Nghiên cứu và thử nghiệm giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập cảm biến sóng mang FDMA Frequency division multiple a

LỜI CẢM ƠN

  

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô giáo ở Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông, Viện đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã trang bị cho tôi những kiến thức nền tảng trong thời gian học tại trường

Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Kim Khánh, giảng viên bộ môn Kỹ thuật máy tính, Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông

đã nghiêm khắc, tận tình hướng dẫn cho tôi những kiến thức và tài liệu quý giá, định hướng trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn Nhờ sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tâm của thầy, tôi mới có thể hoàn thành được luận văn này

Con xin gửi lời ghi ơn sâu sắc đến cha mẹ, những người đã luôn động viên con suốt mọi hoàn cảnh Cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, những người thân yêu đã luôn sát cánh, ủng hộ và động viên trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Mặc dù tôi đã nghiêm túc và cố gắng hoàn thành đề tài luận văn thạc sỹ nhưng do kiến thức còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong muốn nhận được sự phê bình, góp ý của các Thầy cô để luận văn của tôi được tốt hơn

Ngày 22 tháng 09 năm 2015 Học viên thực hiện

Lê Gia Hòa

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Các kỹ thuật được dùng cho mạng cảm biến không dây 2

1.2.1 Mô tả mạng cảm biến không dây 2

1.2.2 Phần cứng và phần mềm của nút cảm biến 4

1.2.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 6

1.2.4 Phân loại mạng cảm biến không dây dựa trên đồ hình mạng 8

1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây 10

1.3.1 Năng lượng tiêu thụ 10

1.3.2 Chi phí 10

1.3.3 Loại hình mạng 11

1.3.4 Tính bảo mật 11

1.3.5 Độ trễ 11

1.3.6 Tính di động 12

1.4 Kiến trúc phân tầng mạng WSN 12

1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây 15

1.5.1 Giới hạn năng lượng 15

1.5.2 Giới hạn về băng thông 15

1.5.3 Giới hạn về phần cứng 15

1.5.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài 15

1.6 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 16

1.7 Chuẩn mạng WSN: 18

CHƯƠNG 2: 19

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19

2.1 Giới thiệu 19

2.2 Thách thức về định tuyến và thiết kế trong các WSN 20

2.2.1 Triển khai nút cảm biến 20

2.2.2 Tiêu thụ năng lượng mà không làm mất tính chính xác 20

2.2.3 Mô hình báo cáo dữ liệu 20

2.2.4 Tính không đồng nhất của nút cảm biến/ kết nối 21

2.2.5 Chịu lỗi 21

2.2.6 Khả năng mở rộng 22

2.2.7 Tính động của mạng (dynamics): 22

2.2.8 Môi trường truyền: 22

2.2.9 Kết nối (connectivity): 23

2.2.10 Độ hội tụ: 23

2.2.11 Tập hợp dữ liệu: 23

2.2.12 Chất lượng dịch vụ QoS: 24

2.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến 24

2.3.1 Phân loại 24

2.3.2 Tổng quan các giao thức dựa trên cấu trúc mạng 26

CHƯƠNG 3: 28

GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH PHÂN CẤP 28

3.1 Giới thiệu 28

3.2 Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) 29

3.2.1 Mô tả giao thức LEACH 29

3.2.2 Hoạt động của giao thức LEACH 30

3.2.3 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation) 37

3.2.4 Ưu điểm 37

3.2.5 Nhược điểm 37

3.3 Giao thức LEACH - C (LEACH – Centralized) 38

3.3.1 Mô tả hoạt động giao thức LEACH-C 38

3.3.2 Ưu điểm, nhược điểm: 39

3.4 Giao thức STAT-CLUSTER 41

3.5 Giao thức PEGASIS 41

3.6 Một số ý tưởng cải tiến giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp 44

3.6.1 Cải tiến giao thức LEACH 44

3.6.2 Cải tiến giao thức PEGASIS 48

CHƯƠNG 4: 50

MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐÁNH GIÁ 50

4.1 Phần mềm mô phỏng mạng NS2 50

4.1.1 Giới thiệu về NS2 50

4.1.2 Các ngôn ngữ lập trình trong NS2 53

4.1.3 Mã MIT 57

4.2 Mô phỏng các giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp và đánh giá 60

4.2.2 Thử nghiệm quá trình hình thành cụm 62

4.2.3 Thử nghiệm số nút mạng còn sống theo thời gian 67

4.2.4 Thử nghiệm tổng số năng lượng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian 72

4.2.4 Thử nghiệm tỉ lệ nút/ số byte nhận được ở trạm gốc 72

4.2.5 Thử nghiệm tỉ lệ dữ liệu/ năng lượng 74

4.3 Tóm tắt 75

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

LỜI CAM ĐOAN

Tôi – Lê Gia Hòa – cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Lê Gia Hòa

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập cảm biến sóng mang

FDMA Frequency division multiple

access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu

LEACH Low energy adaptive clustering

NS-2 Network Simulator version 2 Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2

Otcl Object-oriented tool command

language

Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hướng đối tượng

PA Power available Mức năng lượng hiện tại

PEGASIS Power-Efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Tập hợp dữ liệu hiệu quả về năng lượng cho các hệ thống thông tin cảm biến QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ

SPIN Sensor protocols for information

Status Cluster Phân chia cụm một lần rồi cố định

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TORA Temporally Ordered Routing

WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây

WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng WSN

Bảng 4.1: Phân cụm và chọn nút chủ cụm theo vòng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây

Hình 1.2: Mạng đơn bước (A) và mạng đa bước (B)

Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Hình 1.10: Ứng dụng của WSN trong quân sự

Hình 1.11: Ứng dụng cảnh báo cháy rừng

Hình 1.12: Ứng dụng trong y tế

Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến trong mạng WSN

Hình 3.1: Cấu trúc của giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp

Hình 3.2: Giao thức LEACH

Hình 3.3: Các pha của giao thức LEACH theo thời gian

Hình 3.4: Giải thuật thành lập cụm trong LEACH

Hình 3.5: Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau

Hình 3.6: Mô hình Leach ở pha ổn định

Hình 3.7: Hoạt động của pha ổn định trong LEACH

Hình 3.8: Hoạt động của LEACH trong một vòng

Hình 3.9: Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng

Hình 3.10: Pha thiết lập của LEACH – C

Hình 3.11: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy

Hình 3.12: Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS

Hình 3.13: Biểu đồ giao thức E-LEACH

Hình 3.14: Giao thức M-LEACH

Hình 3.15: Định tuyến của giao thức Multihop-LEACH

Hình 3.16: Định tuyến PEGASIS phân cấp

Hình 4.1: Mô hình đơn giản của NS

Hình 4.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS

Hình 4.3: Sự tương đồng giữa C++ và OTcl

Hình 4.13: Tổng số nút còn sống theo thời gian

Hình 4.14: Tổng số nút còn sống theo thời gian

Hình 4.15: Tổng số nút năng lượng tiêu thụ theo thời gian

Hình 4.16: Tỷ lệ nút/ số byte nhận được ở trạm gốc

Hình 4.17: Tỷ lệ dữ liệu/ năng lượng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Ngày nay mạng không dây đã phổ biến ở gia đình, cơ quan hoặc nơi công cộng nhưng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSN) mà mạng WSN đã có những ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống Mạng cảm biến không dây là sự kết hợp của việc cảm nhận thông tin, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị cảm biến nhỏ Thế mạnh của mạng WSN ở chỗ nó có khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị cảm biến có khả năng tự thiết lập cấu hình cho hệ thống Sử dụng những thiết bị này để theo dõi thông tin môi trường vật lý, hóa học, sinh học v.v theo thời gian thực

Nhược điểm lớn nhất của hệ thống mạng cảm biến không dây là thời gian sống của các nút cảm biến là giới hạn vì chúng được cấp nguồn bởi pin Những nghiên cứu mới nhất hiện nay liên quan đến hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến không dây nhằm giúp hệ thống hoạt động hiệu quả, thời gian sống lâu hơn có nghĩa là mạng không dây ổn định hơn Các nghiên cứu cho thấy giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng cho các nút cảm biến nhờ vậy thời gian sống tăng lên Trước xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây Căn cứ tình hình thực

tế cần các hệ thống WSN để phục vụ cho nhiều lĩnh vực tôi đã chọn hướng nghiên cứu là “Nghiên cứu và thử nghiệm giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp trong mạng cảm biến không dây”

Luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây

Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Chương 3: Giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp

Chương 4: Sử dụng NS2 để mô phỏng WSN, nghiên cứu và phân tích các

giải thuật LEACH, LEACH-C, STAT-CLUS, PEGASIS

2 Mục đích nghiên cứu

Luận văn này thực hiện với mục đích tìm hiểu nghiên cứu các phương pháp xây dựng mạng cảm biến dựa trên các kỹ thuật, các giao thức định tuyến trên mạng không dây Trên cơ sở đó, đề tài sẽ mô phỏng mạng không dây để nghiên cứu các vấn đề về năng lượng, thời gian sống, dữ liệu truyền

và thời gian trễ trên trạm gốc Để đáp ứng mục đích đề tài cần tìm hiểu về lý thuyết mạng cảm biến không dây, nghiên cứu và thử nghiệm một số giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp thông qua các phần mềm mô phỏng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng của mạng cảm biến không dây, Phần mềm mô phỏng để xây dựng và thử nghiệm mạng cảm biến

 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây, các giao thức định tuyến, đặc biệt đề tài tập trung nghiên cứu giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp

4 Phương pháp nghiên cứu

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

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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN Wireless Sensor Network) là một trong những ngành công nghệ thông tin phát triển nhanh chóng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Dây chuyền sản xuất công nghiệp, theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, theo dõi do thám các mặt trận quân sự như hạt nhân, sinh học hay hóa học, chẩn đoán sự hỏng hóc của thiết bị, tự động thu nhận thông tin của bệnh nhân để gửi thông báo cho bác sỹ, theo dõi và điều khiển giao thông v.v

Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ vi mạch, các hệ thống trên chip (SoC) có đầy đủ các chức năng: giao tiếp không dây, cảm biến, bộ xử lý và tính toán tín hiệu đã tạo ra những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, công suất tiêu thụ điện thấp, giá thành thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây WSN là một mạng liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua các kết nối không dây, mỗi nút mạng có đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu, các nút mạng có số lượng lớn, được phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng năng lượng là pin có dung lượng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài khoảng vài tháng đến vài năm, có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như: chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ

Các nút mạng thường có chức năng cảm nhận, thu nhận các thông số môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, theo dõi hay định vị các mục tiêu

cố định hoặc di động Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm gốc (base station) bằng nhiều kỹ thuật khác nhau

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các nút cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lượng của chúng Giới hạn năng lượng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác nhau trong đó việc sử dụng các giao thức định tuyến có quản lý năng lượng sẽ làm thay đổi thời gian sống của các nút rất hiệu quả

Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:

 Hình thành bởi nhiều nút cảm biến, các nút có thể không đồng nhất, các nút có khả năng tự tổ chức

 Yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người

 Các nút truyền thông vô tuyến và truyền đơn bước hoặc đa bước

 Triển khai số lượng lớn trên phạm vi rộng

 Các nút bị giới hạn về năng lượng, bộ nhớ và khả năng xử lý

 Giao thức mạng có thể thay đổi do môi trường hoặc thay đổi số nút

1.2 Các kỹ thuật được dùng cho mạng cảm biến không dây

1.2.1 Mô tả mạng cảm biến không dây

Trong một mạng cảm biến không dây (hình 1.1) các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (Sensor field) Các mũi tên trong hình cho thấy kiến trúc truyền thông của một WSN Mỗi nút cảm biến được đặt phân tán trong trường cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu Mỗi nút cảm biến dựa vào quyết định của nó tùy theo nhiệm vụ, thông tin mà nó có và khả năng của nó về tính toán, truyền thông

và tài nguyên năng lượng Mỗi loại cảm biến được phân bố rải rác này có khả năng lựa chọn và định tuyến số liệu đến các cảm biến khác hoặc ngược trở lại một hoặc nhiều trạm cơ sở (BS) bên ngoài Một trạm cơ sở có thể là một nút cố định hoặc một nút di động nối với mạng cảm biến đến hạ tầng truyền thông đang tồn tại hoặc đến Internet và từ đó con người có thể truy cập vào dữ liệu [1][3][8]

Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây

BS

Trong mạng WSN vì kỹ thuật giao tiếp không dây sử dụng cho các nút cảm

biến có nhiều hạn chế nếu gặp vật cản hoặc khoảng cách quá xa Đặc biệt khi

khoảng cách giữa nút phát và nút thu càng xa nhau thì cần công suất phát sóng càng

lớn.Vì vậy để giảm công suất tổng thể cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp

Đó là lý do đa số các mạng cảm biến không dây dùng giao tiếp đa bước (multihop)

được mô tả trong hình 1.2B

A B

Hình 1.2: Mạng đơn bước (A) và Mạng đa bước (B)

Mạng đơn bước (single-hop) trong hình 1.2A cho thấy từ các nút con có thể

gửi dữ liệu trực tiếp về nút gốc, mạng này thích hợp mạng nhỏ, có thể coi mạng đơn

bước là một trường hợp đặc biệt của mạng đa bước nếu xét trên một phạm vi nhỏ

Mạng đa bước thật sự hiệu quả trong trường hợp các nút có khoảng cách lớn, dữ

liệu không thể gửi trực tiếp từ nút con về nút gốc thì dữ liệu sẽ được gửi thông qua

các nút trung gian trước khi tới nút gốc Lợi ích thực sự của truyền đa bước đôi khi

không phải vì không thể truyền trực tiếp từ nút con tới nút gốc do khoảng cách xa

mà trong truyền đa bước sử dụng nút trung gian để giảm tải và chia sẻ tiêu thụ năng

lượng giữa các nút

Như vậy các nút con ngoài nhiệm vụ thu nhận dữ liệu còn phải chuyển tiếp dữ

liệu về nút gốc Tuy truyền đa bước có thể giải quyết bài toán về khoảng cách

nhưng lại gặp phải vấn đề là sử dụng năng lượng hiệu quả và xung đột khi có quá

nhiều nút yêu cầu gửi dữ liệu tới một nút trung gian để chuyển tiếp, Điều này thể

hiện trong mạng WSN hình cây, hình lưới thì những nút càng gần nút gốc càng phải

Nút cảm biến Nút gốc Nút trung gian

làm trung gian chuyển tiếp nhiều gói tin nên sẽ dễ bị tắt nghẽn và tổn hao năng lượng hơn nút khác Để nâng cao hiệu suất trong truyền đa bước thường người ta

can thiệp bằng thuật toán định tuyến, hoặc dựa trên việc nút truyền tiếp

1.2.2 Phần cứng và phần mềm của nút cảm biến

Các thành phần trong một nút cảm biến được minh họa trên hình 1.3 Bản thân một nút cảm biến là một máy vi tính nhỏ nên một nút cảm biến có thể phân tích dựa trên phần cứng và phần mềm của nó như sau:[3]

 Bộ cảm biến thường có hai thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và

bộ chuyển đổi tương tự/ số (ADC) Các cảm biến thu được các tín hiệu tương tự các sự kiện, sau đó sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số bằng

bộ chuyển đổi ADC rồi đưa tới bộ xử lý

 Bộ xử lý với một bộ nhớ bên trong sẽ phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục tương tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ

 Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến với nhau và với trạm gốc với nhau bằng kết nối không dây như là vô tuyến, hồng ngoại hoặc tín hiệu quang

 Thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến hoạt động trong vài tháng hoặc vài năm Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các bộ phát điện năng như các tấm pin mặt trời

 Do hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và nhiệm

vụ các cảm biến cần có sự nhận biết vị trí với độ chính xác cao Vì vậy các nút cảm biến được tích hợp thêm hệ thống định vị

mới trước khi chuyển tiếp đi Các ứng dụng cơ bản để người dùng sử dụng

1.2.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Trong kiến trúc phân cấp thì chức năng cảm biến, tính toán và tập hợp dữ liệu được quy định tùy theo khả năng các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện định

tuyến, tập hợp dữ liệu của cụm, và cấp trên cùng thực hiện định tuyến, tập hợp dữ liệu của trường cảm biến

Hình 1.5: Kiến trúc phân cấp hai tầng

Mạng cảm biến xây dựng theo kiến trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn kiến trúc phẳng, do các lý do sau:

+ Kiến trúc phân cấp giúp giảm thiểu số lượng các nút tham gia vào việc truyền dữ liệu trên khoảng cách dài với trạm gốc Mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ nhờ vậy chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao Với kiến trúc phân cấp nếu thay vào đó một số lượng lớn các nút

có cấu hình, chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm biến, một số lượng nhỏ hơn các nút có cấu hình, chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị

và đồng bộ thời gian, lúc này chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi, điều này làm tăng tuổi thọ cho mạng

+ Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút

để thỏa mãn yêu cầu điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng kiến trúc phẳng, kích cỡ mạng tăng thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm

+ Việc nghiên cứu các mạng kiến trúc phân cấp đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề kích cỡ mạng tăng thì thông lượng của mỗi nút giảm Một cách áp dụng là dùng một kênh đơn lẻ trong kiến trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu

nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến

1.2.4 Phân loại mạng cảm biến không dây dựa trên đồ hình mạng

Dựa trên đồ hình mạng (topology), mạng cảm biến không dây có thể phân thành ba loại sau: [1][3][8]

1.2.4.1 Mạng hình sao đơn bước

Mạng hình sao đơn bước là topo đơn giản nhất được sử dụng trong mạng cảm biến không dây Trong cấu trúc này, tất cả các nút giao tiếp trực tiếp với các gateway Cấu trúc này có thiết kế đơn giản, phù hợp quy mô mạng nhỏ, dễ dàng triển khai trên thực tế

Do tính đơn giản mà cấu trúc này có những hạn chế về khả năng mở rộng, Nếu mạng có quy mô lớn hơn thì các nút ở xa sẽ có các kết nối chất lượng thấp đến gateway Lúc này chất lượng thông tin nhận được dễ bị sai lệch

Hình 1.6: Mạng hình sao đơn bước 1.2.4.2 Mạng lưới và mạng lưới vuông đa bước:

Đối với mạng cảm biến không dây có quy mô lớn, sử dụng mạng đa bước là phù hợp Trong cấu trúc này, các tín hiệu được truyền đi từ nút cảm biến này đến nút cảm biến khác cho đến khi nó gửi đến được gateway Các tuyến đường của các tín hiệu được xác định bởi một giao thức định tuyến cụ thể nào đó

Tùy thuộc vào thực tế, cho dù các WSN được triển khai như thế nào thì topology nào cũng có hai dạng chính là mạng lưới và mạng lưới vuông Topology

kiểu mạng lưới và mạng lưới vuông còn được gọi topology ngẫu nhiên và topology cấu trúc Hình dạng hai cấu trúc mạng này được mô tả trong hình 1.7A và hình 1.7B

A B Hình 1.7: Mạng đa chặn lưới và ô vuông 1.2.4.3 Phân cấp cụm hai tầng:

Các topo phổ biến nhất cho mạng cảm biến không dây có quy mô rộng là topo dạng phân cấp cụm hai tầng Trong dạng topo này, các nút trong một khu vực đặc biệt sẽ báo cáo dữ liệu của nó cho một nút được chọn gọi là nút chủ cụm Nút chủ cụm này cùng với các nút chủ cụm trong các cụm khác tạo thành một tầng mạng bao phủ lên các các cụm trong mạng (Hình 1.5 và Hình 1.8)

Các mạng trong các tầng có thể trao đổi dữ liệu với nhau thông qua các nút chủ cụm, các nút chủ cụm cũng có thể trao đổi dữ liệu với nhau Cuối cùng dữ liệu thu thập được từ các nút con, thông qua nút chủ cụm sẽ được gửi về nút gốc

Ưu điểm của cấu trúc phân cấp này là nó hình thành nên hai nhóm các nút có chức năng và nhiệm vụ khác nhau, Hai nhóm nút trong một mạng lớn hình thành tạo nên cấu trúc phân tầng, việc định tuyến có thể được thực hiện trên cơ sở các tầng Các nút chủ cụm cũng có thể được thiết kế mạnh hơn về cấu hình, khả năng

xử lý thông tin hoặc thậm chí có thể được liên kết thông qua một mạng có dây để tăng tốc độ truyền và độ tin cậy

1.3.2 Chi phí

Khi thiết kế dự toán mạng cảm biến không dây thì giá thành cũng là một yếu

tố cần đƣợc quan tâm Vì vậy khi thiết kế, cấu hình mạng và giao thức truyền thông cần tránh sử dụng các thành phần đắt tiền và tối thiểu hóa độ phức tạp của giao thức truyền thông Trong mạng cảm biến không dây, số lƣợng các nút mạng sử dụng là khá lớn và khi chi phí để sản xuất từng nút đƣợc giảm đi thì giá thành của toàn bộ

hệ thống giảm đi đáng kể

Ngoài chi phí mua thiết bị, mạng cảm biến cần thêm chi phí quản trị và bảo trì hệ thống Mạng cảm biến không dây có khả năng là tự cấu hình và tự bảo trì Tự cấu hình có nghĩa là tự động dò tìm vị trí các nút lân cận và tổ chức thành một cấu trúc xác định Tự bảo trì có nghĩa là tự động phát hiện và sửa lỗi nếu phát sinh trong

hệ thống mà không cần sự tác động của con người Với các tính năng này thì mạng cảm biến không dây ngày càng chứng tỏ những ưu việt của mình

1.3.3 Loại hình mạng

Mạng cảm biến không dây với số ứng dụng đơn giản trong phạm vi nhỏ thì mạng hình sao đơn bước (single-hop star) có thể đáp ứng được các yêu cầu truyền nhận và xử lý dữ liệu Trong mạng hình sao chỉ một nút sẽ đóng vai trò nút chủ, còn lại là nút con kết nối tới nút chủ Khi mạng WSN được mở rộng thì cấu trúc hình sao đơn thuần này sẽ không đáp ứng được, mạng sẽ phải có cấu hình đa chặng (multi-hop) kiểu phân cấp Cấu hình này sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên bộ nhớ và xử

lý tính toán hơn do mật độ của các nút mạng tăng và diện tích của mạng được phủ trên một phạm vi lớn

1.3.4 Tính bảo mật

Tính bảo mật trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất quan trọng, đặc biệt là các ứng dụng trong quân sự Nếu các mạng có dây rất khó có thể lấy được thông tin khi truyền đi giữa 2 đối tượng thì việc truyền tín hiệu không dây trong không gian có thể thu được bởi người ngoài Sự nguy hiểm không chỉ là việc đánh cắp thông tin mà còn ở chỗ những thông tin đó có thể bị chỉnh sửa và phát lại

để phía thu nhận được những thông tin không chính xác

Bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận Các kỹ thuật bảo mật sẽ thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin, điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bít xác thực v.v

Các nút có tăng cường chức năng bảo mật sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên

về mặt năng lượng và băng thông, tuy nhiên bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong truyền tin

1.3.5 Độ trễ

Các ứng dụng thông thường của mạng cảm biến không có yêu cầu cao về thời gian thực khi truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lượng nguồn tin trừ một số

trường hợp đặc biệt như các hệ thống có tính khẩn cấp Trong một mạng cảm biến không dây khá lớn, các thông tin của các nút con được tập hợp ở nút chủ để xử lý và đưa về trạm trung tâm Việc thông tin phải được xử lý nhiều lần ở các nút trung gian sẽ làm trễ luồng dữ liệu Đồng bộ hóa là một trong các kỹ thuật để tránh thông tin thu được bị sai lệch

1.3.6 Tính di động

Đa số các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di động vì khi triển khai hệ thống các nút cảm biến thường ở vị trí cố định Một số ứng dụng đòi hỏi nút gốc và các nút cảm biến phải di chuyển, khoảng cách tương đối giữa chúng cũng có thể thay đổi nên hệ thống gặp nhiều vấn đề như cấu hình mạng, năng lượng thu phát vô tuyến v.v

1.4 Kiến trúc phân tầng mạng WSN

Để giảm độ phức tạp của việc thiết kế và cài đặt mạng, mạng WSN được phân tích thiết kế theo quan điểm các tầng chồng nhau, mỗi một tầng sẽ có giao thức tương ứng Vì vậy kiến trúc phân tầng còn được gọi là kiến trúc giao thức Trong mạng cảm ứng không dây, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến gửi đến trạm gốc Trạm gốc sẽ gửi dữ liệu đến người dùng thông qua internet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến được mô tả trong hình 1.9 [8]

Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức có hai nhóm chính là nhóm các giao thức truyền thông và nhóm các giao thức quản lý Nhóm các giao thức truyền thông bao gồm tầng ứng dụng (Application Layer), tầng giao vận (Transport Layer), tầng mạng (Network Layer), tầng liên kết số liệu (Datalink Layer) và tầng vật lý (Physical Layer) Nhóm các giao thức quản lý bao gồm mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản

lý nhiệm vụ (Task Management Plane) [3][4]

Chức năng, nhiệm vụ cơ bản của các tầng và các mặt bằng như sau:

 Tầng ứng dụng: Các phần mềm ứng dụng phù hợp được xây dựng và sử

dụng trong tầng ứng dụng tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến Tầng ứng dụng cài đặt một số giao thức quan trọng như giao thức quản lý mạng cảm biến (SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination)

 Tầng giao vận: Tầng này giúp thiết lập, duy trì luồng số liệu mà ứng dụng

mạng cảm biến yêu cầu Tầng giao vận cần thiết khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển giữa trạm gốc với người dùng thì có thể là giao thức gói người dùng (UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh Còn giao tiếp giữa trạm gốc và các nút cảm biến sử dụng giao thức UDP

 Tầng mạng: Nhiệm vụ chính của tầng này chủ yếu xử lý việc định tuyến

dữ liệu được cung cấp bởi tầng giao vận Việc định tuyến trong mạng cảm biến đối mặt với rất nhiều thách thức như mật độ các nút, hạn chế về năng lượng, tính di động v.v… Vì vậy thiết kế tầng mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau để có hiệu quả tốt nhất:

 Hiệu quả về năng lượng luôn là vấn đề trọng tâm

 Các mạng cảm biến cần xử lý tập trung dữ liệu tại một số nút

 giao thức mạng cần chú ý vấn đề tích hợp dữ liệu

 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và xác định vị trí

Nhiều giao thức định tuyến đã được thiết kế cho mạng cảm biến không dây

Cơ bản chúng được chia thành hai nhóm chính, nhóm thứ nhất dựa theo cấu trúc mạng, nhóm thứ hai tùy thuộc cơ chế hoạt động của giao thức Mỗi nhóm còn được chia thành các nhóm nhỏ hơn sẽ được trình bày rõ hơn ở phần sau

 Tầng liên kết dữ liệu: Tầng liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc hợp

nhất các luồng dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường Nó đảm bảo truyền thông tin cậy điểm nối điểm và điểm nối đa điểm Vì môi trường 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 có khả năng tránh va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

 Tầng vật lý: Tầng vật lý là tầng thấp nhất, nó liên quan đến định nghĩa cấu

trúc mạng vật lý bao gồm lựa chọn công suất, tần số sóng mang, điều chế, mã hóa việc truyền bít và các qui tắc định thời

 Mặt bằng quản lý công suất: Có nhiệm vụ điều khiển việc sử dụng công

suất của nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau Khi mức công suất của 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 suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

 Mặt bằng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự di chuyển

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

 Mặt bằng quản lý nhiệm vụ: Có nhiệm vụ lên kế hoạch các nhiệm vụ

cảm biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng

đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó

Những giao thức quản lý và giao thức truyền thông phối hợp hoạt động sao cho sử dụng hiệu quả công suất, hiệu quả định tuyến trong mạng cảm biến không dây và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

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

Mạng cảm biến không dây khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ thuật Khi nắm rõ được những khó khăn này chúng ta sẽ

có phương án thiết kế phù hợp để mạng cảm biến hoạt động tối ưu hơn [1][5][10]

1.5.1 Giới hạn năng lượng

Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng các nguồn năng lượng là pin Khi số lượng nút mạng lớn, yêu cầu tính toán cao, khoảng cách truyền lớn thì sự tiêu thụ năng lượng sẽ tăng lên Chính vì vậy cần tìm các giải pháp để có thể tối ưu việc xử lý và truyền dữ liệu với một năng lượng ban đầu của các nút nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng

1.5.2 Giới hạn về băng thông

Tốc độ truyền thông vô tuyến mạng WSN bị giới hạn tốc độ trong khoảng từ 20-250 Kbps Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các nút

1.5.3 Giới hạn về phần cứng

Các nút cảm biến của mạng cảm biến không dây có kích thước nhỏ, tốc độ xử lý thấp để tiết kiệm năng lượng Một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lượng lớn các nút trên một phạm vi hẹp Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng như không gian lưu trữ trên mỗi nút

1.5.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài

Các nút trong mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền vô tuyến nên

dễ bị ảnh hưởng bởi những can nhiễu vô tuyến bên ngoài, điều này có thể làm mất hoặc sai lệch thông tin khi truyền từ nút về trạm gốc

1.6 Ứng dụng mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có thể phân loại khác nhau tùy theo cảm biến được dùng Các cảm biến đã được các nhà sản xuất như cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ

ẩm, từ tính, ánh sáng, tín hiệu hồng ngoại, âm thanh v.v Một số thiết kế các bộ cảm biến cho phép cảm biến các đặc điểm môi trường như lượng xe cộ, mức độ tiếng ồn, các loại ô nhiễm môi trường, tốc độ và kích thước vật thể v.v Hiện nay

do sự phát triển của công nghệ mà mạng WSN đã có những ứng dụng trong gia đình

Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế như sau:

 Ứng dụng trong quân sự: Mạng cảm biến không dây có thể triển khai nhanh

chóng nhờ thả từ máy bay, Các thiết bị cảm biến như camera, camera hồng ngoại, micro sẽ theo dõi lực lượng, trang bị, hướng di chuyển, phát hiện giám sát mục tiêu, các dấu hiệu vũ khí nguyên tử, sinh học của đối phương v.v Các mạng WSN này với khả năng tự cấu hình lại khi có nút bị hỏng nên độ

ổn định cao Nhờ thế mạng cảm biến không dây trở thành một ứng dụng chiến lược trong quân sự (Hình 1.10)

Hình 1.10: Ứng dụng của WSN trong quân sự

 Ứng dụng trong quản lý môi trường: Ứng dụng thường gặp là cảnh báo cháy

rừng (hình 1.11), cảnh báo lũ, ô nhiễm môi trường Các ứng dụng phổ biến

khác của mạng cảm biến không dây bao gồm: theo dõi sự xuất hiện và di chuyển của động vật, theo dõi nhiệt độ, mức nước, áp suất khí quyển v.v

Hình 1.11: Ứng dụng cảnh báo cháy rừng

 Ứng dụng trong y tế: Để thuận tiện cho việc theo dõi tình trạng bệnh nhân

mọi nơi, mọi lúc Mỗi bệnh nhân được gắn các nút cảm biến nhỏ, các nút cảm biến này có thể dán lên từng vị trí trên cơ thể, các nút cảm biến cũng có thể được cấy vào từng cơ quan của cơ thể bệnh nhân, hoặc có thể là một cái

áo có gắn sẵn các nút cảm biến (hình 1.12) Mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ khác nhau ví dụ có nút cảm biến đo nhịp tim trong khi nút cảm biến khác đo huyết áp v.v Lúc này mạng cảm biến là hạ tầng để truyền các trạng thái, triệu chứng của bệnh nhân cho bác sỹ theo mô tả hình sau

Hình 1.12: Ứng dụng trong y tế

1.7 Chuẩn mạng WSN:

Phạm vi ứng dụng của mạng WSN rộng lớn Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ) phù hợp cho từng triển khai ứng dụng cụ thể dựa vào các thiết bị phần cứng có trên thị trường Một số chuẩn WSN đã được công bố như sau: [3][6]

ALOHA system (U of Hawaii)

PRNET system (U.S Defense)

WINS (U of California)

PicoRadio (U of California)

MicroAMPS (M.I.T)

MANET (Mobile ad-hoc Network)

Zigbee/IEEE 802.15.4

Trong đó chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4 là một tiêu chuẩn được định nghĩa:

là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz

Với những đặc điểm chính :

- Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps

- Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng

- Thời gian sử dụng pin rất dài

- Cài đặt, bảo trì dễ dàng

- Độ tin cậy cao

- Có thể mở rộng đến 65000 node

dữ liệu, do đó các giao thức dựa trên địa chỉ IP không áp dụng được cho các mạng cảm biến không dây WSN Thứ hai, ngược với các mạng truyền thông khác, hầu hết các ứng dụng của các mạng cảm biến yêu cầu dữ liệu gửi từ nhiều nguồn đến một trạm cơ sở BS cụ thể Vì lý do này nên không cản trở luồng dữ liệu ở các dạng khác nhau (ví dụ như multicast hoặc peer to peer) Thứ ba, các nút cảm biến bị ràng buộc chặt chẽ về mặt năng lượng, khả năng lưu trữ và xử lý, do đó chúng đòi hỏi việc quản lý tài nguyên cẩn thận Thứ tư, trong hầu hết các tình huống ứng dụng, các nút trong các mạng cảm biến không dây WSN thường là không chuyển động, ngoại trừ một số ứng dụng cần các nút di động Thứ năm các mạng cảm biến thường là đặc trưng cho các ứng dụng Thứ sáu việc nhận biết vị trí nút cảm biến là rất quan trọng khi dữ liệu được tập hợp thường dựa vào vị trí Cuối cùng, dữ liệu thu được do nhiều nút cảm biến khá gần nhau có một xác suất cao về việc dư thừa dữ liệu Sự dư thừa dữ liệu phải được các giao thức định tuyến trong mạng WSN khai thác để cải thiện về năng lượng và sử dụng băng thông.[5][7][10]

Chương này sẽ trình bày các thách thức về định tuyến và thiết kế, phân loại và

so sánh các giao thức định tuyến trong mạng WSN

2.2 Thách thức về định tuyến và thiết kế trong các WSN

Chính vì những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà phần dưới đây tóm tắt các thách thức định tuyến và thiết kế ảnh hưởng đến việc xử lý định tuyến trong WSN [5]

2.2.1 Triển khai nút cảm biến

Việc triển khai các nút cảm biến phụ thuộc vào ứng dụng và làm ảnh hưởng đến hiệu năng của giao thức định tuyến Việc triển khai các nút cảm biến là ngẫu nhiên hoặc được tính trước Trong việc triển khai được tính trước thì các nút cảm biến được đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến qua các đường dẫn xác định trước Còn trong triển khai ngẫu nhiên các nút cảm biến được rải ngẫu nhiên tạo thành một hạ tầng và trong một ngữ cảnh tùy biến Nếu việc phân tán các nút cảm biến không đồng nhất thì việc tạo lập nhóm tối ưu là cần thiết để cho phép kết nối

và cho phép mạng hoạt động hiệu quả về năng lượng Truyền thông liên các nút thường thực hiện trong phạm vi truyền ngắn do sự giới hạn về năng lượng và băng thông Do đó, mỗi tuyến gồm nhiều nút không dây

2.2.2 Tiêu thụ năng lượng mà không làm mất tính chính xác

Các nút cảm biến được thiết lập với nguồn năng lượng hạn chế để thực hiện việc tính toán và truyền thông tin trong môi trường không dây Thời gian sống của nút cảm biến phụ thuộc phần lớn vào tuổi thọ của pin Trong multihop WSN, mỗi nút cảm biến đóng vai trò kép như bộ truyền dữ liệu và bộ định tuyến Sự trục trặc của một số nút cảm biến do hỏng nguồn có thể gây ra các thay đổi quan trọng về topology và có thể yêu cầu định tuyến lại gói tin và tổ chức lại mạng

2.2.3 Mô hình báo cáo dữ liệu

Việc cảm nhận và báo cáo dữ liệu trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và tính tới hạn (độ khẩn cấp) cần thiết phải báo cáo dữ liệu Báo cáo dữ liệu có thể được phân loại thành time-driven (liên tục), event-driven, query-driven, và lai (hybrid)

Mô hình chuyển tải theo thời gian (time driven) phù hợp với các ứng dụng yêu cầu giám sát dữ liệu định kỳ Do đó, các nút cảm biến sẽ định kỳ bật các nút cảm biến

và các bộ truyền, cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu theo một chu kỳ thời gian

nhất định Trong các mô hình event-driven và query-driven, các nút cảm biến phản ứng tức thì theo giá trị thuộc tính cảm nhận được theo sự kiện xảy ra hoặc truy vấn

do trạm cơ sở BS tạo ra Do đó, mô hình này phù hợp với các ứng dụng cần khẩn cấp theo thời gian Việc kết hợp các mô hình trên cũng có thể được thực hiện Các giao thức định tuyến bị ảnh hưởng nhiều bởi mô hình báo cáo dữ liệu có đề cập đến vấn đề tiêu thụ năng lượng và độ ổn định về định tuyến

2.2.4 Tính không đồng nhất của nút cảm biến/ kết nối

Trong nhiều nghiên cứu, tất cả các nút cảm biến được cho là đồng nhất, ví

dụ, có cùng khả năng tính toán, truyền thông và mức năng lượng Tuy nhiên, phụ thuộc vào ứng dụng thì một nút cảm biến có thể có vai trò khác nhau hoặc có khả năng khác nhau Sự tồn tại của tập đồng nhất của các nút cảm biến đã dấy lên nhiều vấn đề kỹ thuật liên quan đến định tuyến dữ liệu Ví dụ, các ứng dụng có thể yêu cầu một sự pha trộn đa dạng của các nút cảm biến cho giám sát nhiệt độ, áp suất và

độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện chuyển động qua các dấu hiệu âm thanh, và bắt các hình ảnh và video của các đối tượng di chuyển Các cảm biến đặc biệt này có thể triển khai độc lập hoặc các chức năng khác nhau có thể được đặt trong cùng các nút cảm biến Thậm chí là các thông tin đọc và báo cáo dữ liệu do các nút cảm biến tạo ra ở các tốc độ khác nhau, mục đích là để đa dạng hóa các ràng buộc về chất lượng dịch vụ QoS và có thể theo nhiều mô hình báo cáo dữ liệu Ví

dụ, các giao thức phân cấp chỉ định một nút cảm biến chủ (clusterhead node) khác với các nút cảm biến thông thường Các nút cảm biến chủ clusterhead này được chọn ra từ các cảm biến đã được triển khai hoặc chúng là các nút cảm biến mạnh hơn các nút cảm biến khác về mặt năng lượng, băng thông truyền và bộ nhớ Do vậy, gánh nặng của việc chuyển tải dữ liệu đến các trạm cơ sở BS là do các cảm biến chủ Clusterhead này phụ trách

2.2.5 Chịu lỗi

Một số nút cảm biến có thể bị hỏng hoặc bị khóa do thiếu năng lượng, bị hỏng vật lý, hoặc bị nhiễu giao thoa môi trường Nút cảm biến hỏng không được làm ảnh hưởng đến chức năng của toàn mạng cảm biến Nếu nhiều nút cảm biến

hỏng, MAC và các giao thức định tuyến phải thích nghi với các liên kết mới và các tuyến đường đến các trạm cơ sở thu thập dữ liệu Nó đòi hỏi phải có sự điều chỉnh linh hoạt công suất phát và tốc độ báo hiệu (signaling rate) trên các liên kết đang tồn tại để giảm tiêu thụ năng lượng, hoặc định tuyến lại các gói dữ liệu qua các vùng mạng còn nhiều năng lượng dự trữ Do đó có nhiều mức dư thừa về năng lượng cần đến trong các mạng cảm biến có khả năng chịu lỗi (fault-tolerant)

2.2.6 Khả năng mở rộng

Số lượng nút cảm biến được triển khai trong vùng cảm nhận có thể có đến hàng trăm, hàng ngàn hoặc hơn nữa Bất kỳ một chiến lược định tuyến nào cũng phải có khả năng làm việc với số lượng lớn nút cảm biến như vậy Hơn nữa, các giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây WSN phải có khả năng mở rộng đủ

để đáp ứng lại các sự kiện trong môi trường Cho đến khi một sự kiện xảy ra, hầu hết các cảm biến phải ở trạng thái ngủ (sleep) và chỉ có một số ít nút cảm biến cung cấp dữ liệu thô

để cảnh báo sớm cháy rừng Giám sát các sự kiện tĩnh cho phép mạng làm việc ở chế độ phản kháng, chỉ đơn giản là sinh ra lưu lượng khi báo cáo Các sự kiện động trong hầu hết các ứng dụng yêu cầu báo cáo định kỳ và tuần tự tạo ra lưu lượng dữ liệu cần thiết gửi đến trạm cơ sở BS

2.2.8 Môi trường truyền:

Trong mạng cảm biến đa hop (multi hop), các nút truyền thông liên kết bằng môi trường không dây Các vấn đề truyền thông gắn với kênh truyền không dây (ví

dụ: fading, high error rate) có thể làm ảnh hưởng đến hoạt động của mạng cảm biến không dây Nói chung, yêu cầu về băng thông cho dữ liệu cảm biến thường thấp, khoảng từ 1 -100kb/s Liên quan đến môi trường truyền dẫn là thiết kế của lớp MAC (Media Access Control) Một tiếp cận trong thiết kế MAC cho các mạng cảm biến không dây là sử dụng các giao thức dựa trên TDMA sẽ dự trữ nhiều năng lượng hơn các giao thức sử dụng CSMA (ví dụ: 802.11) Công nghệ Bluetooth cũng

có thể được sử dụng

2.2.9 Kết nối (connectivity):

Mật độ nút cảm biến cao trong mạng cảm biến nên các nút cảm biến không

bị cách ly Tuy nhiên, nó không ngăn ngừa mạng biến đổi về topo cũng như kích thước mạng khi mà các nút bị hỏng Hơn nữa, kết nối phụ thuộc vào sự phân tán của các node.

2.2.10 Độ hội tụ:

Trong các mạng cảm biến không dây, mỗi nút cảm biến chứa một “góc nhìn”

về môi trường Và cái “góc nhìn” của nút cảm biến về môi trường bị hạn chế cả về phạm vi và độ chính xác; nó chỉ chứa thông tin trong một vùng vật lý giới hạn của môi trường Do đó, vùng bao phủ là một thông số thiết kế quan trọng trong các mạng cảm biến không dây WSN.

2.2.11 Tập hợp dữ liệu:

Khi các nút cảm biến sinh ra các dữ liệu dư thừa có ý nghĩa thì các gói tương

tự do nhiều nút sinh ra sẽ làm giảm hiệu năng truyền tải của mạng Tập hợp dữ liệu

là sự tổng hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau theo một chức năng tập hợp cụ thể như lược bỏ phần lặp, các giá trị tối thiểu, tối đa, và trung bình Kỹ thuật này dùng để tiết kiệm năng lượng hiệu quả và tối ưu việc truyền dữ liệu trong một số các giao thức định tuyến Các phương pháp xử lý số liệu cũng được dùng để tập hợp số liệu Trường hợp này được xem như tập hợp số liệu có khả năng sinh ra tín hiệu đầu ra chính xác bằng cách sử dụng một số kỹ thuật như sinh ra chùm tia để kết hợp các tín hiệu vào và giảm nhiễu trong các tín hiệu này

2.2.12 Chất lượng dịch vụ QoS:

Trong một số ứng dụng, số liệu được truyền trong một khoảng thời gian xác định khi nó được cảm nhận, nếu không thì dữ liệu trở nên vô nghĩa Do đó độ trễ truyền dữ liệu là một điều kiện ràng buộc với các ứng dụng ràng buộc về thời gian Tuy nhiên, trong nhiều ứng dụng thì việc dự trữ năng lượng liên quan đến thời gian sống của mạng còn quan trọng hơn cả chất lượng số liệu được truyền Khi năng lượng bị cạn kiệt, mạng sẽ bị yêu cầu giảm chất lượng để giảm năng lượng suy hao trong các nút cảm biến để kéo dài thời gian sống của mạng Do đó các giao thức định tuyến có khả năng nhận biết được năng lượng cần phải xem xét đến vấn đề này

2.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến

2.3.1 Phân loại

Có nhiều cách phân loại các giao thức định tuyến trong WSN Việc định tuyến trong WSN có thể chia thành hai nhóm chính (hình 2.1): nhóm thứ nhất tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng, nhóm thứ hai tùy thuộc cơ chế hoạt động của giao thức Nhóm thứ nhất còn có thể được chia thành định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp

và định tuyến dựa theo vị trí Nhóm thứ hai cũng có thể được chia thành các giao thức định tuyến theo truy vấn, định tuyến đa đường, giao thức định tuyến dựa trên đàm phán, định tuyến dựa trên xử lý dữ liệu liên kết và không liên kết hoặc định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ QoS Ngoài ra, các giao thức định tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc ghép tuỳ 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 Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu 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 đưa ra trong hình 2.1 và bảng 1 [5]

Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến trong mạng WSN

Tên và chi tiết của các giao thức định tuyến đã phát triển được mô tả đầy đủ

Dựa vào hỏi đáp Kết hợp số liệu

Xác định vị trí

QoS

Độ phức tạp của trạng thái

Khả năng định cỡ

Đa đường

Dựa vào yêu cầu

SPIN Phẳng Có thể Hạn chế Có Có Không Không Thấp Hạn chế Có Có

MCFA Phẳng Không Không

áp dụng Không Không Không Không Thấp Tốt Không Không CADR Phẳng Không Hạn chế Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Không

COUGAR Phẳng Không Hạn chế Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Có

ACQUIRE Phẳng Hạn chế Không áp dụng Không Có Không Không Thấp Hạn chế Không Có

EAR Phân cấp Hạn chế Không áp dụng Không Không Không Không Thấp Hạn chế Không Có

LEACH Phân cấp Nút gốc cố định Cực đại Không Có Có Không

Nút chỉ nhóm Tốt

Không Không

TEEN &

APTEEN Phân cấp Nút gốc cố định Cực đại Không Có Có Không

Nút chỉ nhóm Tốt

Không Không

PEGASIS Phân cấp Nút gốc cố định Cực đại Không Không Có Không Thấp Tốt Không Không

MECN &

SVECN Phân cấp Không Cực đại Không Không Không Không Thấp Thấp Không Không

OP Phân cấp Không Không

áp dụng Không Không Không Không Thấp Thấp Không Không HFAR Phẳng Không Không

áp dụng Không Không Không Không Thấp Tốt Không Không

VGA Phẳng Không Không

áp dụng Có Có Có Không

Nút chỉ nhóm Tốt Có

Không

TTDD Phẳng Có Hạn chế Không Không Không Không Trung

bình Thấp Có thể Có thể GAF Dựa theo

vị trí Không Hạn chế Không Không Không Không Thấp Tốt Không Không

GEAR Dựa theo

vị trí Không Hạn chế Không Không Không Không Thấp Hạn chế Không không

SPAN Dựa theo

vị trí Không Không áp dụng Có Không Không Không Thấp Hạn chế Không Không

MER

GEDIR

Dựa theo

vị trí Không Không áp dụng Không Không Không Không Thấp Hạn chế Không Không

GOAFR Dựa theo

vị trí Không Không áp dụng Không Không Không Thấp Tốt không Không

SAR Dựa theo

vị trí Không Không áp dụng Có Có Không Có Trung bình Hạn chế Không Có

Speed Dựa theo

QoS Không

Không

áp dụng Không Không Không Có Trung bình Hạn chế Không Có

Bảng 1.1: Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng WSN

2.3.2 Tổng quan các giao thức dựa trên cấu trúc mạng

Các kiến trúc mạng có thể đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Trong phần này sẽ khảo sát các giao thức định tuyến ở dạng này

+ Giao thức định tuyến phẳng (còn gọi là giao thức định tuyến ngang hàng):

Trong giao thức định tuyến phẳng đa bước nhảy (multihop) Trong các mạng phẳng thì mỗi node đóng cùng một vai trò và các nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến Do số lượng nút cảm biến rất lớn nên không khả thi

để đánh số hiệu ID toàn cầu cho mỗi nút cảm biến Điều đó dẫn đến dạng định tuyến dữ liệu trung tâm (data centric), ở đó các trạm cơ sở BS gửi các yêu cầu đến các vùng cụ thể và đợi dữ liệu truyền từ các nút cảm biến trong vùng đó về trạm cơ

sở BS Khi dữ liệu được truy vấn qua các query thì việc đặt tên dựa trên thuộc tính

là cần thiết để xác định các đặc tính của dữ liệu Giao thức định tuyến làm việc trên

mô hình định tuyến dữ liệu trung tâm, ví dụ, SPIN và định tuyến truyền trực tiếp (directed diffusion) cho thấy tiết kiệm năng lượng qua đàm phán dữ liệu và loại bớt

dữ liệu dư thừa

Có thể kể tên các giao thức SPIN, Directed Diffussion, GBR, MCFA

+ Giao thức định tuyến phân cấp (còn gọi là giao thức định tuyến theo cụm):

Định tuyến phân cấp hoặc dựa trên nhóm ban đầu đề xuất cho các mạng có dây, là những công nghệ nổi tiếng với các ưu điểm đặc biệt liên quan đến khả năng

mở rộng và truyền thông hiệu quả Kết quả là khái niệm định tuyến phân cấp được tận dụng để thực hiện định tuyến hiệu quả trong các mạng cảm biến không dây WSNs Trong một kiến trúc định tuyến phân cấp, các nút có mức năng lượng cao dùng để xử lý và gửi thông tin trong khi các nút cảm biến năng lượng thấp hơn dùng

để cảm nhận các thay đổi trong vùng lân cận với nút cảm biến đích Việc này nghĩa

là tạo lập các nhóm và giao các nhiệm vụ đặc biệt cho trưởng nhóm (cluster head)

có thể đóng góp vào việc mở rộng toàn hệ thống, kéo dài thời gian sống của mạng

và sử dụng hiệu quả năng lượng Định tuyến phân cấp là một phương pháp hiệu quả

để giảm năng lượng tiêu thụ trong một nhóm bằng cách tập hợp dữ liệu và hợp nhất

dữ liệu để giảm số thông điệp truyền đến trạm cơ sở BS Định tuyến phân cấp là định tuyến 2 lớp trong đó một lớp dùng để chọn các trưởng nhóm và lớp kia dùng

để định tuyến

Có thể kể tên các giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-F, E-LEACH, STAT- CLUSTER, PEGASIS, Hierarchical PEGASIS, Hop PEGASIS

+ Giao thức định tuyến dựa theo vị trí:

Trong loại định tuyến này, các nút cảm biến được đánh địa chỉ bằng các vị trí của chúng Khoảng cách giữa các nút láng giềng được ước lượng dựa trên độ mạnh của tín hiệu Có thể tính được tọa độ liên quan của các nút láng giềng bằng cách trao đổi thông tin giữa các nút láng giềng Thay vào đó, vị trí của các nút cảm biến

có thể xác định qua liên lạc với vệ tinh sử dụng GPS nếu các nút cảm biến được trang bị các bộ thu GPS có nguồn công suất nhỏ Để tiết kiệm năng lượng, một số phương pháp định tuyến dựa trên vị trí yêu cầu các nút đó chuyển sang trạng thái ngủ nếu không có hoạt động gì Năng lượng càng được tiết kiệm nếu có càng nhiều nút cảm biến trong mạng ở trạng thái ngủ

bổ sung Vì thế một trong những tiến bộ trong công nghệ mạng cảm biến không dây

là nghiên cứu phát triển các giao thức định tuyến có hiệu quả về năng lƣợng

Giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp hay gọi là phân cụm dựa trên giao thức định tuyến mà ban đầu đã đƣợc đề xuất trong mạng có dây Giao thức định tuyến phân cấp đƣợc biết là những công nghệ nổi tiếng với các ƣu điểm đặc biệt liên quan đến khả năng mở rộng và truyền thông hiệu quả Sử dụng khái niệm giao thức định tuyến phân cấp hiện trở nên quen thuộc giống nhƣ việc thực hiện định tuyến hiệu quả trong các mạng cảm biến không dây WSN

Hình 3.1: Cấu trúc của giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp

Mạng theo mô hình này sẽ chia toàn bộ hệ thống mạng thành một số cụm khác nhau Ở đây các nút đƣợc nhóm lại thành các cụm với mỗi cụm có một nút chủ cụm (CH) Nút CH này có trách nhiệm định tuyến các thông tin cảm nhận đƣợc từ các cụm đến BS Các dữ liệu đƣợc chuyển từ cụm cấp thấp hơn đến các cụm cấp cao hơn và cứ nhƣ vậy cho đến nút gốc (BS), điều này tạo nên một cấu trúc phân

cấp Trong cấu trúc này, đầu tiên dữ liệu được tổng hợp trong cụm ở cấp thấp hơn sau đó nó được gửi đến cụm cấp cao hơn để cuối cùng chuyển đến nút gốc của mạng WSN

Mô hình phân cấp tốt hơn so với mô hình multi-hop vì thứ nhất, nó có độ trễ

ít hơn so với mô hình multi-hop và thứ hai trong mô hình này chỉ mỗi CH thực hiện việc tập hợp dữ liệu, trong khi đó ở mô hình multi-hop mỗi nút đều phải thực hiện tập hợp dữ liệu, đó là lý do nó có hiệu quả rõ rệt Hình 3.1 trình bày cấu trúc cơ bản của giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp [5][7]

Giao thức định tuyến LEACH là một trong số những cách thực hiện định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm ứng không dây Ý tưởng của LEACH là tiền

đề cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác phát triển Ngoài giao thức LEACH, chương này sẽ trình bày các giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp khác như LEACH-C, STAT-CLUSTER và PEGASIS cũng như trình bày một số ý tưởng cải tiến giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp.[5]

3.2 Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

3.2.1 Mô tả giao thức LEACH

Giao thức LEACH là thuật toán phân cụm phân cấp cho các mạng cảm biến gọi là phân cấp cụm thích nghi năng lượng thấp Cơ chế cơ bản của giao thức này là việc chọn một số nút đóng vai trò nút chủ cụm (cluster-head), với số nút CH này là

cơ sở để chia mạng thành các cụm (cluster) Quá trình hoạt động của LEACH có hai pha bao gồm pha thiết lập (set-up phase) và pha ổn định (steady state phase) [2]

Kỹ thuật chính của giao thức LEACH gồm các thuật toán phân cụm, tự hình thành cụm thích nghi với các nút được phân bố ngẫu nhiên, định kỳ thay đổi vị trí nút chủ cụm Nút chủ cụm có chức năng điều khiển các nút trong cụm gửi dữ liệu cho nó theo một chu kỳ nhất định, tại nút chủ dữ liệu sẽ được thu thập và xử lý tùy thuộc vào từng ứng dụng, trước khi gửi tới trạm gốc Vì vậy nút chủ sẽ tiêu hao nhiều năng lượng hơn các nút thông thường Mà năng lượng của nút cảm biến là giới hạn nên giao thức LEACH cho phép thay đổi việc tạo cụm, thay đổi vị trí nút chủ cụm nhằm chia sẻ sự suy giảm năng lượng giữa các nút và kéo dài thời gian

sống của toàn hệ thống Mạng cảm biến không dây sau thi thiết lập giao thức LEACH được mô tả như hình 3.2 [4][5][16]

Hình 3.2: Giao thức LEACH

Trong mạng WSN nếu có các nút cảm biến khá gần nhau thì dữ liệu của các nút đó gửi về trạm gốc có thể tương quan giống nhau, người dùng cuối không cần yêu cầu tất cả dữ liệu đó hoặc chỉ cần những thông tin đã được xử lý, trích lọc đủ

mô tả những sự kiện xảy ra trong môi trường mà nút cảm biến được Giao thức định tuyến LEACH rất phù hợp với những ứng dụng có đặc điểm như trên Trong giao thức LEACH dữ liệu cảm biến từ các nút trong phạm vi cụm sẽ được xử l ý cục bộ tại nút chủ cụm trước khi gửi về trạm gốc, giảm được lượng thông tin dư thừa, giảm băng thông trên mạng, do đó tiết kiệm được năng lượng của nút

3.2.2 Hoạt động của giao thức LEACH

Phần trên đã trình bày khái quát về cơ chế hoạt động của giao thức định tuyến LEACH, phần này sẽ nghiên cứu hoạt động cụ thể của LEACH và nhận xét

về ưu điểm và nhược điểm của giao thức

Giao thức LEACH hoạt động theo các vòng, mỗi vòng gồm 2 pha, pha thiết lập (set-up phase), trong đó diễn ra quá trình chọn nút chủ và thành lập cụm Sau pha thiết lập là pha ổn định (steady-state phase), trong pha này xảy ra quá trình truyền dữ liệu lần lượt các nút trong cụm đến nút chủ cụm và từ nút chủ cụm đến

trạm gốc (base station) Thời gian của pha ổn định thường dài hơn thời gian của pha thiết lập để tiết kiệm chi phí cho giao thức Hình 3.3 cho thấy các pha này theo thời gian [17][18]

Hình 3.3: Các pha của giao thức LEACH theo thời gian

3.2.2.1 Pha thiết lập

Mỗi vòng hoạt động của giao thức LEACH được bắt đầu bằng pha thiết lập, trong pha thiết lập, bước đầu tiên là lựa chọn nút chủ của từng cụm và sau đó là thành lập cụm

3.2.2.1.1 Lựa chọn nút chủ của cụm

Khi bắt đầu mỗi vòng mới mỗi nút cảm biến n tự quyết định nó có là nút chủ cho vòng này hay không Quá trình chọn lựa diễn ra như sau: mỗi nút cảm biến chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1 Nếu con số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút

đó trở thành nút chủ T(n) được xác định theo phương trình sau:

r: chu kì hiện tại

G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/P chu kì cuối

G

0 )

T