuyến tính, từ đó có thể sử dụng phần mềm tuyến tính thương mại để tìm nghiệm tối

ưu Tuy nhiên, mô hình này không thể sử dụng vào trong mạng cảm biến, vì vậy tác giả đã đề xuất phương pháp Heuristic để giải quyết vấn đề và so sánh kết quả Heuristic với kết quả từ mô hình toán

Chương 4 Mô phỏng mạng cảm biến không dây với NS2 : Đề xuất

phương pháp cải tiến phương pháp EERS giúp cân bằng năng lượng tiêu thụ của các nút cảm biến để kéo dài thời gian hoạt động của mạng cảm biến không dây và tăng cường khả năng kết nối Cuối chương, tác giả sử dụng công cụ NS2 để mô phỏng và đánh giá hiệu năng của phương pháp cải tiến

Cuối cùng là phần phụ lục và tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Các thiết bị cảm biến (Sensor) được kết nối thành mạng, phối hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ với quy mô lớn, được đặt nhiều hi vọng nhằm cách mạng hóa trong lĩnh vực thu thập thông tin ở bất kì điều kiện và vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu Mạng này có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Các nút Sensor không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây truyền thống được

Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ Chúng có thể hoạt động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc

độ cao Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây

Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp,

1.2 Nền tảng phát triển mạng

Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc

không dây và được thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ công nghệ

1.2.1 Mạng Ad hoc không dây

Mạng Ad-hoc không dây là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, được triển khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện như để tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp, Mạng Ad hoc không cần các thành phần cơ sở

hạ tầng như tổng đài, trạm thu phát gốc hay bất kì một trung tâm điều khiển nào Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc được liên kết động với nhau một cách tuỳ ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài Tất cả các nút này đều có thể hoạt động như một bộ định tuyến nhờ khả năng tìm và duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng Các giao thức định tuyến trong mạng

Ad-hoc có thể chia thành hai loại:

- Các giao thức định tuyến theo bảng: mỗi nút mạng sẽ duy trì và cập nhật thông tin định tuyến tới mọi nút mạng khác

- Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: việc định tuyến chỉ được thực hiện khi có yêu cầu chuyển gói, nhờ cơ chế tìm đường

1.2.2 Nền tảng công nghệ

Các tiến bộ trong công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử rất nhỏ giá rẻ với công suất thấp và phân hóa chức năng cao, các bước tiến trong công nghệ mạng không dây và trong lĩnh vực vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thu thập dữ liệu Việc sử dụng các bộ vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phát vô tuyến và các thiết bị cảm biến tương

tự, số khác nhau cho phép một mạng các thiết bị cảm biến không dây hoạt động bằng nguồn ắc quy có thể thu thập dữ liệu về môi trường trong phạm

vi lớn Dữ liệu này có thể được tải đến một máy tính và được lưu trong cơ sở

dữ liệu Sau đó, có thể được phân tích thông qua một phần mềm ứng dụng Kết quả có thể được truy xuất trực tiếp hoặc bởi một trình duyệt Web chuẩn ở bất

cứ đâu trên Internet Các mạng Sensor ngày nay có những cải tiến đáng

kể so với các Sensor truyền thống theo hai hướng:

- Các Sensor có thể đặt ở xa hiện tượng tức là các thông tin về hiện tượng

có được nhờ năng lực cảm biến và phân tích Theo hướng này, yêu cầu các Sensor lớn sử dụng một số kỹ thuật phức tạp để nhận biết được các đích

từ các tạp âm môi trường ở khoảng cách xa

- Nhiều Sensor chủ yếu chỉ hoạt động cảm biến được triển khai Vị trí các Sensor và hình trạng thông tin được tính toán cẩn thận Chúng được liên kết thành một mạng để truyền thông tin về các diễn biến của hiện tượng được thăm dò tới các nút trung tâm, nơi tiếp nhận và xử lý dữ liệu

Một mạng Sensor bao gồm một số lượng lớn các nút được triển khai dày đặc bên trong đối tượng cần thăm dò hoặc ở rất gần nó Vị trí của các Sensor phải không cần định trước Điều này cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc trong các hoạt động tránh sự nguy hiểm Điều này cũng có nghĩa là các thuật toán và giao thức phải có khả năng

tự tổ chức Một đặc trưng nữa của mạng Sensor là khả năng cộng tác của các Sensor Các Nút Sensor phải có bộ xử lý gắn trong Thay vì chuyển các

dữ liệu thô đến các nút có nhiệm vụ xử lý, các nút Sensor sẽ sử dụng khả năng tính toán của nó để thực hiện các xử lý đơn giản và chỉ chuyển đi các dữ liệu được yêu cầu và đã qua xử lý sơ bộ

Các đặc điểm trên đưa đến một phạm vi ứng dụng lớn của mạng Sensor Một số lĩnh vực được ứng dụng là y tế, quân sự và an ninh Ví dụ như các bác

sĩ sẽ kiểm tra từ xa các dữ liệu về sinh lý bệnh nhân Điều này vừa thuận tiện cho bệnh nhân vừa giúp các bác sĩ hiểu rõ hơn về tình trạng bệnh nhân Mạng Sensor còn được sử dụng để phát hiện các tác nhân hóa học trong không khí và nước Chúng giúp chỉ ra kiểu, sự cô lại và vị trí của các chất Về

cơ bản, các mạng Sensor cung cấp cho người sử dụng sự hiểu tốt hơn, thông minh hơn về môi trường Chúng ta có thể thấy rằng trong tường lai, các mạng wireless Sensor sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống, giống như máy tính cá nhân hiện nay

Các ứng dụng thực tế của mạng Sensor yêu cầu phải sử dụng công nghệ mạng Wireless Ad hoc Mặc dù vậy, có nhiều thuật toán và giao thức đã

được sử dụng cho các mạng Wireless Ad hoc truyền thống nhưng chúng không phù hợp lắm với các đặc tính và yêu cầu ứng dụng của mạng Sensor, để minh hoạ điểm này, sự khác nhau giữa mạng Sensor và mạng Wireless Ad hoc được phác hoạ dưới đây: [8]

- Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần

số lượng nút trong mạng ad hoc

- Các nút cảm biến dễ bị lỗi

- Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên

- Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá (Unicast/Broadcast), trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm - điểm

- Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ

- Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (global identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các nút cảm biến

Vì một số lượng lớn nút Sensor được triển khai dày đặc nên các nút lân cận có thể rất gần nhau Do đó, truyền thông đa liên kết (Multi-hop) được chọn

để công suất sử dụng thấp hơn so với truyền thông đơn liên kết truyền thống (Single-hop) Hơn nữa, công suất truyền dẫn có thể giữ ở mức thấp, điều này rất cần cho các hoạt động ngầm Truyền thông đa liên kết còn có một số hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền thông khoảng cách xa

Một hạn chế quan trọng nhất của các nút Sensor là yêu cầu phải tối thiểu công suất tiêu thụ Các nút Sensor chỉ tích trữ được nguồn năng lượng hạn chế và không được thay thế Vì vậy, trong khi các mạng truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cao thì các giao thức trong mạng Sensor phải chú trọng đến sự bảo tồn nguồn năng lượng Người

sử dụng phải chọn giữa tuổi thọ của mạng với hạn chế về thông lượng hay độ trễ truyền dẫn lớn

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.3.1 Cấu trúc tổng quát

Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (1.1) Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các Sink

[31]

Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Dữ liệu được định tuyến lại đến các Sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên Các Sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến ) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng

có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy

từ một vài nút cảm biến trong mạng

Giới thiệu về nút cảm biến: [34]

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình (1.2): Đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài 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)

Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến [34]

Các đơn vị cảm biến (Sensing Units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào

bộ xử lý 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 Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm

vụ đã ấn định Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến có một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi trường

Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến không đây: [6]

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 Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất

khác với các mạng truyền thống Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau: [8]

- Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động

- 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 Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này

- 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 toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp

- Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật

độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường

- 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 Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

- Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multi-hop, các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền

dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được

- Cấu hình mạng cảm biến (network topology): 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 Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:

+ 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 Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một

+ 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…), năng lượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể

+ 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 (power consumption): Các nút cảm biến không

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) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến Ad- hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ

liệu Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng

kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Đó

là lý do vì sao mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện

xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: Cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing)

1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình (1.3) Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến [8].

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây [8]

Mặt phẳng quản lý năng lượng (Power Management Plane): Điều khiển việc sử dụng năng lượng của nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được bản tin từ một nút lân cận Điều này giúp tránh tạo

ra các bản tin giống nhau Cũng vậy, khi mức năng lượng của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát tín hiệu quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó

có mức năng lượng thấp và không thể tham gia vào quá trình chuyển tiếp các bản tin chọn đường Năng lượng còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

Mặt phẳng quản lý di động (Mobility Management Plane): Phát hiện và

ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng, các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút cảm biến lân cận Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa năng lượng của nó và nhiệm vụ thực hiện

Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane): Dùng để làm cân bằng và xác định các nhiệm vụ cảm biến trong một phạm vi quan sát thực

tế Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượng của nó Chức năng quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả năng lượng, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý

Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng

khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng, ví dụ giao thức SMP (Sensor Management Protocol) cho phép triển khai ứng dụng quản lý như cấu hình mạng WSN, v.v Ngoài ra, các lớp quản lý năng lượng, lớp di chuyển và lớp nhiệm vụ sẽ giám sát việc sử dụng năng lượng, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến

Lớp truyền tải: Giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến

yêu cầu Giao thức ở lớp truyền tải được ứng dụng trong việc truyền tải giữa các nút trong mạng, hoặc từ các nút trong mạng tới nút Sink, chỉ sử dụng giao

thức không hướng nối (UDP) mà không thể sử dụng được giao thức hướng nối (TCP) do bị giới hạn về bộ nhớ, các nút cảm biến không được định danh toàn cầu, còn giao tiếp giữa nút Sink và mạng Internet có thể sử dụng cả UDP và TCP

Lớp liên kết dữ liệu: Chịu trách nhiệm về phát hiện khung (Frame) dữ liệu, điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC) và kiểm soát lỗi Nó cũng duy trì độ tin cậy giữa các kết nối điểm tới điểm (point to point) hoặc kết nối đa chặng (multi-hop) Lớp con MAC: Trong một mạng WSN, lớp MAC phải thực hiện hai nhiệm vụ chủ yếu là: Thiết lập liên kết truyền thông giữa các nút cảm biến trong mạng WSN, sau đó các nút cảm biến sẽ chuyển dữ liệu vào mạng và cho phép tự tổ chức khi có sự thay đổi Tô pô, số hoặc vị trí nút mạng; Quyết định khi nào, và làm thế nào để các nút cảm biến có thể truy cập kênh với một sự mất mát năng lượng tối thiểu

Lớp mạng: Có chức năng đảm bảo việc trao đổi dữ liệu giữa các nút và chọn đường, các ứng dụng trên mạng WSN thường yêu cầu việc chọn đường

đa chặng (multi-hop) giữa các nút trong mạng hoặc giữa các nút với nút Sink

Vì vậy, lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:

[17]

- Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng

- Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

- Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến

1.3.3 Các cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây

1.3.3.1 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với Sink qua Multi-hop 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 trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách

này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số… [16]

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây

1.3.3.2 Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5)[16], các cụm được tạo

ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single-hop hay hop ( tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc

multi-mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không 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 toán,

và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6) [16]

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Mạng cảm biến xây dựng theo 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 Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu

để thực hiện tất cả các nhiệm vụ Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao Thay vào

đó, nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm

đi

- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

- Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng cấu

trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút

trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ

Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0

- Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng

và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau

Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Chia ra làm 2 loại ứng dựng theo mô hình: Hệ thống điểm - điểm dùng định tuyến tĩnh và hệ thống phức tạp dùng giao thức định tuyến động Sự hội

tụ của Internet, thông tin vô tuyến và kĩ thuật thông tin đã tạo cho công nghệ cảm biến sự phát triển đầy tiềm năng Phần cứng WSN, đặc biệt là các vi xử lí giá thành thấp, cảm biến nhỏ gọn, phần thu phát vô tuyến tiêu thụ công suất thấp trở thành các tiêu chuẩn chung Mạng cảm biến thông thường hoạt động ở tần số 900MHz (868-và 915-MHz), hệ thống thương mại (IEEE 802.11b hay

IEEE 802.5.4) trong dãy tần 2.4-GHz

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu về WSN đã đạt được

những bước phát triển mạnh mẽ các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác

động lớn đến các ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm

sóc sức khỏe, môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất …

1.4.1 Các ứng dụng về môi trường

Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động

của chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như

nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động

đất,núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt… Một số ứng dụng quan trọng như:

- Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng: Bằng việc phân tán các

nút cảm biến trong rừng, một mạng Ad hoc được tạo nên một cách tự phát, các

nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dụng biết

trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được Hàng triệu các nút cảm biến có

thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang

học Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất có

hiệu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ

hàng tháng và hàng năm Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin

khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập được

truyền multi-hop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện

và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng

- Cảnh báo lũ lụt: Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai ở

Mỹ Hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước, cung

cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt

sớm

- Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: Các cảm biến về độ rung

đặt rải rác ở mặt đất các cảm biến hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện

tượng động đất và núi lửa phun trào

1.4.2 Các ứng dụng trong y học

Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: Trong tương lai, các nút cảm biến có thể được gắn vào cơ thể như dưới da, đo các thông số của máu để phát hiện sớm các bệnh như ung thư Nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào đó

để chuẩn đoán và điều trị

1.4.3 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng

để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

1.4.4 Trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: Giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ hàng hóa Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời kì lưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một truy vấn tới kho lưu trữ dưới dạng bản tin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời truy vấn đó

để bộc lộ các đặc điểm của chúng Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, sensor sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container ở cảng Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm biến và có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác Tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất quán Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và

container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database)

1.4.5.Trong nông nghiệp

Ứng dụng trong trồng trọt: Các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp

Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang

bị các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát

1.4.6 Trong quân sự

Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống chỉ huy tự

động C4ISRT (chỉ huy, kiểm soát, thông tin liên lạc, máy tính, tình báo, giám

sát và trinh sát) vì nó có các đặc tính triển khai nhanh, tự cấu hình, và chịu lỗi Các ứng dụng của mạng cảm biến trong quân sự như là giám sát quân đội, giám sát trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, quân địch, dò tấn công bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch

1.4.7 Trong giao thông

Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc được gắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau và với đường và các biển báo giúp các phương tiện đi an toàn, tránh tai nạn giao thông, điều khiển luồng tốt hơn

1.5 Kết luận chương 1

Chương này, tác giả đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến

và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Giới thiệu

Mạng không dây có khả năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển như hình 2.1

Hình 2.1 Các ứng dụng trong mạng WSN Giao tiếp đơn giản nhất là trao đổi trực tiếp từ các nút đến trạm trung tâm được gọi là liên kết dựa trên truyền một chặng (Single-hop) Tuy nhiên, khi thực hiện liên kết theo kiểu truyền một chặng như vậy thì có một vấn đề nảy sinh đó là suy giảm năng lượng nhanh chóng của các nút khi các nút ở cách xa trạm trung tâm, do đó làm cho thời gian sống của mạng giảm đi

Để giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đổi giữa các nút đến trạm trung tâm được truyền đa chặng (Multi-hop) Các liên kết đa chặng có thể mở rộng khoảng cách giữa các nút đến trạm trung tâm và đưa ra một đường đi hợp lý hơn Phương pháp này tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể can nhiễu giữa các nút đang tranh chấp truy cập kênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSN có mật độ cao Mô hình truyền dữ liệu được minh họa trên hình 2.2 Khi một nút phát đi một gói dữ liệu đến các nút khác thì các nút này

sẽ gửi lại cho nút đó một thông tin trả lời là đã nhận được và gói tin này được truyền qua nhiều chặng thông qua các nút trung gian để đến trạm trung tâm

Hình 2.2: Mô hình truyền dữ liệu đa chặng Trong truyền Multi-hop, các nút trung gian tham gia vào quá trình chuyển tiếp các gói tin từ nguồn đến đích Xác định các nút trung gian phải đi qua là nhiệm vụ của thuật toán định tuyến Cùng với những đặc tính của WSN như tiết kiệm năng lượng và băng thông hạn chế cùng với những vấn đề như thỏa mãn yêu cầu lưu lượng và kéo dài thời gian sống của mạng thì thuật toán định tuyến càng trở lên cần thiết hơn

Để thực hiện chức năng định tuyến, lớp mạng sử dụng một giao thức định tuyến và một thuật toán định tuyến Giao thức định tuyến là cơ chế mà các nút sử dụng để trao đổi thông tin mạng Thuật toán định tuyến phụ trách việc tìm kiếm con đường tốt nhất có thể từ nguồn đến đích Một khi các giao thức và thuật toán định tuyến được chạy thì mỗi nút trong mạng đều phải có một bảng định tuyến, cho biết nút nào là nút hàng xóm hợp lý nhất đề chuyển tiếp gói tin đến được đích bằng con đường tốt nhất có thể Bảng định tuyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào thay đổi xảy ra trong mạng để có được thông tin định tuyến hiện tại chính xác

Trong mạng cảm biến không dây, năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu, phải tạo ra hoạt động lâu dài trong điều kiện nguồn pin hạn chế Truyền

đa đường qua mạng không dây chính là nguồn gây tiêu tốn công suất nhiều nhất Do đó, khi thiết kế các giao thức và thuật toán định tuyến phải đặc biệt chú ý các khía cạnh sau đây: [4]

+ Đơn giản: Các thuật toán định tuyến phải được đơn giản hóa để thực hiện và phải có ít tính toán phức tạp Bình thường, các chức năng tối ưu hóa phức tạp được tránh trong WSN cho khả năng tính toán hạn chế của các nút Mặc dù các thuật toán tối ưu hóa multiple objective vẫn tồn tại nhưng các thuật toán tối ưu hóa single metric vẫn thường được áp dụng

+ Năng lượng hiệu quả: Giao thức định tuyến phải được thiết kế sao cho số lượng thông tin định tuyến trao đổi là tối thiểu

+ Khả năng mở rộng: Giao thức và thuật toán định tuyến phải được mở rộng với số nút Điều này là rất quan trọng cho những ứng dụng cần một số lượng rất lớn các nút Trong những trường hợp này, sự phức tạp của thuật toán và chi phí cho giao thức định tuyến không nên tăng theo số nút Khả năng mở rộng cũng được kết hợp với việc sử dụng các thông tin định tuyến địa phương hoặc toàn cục Thông thường, chức năng định tuyến khi sử dụng thông tin địa phương có khả năng mở rộng hơn khi sử dụng thông tin toàn cục, đặc biệt là trong các triển khai lớn

2.2 Các giao thức định tuyến trong WSN

Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến là một thách thức khó khăn đòi hỏi phải cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng và hiệu quả Sự cân bằng này yêu cầu sự cần thiết thích hợp khả năng tính toán và truyền dẫn của các nút cảm biến ngược với mào đầu yêu cầu thích ứng với điều kiện này Trong mạng cảm biến không dây, mào đầu được đo chính là lượng băng thông được sử dụng, tiêu thụ công suất và yêu cầu xử lý của các nút di động Việc tìm ra chiến lược cân bằng giữa sự cạnh tranh này cần thiết tạo ra một nền tảng chiến lược định tuyến Việc thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải xem xét giới hạn về công suất và tài nguyên của mỗi nút mạng, chất lượng thay đổi theo thời gian của các kênh vô tuyến và khả năng mất gói và trễ Nhằm vào các yêu cầu thiết kế này một số các chiến lược định tuyến trong mạng cảm biến được đưa ra Theo [40] định tuyến trong WSN có thể được chia thành:

- Loại thứ nhất giao thức phân tuyến thông qua kiến trúc phẳng (hay còn gọi là giao thức phân tuyến ngang hàng ) trong đó các nút có vai trò như nhau Kiến trúc phẳng có một vài lợi ích bao gồm số lượng mào đầu tối thiểu để duy trì cơ sở hạ tầng, và có khả năng khám phá ra nhiều đường giữa các nút truyền dẫn để chống lại lỗi và tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng như nhau

- Loại thứ hai là phân cấp theo cụm, lợi dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định, sự mở rộng Trong loại giao thức này

các nút mạng tự tổ chức thành các cụm trong đó một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác và đóng vai trò là nút chủ Nút chủ thực hiện phối hợp hoạt động trong cụm và chuyển tiếp thông tin giữa các cụm với nhau Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng

- Loại giao thức phân tuyến thứ ba là giao thức phân tuyến dựa theo vị trí tùy thuộc vào cấu trúc mạng Trong đó vị trí của các nút cảm biến được sử dụng để phân tuyến số liệu

Một giao thức phân tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lượng khả dụng Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thức phân tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức Ngoài ra, các giao thức phân tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu cầu Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên Khi các nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức phân tuyến theo bảng hơn là với các giao thức tương tác Một lượng công suất đáng kể được sử dụng để tìm đường và thiết lập các giao thức tương tác Một số giao thức khác dựa vào định thời và thông tin vị trí Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn phân tuyến) Việc phân loại và so sánh các giao thức phân tuyến trong WSN được chỉ ra trong hình 2.3

Hình 2.3 Phân loại giao thức định tuyến [40]

Trong chương này sẽ trình bày ba loại giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến phẳng (Flat Routing), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location based protocol) được sử dụng nhiều trong mạng cảm biến ngày nay

2.2.1 Giao thức định tuyến phẳng (Flat Routing)

Các loại giao thức định tuyến đầu tiên là giao thức định tuyến phẳng (ngang hàng) Trong giao thức định tuyến ngang hàng các nút có vai trò như nhau và các nút cảm biến cộng tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến Do

số lượng các nút lớn lên, nó không khả thi để chỉ định một định dạng toàn cầu cho mỗi nút Điều này xem xét đã dẫn đến trung tâm dữ liệu phân tuyến nơi mà những BS (các nút cơ sở) gửi truy vấn đến một số vùng và chờ đợi dữ liệu từ vị trí cảm biến trong vùng được lựa chọn Từ các dữ liệu được yêu cầu truy vấn thông qua, dựa trên thuộc tính đặt tên là cần thiết để xác định thành phần dữ liệu

2.2.1.1 Flooding và Gossiping

Flooding [19] là một kỹ thuật thường xuyên được sử dụng để tìm ra đường đi và phổ biến thông tin trong các mạng có dây và không dây Ad-hoc Chiến lược định tuyến đơn giản và không đòi hỏi cấu hình mạng tốn kém và thuật toán tìm đường phức tạp Flooding dùng phương pháp reactive (phản ứng lại), tức là khi mỗi nút nhận được một gói dữ liệu nó sẽ gửi đến tất cả các nút xung quanh nó Sau khi truyền, một gói đi theo tất cả các đường có thể được nếu không bị mất kết nối, gói sẽ đến đích Hơn nữa khi cấu hình mạng thay đổi, việc truyền gói sẽ theo những tuyến mới Hình 2.4 minh họa nguyên

lý Flooding trong mạng truyền thông dữ liệu Flooding dạng đơn giản nhất có thể làm cho các gói bị sao chép lại một cách không giới hạn khi đi qua các nút mạng

Hình 2.4 : Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin [19]

Để ngăn chặn một gói tin lưu thông vô hạn trong mạng, một trường gọi

là hop count được bổ sung vào gói tin Ban đầu, hop count được đặt giá trị xấp xỉ đường kính mạng Khi gói đi qua mạng hop count bị giảm đi một sau

mỗi bước (một bước được tính là một lần truyền từ nút này sang nút kia) Khi

hop count về 0, gói tin sẽ bị hủy bỏ Một phương pháp khác cũng được sử

dụng đó là việc thêm vào gói tin một trường time-to-live (thời gian sống), trường này ghi lại thời gian mà một gói tin được phép tồn tại trong mạng Khi thời gian kết thúc, gói tin sẽ bị hủy bỏ Flooding có thể được cải tiến bằng cách xác nhận gói dữ liệu duy nhất, tức là mỗi nút mạng sẽ bỏ qua những gói

đã nhận rồi

Mặc dù, nguyên lý hoạt động đơn giản và phù hợp với cấu hình mạng

có chi phí thấp nhưng Flooding gặp nhiều khó khăn khi áp dụng cho mạng WSNs Nhược điểm đầu tiên của Flooding là gặp phải vấn đề traffic implosion (bùng nổ lưu lượng) Như trên hình 2.5 hiện tượng không mong muốn gây ra do bản sao của cùng một gói cùng gửi đến một nút

Hình 2.5: Bùng nổ lưu lượng do Flooding [19]

Nhược điểm thứ hai là vấn đề overlap (chồng lấn) được minh họa trên hình 2.6 Overlap xảy ra khi hai nút bao phủ vùng giống nhau gửi các gói chứa thông tin tương tự nhau đến cùng một nút

Nhược điểm thứ ba là nhược điểm nguy hiểm nhất của Flooding là resource blindness (sự mù quáng tài nguyên) Quy luật đơn giản của Flooding không xem xét đến nguồn năng lượng hạn chế của các nút Năng lượng của các nút có thể suy giảm nhanh chóng, giảm đáng kể thời gian sống của mạng

Hình 2.6 : Vấn đề overlap lưu lượng do Flooding [19]

Để giải quyết nhược điểm nêu trên một hướng mới cho định tuyến là phương pháp Gossiping Tương tự như Flooding, Gossiping dùng quy luật đơn giản và không đòi hỏi cấu hình mạng đắt tiền hay thuật toán định tuyến phức tạp Khác với Flooding, gói dữ liệu được phát quảng bá đến tất cả các nút, Gossiping chỉ yêu cầu mỗi nút gửi gói dữ liệu vừa nhận được đến một nút được lựa chọn ngẫu nhiên Khi nhận được gói, nút lân cận lại chuyển tiếp gói

dữ liệu đó đến một nút lựa chọn ngẫu nhiên khác Quá trình cứ tiếp tục cho

đến khi gói đến được đích hay hop count bị giới hạn Gossiping tránh được

vấn đề bùng nổ lưu lượng mạng bằng cách giới hạn số gói mà mỗi nút gửi đến các nút lân cận nó Tuy nhiên độ trễ gói tại đích đến có thể rất lớn, đặc biệt trong mạng có kích thước lớn do chỉ có một liên kết được tạo thành tại một thời điểm

2.2.1.2 SPIN

a Nguyên lý hoạt động

Giao thức thông tin qua sự thỏa thuận (SPIN) [17] là họ các giao thức dựa trên thỏa thuận để phát thông tin trong mạng WSN Đối tượng chính của các giao thức này là tính hiệu quả của việc phát thông tin từ một nút nào đó đến tất cả các nút khác trong mạng Giao thức đơn giản như Flooding và

Gossiping thường được đề xuất để phát thông tin trong mạng WSN Flooding yêu cầu mỗi nút sẽ gửi một bản sao của gói dữ liệu đến tất cả các nút lân cận cho đến khi thông tin được gửi đến tất cả các nút trong mạng Mặt khác, Gossiping sử dụng tính ngẫu nhiên để giảm số bản sao của gói dữ liệu và yêu cầu chỉ có một nút nhận được một gói dữ liệu và sau đó chuyển tiếp đến một nút được lựa chọn ngẫu nhiên

Cả hai giao thức Flooding và Gossiping đều sử dụng các nguyên tắc chuyển tiếp đơn giản và không đòi hỏi cấu hình phức tạp Tuy nhiên, hai giao thức này có sự trễ gói lớn làm giảm chất lượng của mạng và lưu lượng tải, gây sự bùng nổ lưu lượng và chồng lấn các gói trong cùng một vùng phân bố Các giao thức đơn giản như Flooding và Gossiping đều không tính đến nguồn năng lượng hiện tại làm giảm một cách đáng kể thời gian sống của mạng

Để giải quyết nhược điểm của các giao thức truyền thống người ta sử dụng giao thức định tuyến SPIN Nguyên lý cơ bản của họ giao thức này là sự thỏa thuận dữ liệu và sự thích nghi tài nguyên mạng Nguyên lý như sau :

- Thỏa thuận dữ liệu (data negotiation) yêu cầu các nút phải “học” nội dung của dữ liệu trước khi có bất kỳ dữ liệu nào được phát giữa các nút mạng SPIN sử dụng data naming (dữ liệu đặt tên), theo đó các nút tiến hành kết hợp metadata (siêu dữ liệu) với dữ liệu tạo ra dữ liệu mô tả để thực hiện thỏa thuận trước khi phát dữ liệu thực tế Các nút thu khi nhận được gói quảng cáo nếu muốn nhận gói dữ liệu thực phải gửi một gói yêu cầu cho nút nguồn Nhờ

đó, gói dữ liệu thực chỉ được gửi đến các nút quan tâm, hạn chế khả năng bị bùng nổ lưu lượng như trong Flooding và giảm đáng kể lưu lượng dư thừa trong mạng Hơn nữa, việc sử dụng các dữ liệu meta descriptor loại bỏ khả năng overlap, vì các nút chỉ yêu cầu dữ liệu cần quan tâm

- Sự thích ứng tài nguyên (Resource adaptation) cho phép các nút sử dụng giao thức SPIN điều chỉnh hoạt động theo trạng thái năng lượng hiện tại Mỗi nút trong mạng có thể theo dõi sự tiêu thụ năng lượng trước khi phát hay

xử lý dữ liệu Khi mức năng lượng xuống thấp, nút sẽ giảm hay ngừng hoàn toàn các hoạt động như việc chuyển tiếp gói dữ liệu đến các nút khác Và các nút có năng lượng nhiều hơn sẽ tiến hành chuyển tiếp gói tin Do đó, SPIN giúp kéo dài thời gian sống của mạng

SPIN thực hiện việc thỏa thuận và truyền dữ liệu thông qua 3 dạng thông điệp sau: [17]

+ Dạng thông điệp đầu tiên là gói ADV, được dùng để quảng cáo cho gói dữ liệu mới mà nút muốn phát Nút có dữ liệu sẽ phát gói ADV chứa mô

tả dữ liệu đến các nút lân cận

+ Dạng thông điệp thứ hai là gói REQ, được dùng để yêu cầu nút nguồn phát gói dữ liệu đã quảng cáo trước đó Một nút mạng nhận được gói ADV và thể hiện mong muốn nhận gói dữ liệu thực bằng cách phát đi thông điệp REQ

+ Dạng thông điệp thứ 3 là DATA, chứa dữ liệu thực Gói DATA thường có kích thước lớn hơn các gói ADV và REQ Việc hạn chế các gói dư thưa làm giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ tại các nút

Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN được minh họa chi tiết trên hình 2.7 Nút nguồn A, phát gói ADV quảng cáo gói dữ liệu mà nó muốn phát

Hình 2.7: Hoạt động cơ bản của giao thứ SPIN [19]

Nút B nhận được gói ADV này Nút B thể hiện mong muốn nhận gói dữ liệu được quảng cáo theo như mô tả của trong gói ADV Vì thế nút B gửi gói REQ cho nút A Sau đó nút A gửi gói dữ liệu thực cho nút B Nút B sau khi nhận được gói dữ liệu lại phát gói ADV cho các nút C, D, E, F, G Giả sử chỉ có 3 nút C, E, G quan tâm đến gói này Các nút này phát thông điệp REQ cho nút

B Ngay sau đó nút B gửi dữ liệu cho các nút C, E, G Quá trình cứ tiếp tục diễn ra cho đến khi gói dữ liệu đến được đích mong muốn

b Một số loại giao thức SPIN thông dụng [7, 19, 38]

SPIN – PP (SPIN – Point – to – point):

Dạng đơn giản nhất của họ giao thức SPIN là SPIN-PP được thiết kế cho mạng liên lạc điểm – điểm (point – to - point) Thủ tục bắt tay ba bước được chỉ rõ trên hình 2.8

Hình 2.8 : Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN – PP

 Bước 1, nút A có dữ liệu cần phát vì thế nút A phát gói ADV quảng cáo cho gói dữ liệu thực của mình

 Bước 2, nút B quan tâm đến gói dữ liệu đó liền gửi gói REQ yêu cầu

SPIN – EC:

Một loại khác của giao thức này là giao thức SPIN – EC , kết hợp chặt chẽ kỹ thuật quan sát năng lượng dựa trên mức ngưỡng Một nút chỉ tham gia vào các hoạt động của giao thức nếu nút có thể hoàn thành tất cả các hoạt động mà không làm giảm năng lượng dưới mức cho phép Do đó, nếu một nút nhận được một gói quảng cáo, nó sẽ không gửi thông điệp REQ nếu nó xác định rằng nguồn năng lượng hiện tại của nó không đủ cao để gửi thông điệp REQ và nhận gói DATA tương ứng Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức SPIN – EC có thể truyền hơn 60% dữ liệu trên một đơn vị năng lượng so với Flooding Hơn nữa, dữ liệu cho thấy SPIN – EC tiến rất gần với lý tưởng về

số lượng dữ liệu có thể truyền trên một đơn vị năng lượng

SPIN – BC:

Cả hai giao thức SPIN – PP và SPIN – EC đều được thiết kế cho liên lạc điểm Một loại thứ 3 của họ giao thức SPIN, SPIN – BC được thiết kế cho mạng quảng bá Trong các mạng này, các nút chia sẻ một kênh truyền duy nhất cho việc giao tiếp Trong giao thức này, khi một nút gửi một gói dữ liệu qua kênh quảng bá thì gói dữ liệu này sẽ được nhận bởi tất cả các nút khác trong một phạm vi nhất định của nút gửi Giao thức SPIN – BC tận dụng khả năng phát sóng của kênh và không yêu cầu một nút sau khi nhận được thông