Tìm hiểu một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Có 4 thành phần 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

LỜI CẢM ƠN

Với tấm lòng tôn sư trọng đạo và tri ân sâu sắc, em xin bày tỏ lòng biết ơn

đến thầy Th.s Nguyễn Gia Như, người đã tận tình hướng dẫn, góp ý, động viên em

trong suốt quá trình thực hiện đề tài Với phương pháp làm việc khoa học, kinhnghiệm thực tiễn, thầy đã truyền đạt cho em những lời khuyên quí báu để đồ luậnvăn nghiệp này hoàn thành tốt đẹp

Cảm ơn tất cả bạn bè, gia đình, những người đã luôn ủng hộ, động viên,khuyến khích và giúp đỡ để đồ án hoàn thành đúng tiến độ

Cuối cùng em xin chân thành biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu, Hội đồngquản trị cùng quý thầy cô khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Duy Tân giúp

em trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Đà nẵng ngày 10 tháng 4 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Hồ Tấn Hải

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan:

+ Những nội dung trong luận văn này là do em thực hiện dưới sự

hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo Th.s Nguyễn Gia Như.

+ Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng vàtrung thực tên tác giả , tên công trình, thời gian, địa điểm công bố.+ Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôixin hoàn toàn chịu trách nhiêm

Tác giá

Hồ Tấn Hải

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AODV Ad hoc On - Demand

Distance - Vector Routing Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hoc

CSMA Carrier Sense Multiple

GAF Geographic Adaptive

Fidelity Giải thuật chính xác theo địa lýGEAR Geographic and Energy-

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

PEGASIS Power-Efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Giao thức phân cấp thu thập thông tin trong hệ thống cảm biến

SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến

SPIN Sensor Protocols or

Information via Negotiation

Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận

TDMA Time Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo thời gianVHDL VHSIC Hardware

Description Language

Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích hợp mật độ cao

WLAN Wireless Local Area

WPAN Wireless Personal Area

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

1.1Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 3

1.2Cấu trúc mạng WSN 4

1.2.1 Cấu trúc một node mạng WSN 4

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 7

1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 8

1.3.1 Kích thước vật lý nhỏ 8

1.3.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 8

1.3.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế 9

1.3.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng 9

1.3.5 Hoạt động tin cậy 9

1.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 10

1.4.1 Lớp ứng dụng 11

1.4.2 Lớp giao vận 12

1.4.3 Lớp mạng 12

1.4.4 Lớp liên kết số liệu 13

1.4.5 Lớp vật lý 13

1.5 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 14

1.5.1 Quá trình truyền sóng 15

1.5.2 Các công nghệ không dây 17

1.5.2.1 Bluetooth 18

1.5.2.2 WLAN 19

1.5.2.3 ZigBee 21

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN 22

1.6.1 Thời gian sông bên ngoài 22

1.6.2 Tiêu thụ nguồn mức thấp 23

1.6.3 Chi phí thấp 23

1.6.4 Thông lượng dữ liệu 24

1.6.5 Bảo mật 24

1.7 Ứng dụng của mạng WSN 25

CHƯƠNG 2:ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 27

2.1 Giới thiệu 27

2.2 sự phân phối và tập hợp dữ liệu 27

2.3 Thách thức trong vấn đề định tuyến 29

2.3.1 Tính động của mạng 29

2.3.2 Sự triển khai các node 29

2.3.3 Tài nguyên hạn chế 29

2.4 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN 30

2.5 Giao thức định tuyến trong WSN 32

2.5.1 Các kỹ thuật định tuyến 33

2.5.1.1 Flooding và các biến thể 34

2.5.1.2 Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận 36

2.5.1.3 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion) 40

2.5.1.4 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 43

2.5.1.5 GAF(Geographic Adaptive Fidelity) 44

2.5.1.6 GEAR (Geographic and Energy – Aware Routing) 46

CHƯƠNG 3: SO SÁNH HAI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHÂN CẤP LEACH VÀ PEGASIS 48

3.1 Kiến trúc giao thức LEACH 48

3.1.1 Lựa chọn node của cụm chủ 50

3.1.2 Pha thiết lập 51

3.1.3 Pha ổn định 53

3.1.4 Giao thức cải tiến LEACH – C 55

3.2 Giao thức định tuyến phân cấp PEGASIS 57

3.2.1 Giới thiệu PEGASIS 57

3.2.2 PEGASIS cơ bản 58

3.2.3 PEGASIS cải tiến 60

3.2.4 Đánh giá ưu nhược điểm của LEACH và PEGASIS 62

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Các thành phần của một node cảm ứng 4

Hình 1.2 Mô hình triển khai cá node cảm biến không dây 8

Hình 1.3.Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 10

Hình 1.4.Mô hình truyền sóng 15

Hình 1.5.Minh họa đường truyền sóng 16

Hình 1.6.Đồ thị so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến 17

Hình 1.7.Mô hình WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống 19

Hình 1.8.Băng tần IEEE 802.11b/g 20

Hình 1.9.Mô hình giao thức ZigBee 22

Hình 2.1.Các ứng dụng mạng WSN 27

Hình 2.2.Truyền dữ liệu đa chặng 28

Hình 2.3.Phân loại giao thức chọn đường trong WSN 30

Hình 2.4.Fooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin 34

Hình 2.5.Bùng nổ lưu lượng do flooding 35

Hình 2.6.Vấn đề chồng lấn do flooding 36

Hình 2.7.Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN 38

Hình 2.8.Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP 38

Hình 2.9.Giao thức SPIN – BC 40

Hình 2.10.Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion 42

Hình 2.11.Ví dụ về lưới ảo trong GAF 44

Hình 2.12.Sự chuyển động trạng thái trong GAF 45

Hình 2.13.Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR 47

Hình 3.1.Giao thức LEACH 48

Hình 3.2.Time – line hoạt động của LEACH 49

Hình 3.3.Trạng thái của pha thiết lập 51

Hình 3.4.Sơ đồ hình thành cluster trong LEACH 52

Hình 3.5.Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái 53

Hình 3.6.Hoạt động của pha ổn định trong LEACH 54

Hình 3.7.Time – line hoạt động của LEACH trong một vòng 54

Hình 3.8.Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng 55

Hình 3.9.Pha thiết lập của LEACH – C 56

Hình 3.10.Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy 59

Hình 3.11.Xử lý lỗi khi một node trong chuỗi chết 59

Hình 3.12.Khác phục của PEGASIS 62

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về côngnghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộcsống của con người, theo hướng hiện đại hơn Đi đôi với quá trình phát triển củacon người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trongmôi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môitrường, khí hậu thay đổi, v.v Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch

vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo Đặc biệt là áp dụngcác công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trongthực tiễn cuộc sống con người Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các

kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giảitrí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra cácứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau

Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộngrãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song nóvẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đíchphát triển đầy tiềm năng Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã

có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trongcông nghệ này

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đãlựa chọn tìm hiểu một số giao thức định tuyến làm hướng nghiên cứu chính Cácgiao thức này thể hiện thời gian sống, mức tiêu thụ năng lượng cũng như tốc độtruyền của mạng cảm biến không dây

trung tâm cũng như các cơ sở hạ tầng mạng cố định, nên nó vừa đóng vai trò truyềnthông, vừa đóng vai trò như thiết bị định tuyến Vì vậy cần nghiên cứu rõ các giaothức định tuyến ngang hàng, chọn vị trí và đặc biện là giao thức phân cấp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nội dung chính của luận văn là đi sâu nghiên cứu các giao thức định tuyếnnhất là định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến không dây Đồng thời đánh giá, sosánh các ưu nhược điểm của giao thức định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến

Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào lý thuyết mạng cảm biến không dây làm cơ sở cho việc nghiên cứucác giao thức đinh tuyến

Dựa vào các công thức để đánh giá hiệu năng cũng như năng lượng tronghoạt đông của các giao thức định tuyến

Bố cục luận văn

Luận văn gồm 3 phần chính

 Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

 Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

 Chương 3: So sánh hai giao thức định tuyến phân cấp LEACH vàPEGASIS

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp khả năng cảmbiến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích

và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào

đó Môi trường có thể là thế giới vật lý , hệ thống sinh học

Có 4 thành phần 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 trung dữ liệu ( Clustering)

 Bộ phận xử lý dữ liệu trung tâm

Mạng cảm biến không dây(Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợpcác thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặcquang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượngmục tiêu Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên haygián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng nhưInternet hay vệ tinh Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho cácmục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra khônggian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếucủa chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả cácmôi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được

Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khảnăng 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 độngtrong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Do đó, với mạng cảmbiến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khóthấy trước đây

Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnhvực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việcchuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phứctạp, v.v

1.2 Cấu trúc mạng WSN

1.2.1 Cấu trúc một node mạng WSN

Để xây dựng một mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nútcấu thành mạng nút cảm biến Các node này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhấtđịnh tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệuquả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập cácthông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu dữ liệu, và phải

có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các node trong mạng Mỗi node cảmứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.1, bộ cảm nhận(sensingunit), bộ xử lý(aprocessing unit), bộ thu phát (a transciever unit), và bộ nguồn (apower unit) Ngoài ra có thể có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vàotừng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn(power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.1.Các thành phần của một node cảm ứng

Các bộ phận cảm ứng (sensing unit) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổitương tự - số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa trên những hiện tượngquan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng

bộ ADC, sau đó đưa vào bộ xử lý

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết địnhcác thủ tục cho các node kết hợp với nhau để thực hiện nhiệm vụ định sẵn

Phần thu phát vô tuyến kết nối với các node mạng Chúng gửi và nhận các dữliệu thu được từ chính nó hoặc các node lân cận tới các node khác hoặc tới sink.Phần quan trọng nhất của một node mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn có thể làmột số loại pin Để các node có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nóphải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêucầu có độ chính xác cao về vị trí, vì vậy cần phải có bộ định vị Các bộ phận di dộngđôi lúc cần để dịch chuyền các node cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm

vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của con vật nào đó

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.Ngoài kích cỡ ra các node cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như làphải tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá tành thấp, có thể tự lựchoạt động và thích ứng với môi trường

Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các node xử

lý giá thành thấp và khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giảiquyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSN là khả năng cung cấp năng lượngcho các node bị giới hạn Các mô hình mạng không dây, có mạch tiêu thụ nănglượng thấp được ưu tiên phát triển Hiệu quả sử dụng công suất của WSN về tổngquan được dựa vào 3 tiêu chí:

 Sử dung 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 trạmlặp (repeater)

Với sự ra đời của chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát triểntheo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh truyềnđược tiêu chuẩn hóa

Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile ad hoc(MANET) WSN tương

tự như MANET theo một vài đặt điểm Cả 2 đều là chuẩn mạng wireless, multihop.Tuy nhiên các ứng dụng và kỹ thuật của 2 hệ thống không giống nhau

 Dạn thông thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận,khác hẳn điểm – điểm trong MANET

 Các node trong WSN ít di động, nhưng ad hoc là node di động

 Trong WSN, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tượng, ở thếgiới thực Trong khi đó MANET chủ yếu là dữ liệu

 Nguồn giới hạn nên năng lượng của WSN được quản lý và sử dụnghết sức chặt chẽ Trong MANET có thể không có sự ràng buộc bởi

nguồn cung cấp do các thiết bị thông tin có thể được thay thế nguồncung cấp thường xuyên bởi người dùng.

 Số lượng node trong WSN lớn hơn gấp nhiều lần trong MANET

=> Do sự khác biệt giữa 2 mô hình giao thức mà các giao thức định tuyếntrong MANET không thể áp dụng hoàn toàn cho WSN Tuy nhiên WSN có thểđược coi là một phần trong MANET (ad hoc)

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính thìgiao tiếp trực tiếp giữa hai node sẽ có nhiều hạn chế do khoản cách hay các vật cản.Đặc biệt là khi các node phát và node thu cách xa nhau thì cần công suất phải lớn, vìvậy chúng ta cần các node trung gian làm node chuyển tiếp để giảm công suất tổngthể Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông sốmột cách tự động Các node có thể tự xác định vị trí địa lý cảu mình thông qua cácnode khác (hay gọi là tự định vị)

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Một vài mạng cảm biến dùng giaothức xử lý tại node nguồn trung tâm, một số giao thức xử lý theo cấu trúc hay gọi là

xử lý dữ liệu tại các node Thay vì gửi dữ liệu đến node chuyển tiếp, node sẽ xử lý

dữ liệu trước khi phát đi Với dạng có cấu trúc, dữ liệu được xử lý tới mức tốt nhấtnhờ đó làm giảm được băng thông và năng lượng cần dùng

Các node cảm biến được triển khai trong một môi trường cảm biến (sensorfield) như hình 1.2 Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thuthập dữ liệu và định tuyến dữ liệu về bộ thu nhận(sink) để chuyển tới người dùng(user) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node Sink đến cácnode cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đađiểm không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture),tức là không có các tram thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển Bộ thu nhận cóthể liên lạc trực tiếp tới trạm điều hành (task manager node) của người dùng hoặcgián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh

Hình 1.2 Mô hình triển khai cá node cảm biến không dây

1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

1.3.1 Kích thước vật lý nhỏ

Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêuthụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở Việcthiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và côngsuất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động Việc sử dụng phần mềmphải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng

1.3.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảmbiến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạtđộng nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại Ví dụ, thông tin cảm biến cóthể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng.Hoặc dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và đượchướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏnên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi.Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạtđộng xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiệnthời gian thực Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời vàcần phải có sự tập trung xử lý cao độ

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

Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh

vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiềutrong các hệ thống thông thường Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động (actuator)cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn Ngượclại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợpvới một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúcbus phức tạp Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lýtrên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tậptrung nhờ bộ xử lý kết hợp

1.3.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứngdụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì cómột phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bịvật lý khác nhau Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp cácthành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng Như vậy,các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để cóđược hiệu quả sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung là cần thiết đểcho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cầngiao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng vớiphần mềm trong khả năng công nghệ

1.3.5 Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứngdụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độtin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất Việc tăng độtin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tincậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc củathiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không những mạnh

mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy

1.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được địnhtuyến gửi đến sink Sink sẽ gửi dữ liệu đế người dùng đầu cuối thông qua internethay vệ tinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi node gốc và các node cảm biến

Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp sốliệu các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sựtương tác giữa các node cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liênkết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phầnquản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ

Hình 1.3.Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xâydựng và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi cácứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến sốliệu được cung cấp bởi lớp giao vận Do môi trường có nhiễu và các node cảm biến

có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểuhóa va chạm trong việc phát quảng bá với các node lân cận Lớp vật lý sử dụng các

kỹ thuật điều chế, truyền và nhận 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 phốinăng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến Các mặt bằng

này giúp cho các node cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảmđược tổng năng lượng tiêu thụ.

Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một node cảm biến sử dụng nănglượng của nó như thế nào Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khinhận một bản tin từ một trong các node lân cận Điều này có thể tránh được việcnhận bản tin tới hai lần Ngoài ra, khi mức năng lượng của node cảm biến thấp,node cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các node lân cận rằng mức năng lượng thấpcủa nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin Nănglượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến Mặt bằng quản lý di động dò tìm vàghi lại chuyển động của node cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tới node userluôn được duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi được các node cảm biến lâncận Với việc nhận biết được các node cảm biến lân cận, node cảm biến có thể cânbằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng

và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể Không phải tất cả các cảm biếntrong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm Kếtquả là một vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các node khác tuỳ theomức năng lượng của chúng Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nodecảm biến có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thểđịnh tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa cácnode cảm biến Nếu không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ.Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu cácnode cảm biến có thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổithọ của mạng

1.4.1 Lớp ứng dụng

Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được

đề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn làmột vùng rộng lớn chưa được khám phá Trong lớp ứng dụng có ba giao thức quantrọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thứcphân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP (Task Assignment and DataAdvertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu SQDDP(Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng cảm biến

trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnhvực ứng dụng mạng cảm biến Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là nhữngvấn đề nghiên cứu có tính mở.

1.4.2 Lớp giao vận

Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các node cảmbiến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng Lớpgiao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internethoặc những mạng bên ngoài khác Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫnchưa phù hợp với đặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay Do đó, việcthiết lập một liên kết đầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp đến node quản lý củangười sử dụng là không hiệu quả Phương pháp phân tách TCP là cần thiết để mạngcảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet Trong phương pháp này,kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa node quản lý của người sử dụng và nodethu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi trường mạng cảmbiến được sử dụng cho truyền thông giữa node thu nhận và các node cảm biến Kếtquả là truyền thông giữa node người sử dụng và node thu nhận có thể sử dụng giaoUDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh Mặt khác, việc truyền thônggiữa node thu nhận và các node cảm biến chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểunhư UDP, bởi vì các node cảm biến có bộ nhớ hạn chế

Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền thôngđầu cuối (end to end) trong mạng cảm biến không địa chỉ toàn cục Các phươngpháp này dựa trên việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu.Các nhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các đặc trưng như địnhtuyến tập trung số liệu khiến cho mạng cảm biến cần phải có những cơ chế kháctrong lớp giao vận Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thứcmới ở lớp giao vận

1.4.3 Lớp mạng

Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thứcnhư mật độ các node dày đặc, hạn chế về năng lượng … Do vậy thiết kế lớp mạngtrong mạng cảm biến phải tuân thủ các nguyên tắc sau:

 Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu

 Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu

 Viêc tập hợp dữ liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt độnghợp tác của các node cảm biến

 Phải có cơ chế đại chỉ theo thuộc tính cà biết về vị trí

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến khôngdây Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa trên cấu trúc mạng, đó làđịnh tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa théo vị trí Xét theohoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo đường truy vấn (query-based), định tuyến thỏa thuận(negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (Qos-Quanlity of Service),định tuyến kết hợp (coherent-based) Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ các giao thức địnhtuyến ở chương sau

1.4.5 Lớp vật lý

Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điềuchế và mã hoá số liệu Kế hoạch chọn tần số đã được trình bày trong bảng 1.2 Việctạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽkhông được xem xét ở đây Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phátsóng, hiệu suất năng lượng và các phương pháp điều chế trong mạng cảm biến

Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả

về năng lượng và độ phức tạp của hoạt động Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạngcảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài ra còn cácvấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đường.Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảngcách d tỷ lệ với dn , trong đó 2 ≤ n < 4 Số mũ n gần 4 với antenna tầm thấp và cáckênh gần mặt đất điển hình trong mạng cảm biến Nguyên nhân là do sự triệt tiêu

một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất Để giải quyết vấn đề này, người thiết kếphải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt để Ví

dụ, truyền thông qua nhiều bước nhảy trong mạng cảm biến có thể vượt qua mộtcách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đường truyền nếu mật độ nodemạng đủ lớn Tương tự, trong khi suy hao đường truyền và dung lượng kênh hạnchế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theo không gian

Bảng 1.1 Các dải tầng dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế ISMViệc lựa chọn phương thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tincậy trong truyền thông của mạng cảm biến Trong khi một phương pháp điều chế cơ

số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một

kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô tuyến.Với điều kiện công suất khởi kích vượt trội thì phương pháp điều chế cơ số hai cóhiệu quả về năng lượng hơn Vì thế, phương pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi vớicác hệ thống có công suất khởi kích thấp

1.5 Kỹ thuật truyền dẫn không dây

Mạng WSN có thể sử dụng một số công nghệ truyền dẫn không dây đượcthiết kế sẵn (Wireless COTS) như là Blutooth/Personal Area Networks (PAN),

ZigBee, Wireless Lan (WLAN), hostspots, broadband Wireless acecss (BWA)/Wimax, và 3G

1.5.1 Quá trình truyền sóng

Truyền sóng radio dùng trong mạng WSN thường dưới dạng trực tiếp haykhông gian tự do Sóng phát ra từ nguồn, đi theo tất cả các hướng theo đường thẳng,năng lượng thay đổi theo tỉ lệ nghịch với khoảng cách , suy hao môi trường khôngphải là không gian tự do (như cáp đồng trục, vật liệu xây dựng, tòa nhà, vật cản…)

Hình 1.4.Mô hình truyền sóng

Có thể chia làm 3 thông số ảnh hưởng đến qua trình truyền sóng:

 Phản xạ (Reflection): sóng có bước sóng đủ lớn so sánh được với vậy thể, bề mặt nhẵn Sự phản xạ xảy ra từ bề mặt trái đất, tòa nhà hay tường…

 Nhiễu xạ(Diffaction): đường truyền radio từ máy phát đến máy thu bị cản trở bởi bề mặt vật thể có nhiều đỉnh, góc nhọn

 Sự phân bố rộng rãi (Scattering): các vật thể có kích thước nhỏ hơn bước sóng nằm trên đường truyền sóng Các bè mặt nhám, gồ ghề, nhỏ có thẻ gây ra hiện tượng này

Những hiện tượng này dây ra sự méo dạng và giảm công suất tín hiệu Sựdao động năng lượng tín hiệu gây ra do tín hiệu thu được là sự kết hợp sóng phản xạ

từ các hướng khác nhau và các thành phần nhiễu xạ, phân bố rải với tín hiệu hướngtrực tiếp Gọi là nhiễu đa đường (multipath) Điều này ảnh hưởng đến cả máy thu diđộng lẫn cố định, máy thu đặt trong nhà hay ngoài trời Sự suy hao do đặc tính sóngđiện từ suy hoa theo khoảng cách gọi là large-scale, sự suy giảm do sự di chuyểnmáy thu, phản xạ, tán sắc hay phân bố rải gọi là small-scale.

Đặc tính kênh truyền thay đổi theo không gian và thời gian Tất cả các hiệntượng nói trên ảnh hưởng khá lớn đến công suất máy thu nhận được, dù là thiêt bị

cố định, tín hiệu thu được vẫn có thể bị suy giảm bởi vì sự di chuyển của các vật thểxung quanh

Dạng vật liệu Tần số Suy hao truyền dẫn (dB)

Bảng 1.2 Trích dẫn một số suy hao đường truyền do vật liệu làm theo tần số

Hình 1.5.Minh họa đường truyền sóng

Máy thu nhận được nhiều tín hiệu cùng lúc tín hiệu gốc và phản xạ, tán sắc(như hình 1.5), do đó có thể không phân biệt được tín hiệu cần thu Tuy nhiên,

dời anten máy phát hoặc máy thu khỏi vị trí hiện tại một vài mét có thể cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu Vấn đề đa đường trong cao tần có thể bớt ảnh hưởng bằng cách nâng cao chất lượng của các thiết kế sau:

 Thiết kế hệ thống vô tuyến

 Thiết kế hệ thống anten

 Dùng dạng tín hiệu điều chế thích hợp

 Môi trường, các tòa nhà cũng ảnh hưởng lớn tới qua trình truyền sóngNgoài ra còn có các can nhiễu lẫn nhau giữa các kỹ thuật khác nhau Ví dụ chuẩn IEEE 802.15.1 Blutooth có thể can nhiễu cới chuẩn IEEE 802.11b/g

1.5.2 Các công nghệ không dây

Có nhiều giao thức không dây, được sử dụng khá rộng rãi là IEEE 802.15.1(Blutooth), IEEE 802.11 a/b/g/n wireless LAN, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Man-scope IEEE 802.16 (WiMax) và kỹ thuật nhận dạng bằng sóng vô tuyến (RFID)

Mỗi tiêu chuẩn có các ưu điểm và hạn chế riêng Hình 1.6 mô tả vài giaothức truyền dẫn không dây

Hình 1.6.Đồ thị so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến

Đặt tính IEEE Satndard

802.11 802.15/Blutooth 802.15.4/Zigbee

Tốc độ dữ liệu ~2 – 54 Mbps ~1 – 3 Mbps ~0,25 Mbps

Thời gian sống của pin Phút – vài giờ Giờ - vài ngày Ngày – vài năm

Bảng 1.3 So sánh các giao thứcRFID là một dang cảm biến không dây, không yêu cầu công suất cho các thẻ quét Thẻ RFID là cảm biến, nó đáp ứng lại khi công suất từ đầu đọc hướng đến nó Các thẻ RFID lưu trữ được 96bit dữ liệu, nhưng có thẻ mới hơn có thể cung cấp lên đến 128 hay 256 bit

1.5.2.1 Bluetooth

Bluetooth là một công nghệ không dây không dây cho phép các thiết bị điện,điện tử giao tiếp với nhau bằng sóng radio qua băng tần chung ISM (Industrial,Scientific, Medical) 2.4 GHz Năm 1994 hãng Ericsson đề xuất việc nghiên cứu vàphát triển giao diện vô tuyến công suất nhỏ, chi phí thấp, sử dụng sóng vô tuyến đểkết nối không dây giữa các thiết bị di động với nhau và các thiết bị điện tử khác, tổchức SIG (Special Interest Group) đã chính thức giới thiệu phiên bản 1.0 củaBluetooth vào tháng 7 năm 1999 Gần đây, dự án IEEE 802.15.1 phát triển PANkhông dây dựa trên Bluetooth v1.1 Kỹ thuật này có một số đặc tính hạn chế do đókhả năng ứng dụng cho mạng WSN bị giới hạn

Đặc điểm Bluetooth là công suất tiêu thụ thấp, giá thành thấp, cung cấp choứng dụng không dây giữa các thiết bị di động và làm đơn giản kết nối giữa các thiết

bị Hệ thống dùng sóng radio phát đẳng hướng có thể xuyên qua tường và các vậtcản khác Bluetooth dùng kỹ thuật trải phổ song công hoàn toàn Khi kết nối điểmđiểm, cho phép cùng lúc kết nối tối đa với 8 thiết bị đồng thời

Đáng lưu ý công nghệ Bluetooth mới ra đời có các đặc điểm tốt hơn:

 Cho phép các thiết bị kết nối tạm thời khi cần thiết

 Tốc độ truyền nhanh gấp 3 lần các công nghệ Bluetooth trước đó

 Công suất tiêu thụ giảm xuống do giảm chu kỳ hoạt động

 Hỗ trợ giao thức TCP/IP và OBEX

 Sự đơn giảm trong các ứng dụng đa đường bởi vì băng thông tăng lên

 Chậm tương thích với các version mới hơn

 Cải thiện tỷ lệ lỗi bit

1.5.2.2 WLAN

Wireless LAN (Wireless Local Area Network) sử dụng sóng điện từ (thường

là sóng radio hay tia hồng ngoại) để liên lạc giữa các thiết bị trong phạm vi trungbình So với Bluetooth, Wireless LAN có khả năng kết nối phạm vi rộng hơn vớinhiều vùng phủ sóng khác nhau, do đó các thiết bị di động có thể tự do di chuyểngiữa các vùng với nhau Phạm vi hoạt động từ 100m đến 500m với tốc độ truyền dữliệu trong khoảng 11Mbps-54Mbps

 Mạng WLAN tốc độ cao hơn cung cấp cho số lượng lớn người dùngvới mật độ cao Chuẩn IEEE 802.11g/n vần thiết cho ứng dụng băng thôngrộng và cao

 Cung cấp QoS (chất lượng dịch vụ) cao qua giao tiếp không dây.Chuẩn IEEE 802.11e là kỹ thuật cung cấp QoS càn thiết

 Bảo mật thông tin là nhu cầu lướn Chuẩn IEEE 802.11i đáp ứng tốtyêu cầu này

Hình 1.7.Mô hình WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống

Phần chia tần số hoạt động trong mô hình mạng WLAN như trên hình 1.7.Các thiết bị di động kết nối với mạng LAN thông qua các thiết bị giao tiếp có thể

kết nối với mạng LAN có dây thông qua Ethernet Switch WLAN có nhiều chuẩntheo IEEE, mỗi chuẩn đáp ứng được các yêu cầu khác nhau và được phân chia mộtvùng tần số nhất định

Hình 1.8.Băng tần IEEE 802.11b/g

Trên hình 1.7, nếu phân chia theo dạng không chồng lấn trong toàn dãy ta có

3 – 4 kênh tần sô Dạng thứ 2 là chia có chồng lấn Hình 1.8 cho thấy sự phân chia các dãy tần số chuẩn WLAN IEEE 802.11b/g Các phổ này lệnh so le nhau 5MHz, dãy gồm 14 khoảng tần số

dụng trong các tòa nhà tự động trong công nghiệp và thương mại Các chuẩn mạngkhông dây được giới thiệu ở phần trên dùng cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu caotiêu thụ công suất lớn, phức tạp và giá thành cao Tuy nhiên, có nhiều ứng dụngmạng không dây trong giám sát cà điều khiển trong công nghiệp và thương mại đòihỏi thời gian sử dụng pin dài hơn, tốc độ dữ liệu thấp và độ phức tạp ít hơn cácchuẩn không dây khác Để đáp ứng cho sự phát triển theo hướng thương mại cần cómột chuẩn thỏa thuận các yêu cầu về độ tin cậy cũng như an ninh, công suất thấp vàgiá thành thấp.

Các ứng dụng không dây như thế đã phát triển bởi IEEE Tiêu chuẩn IEEE802.15.4 cung cấp chuẩn tốc độ dữ liệu thấp với thời gian sử dụng pin nhiều thángđến nhiều năm và ít phức tạp Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách mà các conong mật truyền những thông tin quan trọng với các thành viên trong tổ ong Đó làkiểu liên lạc “Zig-Zag” của loài ong “honeyBee” Và nguyền lý ZigBee được hìnhthành từ việc ghép hai chữ cái đầu với nhau Việc công nghệ này ra đời chính là sựgiải quyết cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyếtmột vấn đề nào đó

Tổ chức ZigBee Alliance đưa ra các thông số ZigBee đầu tiên vào năm 2004,tạo tiền đề để cho sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của mạng WSN zigBee/IEEE802.15.4 được hi vọng trở thành công nghệ dẫn đầu cho sự ứng dụng thương mại từtòa nhà tự động cho đến công nghiệp và ứng dụng tại nhà

Tiêu chuẩn hướng đến hoạt động ở một băng tần quốc tế Chuẩn này quyđịnh về lớp vật lý (PHY) và điều khiển truy nhập (MAC), các chức năng được dịnhnghĩa bởi ZigBee Alliance được dùng ở các lớp cao hơn Hình 1.9 biểu diễn cấutrúc các lớp giao thức của ZigBee

Hình 1.9.Mô hình giao thức ZigBee

So sánh ưu điểm của ZigBee với Bluetooth

ZigBee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, ZigBee có tốc dộtruyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiện năng lượng hơn Một node mạng ZigBee có khảnăng hoạt động từ 6 tháng dến 2 năm chỉ với nguồn là 2 acqui AA

Phạm vi hoạt động của ZigBee là 10 – 75m trong khi Bluetooth chỉ là 10m (trongtrường hợp không có khuếch đại)

ZigBee sắp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền dữ liệu củaZigBee là 250Kbps tại 2,4Ghz, 40kbps tại 915MHz và tại 20Kbps tại 868MHztrong khi tốc độ của Bluetooth là 1Mbps

ZigBee sử dụng cấu hình chủ - tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnhtrong đó có các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng nàycho phép tối đa tới 254node mạng Giao thức Bluetooth phức tạp hơn bởi loại giaothức này hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc (ad hoc làmột loại mạng đặt trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn chế vềkhông gian và thời gian) Node mạng sử dụng ZigBee vận hành tốn ít năng lượng,

nó có thể gửi và nhận các gói tin trong khoản 15sec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ

có thể làm việc này trong khoảng 3sec

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN

1.6.1 Thời gian sông bên ngoài

Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn Ví dụ: một loại pin kiềmcung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cựcgần 1 tháng hoạt động Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin chomột mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế Trong thực tế, pin rất cầnthiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng cầnthay thế trong vài năm Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu

năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin

Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chínhvới khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn nănglượng đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống

1.6.3 Chi phí thấp

Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phísản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng Nếu chi phícủa mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảmbiến là không chấp nhận được Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ

ở mức thấp Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được Các node cảm biến ngoài các thànhphần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý,nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, diđộng, tạo năng lượng, v.v tuỳ theo ứng dụng cụ thể Do đó, chi phí sản xuất trở

thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giáthành thấp hơn 1 Dollar.

1.6.4 Thông lượng dữ liệu

Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về cácyêu cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với cácmạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mong muốncực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là 512b/s(64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện Tốc độ dữ liệu điển hình đượcmong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trong mộtvài ứng dụng Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữ liệuban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể

Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều sốlượng overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quảtruyền thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi cácgói TCP/IP có thể dài 1500 byte Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn,hiệu quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng:người thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyềnthông, thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao thức

1.6.5 Bảo mật

Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết dongười sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng Việc nhận biết bảo mật làvấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của họ(hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để nhận.Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một phiên bản

-có dây mà người sử dụng -có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các cấp tảithông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận được thôngtin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận Ứng dụng không dây phảilàm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng lớn được yêu cầuvới chi phí thấp hơn

Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin Thực tế, trongnhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bảntin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến khôngdây Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin đượcnhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó

Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thểxen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thểnguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên Các yêu cầu này là một kiểubảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn củabản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity Code) phụthuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát (Trong các trường bảo mật,MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication Code) nhưng MIC được

sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có thể với lớp MAC của ngănxếp giao thức OSI) Người thu mong muốn và người gửi chia sẻ một khoá, nó được

sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với người nhận để phê chuẩn tínhnguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi Để tránh “replay attacks”, trongmột máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếmhoặc bộ định thời bản tin được gộp lại trong trường tính toán MIC Trong cách này,không có hai bản tin xác thực - thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng

Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phânchia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạngrộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý Mặc dù việc thiết kế mộtmạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, người thiết kếcủa một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ Các yêu cầu về nguồn

và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc trong các phạm vi khác

1.7 Ứng dụng của mạng WSN

WSN là tập hợp các kích thước nhỏ gọn, cụ thể là các node cảm biến với giáthành thấp, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường tự nhiên hoặc đo đạccác thông số khác và đưa ra thông tin đến trung tâm cho các xử lý phù hợp Cácnode trong mạng WSN có thể liên lạc với các node xung quanh nó và còn có thể cócác xử lý dữ liệu thu được trước khi gởi đến các node khác.WSN cung cấp rất nhiều

các ứng dụng hữu ích.

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được bước pháttriển mạnh mẽ, các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các ứngdụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trường, antoàn năng lượng, an toàn thực phẩm và sản xuất…

Một số ứng dụng cơ bản của WSN

 Cảm biến môi trường

o Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân đội…

o Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng,độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ…

o Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, ánh sáng

 Cảm biến điều khiển

o Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự …

o Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot…

o Môi trường: giám sát lũ lụt, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm…

o Y tế: theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp…

 Hệ thống giao thông thông minh

o Giao tiếp giữa các biển báo và phương tiện giao thông, hệthống điều tiết lưu lượng công cộng, kẹt xe…

o Hệ thống định vị, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giaothông

 Gia đình

o Nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiểncác thiết bị di động

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết

bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ viễnthông khác (hệ thống thông tin di động, internet )

CHƯƠNG 2:ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến khôngdây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra

để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu Các thuật toán phải đáp ứng được các yêucầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng Chương nàytrình bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó là địnhtuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchicalprotocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location – based protocol)

2.1 Giới thiệu

Mặc dù mạng cảm biến không dây có khá nhiều điểm tương đồng so với cácmạng adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duynhất mà tạo cho chúng thành mạng riêng Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thứcđịnh tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc

có dây và không dây

2.2 sự phân phối và tập hợp dữ liệu

Mạng WSN có khả năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển nhưhình 2.1 Các dữ liệu được thông tin giữa các trạm trung tâm và các node phân bố làmột khía cạnh quan trọng và cơ bản của WSN

Hình 2.1.Các ứng dụng mạng WSN

Cách đơn giản để thực hiện là trao đổi trực tiếp từ từ các node đến base Tuynhiên, liên kết dựa trên truyền một chặng (single-hop) gặp vấn đề suy giảm nănglượng nhanh chóng của các node nếu cách xa trạm trung tâm, do đó làm giới hạnthời gian sống của mạng Đây là vấn đề quan trọng đối với các mạng cảm biếnkhông dây được xây dựng phân bố trên phạm vi rộng hay các node di động có thể dichuyển ra xa trạm trung tâm.

Để giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đổi giữa các cảm biến và basestation được truyền đa chặng (multihop) Các liên kết đa chặng có thể kéo dàikhoảng cách và đưa ra một đường đi linh hoạt hơn Phương pháp này tiết kiệm hiệuquả năng lượng và giảm đáng kể can nhiễu giữa các node đang tranh chấp truy cậpkênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSN có mật độ cao Mô hình truyền dữliệu được minh họa trong hình 2.2 Gói yêu cầu được phát đi, các node đáp lại bằnggói 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 cào việc chuyểncác gói dữ liệu giữa nguồn và đích Xác định các node trung gian cần phải đi qua lànhiệm vụ của giải thuật định tuyến Định tuyến trong mạng cỡ lớn gặp nhiều khókhăn, thiết kế phải đảm bảo sự chính xác, tính ổn định và khả năng tối ưu Cùng vớicác đặc tính của mạng WSN như tiết kiêm năng lượng và băng thông hạn chế tạonhiều thách thức cho giải thuật định tuyến để thỏa mãn yêu cầu lưu lượng và kéodài thời gian sống của mạng

Hình 2.2.Truyền dữ liệu đa chặng