Đánh giá giao thức định tuyến PEGASIS trong mạng cảm biến không dây

Ngày nay nhờ tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được sự tiến bộ đáng kể trong vài năm qua. Mạng cảm biến là mạng vô tuyến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý, hay điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, sự chấn động, áp suất, sự chuyển động, ô nhiễm ở các vị trí khác nhau.Trong tương lại không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một thành phần không thể thiếu trong cuộc sống con ngườiMạng cảm biến không dây là một lĩnh vực rất sâu rộng, đồ án này sẽ giới thiệu một cách khái quát nhất về các đặc điểm của mạng cảm biến. Sau đó phần cuối sẽ đưa ra giải thuật định tuyến PEGASIS nhằm cải thiện đáng kể thời gian sống của mạng.Đồ án này gồm có 4 chương:Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến: Chương này trình bày những khái niệm chung nhất về WSNs và đưa ra cấu trúc của mạng cảm biến. Đồng thời cũng nêu ra các ứng dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực cuộc sống.Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến. Chương này phân loại các giao thức định tuyến ra làm ba loại: định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí địa lý, đồng thời đưa ra một vài giao thức đặt trưng mỗi loại.Chương 3: Kiến trúc giao thức PEGASIS. Chương này sẽ tập trung chi tiết về giao thức PEGASIS trong mạng cảm biến, để ta có cơ sở lý thuyết để thực hiện chương mô phỏng giao thức này.Chương 4: Mô phỏng giao thức PEGASIS bằng phần mềm NS2. Chương này ta thực hiện mô phỏng giao thức PEGASIS để thấy được sự cải thiện về thời gian sống của mạng nhờ sự sử dụng năng lượng hiệu quả trong mạng.2.Giao thức PEGASIS trong mạng cảm biến không dây.Giao thức PEGASIS(PowerEfficient Gathering in Sensor Information Systems) em đưa ra ở đây thuộc giao thức phân cấp, PEGASIS có sự cải thiện đáng kể về thời gian sống và hiệu quả năng lượng. PEGASIS là giao thức dựa trên xây dựng chuỗi gần tối ưu. Tức là mỗi nút chỉ giao tiếp với một nút lân cận gần nó nhất và việc tập trung dữ liệu trong mạng dọc theo chuỗi đó. Một nút thích hợp trong chuỗi sẽ được chọn làm nút chủ, trách nhiệm của nút chủ là truyền dữ liệu tập hợp được tới trạm cơ sở, nút chủ được quay vòng trong chuỗi nhằm đảm bảo công bằng trong tiêu thụ năng lượng giữa các nút trong mạng. •Giả thiết Thời gian mô phỏng: stop = 1500sSố cluster khởi tạo: Num_cluster = 1Năng lượng khởi tạo của node là 2 JSố node mạng: 100BS đặt ở tọa độ (50; 175)Vị trí các node mạng được khởi tạo ngẫu nhiên trong phạm vi (100m;100m)

Em tên là: Trần Thị Mai Hương

Lớp: 09DT2

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất

kỳ đồ án hoặc công trình nào đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hìnhthức kỷ luật của Khoa

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2014

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Mai Hương

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

ISM Industrial, Scientific and Medical

LEACH Low Energy Adaptive Clustering

Hierarchy Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấpMAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi

trườngNS2 Network Simulator version 2 Mô phỏng mạng phiên bản 2

PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems Tổng hợp năng lượng trong các hệ thống thông tin cảm

biếnQoS Quality of System Chất lượng dịch vụ

SAR Sequential Assignment Routing Định tuyến phân phối tuần tựSMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý trong mạng

cảm biếnSPIN

Sensor Protocol for Information viaNegotiation

Giao thức cho thông tin dữ liệu thông qua đàm phánSQDDP Sensor Query and Data

Dissemination Protocol Giao thức phân phối sữ liệu vàtruy vấn cảm biếnTADAP

Task Assignment and Data Advertisement

Giao thức quảng bá dữ liệu vàchỉ định nhiệm vụ cho từng cảm biến

TCP Transmission Control Protocol Gió thức điều khiển truyền

dẫnTDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gianTEEN Threshold – Sensitive Energy

Efficient Sensor Network Giao thức hiệu quả về sử dụngnăng lượngUDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người

dùngWSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

Ngày nay nhờ những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ, sự pháttriển của những mạng cảm biến với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chứcnăng đã nhận được những sự chú ý đáng kể Hiện nay người ta đang tập trung triểnkhai các mạng cảm biến để có thể áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày Đó làcác lĩnh vực về y tế, quân sự, giao thông, môi trường…Trong tương lai không xa,các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộcsống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạngnào cũng có được như mạng cảm biến.

Tuy nhiên mạng cảm biến đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trongnhững thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn va không thể nạp lại Góp phần tìm hiểu về việc cải thiện tiết kiệm năng lượng trong toàn mạng Em đãlựa chọn và tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS Phương pháp nghiên cứu của

em là tìm hiểu tổng quan các giao thức định tuyến Tập trung đi sâu vào tìm hiểugiao thức định tuyến PEGASIS và sử dụng phần mềm NS-2 để mô phỏng WSN trên

hệ điều hành Ubuntu

Nội dung đồ án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN).

Chương 2: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây.

Chương 3: Kiến trúc định tuyến PEGASIS.

Chương 4: Mô phỏng PEGASIS bằng phần mềm NS-2.

Tuy nhiên đây là đề tài còn mới mẻ ở nước ta, và do còn hạn chế về kiến thứccũng như thời gian Nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, cần phải phát triểnthêm nữa Em mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để đề tài của emđược hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Điện tử- Viễn thông.Đặc biệt em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Nguyễn Lê Hùng

đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này em sẽ trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây,bao gồm :

+ Cấu trúc mạng cảm biến không dây WSN

+ Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây

+ Các ứng dụng nhất định của mạng cảm biến không dây

1.2 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Sự tiến bộ của công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như

kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp,

vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những con cảm biến

có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăngkhả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây WSN

Một mạng cảm biến không dây( Wireless Sensor Network) là mạng liên kếtcác nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến Các nút giao tiếp với nhau và truyền

về dữ liệu trung tâm (base station) một cách trực tiếp hoặc gián tiếp bằng kỹ thuật

đa chặng

Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp…và có

số lượng lớn, được phân bố trên phạm vi rộng, nguồn năng lượng (pin)có thời gianhoạt động hạn chế (vài tháng đến vài năm) Và có thể hoạt động trong môi trườngkhắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, địa hình hiểm trở…) Kích thước của các con cảmbiến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi tùy thuộc vào từngứng dụng

Mạng cảm biến không dây có nhiệm vụ cảm nhận, quan sát, và khả năng tínhtoán nhằm mục đích thu thập và tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục

về môi trường tự nhiên

Hình 1.1 Biểu tượng mô hình mạng WSN

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quantrọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giớihạn về năng lượng của chúng Tức là các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ côngsuất thấp, và hạn chế thứ hai đó là các nút cảm biến không thể thay thế được nguồncung cấp.Như vậy vấn đề đặt ra chính là đưa ra những giải pháp giải quyết vấn đềhạn chế năng lượng trong mạng cảm biến không dây WSN

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.3.1 Cấu trúc một node mạng.

Để xây dựng các node cảm biến trước hết phải chế tạo các node thỏa mãn một

số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành

rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảmnhận, thu thập các thông số môi trường, khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưutrữ, và phải có khả năng thu phát sóng để trao đổi thông tin với các nút lân cận.Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản :

- Bộ cảm ứng (sesing unit)

- Bộ xử lý (a processing unit)

- Bộ thu phát vô tuyến (a transceiver unit)

- Bộ nguồn (a power unit)

- Ngoài ra còn có thể có thêm các thành phần khác tùy thuộc vào từng ứngdụng như là hệ thống định vị, bộ phát nguồn và bộ phận di động

Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm ứng

Các bộ cảm ứng (sesing unit) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tựsang số ADC (Analog to Digital Converter) Dựa trên những hiện tượng quan sátđược, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm ứng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý

Bộ xử lý (a processing unit) thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storageunit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để để thực hiện cá nhiệm

vụ định sẵn

Bộ thu phát vô tuyến(a transceiver unit) nối các nút vào mạng Chúng gửi vànhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặctới sink

Bộ nguồn (a power unit) là thành phần quan trọng nhất của một nút mạng.Bộnguồn có thể là một số loại pin Để các nút có tuổi thọ lâu hơn thì bộ nguồn đóngvai trò quyết định, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượngánh sáng mặt trời

Ngoài ra các kĩ 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 các bộ định vị Các bộ phận diđộng, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện cácnhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.Ngoàikích cỡ ra các nút cảm biến còn phải đáp ứng một số tiêu chí như là phải tiêu thụ ítnăng lượng, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với biến đổi củamôi trường

1.3.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Khi thiết kế mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng cóhiệu quả nguồn năng lượng hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng.Vìvậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần phải quan tâm đến các yếu tố sau:

- Giao tiếp không dây đa chặng:

Hình 1.3 Mạng đơn chặng Hình 1.4 Mạng đa chặng

Mạng đơn chặng đơn giản là từ các node con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp vềnode cơ sở, tuy nhiên mạng này thường nhỏ Khi giao tiếp không dây thì giao tiếptrực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệtkhi node phát và node thu cách xa nhau thìcần phát công suất lớn.Vì vậy cầncác nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy cácmạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp đa chặng

- Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số

một cách tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thôngqua các nút khác (gọi là tự định vị)

- Sử dụng hiệu quả năng lượng: Để hỗ kéo dài trợ thời gian sống của toàn

mạng sử dụng hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng trong mạng cảm biếnkhông dây

- Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút

cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cộng tác hoạt động thìmới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến trạm gốc sẽ rấttốn băng thông và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong mộtvùng rồi mới gửi tới trạm gốc thì sẽ tiết kiệm băng thông, thời gian và năng lượng.Chẳng hạn như khi xác định nhiệt độ trung bình, hay cao nhất của một vùng Dovậy cấu trúc mạng được thiết kế sẽ phải thỏa mãn:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm biến được phân bố trong vùng cảm biến như hình 1.3, hình 1.4.Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm gốc

Dữ liệu được định tuyến lại các trạm gốc bởi một cấu trúc đa điểm như hình trên Các trạm gốc có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (Task Manager Node) qua mạng Internet hay vệ tinh

Hình 1.5 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.3.3 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây

1.3.3.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture)

Trong cấu trúc phẳng (Flat Architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồngnhất trong hình dạng và chức năng.Các nút giao tiếp với trạm gốc qua đa chặng sửdụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nút gầntrạm gốc hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớnnguồn.Giả sử rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vìvậy có thể chia sẻ thời gian

Hình 1.6 cấu trúc phẳng

1.3.3.2 Cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture)

Trong cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture), mạng phân thành các cụm,mỗi cụm có nút chủ cụm (Cluster Head) Các nút trong cụm thu thập dữ liệu, rồi gửiđơn chặng hay đa chặng tới nút chủ cụm (tùy theo kích thước của cụm)

Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút

ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệukhông đồng đều giữa các nút.Chính vì vậy nó được phân theo nhiều cấp và mỗi cấpđảm nhiệm một chức năng cụ thể :

• Cấp 0: Là cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận như đo đạc nhiệt

nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này

và thực hiện các nhiệm vụ khác như tính toán, phân phối dữ liệu

Căn cứ vào những đặc điểm của hai cấu trúc trên và những lý do sau đây chochúng ta thấy mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt độnghiệu quả hơn cấu trúc phẳng :

Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị cáctài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Nếu một số lượng lớn các nút

có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn cácnút

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 phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng cấu trúc phẳng.Khi cầnphải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thờigian yêu cầu thực hiện tính toán.Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạtđộng 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 phân cấp mà cácchức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chứcnăng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầuthỏa mãn điều kiện về bang thông và thời gian sống Với mạng cấu trúc phẳng kích

cỡ mạng tăng thì thông lượng của mỗi nút giảm

1.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây

• Khả năng chịu lỗi (fault tolerance) : Một số nút cảm ứng có thể không hoạt

động nữa do thiếu năng lượng, do hư hỏng vật lý hay do ảnh hưởng của môitrường.Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trìnhững chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động

• Khả năng mở rộng (scability): khi triển khai mạng cảm biến nghiên cứu một

hiện tượng nào đó, số lượng các nút cảm ứng được triển khai có thể đến hang tramnghìn, phụ thược vào từng ứng dụng, con số này có thể vượt quá hang triệu.Nhữngkiểu mạng mới phải có khả năng làm việc với số lượng các nút này và sử dụngđược tính chất mật độ cao của mạng cảm ứng

• Chi phí sản xuất (production costs): 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 triểnkhai cảm biến theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Dovậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.

• Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Như đã trình bày

ở phần 1.2… về cấu trúc một nút cảm biến, có nhiều rang buộc về phầncứng: Phải có kích thước nhỏ , càng nhỏ càng tốt Ngoài kích cỡ ra các nútcảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác như là phải tiêu thụ rất itnăng lượng, hoạt động ở mật độ cao,giá thành thấp, có thể tự hoạt động vàthích ứng với môi trường

• 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 đượctriển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút Mật độ các nút có thểlên tới 20 nút/m3 Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâpmột cấu hình ổn định Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việcduy 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 xộnhoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến

+ Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụthuộc vào việc thay đổi vị trí các node cảm biến, khả năng đạt trạngthái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vậtcản…), 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 vàocác node cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộcvào sự thay đổi chức năng

• 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, chúngthường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng cóthể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trongnhững vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòanhà lớn

• Phương tiện truyền dẫn (Transmission meddia): Ở những mạng cảm

ứng multihop, 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 ngoạihoạc những phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt động thống nhấtcủa những mạng này,các phương tiện truyền dẫn được chọn phải phùhợp theo chuẩn trên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng của các nútcảm ứng dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm ứng năng lượngthấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.Cấu trúc wireless Integrated network sensors (WINS) cũng sử dụngđường truyền vô tuyến để truyền dữ liệu.

Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại Thiết

kế máy thu phát dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn

• Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến

không dây có thể được coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể trang bịnguồn 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 thờigian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống củapin

Mạng cảm biến không dây được dùng trong công nghiệp và y tế thường đòi hỏicông suất tiêu thụ thấp, được cung cấp năng lượng từ những cục pin nhỏ nhưng cóthể sống được vài tháng đến vài năm Với các ứng dụng theo dõi môi trường, khi

mà số lượng lớn cảm biến được rải trên diện tích rất rộng thì việc thường xuyênphải thay pin để cung cấp nguồn năng lượng là điều không khả thi Chính vì lý do

đó trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lượng để sử dụng mộtcách hiệu quả nhất cần kết hợp với các thuật toán định tuyến tối ưu để giảm thiểunăng lượng tiêu thụ

• Tínhbảo mật : Khi truyền tín hiệu không dây được truyền đi trong

không gian thì nó rất dễ dàng bị thu và đánh cắp thông tin ở bất cứ nơiđâu trên đường truyền vì thế vấn đề bảo mật rất được quan tâm khi thiết

kế mạng cảm biến không dây Điều này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyêncủa hệ thống về mặt năng lượng và băng thông tuy nhiên bảo mật là một

yếu tốt bắt buộc trong truyền tin Bảo mật trong mạng cảm biến khôngdây cần phải đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực

và nhận dạng giữa người gửi và người nhận Việc này sẽ được thực hiệnkết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin,điều chỉnh các bit thông tin, thêm các bít xác thực

1.3.5 Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệuvới các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sựtương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm:

Hình 1.8 Kiến trúc giao thức mạng

• 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 ISM915MHZ được

sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến.Vấn đề hiệu quả năng lượng cũngcần phải được xem xét ở lớp vật lý

• Lớp ứng dụng : tùy từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần

mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứngdụng Trong lớp ứng dụng có một số giao thức quan trọng như giao thứcquản lí mạng cảm biến (SMP), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ địnhnhiệm vụ cho từng cảm biến (TADAP), giao thức phân phối dữ liệu vàtruy vấn cảm biến (SQDDP)

• Lớp giao vận: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến

yêucầu Lớp giao vận đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạngbên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet

• Lớp liên kết dữ liệu: lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép

các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môitrường Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động,giao thức điều khiển truy cập môi t rường (MAC – Media AccessControl) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hóaviệc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

• Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp

giao vận Việc định tuyến trong mạng cảm biến cần phải đối mặt với rấtnhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…

Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắcsau:

 hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hang đầu

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

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

• Phần phẳng quản lý năng lượng: quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn

năng lượng của nó.Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận đượcmột bản tin Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ phát quảng básang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và

nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến Năng lượng còn lại sẽ đượcdành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

• Phần quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự chuyển động của

các nút, Các nút giữ việc theo dỏi xem ai là nút hàng xóm của chúng Nhờxác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằnggiữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện

• Phần quản lý nhiệm vụ: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các

nút trong một vùng Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm

vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực

hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tùy theo mức công suấtcủa nó.

1.4 Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây.

• Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khácnhau của cuộc sống Trước đây các thiết bị UGS trước khá lớn và cồng kềnh,hay phát cảnh báo sai và có tuổi đời chỉ tính bằng ngày hay tuần.Nhưng ngàynay tuổi thọ của những cảm biến này đã được cải tiến có thể lên tới khoảnghai thập kỷ Khi không phát hiện được vật thể hoặc truyền tín hiệu, các cảmbiến sẽ tự tắt để tiết kiệm pin Điều này giúp nó có thể duy trì hoạt độngtrong nhiều tuần khi bị chôn dưới đất Các cảm biến được đặt vào hốc đáđược trang bị tấm pin năng lượng mặt trời nhỏ để giúp cảm biến tự sạc pin

Vì thế, những loại thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thể được đặt ởbất kỳ đâu trên thế giới, và vẫn chạy tốt suốt đêm

1.4.1 Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc phòng

• Giám sát lực lượng và trang thiết bị: Lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục

trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bị Quânđội, xe cộ, trang thiết bị có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến để có thểthông báo về trạng thái

• Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và

các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gầnnhư có thể theo dõi các hoạt động Phát hiện phóng xạ, rà phá bom mìn

Hình 1.9 Thiết bị cảm biến đặt trên mặt đất

Trước đây quân đội Mỹ đã sử dụng các thiết bị theo dõi dễ bị lẫn vao đất đá hoặcđược giấu trong hốc đá ngay từ năm 1966, khi các lực lượng của Mỹ gài các thiết

bị phát hiện âm thanh trên đường Hồ Chí Minh Hay hàng ngàn thiết bị UGStừng được rải khắp Afghanistan và Iraq, tạo nên mạng lưới giám sát quanh các tiềnđồn và tại các địa điểm xa xôi Đây là cách giám sát khu vực lớn nhất có thể với sốlượng binh lính tối thiểu

• Giám sát địa hình và quản lý được đường biên giới, hải đảo: Với các thiết bị

ADSID (cây nhiệt đới) mạng Wirelless sensor network, hệ thống truyền thôngViettel và hệ thống thông tin và cáp cáp quang hữu tuyến Hoàn toàn có thể quản lýđược đường biên giới, hải đảo trong một không gian rộng lớn dưới một mạng duynhất, ổn định

Với công nghệ hiên nay, các phần cứng trong ADSID có thể được lập trình saocho, trong điều kiện bình thường các thiết bị ở trạng thái ngủ(sleeping) với mức tiêuthụ năng lượng ít nhất Trong trường hợp các sensor cảm nhận được các tín hiệu âmthanh , từ trường hoặc địa chấn, vượt quá dải tần cảnh báo, phần cứng trong ADSIDmới trở về trạng thái kích hoạt, xác định tính chất của mục tiêu và truyền thông tinthu nhận được về trung tâm xử lý thồn tin Trung tâm sẽ xác định lại mục tiêu, trongtrường hợp xảy ra xâm phạm biên giới, hải đảo Dựa vào những thông tin truyền vềtrung tâm từ cây nhiệt đới ADSID, trung tâm sẽ điều hành tác chiến và các đơn vịthành viên sẽ nhanh chóng xác định được chính xác khu vực đang có tình huống, sốlượng người hoặc phương tiện đang xâm phạm Hình 1.10 cho ta hình dung được vềứng dụng của mạng cảm biến trong hoạt động quân đội

Hình 1.10 Sơ đồ thể hiện tình huống ngăn chặn hoạt động xâm phạm chủ quyền

1.4.2 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đonhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tinnày đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

Điều khiển từ xa các thiết bị trong nhà:Với các tiến bộ kỹ thuật hiện nay, cácnút cảm biến và các bộ điều khiển thông minh có thể gắn được trong các thiết bị giađình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh,máy bơm nước tự động…

Hình 1.11 Sơ đồ căn nhà thông minh

Ví dụ : Hình 1.11 trong ngôi nhà thông minh, từ tủ rượu cho tới gấu bông sẽ đều

được kết nối thông minh và điều khiển từ ứng dụng smartphone, cửa ra vào sẽ "nóichuyện" cùng chuông báo cháy, đèn chiếu sẽ nhấp nháy khi tủ lạnh bị mở cửa, vàmột chú gấu bông thông minh sẽ thay bạn chúc em bé ngủ ngon

1.4.3 Ứng dụng trong y tế

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là kiểm tra tình trạng cácbệnh nhân, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và các cơ chếsinh học bên trong của côn trùng hoặc các loài sinh vật nhỏ khác, theo dõi và kiểmtra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện

Khi cảm biến phát hiện sự thay đổi, nó sẽ gửi thông tin đến điện thoại của bệnhnhân bằng tin nhắn hoặc email Mỗi khi đến giờ uống thuốc, bóng đèn nhỏ trong lọthuốc sẽ nhấp nháy kèm theo đó là âm thanh nhắc nhở

Hình 1.12 Lọ thuốc thông minh

Giám sát trong y tế và chuẩn đoán từ xa: Trong tương lai các nút cảm ứng có

thể gắn được vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da và đo các thông số của máu để sớmphát hiện các bệnh hiểm nghèo như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn

Quản lí dược phẩm trong bệnh viện: mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm

biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có thể nhận biết các dị ứng thuốc vàdược phẩm cần thiết.Nhờ đó, có thể giảm tối đa cac sai sót trong việc kê đơn thuốc

và sử dụng thuốc của bệnh nhân

1.4.4 Ứng dụng trong bảo vệ môi trường

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cưcủa các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môitrường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạclớn đối với việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, pháthiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt

Hình 1.13 Ứng dụng trong bảo vệ môi trường

Phát hiện cháy rừng: FireWatch là hệ thống giám sát từ xa số trên mặt đất

dùng để quan trắc một vùng rừng rộng lớn và phân tích, tính toán và lưu trữ dữ liệuthu thập

Một số tính năng đặc thù:

- Phát hiện cháy rừng sớm một cách tự động và ổn định theo mô hình các trạmquan trắc

- Tự động phát hiện đám khói bất luận ngày hay đêm

- Xử lý dữ liệu trực tuyến trên đường truyền sóng radio hay cáp tốc độ cao

- Giám sát một diện tích rừng lớn tới 70.000 ha bằng chỉ một cảm biến

- Mỗi phút quan trắc được 14.000 ha.

- Bộ cảm biến được bảo vệ trong mọi điều kiện thời tiết

Điều này sẽ giúp phát hiện sớm và đưa ra cảnh báo ngăn chặn được thảm họacháy rừng

Phát hiện lũ lụt: một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ Hệ

thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mức nước, thời tiết Nhữngcảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích

và cảnh báo lũ lụt sớm

Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa trấn:

Hình 1.16 Một thiết bị cảm biến cực nhạy của CTBTO trên mặt đất

Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất nhữngkhu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiệntượng động đất và hiện tượng núi lửa phun trào

1.4.5 Ứng dụng trong công nghiệp

Ứng dụng trong quản lý, điều khiển, hiệu suất và an toàn trong các hoạt độngcông nghiệp Cảm biến được đặt trong môi trường làm việc để giám sát quá trìnhlàm việc và các sự cố có thể xảy ra… Các dữ liệu được truyền về trung tâm đểngười quản lý có biện pháp xử lý kịp thời

Hình 1.17 Ứng dụng trong công nghiệp

1.4.6 Ứng dụng trong giao thông

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

Hình 1.18 Cảm biến ứng dụng trong giao thông

1.5 Kết luận chương

Trong chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và cácứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, gia đình, môitrường Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sốngcủa chúng ta.Mạng cảm biến không dây có được những đặc tính vượt trội mạngkhác là tính di động, và hoạt động ở những nơi có môi trường khắc nghiệt.Vớinhững ưu điểm trên và sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứahẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến

Tuy nhiên bên cạnh nhưng ưu điểm còn có nhược điểm cần phải khắc phục đó

là vấn đề năng lượng Để làm được điều đó cần phải có những giao thức định tuyếnsao cho việc tiêu thụ năng lượng cho toàn mạng là ít nhất.Chương tiếp 2 theo em sẽtrình bày về các loại giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

2.1 Giới thiệu chương

Chương hai em sẽ trình bày về các loại giao thức định tuyến cho mạng cảmbiến không dây:

+ Những khó khăn trong việc định tuyến cho mạng cảm biến không dây

+ Định tuyến ngang hàng (flat based routing)

+ Định tuyến phân cấp (hierarechical based routing)

+ Định tuyến dựa vào vị trí (location based routing)

2.2 Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây WSN

Vì mạng cảm biến không dây có những ứng dụng vô cùng to lớn trong cuộcsống, và để tận dụng hết những thuận lợi này ta phải xác định rõ những hạn chế củamạng cảm ứng và các vấn để kĩ thuật sẽ gặp phải khi triển khai

2.2.1 Giới hạn bởi năng lượng

Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến bị ảnh hưởng mạnh bởinăng lượng Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến là một hàm suy hao theokhoảng cách và đặc biệt suy giảm mạnh trong truờng hợp có nhiều vật cản, địnhtuyến đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp.Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu đề (overhead) đểđiều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền Ðịnh tuyến trực tiếp sẽtốt hơn trong trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết cáctrường hợp các nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy địnhtuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn

Trong mạng cảm biến không dây đa bước nhảy, mỗi nút đóng hai vai trò làtruyền số liệu và chọn đường Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗinguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọnđường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng

2.2.2 Giới hạn về giải thông

Trong mạng cảm ứng, năng lượng được dùng trong xử lý dữ liệu ít hơn nhiều sovới việc truyền nó đi.Hiện nay tốc độ truyền thông vô tuyến bị giới hạn trong tốc độkhoảng 10- 100Kbits/s Sự giới hạn băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việctruyền thông tin giữa các nút.Và nếu không có sự truyền thông tin này thì không thểđồng bộ hóa được

2.2.3 Giới hạn về phần cứng

Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước của các nút phải nhỏ,càngnhỏ càng tốt, và một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lượng lớn các núttrên một phạm vi hẹp.Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng như khônggian lưu trữ trên mỗi nút

Hình 2.1 Cấu trúc phần cứng hạt bui Berkeley mica2

Một nút cảm ứng tiêu biểu như hạt bui Berkeley mica2 hình 2.1 có một pin mặttrời nhỏ, CPU 8bit hoạt động ở tốc độ 10Mhz, bộ nhớ từ 128Khz đến 1Mb, và phạm

vi truyền dưới 50m Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ đãđặt ra một thách thức to lớn Đó là ta không thể tăng kích cỡ nút cảm ứng vì nhưvậy sẽ tăng thêm chi phí và tiêu tốn thêm năng lượng, động thời sẽ gây khó khăntrong việc triển khai hàng nghìn nút trong mạng

Các phương tiện truyền không dây không được bảo vệ khỏi nhiễu bên ngoài nên

có thể dẫn đến mất mát một lượng lớn thông tin

Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục

Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nútnên việc định lại cấu hình động trở nên cần thiết

2.3 Phân loại các giao thức định tuyến

Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến là một thách thức khó khăn đòi hỏiphải có sự cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng và sự hiệu quả Sự cân bằngnày yêu cầu sự cần thiết thích hợp khả năng tính toán và truyền dẫn của các nút cảmbiến ngược với overhead yêu cầu thích ứng với điều kiện này Trong mạng cảmbiến không dây, overhead được đo chính là lượng băng thông được sử dụng, tiêuthụ công suất và yêu cầu xử lý của các nút di động Việc tìm ra chiến lược cân bằnggiữa 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 phảixem 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

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 năngnhư nhau.

• Loại 2: giao thức định tuyến phân cấp theo cụm: Lợi dụng cấu trúccủa mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định, sự mởrộng Trong loại giao thức này các nút mạng tự tổ chức thành các cụmtrong đó có một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác và đóngvai trò là nút chủ Nút chủ thực hiện phối hợp hoạt động trong cụm vàchuyển tiếp thông tin giữa các nút cụm với nhau Việc tạo thành cáccụm có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời giansống cho mạng

• Loại 3: giao thức định tuyến dựa theo vị trí tùy thuộc vào cấu trúc củamạng Trong đó vị trí của các nút cảm biến được sử dụng để địnhtuyến số liệu

Một giao thức định tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống cóthể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức nănglượng khả dụng Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thứcđịnh tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào QoS tùy theo cơ chếhoạt động của giao thức

Ngoài ra, các giao thức định tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động,tương tác hoặc lai ghép tùy 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 cá nút cảm biến cố định,

nó thích hợp với giao thức định 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 thứctương tác.Một số giao thức khác dựa vào định thời và thông tin vị trí Để khái quát,

có thể sự dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế họat động của giao thức (tiêuchuẩn định tuyến) Việc phân loại giao thức đinh tuyến trong WSN được thể hiện ởhình 2.2