Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network WSN)

Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network WSN)

- 

-BÁO CÁO TIỂU LUẬN

MÔN: Mạng máy tính

Mạng cảm biến không dây

(Wireless Sensor Netwơrk-WSN)

LỜI NÓI ĐẦU

Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những nămgần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ,tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin.Hiện nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng không dây để áp dụngvào trong cuộc sống hàng ngày Mạng cảm ứng được ứng dụng rất nhiều trong đờisống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây đang phảiđối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảmứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất nhiều nghiên cứu đang tập trungvào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khácnhau Trong tương lai các ứng dụng của mạng cảm ứng không dây sẽ trở thành mộtphần không thể thiếu trong cuộc sống

Trong bài tiểu luận này nhóm em sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảmứng không dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để

mô phỏng và đánh giá 1 giao thức cơ bản trong mạng cảm biến không dây Đó là cácgiao thức AODV

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

UDP User Datagram Protocol Giao thức gói người dùng

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

ID Identifier Mã nhận dạng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

TDMA Time Divistion Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gianCSMA Carrier Sense Multiple Access Truy cập đường truyền có lắng nghe

NAM Network Animator Minh họa mạng

NS Network Simulator Mô phỏng mạng

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải

QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ

SMP Sensor Management Protocol giao thúc quản lí mạng cảm biến

TADAP Task Assignment and Data

Advertisement Protocol

G.thức quảng bá dữ liệu và chỉ địnhnhiệm vụ cho từng sensor

SQDDP Sensor Query and Data giao thức phân phối dữ liệu và

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

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

ADV Advertise Bản tin quảng bá

REQ Request Bản tin yêu cầu

DS - SS Directed-Sequence Spread Spectrum Trải phổ tuần tự

BS Base Station (Sink) Trạm gốc

CH Cluster Head Nút chủ cụm

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 2

I.1 Giới thiệu 2

I.2 Cấu trúc mạng WSN 3

I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN 3

I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 5

I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN 6

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN 8

I.4.1 Thời gian sống bên ngoài 8

I.4.2 Sự đáp ứng 9

I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) 9

I.4.4 Hiệu suất (Synergy) 9

I.4.5 Tính mở rộng (Scalability) 10

I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity) 10

I.4.7 Tự cấu hình 10

I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi 10

I.4.9 Thiết kế có hệ thống 10

I.5 Ứng dụng của mạng WSN 11

CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12 II.1 Giới thiệu 12

II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến 12

II.2.1 Tính động của mạng 12

II.2.2 Sự triển khai các node 12

II.2.3 Tính đến năng lượng 13

II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 13

II.2.5 Khả năng của các node 14

II.2.6 Tập trung/ hợp nhất dữ liệu 14

II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN 15

II.4 Các loại giao thức định tuyến 17

II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols) 17

II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 22

II.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) 25

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG AODV BẰNG NS2 39

III.1 Giới thiệu NS2 39

III.1.1 Kiến trúc NS2 39

III.1.2 Các đặc điểm NS2 41

III.2 Các phần mềm dùng kết hợp với NS2 41

III.2.1 NAM 41

III.2.2 NSCRIPT 42

III.2.3 XGRAPH 42

III.2.4 TRACEGRAPH 43

III.3 Mô phỏng WSN trên NS2 43

III.3.1 Giả thiết 43

III.3.2 Thực hiện mô phỏng cho AODV 43

III.3.3 Kết quả mô phỏng 44

I 4 Kết luận 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

LỜI KẾT 55

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN

I.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới pháttriển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trìnhcông nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên

Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóngradio Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận,thu thập, xử lý và truyền dữ liệu Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏgọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ thống trên phạm

vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài

Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạng phạm

vi ở nhà (Bluetooth) Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được hỗ trợinternet không dây Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng với tính diđộng cao Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler

Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao Bluetooth và Home RF đích đến là tại nhà.Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũngthấp.

WSN khác với các mạng trên Nó có 1 số lượng lớn các node Khoảng cáchgiữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng trên Do WSN hoàn toàn chỉ làcác node, chi phí cho mỗi node là ít Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều, bởi vìviệc thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả Tốc độ dữ liệu vàtính di động trong WSN cũng thấp hơn

Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhận khôngdây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo thành một cách công khai, sẵn sàng đểthương mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể dễ dàng

sử dụng thiết bị này Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley Sự tiện íchcủa các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giátương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đã mang lại một vai trò đầy đủtrong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận không dây

Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley

I.2 Cấu trúc mạng WSN

I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN

Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấuthành mạng nút cảm biến Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùytheo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả vềnăng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số

môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thuphát sóng để truyền thông với các nút lân cận Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4thành phần cơ bản, như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processingunit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể cóthêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị(location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động(mobilizer)

Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.

Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổitương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa trên những hiện tượng quansát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý

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

Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi và nhận các dữliệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn có thể

là một số loại pin Để các nút 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 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 các nhiệm

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 ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêuthụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động,

và thích ứng với môi trường

I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thìgiao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản.Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cầncác nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy các mạngcảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toànmạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến khôngdây

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông sốmột các tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông quacác nút khác (gọi là tự định vị)

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biếnkhông thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thuthập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông

và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tớisink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng

Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:

 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 ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.4 Mỗi một

nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink Dữ liệu đượcđịnh tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm Các sink có thể giao tiếp với cácnút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN

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 đến người dùng đầu cuối thông qua internet

hay vệ tinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến (hình 1.5)

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.

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 lớp vật lý, lớp liên kết

dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý

di động và phần quản lý nhiệm vụ

mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng Trong lớp

ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP– Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ chotừng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phânphối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination).

cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, haykết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với ngườidùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói ngừời dùng (UDP – UserDatagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission ControlProtocol) thông qua internet hoặc vệ tinh Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảmbiến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ Hơnnữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và địnhtuyến tập trung dữ liệu

truyền tải Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thứcnhư mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy thiết kế lớp mạng trongmạng cảm biến phải theo 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

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

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

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không dây.Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là địnhtuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xét theo hoạt độngthì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyếntheo truy vấn (query- based), định tuyến thỏa thuận (negotiation-based), định tuyếntheo chất lượng dịch vụ (QoS – Quanlity of Service), định tuyến kết hợp (coherent-based)

luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường Vì môitrường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập

môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và phải cókhả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.

mang, điều chế, lập mã và tách sóng

biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từmột nút lân cận Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi mức công suấtcủa nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó

có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường Công suấtcòn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến Nhờ xác định được các nútcảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụthực hiện

một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thựchiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thựchiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó

Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùngnhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạngcảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN

I.4.1 Thời gian sống 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 cực gần

1 tháng hoạt động Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho mộtmạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế Trong thực tế, pin rất cần thiếttrong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng không cầnthay thế trong vài năm Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thunăng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin

I.4.2 Sự đáp ứng

Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển cácnode trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: chế độ ngủ (modesleep) và chế độ hoạt động (mode active) Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là

1 thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ 1 cách tùy ý cóthể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các sensor Trong một số ứngdụng, các sự kiện trong tự nhiên được tìm thấy và thông báo nhanh, thì sự trễ bởi lịchngủ phải được giữ ở giới hạn chính xác, thậm chí trong sự tồn tại của nghẽn mạng

I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness)

Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao phủ chính xác grained coverage) Mục tiêu này phổ biến ở số lượng lớn các thiết bị không đắt tiền.Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi Tốc độ lỗi cũng

(fine-sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắc khe và trongvùng của kẻ địch Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng kỹ sảo để có thể đápứng tốt Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầu của hệ thống là không bịhỏng với các thiết bị lỗi

I.4.4 Hiệu suất (Synergy)

Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị vềcác mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanhchóng sự chính xác của bộ cảm biến Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được đặt ra ở đây làgiá cả trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài cent), nó có thểlàm cho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhất định Đó là lý do đểthiết kế các giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ có dungnăng lớn hơn so với dung năng của các thành phần trong nó cộng lại Các giao thứccung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính và các tài nguyên thông tin

I.4.5 Tính mở rộng (Scalability)

WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn 10 ngàn, thậm chí

là hàng triệu node trong một giới hạn về độ dài).Có một vài hạn chế về thông lượng vàdung lượng làm ảnh hưởng đến scalability của hoạt động mạng

I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity)

Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trình càiđặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến) Sự không đồng nhất sẽ

có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế

I.4.7 Tự cấu hình

Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ thống phân phốikhông cần chủ Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong thiết kế Ngay từkhi bắt đầu, các node trong WSN có thể được cấu hình theo topo mạng của chúng; tựđồng bộ, tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác

I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi

Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạt độngtrước khi triển khai Dưới những điều kiện đó, việc xây dựng những máy móc để cóthể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học được đó đểtiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng

Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường mà WSN hoạtđộng có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian Các giao thức WSN sẽ làm cho thiết bị cóthể thích nghi với môi trường năng động trong khi nó đang sử dụng

Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

 Cảm biến môi trường:

 Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…

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

 Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…

 Điều khiển:

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

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

Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải

Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…

Hệ thống giao thông thông minh:

 Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưuthông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…

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

 Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết

bị thông minh,…

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bịthông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễnthông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…)

CHƯƠNG II ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dâyphải đối mặt với rất nhiều vấn đề Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra để giảiquyết vấn đề định tuyến dữ liệu Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu cầu về ứngdụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng Chương này trình bày baloại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến trung tâm dữliệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyếndựa vào vị trí (location-based protocol)

II.1 Giới thiệu

Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng adhoc

có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà tạo chochúng tồn tại thành mạng riêng Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyếnmới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây vàkhông dây

II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến

II.2.1 Tính động của mạng

Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm ứng, nút sink và các

sự kiện cần giám sát Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút cảm ứng di động, cònlại hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định Tuy nhiên trong một số ứngdụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển Khi đó các bản tin chọn đườngđược lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút di động sẽ phải đối mặt vớinhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng Các

sự kiện cảm nhận có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng

II.2.2 Sự triển khai các node

Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được xác địnhtrước hoặc tự phân bố Trong trường hợp được xác định trước, các nút được đặt bằngtay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định Tuy nhiên trong các hệthống tự tổ chức, các nút cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một cấu trúc theo

kiểu ad hoc Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các nút chủ cũng góp

phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt động của mạng Tronghầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thường có cự ly ngắn do cáchạn chế về năng lượng và băng thông Do đó việc chọn đường sẽ thực hiện qua nhiềubước nhảy.

II.2.3 Tính đến 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 trường hợp có nhiều vật cản, định tuyến

đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp Tuynhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu đề (overhead) để điềukhiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền Định tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn

trong trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các trường hợp

các nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định tuyến đa bước nhảyhay được sử dụng hơn Trong WSN đa bước nhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền

số liệu và chọn đường Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồncông suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đườnglại các gói hoặc tổ chức lại mạng

II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu

Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu trong WSN cóthể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc ghép lạicác phương pháp này

Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng yêu cầu giámsát số liệu định kỳ Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm biến và bộ phận pháttheo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xácđịnh

Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến sẽphản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuất hiệnmột sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút gốc haycác nút khác trong mạng

Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thờigian Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo sốliệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa năng lượng và sự ổn định tuyến

II.2.5 Khả năng của các node

Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là có khảnăng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau Tuy nhiênphụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện các chứcnăng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chức năng trongcùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút đó

Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kĩ thuật liênquan đến định tuyến Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp nhiều sensor để kiểmtra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịch chuyểnthông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh của các vậtchuyển động Tốc độ đọc của các sensor này có thể khác nhau, vì thế với những môitrường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn Ví

dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biến bìnhthường khác Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút cảm biến phân bốhoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất, băng thông và bộ nhớ Do

đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập trung bởi một nhóm các nút chủ nhóm

II.2.6 Tập trung / hợp nhất dữ liệu

Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm số lầntruyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tập trung lại Tậptrung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc dùng các

chức năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy trung bình (average) Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc toàn bộ trong mỗi

một nút cảm ứng Việc tinh toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với giao tiếp, và quátrình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng kể Kĩ thuật này được

sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến Trong một số cấu trúc mạng, tất cảcác chức năng tập trung dữ liệu được chỉ định cho các nút nhiều năng lượng và chuyêndụng Tập trung dữ liệu cũng khả thi trong kỹ thuật xử lý tín hiệu

II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN

Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong WSN Ngoài cách chialàm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phâncấp và định tuyến dựa vào vị trí việc chọn đường trong WSN còn có thể được chiathành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựa theo vị trítuỳ thuộc vào cấu trúc mạng Những giao thức này cũng có thể được chia thành cácgiao thức chọn đường đa đường, yêu cầu hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất lượngdịch vụ -QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức Ngoài ra, các giao thức chọnđường có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc ghép tuỳ thuộc vàocách thức mà nguồn tìm đường tới đích Trong các giao thức chủ động, tất cả cácđường được tính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tácthì các đường được tính toán theo yêu cầu Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theocấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn chọn đường) Việc phân

loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN được chỉ ra trong hình 2.1 và hình 2.2

Hình 2.1: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN