tổng quan về các giao thức định tuyến trong mạng không day wsn

Các giao thức định tuyến trong WSNs Lời Nói ĐầuLỜI NÓI ĐẦU Mạng không dây cảm biến WSN được coi là một trong những công nghệ quan trọng nhất cho thế kỷ XXI.. Tổng quan về WSNs- Khả năng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

- -TIỂU LUẬN BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI

Đề tài:

TỔNG QUAN VỀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN

Nhóm sinh viên thực hiện:

[1] ĐẶNG VĂN QUÝ [2] LƯU ĐỨC TIẾN

Lớp : D11VT6 Khoá : 2011-2016

Hệ : Chính quy

Hà nội, tháng 09/2014

Các giao thức định tuyến trong WSNs Lời Nói Đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Mạng không dây cảm biến (WSN) được coi là một trong những công nghệ quan

trọng nhất cho thế kỷ XXI Trong thập kỷ qua, nó đã nhận được sự chú ý rất lớn trong

nghiên cứu và kỹ thuật công nghiệp trên toàn thế giới Một mạng WSN thường bao gồm một số lượng lớn node cảm biến không dây với chi phí thấp, công suất thấp, đa chức năngvới khả năng thông tin liên lạc và tính toán Các node cảm biến giao tiếp với nhau trong

môi trường vô tuyến để cộng tác để thực hiện một nhiệm vụ chung, ví dụ như giám sát

môi trường, giám sát quân sự, điều khiển quá trình công nghiệp

Một số lượng lớn các nghiên cứu đã được tiến hành để tìm hiểu và khắc phục các

hạn chế của WSNs và giải quyết các vấn đề thiết kế ứng dụng Trong tiểu luận này, các

giao thức định tuyến khác nhau cho mạng cảm biến không dây sẽ được thảo luận và so

Chương 3 Các giao thức định tuyến khác nhau được thảo luận và so sánh Từ đó đưa ra

các định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các giao thức định tuyến trong WSNs Mục lục

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 5

1.1 Giới thiệu 5

1.1.1 Công nghệ Sensor Network 5

1.1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến 6

1.2 Các thành phần và sự phát triển của mạng cảm biến 6

1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến 6

1.2.2 Quá trình phát triển của mạng cảm biến 12

Chương 2 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 14

2.1 Các mô hình 14

2.2 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 15

2.3 Các ví dụ 16

2.4 Kết luận 20

Chương 3 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 21

3.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu: 21

3.2 Các thách thức trong thiết kế các kỹ thuật định tuyến cho WSNs: 22

3.3 Các giao thức định tuyến trong WSNs: 23

3.3.1 Các giao thức dành cho kiến trúc mạng phẳng (Flat routing) 24

3.3.2 Các giao thức định tuyến phân lớp 32

3.3.3 Các giao thức định tuyến theo vị trí: 37

3.4 Kết luận chương 42

Các giao thức định tuyến trong WSNs Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô phỏng mạng cảm biến thông thường 8

Hình 1.2 Các thành phần trong 1 node 10

Hình 1.3 Các giao thức trong mạng cảm biến 12

Hình 2.1 Dạng C1WSNs liên kết đa điểm-điểm sử dụng định tuyến động 15

Hình 2.2 Dạng C1WSNs liên kết điểm-điểm sử dụng định tuyến tĩnh 16

Hình 2.3 Ứng dụng WSNs trong an ninh và luật pháp 18

Hình 2.4 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc 19

Hình 2.5 Điều khiển các thiết bị trong nhà 20

Hình 2.6 Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp 20

Hình 2.7 Các ứng dụng trong y khoa 21

Hình 3.1 Truyền dữ liệu đa chặng 22

Hình 3.2 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin 25

Hình 3.3 Bùng nổ lưu lượng do flooding 26

Hình 3.4 Vấn đề chồng lấn do flooding 27

Hình 3.5 Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN 28

Hình 3.6 Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP 29

Hình 3.7 Giao thức SPIN-BC 30

Hình 3.8 Truyền thông điệp interest 31

Hình 3.9 Pha cài đặt gradient 32

Hình 3.10 Phân phối dữ liệu theo tuyến được được chọn nâng cao chất lượng 33

Hình 3.11 Phân chia cluster 34

Hình 3.12 Hai trạng thái pha LEACH 35

Hình 3.13 Cấu trúc mạng hình chuỗi 38

Hình 3.14 Quyết định chuyển tiếp mang tính cục bộ và toàn hệ thống 40

Hình 3.15 Các chiến lược chuyển tiếp gói 41

Các giao thức định tuyến trong WSNs Danh mục hình vẽ

Hình 3.16 Giải thuật định tuyến không hiệu quả 41Hình 3.17 Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến 42

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảmbiến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích vàphản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó Môitrường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học

Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:

- Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải

- Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hay vô tuyến)

- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu

- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm

Một node cảm biến là sự kết hợp cảm biến và bộ xử lý, hay còn gọi là mote

Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng cảm biến trong đó các node cảm biến kếtnối bằng sóng vô tuyến

1.1.1 Công nghệ Sensor Network

Cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng Côngnghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến trường điện từ; cảm biến tần số vôtuyến; quang, hồng ngoại; radars; lasers; các cảm biến định vị, dẫn đường; đo đạc cácthông số môi trường; và các cảm biến phục vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa… Ngàynay, cảm biến được sử dụng với số lượng lớn

Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng lượng củanguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ đa điểm-điểm,

số lượng lớn các node cảm biến…

Cảm biến có thể chỉ gồm 1 hay dãy cảm biến Kích thước rất đa dạng, từ nano 100nm), meso (100-10000nm), micro (10-1000um), macro (vài mm-m)…

(1-Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trước đây chủ yếu phục vụ cho các ứng dụngquân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở rộng cho cácứng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo sẽ tạo nên tính thương mại cao cho WSNs.WSNs được phân ra làm 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nodes sửdụng:

Loại 1 (C1WSNs):

- Sử dụng giao thức định tuyến động

- Các node tìm đường đi tốt nhất đến đích

- Vai trò của các node sensor này với các node kế tiếp như là các trạm lặp (repeater)

- Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét)

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

- Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp

- Mạng phức tạp

Loại 2 (C2WSNs):

- Mô hình đa điểm-điểm hay điểm-điểm, 1 kết nối radio đến node trung tâm

- Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh

- Một node không cung cấp thông tin cho các node khác

- Khoảng cách vài trăm mét

- Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các node khác

- Hệ thống tương đối đơn giản

1.1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến

- Quân sự: theo dõi các mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công nguyên tử,sinh hóa,…

- Môi trường: giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lụt,…

- Y tế, sức khỏe: giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển từxa,…

- Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sưởi ấm,…

- Thương mại: điều khiển trong môi trường công nghiệp và văn phòng, giám sát xe

cộ, giao thông,…

1.2 Các thành phần và sự phát triển của mạng cảm biến

1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến

Các thành phần cơ bản và thiết kế trọng tâm của mạng WSNs cần được đặt trong ngữcảnh của mô hình WSNs dạng 1 (C1WSNs) đã được giới thiệu ở phần trước Bởi vì đây

là mô hình với số lượng lớn cảm biến trong mạng, chuỗi dữ liệu nhiều, dữ liệu không thậthoàn hảo, khả năng hư hỏng các node cao, cũng như khả năng bị nhiễu lớn, giới hạn côngsuất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin các node trong mạng Do vậy, C1WSNs tổng quáthơn so với mô hình C2WSNs Sự phát triển mạng cảm biến dựa trên cải tiến về cảm biến,thông tin, và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng và phần mềm)

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

Hình 1.1 Mô phỏng mạng cảm biến thông thường

Hình 1.1 cho thấy mô hình cấu trúc của mạng cảm biến thường dùng Các cảm biếnliên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra node có khả năng tốt nhất làmnode trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lý chính Nhờ vậy, nănglượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn Tuy nhiên, có thể thấycấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và định tuyến cũng trở nên khókhăn hơn

Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:

Kích thước vật lý nhỏ gọn

Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương táccủa các thiết bị cơ sở Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đếngiảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động Việc sửdụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng

Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển cácdòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích

và đáp ứng Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính toán rất kỹ về khối lượng công

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

việc cần xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạtđộng xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng thời gian thực Do đó, các nútmạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ

Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế

Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên kết

xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong các

hệ thống thông thường Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành (actuator) cung cấp mộtgiao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấpnhất) Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thờikết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúcbus phức tạp

Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụthể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì có một phạm viứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau.Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứngdụng từ phần cứng Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở mộtmức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung

là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị màkhông cần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứngvới phần mềm trong khả năng công nghệ

Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụthể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của cácđơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất Việc tăng độ tin cậy củacác thiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụngbằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ Như vậy, hệthống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển cácứng dụng phân tán tin cậy

Ngoài ra còn một số đặc điểm khác như:

- Các node phân bố dày đặc

- Các node dễ bị hư hỏng

- Giao thức mạng thay đổi thường xuyên

- Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán, và bộ nhớ

- Các node có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng lớn các node

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

Hình 1.2 Các thành phần trong 1 node

Các thành phần cấu tạo nên 1 node trong mạng cảm biến là:

- Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn việc thực thi (nếu có)

- Đơn vị xử lý

- Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến

- Nguồn cung cấp

- Các phần ứng dụng khác…

Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm biếnđược thể hiện trên hình 1.3 Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến

và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về nănglượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến.Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (TransportLayer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý(Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằngquản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (TaskManagement Plane)

Tuỳ theo nhiệm vụ của cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng

và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụngcủa mạng cảm biến yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cungcấp bởi lớp giao vận Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động được,giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việcphát quảng bá với các nút lân cận Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền vànhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng,

di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm

vụ giữa các nút cảm biến Các mặt bằng này giúp cho các nút cảm biến có thể phối hợptrong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một nút cảm biến sử dụng năng lượng của

nó như thế nào Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từmột trong các nút lân cận Điều này có thể tránh được việc nhận bản tin tới hai lần Ngoài

ra, khi mức năng lượng của nút cảm biến thấp, nút cảm biến sẽ thông báo tới tất cả cácnút lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việcđịnh tuyến cho các bản tin Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến Mặt bằngquản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của nút cảm biến, vì thế một tuyến đườnghướng tới nút user luôn được duy trì và các nút cảm biến có thể theo dõi được các nútcảm biến lân cận Với việc nhận biết được các nút cảm biến lân cận, nút cảm biến có thểcân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng vàsắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể Không phải tất cả các cảm biến trongvùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm Kết quả là mộtvài nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượngcủa chúng Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút cảm biến có thể làmviệc cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong mộtmạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến Nếu không, mỗi nútcảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạngcảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể hoạt động hợp tác với nhau, nhưthế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng

Các tiêu chuẩn của giao thức truyền thông

Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêuchuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp - trung bình,tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống Vị trí các node cảmbiến hầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức và giải thuật mạng phải có khảnăng tự xây dựng

Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs, trong đó vấn đề cănbản là năng lượng tiêu thụ phải thấp nhất đến mức có thể Chủ yếu tập trung vào giaothức định tuyến, bởi vì định tuyến có khác so với các mạng truyền thống (phụ thuộc vàoứng dụng và kiến trúc mạng)

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

Hình 1.3 Các giao thức trong mạng cảm biến

Giao thức mạng cảm biến gồm liên lạc trong mạng và quản lý

Giao thức liên kết trong mạng gồm các lớp như mô hình OSI

- Layer 1: lớp vật lý: các qui ước về điện, kênh truyền, cảm biến, xử lý tín hiệu

- Layer 2: lớp liên kết dữ liệu: các cấu trúc khung, định thời

- Layer 3: lớp mạng: định tuyến

- Layer 4: lớp chuyển vận: truyền dữ liệu trong mạng, lưu giữ dữ liệu

- Upper Layers: phục vụ các ứng dụng trong mạng, bao gồm xử lý ứng dụng, kếthợp dữ liệu, xử lý các yêu cầu từ bên ngoài, cơ sở dữ liệu ngoại

Định tuyến và phân tán dữ liệu

Giao thức định tuyến cho WSNs rơi vào 3 nhóm: dữ liệu trung tâm, kiến trúc mạng,

và căn cứ vào vị trí Các qui ước về tập hợp dữ liệu để kết hợp dữ liệu đến từ các nguồnkhác nhau qua đường truyền Điều này cho phép hạn chế sự dư thừa trong mạng, làmgiảm số đường truyền, giảm năng lượng tiêu thụ Vấn đề quan tâm trong xử lý nội mạng,ngay khi dữ liệu đang được truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của toàn hệthống Băng thông bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất tại các node bị hạn chế hay

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

giá thành cao Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lý trước tại nguồn trước khichuyển qua các node lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp nhất

Quản lý dữ liệu

Quản lý dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lý cơ sở dữ liệu, kỹ thuật truyvấn và lưu trữ dữ liệu Trong môi trường mạng truyền thống, dữ liệu được thu thập đếntrung tâm để lưu trữ khi có yêu cầu được gửi đi Trong các mạng phức tạp hơn, các yêucầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật được xây dựng dùng cho các mô hình lưu trữ

dữ liệu phân bố Dữ liệu cần được đánh chỉ số cho việc kiểm tra (theo không gian và thờigian) hiệu quả hơn

Bảo mật

Bảo mật là một phần quan trọng trong WSNs, sự chắc chắn, nhất quán và sự sẵn sàngcủa thông tin

1.2.2 Quá trình phát triển của mạng cảm biến

Thời kỳ chiến tranh lạnh: các mạng ngầm được phát triển rộng rãi ở Mỹ dùng tronggiám sát ngầm dưới đáy biển Mạng trên không phòng thủ radar được triển khai ở Bắc

Mỹ

Sự thúc đẩy mạnh mẽ cho nghiên cứu mạng cảm biến vào đầu những năm 1980 vớichương trình Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)

Sự phát triển các ứng dụng trong quân sự: vào những năm 1980-1990, đây có thể coi

là thế hệ thứ nhất của các sản phẩm thương mại dựa trên các nghiên cứu DARPA-DSN

Nghiên cứu mạng cảm biến ngày nay: đây là thế hệ thứ hai của ứng dụng thương mại.Bước tiến trong tính toán và truyền thông vào cuối những năm 1990 và đầu những năm

2000 đã tạo nên kỹ thuật mạng cảm biến thế hệ mới Các cảm biến mới được chế tạo cógiá thành thấp, số lượng lớn theo công nghệ MEMS, Nanoscale Electro MechanicalSystems (NEMS) và sự xuất hiện các tiêu chuẩn là chìa khóa cho sự phát triển của WSNs(ngoài ra còn có Internet-Web, video số MPEG-4, mạng tế bào, VoIP)

Đời thứ nhất(1980s – 1990s)

Đời thứ 2(Trước năm 2000)

Đời thứ 3(Sau năm 2000)

Trọng lượng Pounds Ounces Vài gram hay ít hơn

Kiến trúc node Cảm biến rời rạc,

xử lý và thông tin

Cảm biến tích hợp,

xử lý và thông tin

Tích hợp đầy đủ,mức độ cao

Giao thức Chưa có chuẩn Chưa có chuẩn Peer-to-peer mức độ

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 1 Tổng quan về WSNs

Cấu hình mạng Điểm-điểm, hình

sao, đa đường

Khách-chủ, điểm (đồng đẳng,cùng mức)

điểm-Điểm-điểm mức độcao

Nguồn cung cấp Pin lớn Pin AA Công nghệ nano hay

pin mặt trờiVòng đời Ngày, giờ hay lâu

hơn

Ngày-tuần Tháng-năm

Các thách thức và trở ngại:

Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức và trởngại cần phải vượt qua:

- Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thước

- Yếu tố nguồn cung cấp

- Giá thành các node

- Yếu tố môi trường

- Đặc tính kênh truyền

- Giao thức quảng lý mạng phức tạp và sự phân bố rải các node

- Tiêu chuẩn và quyền sở hữu

- Các vấn đề mở rộng

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 2 Ứng dụng của WSNs

Chương 2 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Các mô hình

Có 2 loại mô hình WSNs như đã nói ở chương 1:

C1WSNs: hệ thống lưới kết nối đa đường giữa các node qua kênh truyền vô tuyến, sửdụng giao thức định tuyến động

C2WSNs: mô hình điểm-điểm hay đa điểm-điểm, chủ yếu là các liên kết đơn hop) giữa các node, dùng giao thức định tuyến tĩnh

(single-Hình 2.4 Dạng C1WSNs liên kết đa điểm-điểm sử dụng định tuyến động

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 2 Ứng dụng của WSNs

Hình 2.5 Dạng C1WSNs liên kết điểm-điểm sử dụng định tuyến tĩnh

2.2 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia:

- Giám sát chiến trường

- Bảo vệ an ninh cho các công trình trọng yếu

- Ứng dụng trong quân đội

- Thông tin, giám sát, điều khiển

- Theo dõi mục tiêu

- Phát hiện phóng xạ hạt nhân

- Giám sát dưới nước, trên không

- Hệ thống radars

- Rà soát bom mìn

Ứng dụng trong bảo vệ môi trường:

- Phát hiện hoạt động núi lửa

- Giám sát cháy rừng

- Giám sát dịch bệnh

- Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 2 Ứng dụng của WSNs

- Cảm biến dùng trong nông nghiệp

- Phát hiện động đất

Ứng dung trong thương mại:

- Điều khiển không lưu

- Quản lý cầu đường

- Quản lý kiến trúc và xây dựng

- Điều khiển nhiệt độ

- Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng

- Điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà

- Hệ thống tự động trong gia đình, cảnh báo an ninh …

- Giám sát an ninh

2.3 Các ví dụ

C1WSN ứng dụng trong các mạng mà các node không có giám sát (unattended),WSNs đặc biệt có hiệu quả trong quân sự và dân sự, giám sát các hoạt động ở chiếntrường, an ninh và ứng phó với dịch bệnh Do đặc điểm số node rất lớn, phân bố rải, sựquản lý chặt chẽ các node rất khó khăn, các node phải có khả năng tự phân bố cấu trúc,dùng giao thức định tuyến động để đưa dữ liệu về trung tâm theo các đường đi tốt nhất

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 2 Ứng dụng của WSNs

Hình 2.6 Ứng dụng WSNs trong an ninh và luật pháp

Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên lượng lớn các cảm biến được thả

từ trên không, mạng lưới các cảm biến sẽ cho biết vị trí người sống sót, vùng nguy hiểm,giúp cho người giám sát có các thông tin chính xác đảm bảo hiệu quả và an toàn cho cáchoạt động tìm kiếm Sử dụng mạng WSNs hạn chế sự có mặt trực tiếp của con ngườitrong môi trường nguy hiểm Ứng dụng an ninh bao gồm phát hiện xâm nhập và truy bắttội phạm

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 2 Ứng dụng của WSNs

Hình 2.7 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc

Hệ thống được lắp đặt dọc theo các đường chính, mạng cảm biến số tập hợp dữ liệu

về tốc độ lưu thông, mật độ xe, số lượng xe trên đường Dữ liệu sau đó được truyền đếntrung tâm dữ liệu để xử lý Mạng theo dõi liên tục, cung cấp thông tin cập nhật thườngxuyên theo thời gian thực Các thông tin thu được dùng để giám sát lưu lượng, điều phốigiao thông hoặc cho các mục đích khác

C2WSN ứng dụng trong điều khiển tự động các tòa nhà, công nghiệp, y tế, điều khiển

ở nơi cư trú Các ứng dụng gồm điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, an ninh, môi trường, cảmbiến trong y khoa, điều khiển từ xa trong gia đình hay công nghiệp,…

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 2 Ứng dụng của WSNs

Hình 2.8 Điều khiển các thiết bị trong nhà

Các node cảm biến được lắp trên các thiết bị, vị trí cần thiết, sau đó kết nối thànhmạng truyền dữ liệu về node trung tâm Một khả năng có thể phát triển là các cảm biếntheo dõi y tế được gắn trực tiếp lên cơ thể người bệnh để đo đạc thường xuyên các thông

số về huyết áp, nhịp tim,…

Hình 2.9 Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 2 Ứng dụng của WSNs

Các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp gồm điều khiển, quản lý, hiệu suất và antoàn Các cảm biến đặt trong môi trường làm việc giám sát quá trình sản xuất, chất lượngsản phẩm, kiểm soát môi trường làm việc, quản lý nhân viên,… dữ liệu được đưa vềtrung tâm để người quản lý có thể đưa ra các quyết định kịp thời Trên hình 2.6, các nodecảm biến kết nối thành mạng lưới gửi dữ liệu đến node trong tâm, sử dụng giao thức địnhtuyến tĩnh

Hình 2.10 Các ứng dụng trong y khoa

Một số bệnh viện và trung tâm y tế đang ứng dụng công nghệ WSNs vào tiền chẩnđoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với các dịch bệnh và phục hồi chức năng cho ngườibệnh WSNs cho phép theo dõi tình trạng của các bệnh nhân kinh niên ngay tại nhà, làmcho việc phân tích và điều trị thuận tiện hơn, rút ngắn thời gian điều trị tại bệnh viện.WSNs còn cho phép thu thập thông tin y tế qua thời gian dài thành các cơ sở dữ liệu quantrọng, các biện pháp can thiệp hiệu quả

2.4 Kết luận

Từ các khả năng ứng dụng rộng lớn của WSNs có thể rút ra kết luận:

“Bất cứ ở đâu con người muốn theo dõi, quan sát, phản ứng với những sự kiện hayhiện tượng trong môi trường đặc biệt nào đó họ có thể dùng mạng WSNs

Các giao thức định tuyến trong WSNs Chương 3 Các giao thức định tuyến trong WSNs

Chương 3 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY 3.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu:

Mạng WSNs có khả năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển Các dữ liệuđược thông tin giữa các trạm trung tâm và các node phân bố Cách đơn giản để thực hiệnliên lạc là trao đổi trực tiếp từ các node đến BS (Base Station) Tuy nhiên, liên kết dựatrên truyền thông một chặng (single-hop) gặp phải vấn đề suy giảm năng lượng với cácnode ở cách xa trạm trung tâm, do đó làm giới hạn thời gian sống của mạng Đây là vấn

đề quan trọng đối với các mạng WSNs được xây dựng phân bố trên phạm vi rộng hay cácnode di động và có thể di chuyển ra xa trạm trung tâm Để giải quyết nhược điểm này, dữliệu trao đổi giữa các cảm biến và BS được truyền đa chặng (multihop) Các liên kết đachặng có thể kéo dài khoảng cách và đưa ra một đường đi linh hoạt hơn Phương phápnày tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể can nhiễu giữa các node đang tranhchấp truy cập kênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSNs có mật độ cao Mô hìnhtruyền dữ liệu được minh họa trên hình 3.1 Gói yêu cầu được phát đi, các node đáp lạibằng gói trả lời hoặc đáp ứng các sự kiện xảy ra , dữ liệu thu thập từ các node cảm biếnphải đi qua nhiều chặng để đến trạm trung tâm

Trong truyền multihop, các node trung gian phải tham gia vào việc chuyển các gói dữliệu giữa nguồn và đích Xác định các node trung gian cần phải đi qua là nhiệm vụ củagiải thuật định tuyến Định tuyến trong mạng cỡ lớn gặp nhiều khó khăn, thiết kế phảiđảm bảo sự chính xác, tính ổn định và khả năng tối ưu Cùng với các đặc tính của mạngWSN như tiết kiệm năng lượng và băng thông hạn chế tạo ra nhiều thách thức cho giảithuật định tuyến để thỏa mãn yêu cầu lưu lượng và kéo dài thời gian sống của mạng

Hình 3.11 Truyền dữ liệu đa chặng