Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng

Các ứng dụng tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện nay như phán đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật tự động trong sản xuất công nghiệp, điều kh

Trang 1

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Trang 2

ii

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này do tôi tự nghiên cứu, đọc, dịch tài liệu, tổng hợp và thực hiện Trong luận văn tôi có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo

Người viết luận văn

Phạm Văn Toán

Trang 3

và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học của mình

Em cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn PGS TS Lê Bá Dũng – Viện Công nghệ thông tin Việt Nam đã định hướng, tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, chỉ bảo cho em trong thời gian làm luận văn

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp trong đơn vị công tác, gia đình và bạn bè những người đã động viên tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt hai năm học

Trang 4

iv

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 5

1.1 Giới thiệu chung về mạng không dây 5

1.1.1 Mạng không dây là gì ? 5

1.1.2 Phân loại 5

1.1.3 Các mô hình mạng không dây 8

1.1.4 Các thiết bị mạng không dây: 9

1.2 Kỹ thuật cảm biến không dây 10

1.2.1 Khái quát về các NODE cảm biến 10

1.2.2 Phần cứng và phần mềm 11

1.2.3 Phân loại cảm biến 13

1.2.4 Môi trường hoạt động của sensor node (WNs) 15

1.2.5 Xu hướng phát triển của Node cảm biến 15

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 16

1.3.1 Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) : 16

1.3.2 Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) : 18

CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 22

2.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu 22

2.2 Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây 23

2.2.1 Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian: 23

2.2.2 Tài nguyên hạn chế: 24

2.3 Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây 24

2.3.1 Mô hình giao thức cho WSNs 25

2.3.2 Giao thức MAC 26

2.3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs: 28

2.3.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC: 29

2.4 Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây 36

Trang 5

v

2.4.1 Giao thức định tuyến trong WSNs: 36

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ GIAO THỨC ĐƯỜNG ĐỊNH TUYẾN ĐÚNG DẦN NGẮN NHẤT 47

3.1 Xây dựng hài toán 47

3.2 Lý thuyết đồ thị 49

3.2.1 Đồ thị và cây 49

3.2.2 Thuật toán Dijkstra 51

3.3 Đề xuất cho thuật toán định tuyến 54

3.3.1 Cluster formehzatin (Định dạng cụm, nút) 55

3.3.2 Nút cụm chủ 58

3.3.3 Truyền dữ liệu sử dụng đường dẫn ngắn nhất 59

Trang 6

vi

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn 1

Hình 1.2 Phân loại mạng vô tuyến 6

Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC 8

Hình 1.4 Mô hình mạng INFRASTRUCTURE 9

Hình 1.5 Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến 11

Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm của node (WNs) 13

Hình 1.7 Ứng dụng WSNs trong an ninh quốc gia và luật pháp 17

Hình 1.8 Ứng dụng cảm biến trong quân sự 17

Hình 1.9 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc 18

Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin trong Bluetooth(BT) và ZigBee 19

Hình 1.11 Các ứng dụng điều khiển 20

Hình 1.12 Điều khiển ánh sáng trong phòng 20

Hình 1.13 Các ứng dụng trong công nghiệp 21

Hình 1.14 Các ứng dụng trong y khoa 21

Hình 2.1 Các ứng dụng mạng WSN 22

Hình 2.2 Truyền dữ liệu đa chặng 23

Hình 2.3 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu 26

Hình 2.4 Khung thời gian hoạt động của node 31

Hình 2.5 Sự đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node biên 32

Hình 2.6 Đồng bộ giữa máy thu và máy phát 33

Hình 2.7 Quá trình truyền thông điệp trong S-MAC 35

Hình 2.8 Quá trình truyên thông Điệp trong S-MAC 36

Hình 2.9 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin 39

Hình 2.10 Bùng nổ lưu lượng do flooding 40

Hình 2.11 Vấn đề chồng lấn do flooding 40

Hình 2.12 Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN 43

Trang 7

vii

Hình 2.13 Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP 43

Hình 2.14 Giao thức SPIN-BC 45

Hình 3.1 Mô hình mạng cảm biến cho nhà cao tâng 47

Hình 3.2 Cây đường đi ngắn nhất - SPT 48

Hình 3.3 Sơ đồ nút mạng 48

Hình 3.4 Đồ thị 49

Hình 3.5 Đồ thị 50

Hình 3.6 51

Hình 3.7 Sơ đồ SPT của u 53

Hình 3.8 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) 54

Hình 3.9 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) [4] 54

Hình 3.10 Cụm nút được hình thành và cụm chủ được lựa chọn 58

Hình 3.11 So sánh giữa Leach và Quá trình định tuyến theo đường dẫn ngắn nhất 59 Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán xây dựng đường định tuyến ngắn nhất 60

Hình 3.13 Sơ đồ biểu diễn quá trình truyên dữ liệu 61

Hình 3.14 Các nút chết 62

Hình 3.15 Gói tin đến BS 63

Hình 3.16 Các cụm chủ được hình thành 64

Hình 3.17 Các gói tin đến cụm chủ 65

Hình 3.18 Số nút còn sống 66

Trang 8

viii

DANH MỤC CÁC KÍ HIÊU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Từ viết

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân

WSNs Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

LEACH Low-Energy Adaptive Clustering

Hierarchy

Cấu trúc phân bậc tương thích, năng lượng thấp

MAC Medium access control Điều khiển truy cập môi trường

SPIN Sensor Protocols for Information via

Trang 9

Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớn trong cuộc sống Mô hình mạng cảm biến không dây (WSNs – Wirless Sensor Networks) ra TTTM thành phố Hồ Chí Minh TTTM thành phố Hải Dương (500 tỷ)

Nhà máy Diana Bắc Ninh (2 triệu USD) Tiệm bọc yên xe (2 người chết)

Trang 10

2

đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu của Công nghệ truyền thông không dây[3] Nó ra đời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu trong thực tế và được ứng dụng rộng rãi Các ứng dụng tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện nay như phán đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật tự động trong sản xuất công nghiệp, điều khiển quy trình, quản lí kiểm kê, cảm nhận môi trường, giám sát sinh thái, giám sát công trình xây dựng, trong y tế và dân dụng,[1],[5]…Tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụng của mạng cảm biến không dây như: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, hệ thống điều hòa nhiệt

độ, … nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệ rất mới mẻ ở Việt Nam

Đặc biệt trong cháy việc duy trì nguồn điện cho mạng có dây là cực kỳ khó khăn, vì khi xảy ra cháy thường xảy ra mất điện cục bộ, do đó việc duy trì hoạt động của mạng có dây là vấn đề rất khó khăn Bên cạnh đó mạng cảm biến không dây lại sử dụng PIN và có nhiều giao thức định tuyến khác nhau, đặc biệt là giao thức định tuyến theo nhóm Với giao thức này khi xảy ra cháy có thể phá hủy các Note khác nhau nhưng vẫn không ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu trong mạng

Xuất phát từ xu hướng trên, cùng với sự gợi ý của PGS TS Lê Bá Dũng tôi

đã chọn đề tài: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng” với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát

liên tục nguy cơ cháy, giúp hạn chế tối đa hậu quả do cháy gây ra

Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu các ứng dụng trên nền tảng mạng cảm biến

- Công cụ mô phỏng để xây dựng mạng cảm biến

Phạm vi nghiên cứu

- Thu thập các tài liệu liên quan, phân tích các thông tin liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây

- Xây dựng mô hình và mô phỏng bằng chương trình giao thức đường định tuyến đúng dần ngắn nhất

Trang 11

3

Hướng nghiên cứu của đề tài

- Tim hiểu về mạng máy tính

- Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây

- Nghiên cứu các giao thức định tuyến trên mạng cảm biến không dây

- Xây dựng giao thức đường định tuyến đúng dần ngắn nhất

Những nội dung nghiên cứu chính

Chương 1 Tổng quan về mạng không dây

1.1 Giới thiệu chung về mạng không dây

1.2 Kỹ thuật cảm biến không dây

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Chương 2 Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây

2.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu

2.2 Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây

2.3 Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây

2.4 Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây

Chương 3

Mô hình và giao thức đường định tuyến đúng dần ngắn nhất

3.1 Xây dựng bài toán

3.2 Lý thuyết đồ thị

3.3 Đề xuất cho thuật toán định tuyến

5 Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp nghiên cứu tài liệu

- Nghiên cứu các tài liệu về mạng không dây, mạng cảm biến không dây Tổng hợp các tài liệu và các phương pháp để thu thập dữ liệu từ mạng cảm biến

Trang 12

4

b Phương pháp nghiên cứu điều tra

- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài

- Phân tích các thông tin liên quan và nghiên cứu lý thuyết

c Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp chính được sử dụng là phương pháp mô phỏng Thay vì triển khai trên hệ thống thực, tôi tiến hành mô phỏng và đánh giá kết quả đạt được thông qua phần mềm mô phỏng

- Chương trình mô phỏng

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Tìm hiểu các kiến thức về mạng không dây

- Xây dựng ứng dụng của mạng cảm biến không dây

- Xây dựng hệ thống mô phỏng để phân tích các tín hiệu về mạng cảm biến không dây

Trang 13

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu chung về mạng không dây

1.1.1 Mạng không dây là gì ?

Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây

* Ưu điểm:

- Giá thành giảm nhiều đối với mọi thành phần người sử dụng

- Công nghệ không dây đã được tích hợp rộng rãi trong bộ vi xử lí dành cho máy tính xách tay của INTEL và AMD

- Mạng Wireless cung cấp tất cả các tính năng của công nghệ mạng LAN như là Ethernet và Token Ring mà không bị giới hạn về kết nối vật lí (giới hạn về cable)

- Tính linh động: tạo ra sự thoải mái trong việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị có hỗ trợ mà không có sự ràng buộc về khoảng cách và không gian như mạng có dây thông thường

- Mạng WLAN sử dụng sóng hồng ngoại (Infrared Light) và sóng Radio (Radio Frequency) để truyền nhận dữ liệu

* Nhược điểm:

- Tốc độ mạng Wireless bị phụ thuộc vào băng thông Tốc độ của mạng Wireless thấp hơn mạng cố định, vì mạng Wireless chuẩn phải xác nhận cẩn thận những frame đã nhận để tránh tình trạng mất dữ liệu

- Trong mạng cố định truyền thống thì tín hiệu truyền trong dây dẫn nên có thể được bảo mật an toàn hơn Còn trên mạng Wireless thì việc “đánh hơi” rất dễ dàng bởi vì mạng Wireless sử dụng sóng Radio thì có thể bị bắt và xử lí được bởi bất kỳ thiết bị nhận nào nằm trong phạm vi cho phép, ngoài ra mạng Wireless thì có ranh giới không rõ ràng cho nên rất khó quản lý

1.1.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại:

A Dựa trên vùng phủ sóng, mạng không dây được chia thành 5 nhóm:

Trang 14

6

Hình 1.2 Phân loại mạng vô tuyến

- WPAN: mạng vô tuyến cá nhân Nhóm này bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa Các công nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi nhƣ máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB, đồng hồ, với điện thoại di động, máy tính Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean,

Đa phần các công nghệ này đƣợc chuẩn hóa bởi IEEE, cụ thể là nhóm làm việc (Working Group) 802.15 Do vậy các chuẩn còn đƣợc biết đến với tên nhƣ IEEE 802.15.4 hay IEEE 802.15.3

- WLAN : mạng vô tuyến cục bộ Nhóm này bao gồm các công nghệ có vùng phủ tầm vài trăm mét Nổi bật là công nghệ Wifi với nhiều chuẩn mở rộng khác nhau thuộc gia đình 802.11 a/b/g/h/i/ Công nghệ Wifi đã gặt hái đƣợc những thành công to lớn trong những năm qua Bên cạnh WiFi thì còn một cái tên ít nghe đến là HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của Wifi đƣợc chuẩn hóa bởi ETSI

- WMAN: mạng vô tuyến đô thị Đại diện tiêu biểu của nhóm này chính là WiMAX Ngoài ra còn có công nghệ băng rộng BWMA 802.20 Vùng phủ sóng của

nó sẽ tằm vài km (tầm 4-5km tối đa)

- WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng: Nhóm này bao gồm các công nghệ mạng thông tin di động nhƣ UMTS/GSM/CDMA2000 Vùng phủ của nó cũng tầm vài km đến tầm chục km

Trang 15

7

- WRAN: Mạng vô tuyến khu vực Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22 đang đƣợc nghiên cứu và phát triển bởi IEEE Vùng phủ có nó sẽ lên tầm 40-100km Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh, khó triển khai các công nghệ khác

Bảng 1: So sánh các nhóm mạng

sóng Băng tần UWB (Ultra

wideband) WPAN 802.15.3a

110-480 Mbps Trên 30 feet 7.5 GHz

Bluetooth WPAN 802.15.1 Trên 720

Kbps Trên 30 feet 2.4 GHz

Wi-Fi WLAN 802.11a Trên 54 Mbps Trên 300 feet 5 GHz

Wi- Fi WLAN 802.11b Trên 11 Mbps Trên 300 feet 2.4 GHz

WCDMA/

1800-2100 MHz

Tất cả các công nghệ này đều giống nhau ở chổ chúng nhận và chuyển tin bằng cách sử dụng sóng điện từ (EM)

B Dựa trên các công nghệ mạng, mạng không dây được chia thành 3 loại:

• Kết nối sử dụng tia hồng ngoại

• Sử dụng công nghệ Bluetooth

• Kết nối bằng chuẩn Wi-fi[1],[5]

Trang 16

8

1.1.3 Các mô hình mạng không dây

1 Mô hình mạng AD-HOC:

a Khái niệm:

- Là mạng gồm hai hay nhiều máy tính có trang bị card không dây

- Tương tự mô hình peer to peer trong mạng có dây

- Các máy tính có vai trò ngang nhau

Trang 17

Access Point (AP) có vai trò tương tự như Hub hay Switch

Điểm truy cập cho các Station (Node) trong mạng không dây

cho phép các Station trao đổi dữ liệu với nhau (như HUB trong

mạng có dây) và với các Station trong mạng có dây

2 Wireless Adapter :

Bộ điều hợp mạng không dây (Wireless NIC) có nhiều kiểu giao tiếp

như PCMCIA, USB hay PCI card

3 Wireless card:

Là thiết bị gắn trên PC hay thiết bị cầm tay như Laptop,

PDA,…đóng vai trò là card mạng có dây, nhưng sử dụng môi

trường là sóng điện từ , cho phép PC hay Laptop trao đổi dữ liệu

được với nhau thông qua sóng vô tuyến

4 Cầu nối Wi-Fi:

Thêm cầu nối Wi-Fi là ta có thể kết nối hầu như bất cứ thiết bị nào có giao tiếp cổng Ethernet, chẳng hạn một máy in mạng, vào mạng không dây Ta dùng cáp nối thiết bị vào cổng Ethernet của cầu nối, và cầu nối sẽ truyền dữ liệu từ thiết bị này đến thiết bị không dây Lúc này, bản thân thiết bị

Trang 18

10

hoạt động chẳng khác gì với khi lắp vào mạng có dây Chúng ta nên mua cầu nối và router của cùng nhà sản xuất, nhất là khi muốn tận dụng các chế độ như Super G, Afterburner, và nhớ chọn loại có hỗ trợ mã hóa WPA

5 Camera không dây

6 Thiết bị nghe nhạc và xem phim

7 Router du lịch

1.2 Kỹ thuật cảm biến không dây

1.2.1 Khái quát về các NODE cảm biến

Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa lí Các node (sensor nodes hay còn gọi là WSNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lí tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm Chức năng

cơ bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính:

- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt Như có thể trả về nhiệt

độ, áp suất, cường độ ánh sáng, tại nơi khảo sát

- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông

số của sự kiện đó Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của các phương tiện đang lưu thông,

- Phân biệt các đối tượng Ví dụ phương tiện lưu thông mà cảm biến nhận biết được là xe gì: xe con, xe tải, hay xe buýt,

- Theo dấu các đối tượng Ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến phải cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển trong vùng bao phủ của mạng,

Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo yêu cầu và mục đích của thông tin cần thu thập

Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt điện, từ, sinh học, quang, chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khối, Cảm biến có thể được đưa ra bên

Trang 19

11

ngoài môi trường nguy hại, môi trường có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn, môi trường hóa chất độc hại; có thể lắp đặt trong hệ thống robo tự động hay trong

hệ thống nhà xưởng sản xuất Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm trường điện và từ, cảm biến sóng radio; cảm biến quang, hồng ngoại, radars, lasers; cảm biến vị trí hay định vị; cảm biến hướng mục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa,

là 1-mm3.[1],[5]

1.2.2 Phần cứng và phần mềm

Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có: chức năng cơ bản của node; chức năng xử lí tín hiệu, gồm xử lí số tín hiệu, nén, phát hiện và sửa lỗi, điều khiển và thừa hành; phân nhóm và tính toán trong mạng; thông tin; tự kết hợp; định tuyến; và quản lý kết nối Để có các chức năng này, phần cứng của node phải có cảm biến và bộ phận thực thi, bộ xử lí, nguồn, và các phần

Trang 20

12

phục vụ cho chức năng khác Hình 1.6 chỉ ra các phần cấu tạo nên node cảm biến thông thường gồm phần cứng và phần mềm

Rõ ràng, cấu trúc bên trong và độ phức tạp phụ thuộc vào các ứng dụng Phần cứng gồm 4 nhóm chính:

- Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lượng cho node hoạt động trong vài giờ, vài tháng hay vài năm

- Lưu trữ và tính toán: phục vụ cho các chức năng xử lí, điều chế số, định tuyến,

- Cảm biến: biến đổi các thông số môi trường thành thông tin

- Liên lạc: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm

Trang 21

13

Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm của node (WNs)

1.2.3 Phân loại cảm biến

Bởi vì sự đa dạng của cảm biến, cần thiết phải có sự phân loại, đánh giá theo kích thước, công suất, khả năng xử lí, chế độ hoạt động, giao thức định tuyến,

Bảng 2: Phân loại cảm biến

Kích

thước

Khả năng

di động

Công suất nguồn

Khả năng lưu trữ, tính toán

Chế độ Giao thức ở

các lớp thấp

G thức

ở các lớp cao

Bộ xử lí, lưu trữ mức

năng, cảm

Đa đường/lưới;

Định tuyến

Trang 22

14

cao biến thông số

Bộ xử lí, lưu trữ trung bình

năng, cảm biến thông số hóa – sinh

102 – 104m;

IEEEMAC

Định tuyến động

Bộ xử lí mức thấp, lưu trữ mức cao

Đa chức năng cảm biến thông số vật

lí, hóa sinh

>104m; IEEE MAC

Bộ xử lí mức cao, lưu trữ trung bình

năng, cảm biến thông số vật lí

101 – 102m;

IEEE MAC

Bộ xử lí, lưu trữ trung bình

năng, cảm biến thông số hóa sinh

102 – 104m;

IEEE MAC

Định tuyến tĩnh

Bộ xử lí mức thấp, lưu trữ trung bình

năng, cảm biến thông số vật lí, hóa sinh

>104m; IEEE MAC

Bộ xử lí mức cao, lưu trữ mức thấp

Một chức năng, cảm biến thông số vật lí

Một đường/lưới;

Một chức năng, cảm biến thông số hóa sinh

Một đường;

>104m; IEEE MAC

Không

di động

Bộ xử lí trung bình, lưu trữ mức thấp

Một chức năng, cảm biến thông số hóa sinh

Một đường;

>104m; IEEE MAC

Trang 23

15

1.2.4 Môi trường hoạt động của sensor node (WNs)

Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố:

- Nguồn cung cấp: các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng WSNs

- Liên lạc: mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh truyền Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cận, chất lượng dịch vụ và độ bảo mật của hệ thống

- Tính toán: các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn Điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lí dữ liệu hoạt động tại node

- Sự không chắc chắn các thông số: dữ liệu cần thu tập có thể kèm theo nhiễu từ môi trường Sự hư hỏng các node có thể làm sai dữ liệu Sự sắp đặt các node gây sai lệch hoạt động node.[1],[2]

1.2.5 Xu hướng phát triển của Node cảm biến

Để mạng WSNs có thể được triển khai rộng rãi với quy mô lớn, kích thước, giá thành và công suất tiêu thụ của node phải giảm đáng kể và sự thông minh của node phải tăng lên Cần có hệ thống cảm biến kết hợp các kỹ thuật tiên tiến như công nghệ nano, mạng phân bố, thông tin vô tuyến băng rộng,

Sự thu nhỏ kích thước, giá thành là vấn đề quan trọng hàng đầu Sự tích hợp cảm biến, vi xử lí, nguồn năng lượng và giao tiếp mạng thông tin trên một chip sẽ làm việc trao đổi dữ liệu giữa cảm biến và môi trường bên ngoài trở nên dễ dàng hơn

Việc tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ giúp mạng WSNs ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, có khả năng giao tiếp với các mạng khác, giao diện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn Các nghiên cứu đang hướng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân

bố, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại, hỗ trợ hiệu quả cho các quá trình ra quyết định.[1,3]

Trang 24

16

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

WSNs là sự tập hợp các kích thước nhỏ gọn (compact-size), cụ thể là các node cảm biến với giá thành thấp, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường

tự nhiên hoặc đo đạc các thông số khác và đưa những thông tin đến trung tâm cho các xử lí phù hợp Các node trong mạng WSNs có thể liên lạc với các node xung quanh nó, và còn có thể có các xử lí dữ liệu thu đượuc trước khi gởi đến các node khác WSNs cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích

1.3.1 Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) :

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 chiến trường, an ninh và ứng phó với dịch bệnh Do đặc điểm số node rất lớn, phân bố rải, sự quản 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

1.3.1.1 Ứng dụng quân sự, an ninh và thiên nhiên:

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 các hoạt động tìm kiếm

Sử dụng mạng WSNs hạn chế sự có mặt trực tiếp của con người trong môi trường nguy hiểm Ứng dụng an ninh bao gồm phát hiện xâm nhập và truy bắt tội phạm

- Mạng cảm biến quân sự phát hiện và có được thông tin về sự di chuyển của đối phương, chất nổ và các thông tin khác

- Phát hiện và phân loại các chất hóa chất, sinh hóa, sóng vô tuyến, phóng xạ hạt nhân, chất nổ

- Giám sát sự thay đổi khí hậu, rừng, biển

- Giám sát xe cộ trên đường

- Giám sát an ninh trong các khu vực dân cư, thương mại

Trang 25

17

- Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh

Hình 1.7 Ứng dụng WSNs trong an ninh quốc gia và luật pháp

Hình 1.8 Ứng dụng cảm biến trong quân sự Hình 1.8 đưa ra các ví dụ về ứng dụng cảm biến trong quân sự Các cảm biến trang bị trên các phương tiện kỹ thuật phục vụ cho việc giám sát các hoạt động chiến trường

Trang 26

18

1.3.1.2 Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan:

Mục tiêu của các hệ thống này là thu thập thông tin thông qua các mạng cảm biến, xử lí và lưu trữ dữ liệu tại trung tâm, sử dụng dữ liệu đó cho các ứng

dụng cần thiết

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 đến trung tâm dữ liệu để xử lí Mạng theo dõi liên tục, cung cấp thông tin cập nhật thường xuyên theo thời gian thực Các thông tin thu được dùng để giám sát lưu lượng , điều phối giao thông hoặc cho các mục đích khác

Hình 1.9 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc

1.3.2 Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) :

Các ứng dụng dạng này dùng mô hình điểm-điểm (hay mô hình sao), với các liên kết đơn vô tuyến định tuyến tĩnh 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

Trang 27

19

khiển ánh sáng, nhiệt độ, an ninh, môi trường, cảm biến trong y khoa, điều khiển từ

xa trong gia đình hay công nghiệp, Nhiều ứng dụng được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4 (ZigBee) ZigBee cung cấp tụ tương tác và đáp ứng được các đặc điểm của liên lạc vô tuyến (RF)

ZigBee có thể được xây dựng trong nhiều mạng không dây với giá thành thấp, tiêu thụ ít công suất nguồn với số lượng lớn các node Vấn đề quan tâm là chuẩn này chứa nhiều giao thức , tốc độ dữ liệu và các tần số thích hợp áp dụng rộng rãi Giữa ZigBee và Bluetooth về căn bản có nhiều điểm khác nhau và dùng cho các mục đích ứng dụng khác nhau ZigBee được thiết kế cho môi trường chu kỳ nhiệm vụ thấp, định tuyến tĩnh hoặc động, nhiều node cùng hoạt động Trong khi Bluetooth được thiết kế cho ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao (QoS), chu kỳ nhiệm

vụ thay đổi, tốc độ dữ liệu vừa phải, số node giới hạn

Mỗi cảm biến có một bộ dao động đáng thức bộ xử lí chính sau một khoảng thời gian nhất định để sang chế độ làm việc

Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin trong Bluetooth(BT) và ZigBee

Trang 28

20

So sánh thời gian hoạt động pin trong 2 chuẩn Bluetooth và ZigBee Hình 1.10 cho thấy thời gian hoạt động pin của chuẩn ZigBee cao hơn so với Bluetooth

1.4.2.1 Điều khiển các thiết bị trong nhà:

Ứng dụng WSN cung cấp điều khiển, bảo quản, tiện nghi và an ninh

Trang 29

21

1.3.2.3 Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp:

Hình 1.13 Các ứng dụng trong công nghiệp

Các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp gồm điều khiển, quản lý, hiệu suất

và an toàn

1.3.2.4 Các ứng dụng trong y học:

Một số bệnh viện và trung tâm y tế đang ứng dụng công nghệ WSNs vào tiền chẩn đoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với các dịch bệnh và phục hồi chức năng cho người bệnh.[1,3]

Hình 1.14 Các ứng dụng trong y khoa

Trang 30

22

CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM

BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Sự phân phối và tập hợp dữ liệu

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

Hình 2.1 Các ứng dụng mạng WSN

Cách đơn giản để thực hiện liên lạc là trao đổi trực tiếp từ từ các node đến base station Tuy nhiên, liên kết dựa trên truyền một chặng (single-hop) gặp vấn đề suy giảm năng lượng nhanh chóng của các node nếu các node 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 cảm biến không dây được xây dựng phân bố trên phạm vi rộng hay các node

di động và có thể di chuyển ra xa trạm trung tâm

Để giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đổi giữa các cảm biến và base station được truyền đa chặng (multihop) Các liên kết đa chặng có thể kéo dài khoảng cách và đưa ra một đường đi linh hoạt hơn Phương pháp này tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể can nhiễu giữa các node đang tranh chấp truy cập kênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSNs có mật độ cao Mô hình truyền dữ liệu được minh họa trên hình 2.2 Gói yêu cầu được phát đi, các node đáp lại bằng

Trang 31

Hình 2.2 Truyền dữ liệu đa chặng

2.2 Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây

Mạng WSNs có nhiều điểm chung với mạng có dây và mạng ad hoc Tuy nhiên WSNs có một số đặc điểm riêng, do đó đòi hỏi phải có thiết kế giao thức định tuyến riêng cho mạng WSNs.[2]

2.2.1 Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian:

Node cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lưu trữ và thông tin hạn chế

do giới hạn nguồn năng lượng cung cấp Mật độ cảm biến có thể rất ít cũng có thể rất dầy đặc Trong mạng WSNs, node ở trạng thái động và khả năng thích ứng cao

do yêu cầu tự phân bố và tiết kiệm năng lượng Các node phải điều chỉnh hoạt động

Trang 32

24

để đáp ứng với sự thất thường và không thể đoán trước của kết nối không dây gây

ra bởi mức nhiễu cao và can nhiễu tần số vô tuyến làm giảm chất lượng ứng dụng

2.2.2 Tài nguyên hạn chế

Các node cảm biến được thiết kế với độ phức tạp ít nhất và giá thành thấp

để đáp ứng cho các mạng cỡ lớn Năng lượng là vấn đề quan tâm nhiều nhất trong mạng WSNs, phải tạo ra hoạt động lâu dài trong điều kiện nguồn pin hạn chế Truyền đa đường qua mạng không dây chính là nguồn gây tiêu tốn công suất nhiều nhất Vấn đề quản lý nguồn năng lượng trở thành một thách thức với mạng WSN trong nhiều ứng dụng quan trọng

Các kiểu dữ liệu trao đổi giữa các node phụ thuộc vào đặc điểm riêng của từng ứng dụng cụ thể Có những ứng dụng yêu cầu thu thập dữ liệu theo chu kỳ hay khi có sự xuất hiện của một sự kiện nào đó Trường hợp khác dữ liệu lại được tập hợp, lưu trữ, xử lí bởi một một node sau đó được chuyển tiếp cho các node khác Đối với mạng qui mô lớn, số lượng lớn node cảm biến phân bố trên khu vực rộng, các kiểu dữ liệu phức tạp cần có các giao thức định tuyến tối ưu để đảm bảo chất lượng thông tin và thời gian sử dụng của mạng Do đó thiết kế giải thuật định tuyến hiệu quả là yêu cầu quan trọng đảm bảo khả năng mở rộng qui mô và tính ổn định của mạng WSNs cũng như sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng trong tương lai.[1]

2.3 Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây

Mạng WSNs được xây dựng với số lượng lớn cảm biến, phân bố trên một vùng địa lí Các thiết bị cảm biến (node) này bị hạn chế về nguồn cung cấp và do đó

bị giới hạn khả năng xử lí và thông tin

Việc khai thác để sử dụng hiệu quả các lợi ích tiềm năng của mạng WSNs đòi hỏi khả năng tự tổ chức và kết hợp ở mức độ cao của các node cảm biến Do đó, thiết kế giao thức mạng và liên lạc hiệu quả cho WSNs trở thành điều quan trọng để mang lại thành công trong hoạt động của mạng Xây dựng phần cứng cho mạng không dây liên kết đa đường để truyền dữ liệu đòi hỏi phải tạo sự liên lạc giữa các node lân cận Không giống thông tin trong mạng có dây dẫn, mạng không dây dựa trên truyền sóng điện từ qua môi trường không khí, tuân theo các đặc tính truyền

Trang 33

25

sóng Việc đổi xử với các node trong mạng phải ngang nhau Để đạt được các mục tiêu này, việc sử dụng giao thức điều khiển truy nhập môi tường MAC (Medium Access Control) là cần thiết

Một số giao thức MAC đã được đề nghị cho mạng WSNs, lựa chọn giao thức

do đặc tính của mạng quyết định

2.3.1 Mô hình giao thức cho WSNs

Đặc điểm kênh truyền chỉ cho phép một node truyền thông điệp tại một thời điểm xác định Việc chia sẻ truy cập kênh truyền cần phải xây dựng giao thức MAC cho các node trong mạng Từ mô hình tham khảo OSI (Open Systes Interconnection Refrence Model _OSIRM) Lớp cao của DDL được xem như lớp điều khiển logic (LLC) Sự tồn tại của lớp LLC cho phép nhiều lựa chọn cho lớp MAC, phụ thuộc vào cấu trúc và giao thức của mạng, đặc tính kênh truyền, và chất lượng cung cấp cho ứng dụng

Lớp vật lí (PHY) gồm các đặc tính về môi trường truyền và cấu hình mạng

Nó định nghĩa giao thức và chức năng các thiết bị vật lí, giao diện về mặt điện để đạt được việc thu nhận bit Chức năng chủ yếu lớp PHY bao gồm các quy ước về điện, mã hóa và khôi phục tín hiệu, đồng bộ phát và thu, quy ước về chuỗi bít,

Lớp MAC nằm ngay trên lớp vật lí Cung cấp chức năng sau:

- Kết hợp dữ liệu vào frame để gởi đi bằng cách thêm vào trường header gồm thông tin về địa chỉ và trường kiểm soát lỗi

- Tách frame thu được để lấy ra địa chỉ và thông tin kiểm tra lỗi khôi phục lại thông điệp

- Điều chỉnh truy cập đối với kênh truyền chia sẻ theo cách phù hợp đòi hỏi

về đặc điểm của ứng dụng

Trang 34

26

Hình 2.3 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu Lớp LLC của DDL cung cấp giao diện trực tiếp cho lớp cao hơn Mục đích chính là để ngăn cách lớp cao với các lớp thấp hơn phía dưới, do đó tạo ra khả năng hoạt động giữa các dạng khác nhau của mạng

2.3.2 Giao thức MAC

2.3.2.1 Các thông số

Có rất nhiều thông số cần quan tâm khi thiết kế giao thức MAC Một số vấn

đề quan trọng như độ trễ, khả năng lưu thông, tính chắc chắn, khả năng mở rộng, tính ổn định và sự công bằng trong đối sử với các node được quan tâm nhất trong giao thức MAC

* Hiệu suất sử dụng năng lượng:

Hiệu quả sử dụng năng lượng là một vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế giao thức MAC cho WSNs Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của lớp MAC:

Trang 35

27

- Sự đụng độ (Collision): xảy ra khi có 2 hay nhiều node cùng phát tại một thời điểm Phát lại gói bị hư sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ

- Trạng thái lắng nghe (idle listening)

- Overhearing: khi node nhận được các gói dành riêng cho các node khác

- Overhead điều khiển gói

- Chuyển đổi (frequent switching): thay đổi các trạng thái hoạt động khác nhau có thể gây hao phí năng lượng Hạn chế số lần chuyển đổi giữa chế độ hoạt động - ngủ của node có thể tiết kiệm năng lượng hiệu quả

Giao thức lớp liên kết dữ liệu sử dụng năng lượng hiệu quả khi loại bỏ hay ít nhất là làm giảm hao phí năng lượng từ các nguồn nên trên Hơn nữa hiệu quả có thể nâng lên bằng cách dùng các sơ đồ quản lý năng lượng thông minh tập trung không chỉ tại các node mà còn ở các nguồn tiêu thụ năng lượng khác

2.3.2.2 Các giao thức chung:

Lựa chọn phương thức MAC chủ yếu dựa trên đặc điểm của mạng WSNs Nhiều giải thuật được nêu lên để giải quyết vấn đề chia sẻ truy cập Các giải thuật hướng đến sự cân bằng giữa chất lượng cao nhất của việc ra quyết định và overhead

để có được các quyết định này

* Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols):

Mỗi node được chia một lượng cố định xác định trước tài nguyên kênh truyền Dùng tài nguyên này một cách riêng biệt mà không bị tranh chấp với các node khác Các giao thức thường dùng là đa truy cập chia theo tần số (FDMA), đa truy cập chia theo thời gian (TDMA), và đa truy cập chia theo mã (CDMA)

* Giao thức phân chia theo nhu cầu (Demand Assignment Protocols):

Mục tiêu chính của các giao thức phân chia theo nhu cầu là cải thiện việc sử dụng kênh truyền bằng cách chia dung lượng kênh cho các node theo cách tối ưu hay gần như tối ưu Không giống các giao thức phân chia cố định, dung lượng kênh truyền được chia độc quyền cho một node nào đó mà không cần xác định trước nhu cầu thông tin hiện tại của node Giao thức phân chia theo nhu cầu bỏ qua các node ở

Trang 36

28

trạng thái nghỉ và chỉ xem xét các node sẵn sàng phát Kênh truyền được chia thành những lượng thời gian riêng biệt theo từng node

- Hỏi vòng (Polling)

- Đặt khe thời gian (Reservation)

* Giao thức phân chia ngẫu nhiên (Random Assignment Protocols):

Trong giao thức phân chia cố định, mỗi node thông tin được chia một băng tần trong FDMA hay khe thời gian trong TDMA Sự phân chia này là tĩnh, không quan tâm đến node có hay không có dữ liệu để phát Do đó không hiệu quả nếu có nhiều thiết bị trong mạng Khi không có dữ liệu để truyền, node ở trạng thái nghỉ, băng thông được chia bị lãng phí Giải thuật phân chia ngẫu nhiên cố gắng để loại

bỏ sự phân chia trước băng thông cho các node liên lạc

Giao thức phân chia ngẫu nhiên không thực hiện bất cứ điều khiển nào để xác định node nào có thể truy cập kế tiếp Hơn nữa, giao thức này không chia trước thời gian cho các node để phát dữ liệu Tất cả các node trong mạng phải tranh chấp

để truy cập đường truyền Sự đụng độ xảy ra khi có nhiều hơn một node phát đồng thời Để đối phó với đụng độ, giao thức phải bao gồm các kỹ thuật để phát hiện đụng độ và lập kế hoạch cho việc phát lại các gói dữ liệu bị đụng độ

Giao thức truy xuất ngẫu nhiên ban đầu được phát triển cho vô tuyến đường dài và thông tin vệ tin ALOHA là giao thức đầu tiên thuộc dạng này, còn gọi là pure ALOHA.Giao thức ALOHA cho phép các node truyền bất kỳ khi nào chúng có

dữ liệu để phát đi Từ ALOHA phát triển thành nhiều giao thức khác như CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

2.3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs:

Nhu cầu duy trì năng lượng là vấn đề quan trọng nhất trong thiết kế giao thức MAC cho mạng WSNs Nhiều nhân tố gây ra lãng phí năng lượng, như overhead quá dài, lắng nghe trong trạng thái nghỉ, đụng độ các gói, và nghe lén (overhearing) Điều tiết truy cập đòi hỏi trao đổi thông tin điều khiển và đồng bộ giữa các node tranh chấp Sự trao đổi lượng lớn thông tin này cũng làm tăng công suất tiêu thụ Chu kỳ lắng nghe dài làm tăng tiêu thụ năng lượng và giảm lưu lượng qua mạng

Trang 37

29

Việc phát lại các gói bị đụng độ tiêu tốn lượng lớn năng lượng của node Số đụng

độ xảy ra nhiều làm giảm chất lượng của giao thức MAC Tương tự, việc nghe gói

mà địa chỉ đến không phải là của node (gọi là nghe lén) cũng làm tiêu tốn năng lượng không cần thiết

Đối tượng chính của giao thức MAC là giảm năng lượng hao phí do đụng độ, lắng nghe, nghe lén, và overhead quá dài Các giao thức này được phân ra làm 2 nhóm: giao thức mớp MAC dựa trên cở sở có kế hoạch (schedule-based) và dựa trên tranh chấp (contention-based)

Schedule-based là lớp giao thức MAC truy cập kênh truyền dựa trên lịch trình sắp xếp sẵn Kênh truyền được giới hạn cho một node tại một thời điểm bằng cách phân trước tài nguyên hệ thống cho riêng node đó

Contention-based tránh phân trước tài nguyên cho node Thay vào đó, kênh truyền radio được chia sẻ cho tất cả các node và theo nhu cầu Nhưng nhiều node cùng có nhu cầu sử dụng kênh truyền, kết quả là đụng độ xảy ra

Chức năng chính của giao thức lớp MAC dựa trên tranh chấp là tối thiểu hoặc tránh hoàn toàn đụng độ Việc giải quyết đụng độ thường đạt được bằng cách dùng giải thuật phân tán, ngẫu nhiên để sắp xếp lại truy cập kênh truyền đối với các node đang tranh chấp Ý tưởng căn bản để giảm đi overhead là buộc các node phải vào trạng thái ngủ khi nó không hoạt động Tuy nhiên, trạng thái ngủ của các node

mà không có sự phối hợp có thể làm việc thông tin giữa các node lân cận trở nên khó khăn

2.3.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC:

Giao thức sensor-MAC (S-MAC) được thiết kế để giảm hao phí năng lượng

do đụng độ, lắng nghe, overhead điều khiển, và overhearing Mục tiêu là tăng hiệu suất năng lượng trong khi vẫn đạt được sự ổn định và khả năng mở rộng

2.3.4.1 Tổng quát

Thiết kế giao thức đáp ứng cho số lượng lớn node, khả năng lưu trữ liên lạc

và xử lí hạn chế Các node sắp xếp thành mô hình mạng ad hoc (được giới thiệu ở chương đầu), tự cấu hình, tự quản lý Dữ liệu phát ra bởi các cảm biến được xử lí

Trang 38

30

dưới dạng lưu trữ và gởi đi Mạng chuyển đổi luân phiên giữa khoảng thời gian rỗi không có sự kiện gì xảy ra, và khoảng tích cực khi có luồng dữ liệu qua kênh truyền Hơn nữa, các ứng dụng có thể phải chịu tăng thời gian trễ do sự mở rộng thời gian sống của mạng Ứng dụng thường thuộc các dạng giám sát, the dõi môi trường tự nhiên và bảo vệ các công trình trọng yếu

S-MAC tạo chu kỳ nhiệm vụ thấp trên các node qua mạng đa đường, tiết kiệm năng lượng đáng kể Trong suốt khoảng thời gian không có sự kiện gì xảy ra, node S-MAC theo chu kỳ sẽ luân phiên giữa chế độ lắng nghe và ngủ Mỗi node ngủ và thức dậy sau những khoảng thời gian đặt trước, trong khi tắt chế độ thu phát radio Khi hết thời gian này, node chuyển sang chế độ tích cực Để giảm overhead điều khiển mà vẫn đảm bảo được độ trễ gói thấp, giao thức dùng chế độ ngủ có phối hợp giữa các node lân cận Việc ngủ theo chu kỳ giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ

Tầm quan trọng của trễ gói phụ thuộc nhiều vào đòi hỏi cảu ứng dụng MAC tập trung vào các ứng dụng chịu độ trễ cỡ vài giây Tuy nhiên, khi node theo lịch trình bị hạn chế, độ trễ có thể rất đáng kể S-MAC dùng kỹ thuật lắng nghe thích ứng (adaptive listening)

S-Do đặc điểm của các ứng dụng, tại mỗi thời điểm nhất định một node cảm biến có thể có lượng lớn thông tin cần trao đổi với các node xung quanh nó Để đáp ứng các yêu cầu này trong khi phải giảm overhead, S-MAC hy sinh sự công bằng truy cập kênh truyền, một node được phép gởi một thông điệp dài dưới dạng chùm

Kỹ thuật này cải thiện điều khiển overhead và tránh overhearing

2.3.4.2 Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep):

Một trong các tiêu chí khi thiết kết S-MAC là giảm năng lượng tiêu thụ do lắng nghe, phương pháp thường dùng là xây dựng chu kỳ làm việc ngắn cho các node Theo chu kỳ, các node chuyển sang trạng thái ngủ, tắt các bộ thu phát vô tuyến Node chuyển sang tích cực khi có lưu lượng qua mạng Hình 2.4 mô tả chu

kỳ làm việc của node với thời gian lắng nghe và thời gian ngủ tạo thành khung (frame) Dựa trên sơ đồ này, mỗi node đặt timer cho wake-up và vào chế độ ngủ

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	1,68 MB