Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)Nghiên cứu giao thức định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN (LV thạc sĩ)

II

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Anh Trung

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HỖ TRỢ HIỆU

QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông

III

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

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

Nguyễn Anh Trung

IV

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại khoa học và công nghệ bùng nổ theo từng ngày, nhu cầu sử dụng các hệ thống viễn thông ngày càng cao Vì vậy, đòi hỏi các kĩ thuật thu thập,

xử lý và truyền dữ liệu phải chính xác và nhanh chóng Để đáp ứng được nhu cầu

đó thì cần phải phát triển một hệ thống truyền thông không dây kết hợp với sự đa dạng hoá các loại hình dịch vụ Để giải quyết được nhu cầu đó, người ta đã phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) Mạng WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh hay giữa các thiết bị thông minh với con người hoặc các hệ thống viễn thông khác Một lĩnh vực nổi bật của mạng cảm nhận không dây (WSN) là sự kết hợp việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ Thông qua mạng lưới (Mesh Networking

Protocols), những thiết bị này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý

Từ những thách thức đó, theo định hướng của người hướng dẫn khoa học học

viên lựa chọn đề tài : " NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HỖ TRỢ

HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN " làm nội dung nghiên cứu

cho luận văn cao học Luận văn tập trung trực tiếp vào Giao thức ADV MAC trong mạng cảm biến không dây

Nội dung của luận văn gồm ba chương, trong đó:

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương II: Giao thức MAC hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng WSN Chương III: Giao thức ADV MAC trong mạng cảm biến không dây

Học viên xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS NGUYỄN CHIẾN TRINH đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình hoàn thành luận văn này Học viên hi vọng sau khi thực hiện xong, luận văn có thể là một tài liệu tham khảo có giá trị cho nhưng người tìm hiểu, nghiên cứu về mạng cảm biến WSN

V

DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

ADV Advertisement-based MAC MAC quảng cáo

BSS Basic Service Set Điểm dịch vụ cơ bản

BTS BaseTransceiverStation Trạm thu phát sóng di động

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập (đa người dùng) phân

chia theomã GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

LEACH Low-Energy Adaptive

Clustering Hierarchy

Phân bậc tương thích năng lượng thấp

LMS MAC Level multicasting scheme MAC dựa trên việc phân cấp đa

đường MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường NAMA Node-Activation Multiple Access Nút kích hoạt nhiều truy cập

NAV Network allocation Vector Vector thời gian chiếm giữ mạng

PAMAS Power aware medium-access with

signalling

Năng lượng báo hiệu trong truy nhập trung bình

QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ

TDMA Time Division multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

time out

VI

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN III LỜI MỞ ĐẦU IV DANH MỤC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT V

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11

1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 11

1.2 Các thiết bị cảm biến không dây 12

1.2.1 Bộ xử lý năng lượng thấp: 13

1.2.2 Bộ nhớ / Lưu trữ: 13

1.2.3 Bộ thu phát vô tuyến: 13

1.2.4 Các sensor (Cảm biến): 13

1.2.5 Hệ thống định vị địa lý GPS 13

1.2.6 Nguồn năng lượng: 13

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 14

1.3.1 Node cảm biến 14

1.3.2 Mạng cảm nhận 14

1.4 Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây 17

1.5 Vấn đề thách thức của mạng Wireless Sensor Networks (WSN) 19

1.6 Vấn đề tiết kiệm năng lượng mạng cảm biến không dây 20

1.6.1 Nguyên nhân của việc lãng phí năng lượng: 20

1.6.2 Các yếu tố tác động làm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng 21

1.6.3 Năng lượng việc báo hiệu trong truy nhập trung bình (Power aware medium-access with signalling - PAMAS): 22

1.6.4 Lập lịch ngủ: 23

1.7 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG II: GIAO THỨC MAC HỖ TRỢ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WSN 27

2.1 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây 27

2.2 Giao thức MAC dựa trên TDMA 28

2.2.1 (LEACH) Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp 28

2.2.2 Năng lượng các cụm TDMA (PACT) 30

2.2.3 TDMA tự ổn định (SS-TDMA) 31

2.2.4 Node-Activation Multiple Access (NAMA) 31

2.2.5 Giao thức truy cập trung bình nhẹ (L-MAC) 32

2.2.6 Truyền tải thích ứng với truy cập trung bình (Trama) 32

2.2.7 MH-TRACE 33

2.3 Giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh 34

2.3.1 Sensor-MAC 35

2.3.2 Time out-MAC 41

2.3.2 ADV-MAC: 48

2.4 Các giao thức MAC lai 49

2.4.1 IEEE 802.15.4 49

VII

2.4.2 Z-MAC 50

2.5 Kết luận chương 2 52

CHƯƠNG III: GIAO THỨC ADV-MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 53

3.1 Thiết kế tổng quan ADV MAC 53

3.1.1 Cơ bản hoạt động của ADV-MAC 53

3.1.2 Cơ chế cạnh tranh trong ADV-MAC 57

3.1.3 Vấn đề ngủ sớm của T-MAC 58

3.1.4 MAC Multicasting 58

3.1.5 Năng lượng tiêu thụ 59

3.2 Phân tích và tối ưu hóa cho hiệu quả năng lượng ADV-MAC 62

3.2.1 Thời gian Contention ADV 63

3.2.2 Thời gian Contention Dữ liệu 64

3.3 Mô hình phân tích của ADV-MAC 66

3.3.1 Tỷ lệ chuyển giao các gói Packet 66

3.3.1.1 Contention trong giai đoạn ADV 66

3.4 Kết luận chương 3 72

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

VIII

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng WSN [23] 11

Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley 12

Hình 1.3: Sơ đồ 1 nút mạng cảm biên không dây cơ bản [18] 12

Hình 1.4: Phân bố node cảm biến trong trường cảm biến 14

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 16

Hình 1.6: Kĩ thuật PAMAS 23

Hình 1.7: Lập lịch ngủ đồng bộ 24

Hình 1.8: Lập lịch ngủ không đồng bộ 24

Hình 1.9: Kĩ thuật lắng nghe với năng lượng thấp/việc kiểm tra tín hiệu preamble 26

Hình 2.1: Giao thức LEACH [25] 29

Hình 2.2: Time-line hoạt động của LEACH [25] 29

Hình 2.3: Các cụm trong PACT [14] 30

Hình 2.4: Cấu trúc khung MH-TRACE [11] 33

Hình 2.5: Một ảnh chụp của phân nhóm MH-TRACE và truy cập trung bình cho một phần của một phân phối thực tế của nút di động Các nút C1 - C7 là nút cluster-head [11] 34

Hình 2.6: Lược đồ S-MAC 35

Hình 2.7: Đồng bộ giữa các nút Hai nút lân cận A, B có lịch khác nhau vìA đồng bộ với C, B đồng bộ với D 36

Hình 2.8: Quan hệ định kỳ trong thời gian giữa nút nhận và các nút gửi 38

Hình 2.9: Thực hiện tránh nghe thừa Nút nào nên chuyển tới trạng thái ngủ 39

Hình 2.10: Lược đồ cơ bản T-MAC với thời gian thức thay đổi 42

Hình 2.11: Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản Nút C nghe được CTS từ nút B và sẽ không làm phiền giao tiếp giữa A và B TA phải đủ dài để C có thể nghe đượcphần đầu CTS 44

Hình 2.12: Hiện tượng ngủ sớm D đi ngủ trước khi Cgửi một RTS cho nó 46

Hình 2.13: Thực hiện gửi sớm RTS Gói tin FRTS giữ D thức 47

IX

Hình 2.14: Thực hiện ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy 48

Hình 2.15: Cấu trúc siêu khung trong IEEE 802.15.4 [24] 49

Hình 3.1: Ví dụ về ADV-MAC, T-MAC và giao tiếp S-MAC [2] 54

Hình 3.2: Phương pháp Contention trong giai đoạn ADV [2] 64

Hình 3.3: Tổng số thời gian trung bình chi tiêu của tất cả các nút cạnh tranh và xác suất va chạm trong cả hai phương pháp cạnh tranh [2] 66

Hình 3.4: Mẫu được sử dụng trong phân tích 69

Hình 3.5: Ví dụ về sự cạnh tranh trong giai đoạn dữ liệu 70

Hình 3.6: Kết quả thực nghiệm [2] 71

X

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: ADV-MAC: Ký hiệu sử dụng 59 Bảng 3.1: ADV-MAC mẫu phân tích, Ký hiệu sử dụng của i 67 Bảng 3.2: ADV-MAC mẫu phân tích, Ký hiệu sử dụng II 68

11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây

WSN (Wireless Sensor Network) [23], tiếng Việt gọi là mạng cảm biến không dây Có thể hiểu đơn giản mạng WSN là mạng liên kết các node bằng sóng

vô tuyến, trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền,

có số lượng lớn và phân bố khá rộng Lưu lượng dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục, thông thường thời gian 1 node mạng ở trạng thái nghỉ lớn hơn trạng thái hoạt động rất nhiều, do vậy cần có giải pháp tiết kiệm năng lượng tối

đa Hơn nữa, các node mạng còn phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, được bố trí ngẫu nhiên nên có thể di chuyển làm thay đổi cấu hình mạng, vì thế đòi

hỏi các node mạng phải có khả năng tự động cấu hình và thích nghi

Mạng WSN là một trong những công nghệ mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe

Mạng WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng vô tuyến 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, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn được phân bố một cách không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế, thời gian hoạt động lâu dài

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng WSN [23]

Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng tế bào (cellular), mạng WLAN- Wireless Local Area Network (802.11 a và b) [25], và mạng phạm vi hẹp (Bluetooth) Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác để hỗ trợ internet không dây Mạng tế bào với đích đến là tại những người sử dụng có tính di động cao Tốc

độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler Mặt khác,

12

WLAN có tốc độ dữ liệu cao Bluetooth sử dụng chủ yếu tại nhà Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải vô tuyến (radio) thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp

WSN khác với các mạng trên Nó có số lượng các node lớn Khoảng cách giữa các node lân cận là ngắn hơn so với các mạng trên Do WSN hoàn toàn là các node,

và chi phí cho mỗi node là ít Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều bởi vì việc thay thế pin của mỗi node 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả Tốc độ dữ liệu và tính di động trong WSN cũng thấp hơn

Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm biến không dây, gọi là các “motes”, cùng với một hệ điều hành TinyOS để kết nối có thể dễ dàng sử dụng thiết bị này Hình dưới minh họa 1 thiết bị “motes” của Berkeley Sự tiện ích của các thiết bị này là: chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, các thí nghiệm và triển khai thực tế đã mang lại một vai trò mới trong cuộc cách mạng của mạng cảm biến không dây

Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley

1.2 Các thiết bị cảm biến không dây

Các thiết bị chính tạo ra mạng cảm biến không dây [18]:

Hình 1.3: Sơ đồ 1 nút mạng cảm biên không dây cơ bản [18]

13

1.2.1 Bộ xử lý năng lượng thấp:

Các nhiệm vụ của máy tính trên thiết bị WSN bao gồm: có chức năng thu thập thông tin, xử lý dữ liệu truyền nhận giữa các nút mạng, quá trình xử lý thông tin cảm biến cục bộ cũng như thông tin truyền bởi các cảm biến khác Hiện nay, các bộ

xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về năng lượng Yêu cầu một bộ xử lý đó là giá thành rẻ, tích hợp được dễ dàng với các cảm biến, tiêu thụ điện năng thấp

1.2.2 Bộ nhớ / Lưu trữ:

Lưu trữ dưới dạng RAM (Random Access Memory) và ROM (Read-only memory) cả bộ nhớ chương trình (các lệnh thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lưu các kết quả đo chưa qua xử lý và đã xử lý bởi sensor; các thông tin cục bộ khác) Chất lượng bộ nhớ và lưu trữ trên board của thiết bị WSN thường bị giới hạn đáng kể bởi lý do kinh tế và vấn đề này sẽ được cải tiến theo thời gian

1.2.3 Bộ thu phát vô tuyến:

Thiết bị WSN: tốc độ thấp, vô tuyến không dây dải ngắn (10100kbps, <100m) Trong thời điểm hiện nay nó bị giới hạn về dung lượng, và sẽ được cải thiện vào thời gian tới về các mặt: cải thiện giá thành, hiệu quả phổ, fadinh, và xuyên nhiễu Trong WSN thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng năng lượng mạnh nhất,

do đó vô tuyến cần phải kết hợp hiệu quả năng lượng giữa các chế độ ngủ và chế độ hoạt động

1.2.4 Các sensor (Cảm biến):

Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị WSN chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc

độ dữ liệu thấp Bộ cảm biến chính là thiết bị thu thập thông tin dữ liệu Tùy theo mỗi ứng dụng mà có 1 loại sensor riêng: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, áp suất, gia tốc kế, từ kế, âm thanh hay thậm chí là hình ảnh có độ phân giải thấp

1.2.5 Hệ thống định vị địa lý GPS

Trong nhiều ứng dụng của WSN, quan trọng nhất là ứng dụng cho các phép đo sensor để đánh dấu vị trí Cách đơn giản nhất để khoanh vùng vị trí là tiền cấu hình cho sensor ở vị trí triển khai; tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định

1.2.6 Nguồn năng lượng:

Sử dụng nguồn năng lượng để có thể triển khai hoạt động của thiết bị WSN như nguồn pin Trong những ứng dụng tập hợp dữ liệu (data-gathering) cơ bản, có một node được xem như node sink, tất cả dữ liệu từ các node sensor nguồn đến nó là trực tiếp Đối với mạng cài đặt năng lượng truyền thấp hơn hay triển khai trên diện

1.3.2 Mạng cảm nhận

Hình 1.4: Phân bố node cảm biến trong trường cảm biến

Như hình 1.4, chúng ta thấy, mạng cảm nhận bao gồm rất nhiều các node cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến Các node này có khả năng thu thập

dữ liệu thực tế, sau đó chọn đường (thường là theo phương pháp đa chặng) để chuyển những dữ liệu thu thập này về node gốc Node gốc liên lạc với node quản lý

* Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn node, phụ thuộc vào từng ứng dụng

mà con số này có thể vượt quá hàng trăm nghìn node Do đó cấu trúc mạng phải có khả năng mở rộng để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể

* Giá thành sản xuất: Vì mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chí phí mỗi node là rất quan trọng trong việc điền chỉnh chi phí mạng

Do vậy chi phí cho mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp

* Tích hợp phần cứng: Vì số lượng node cảm biến trong mạng là nhều nên node cảm biến cần phải có các ràng buộc phần cứng sau: kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, chi phí sản xuất thấp, thích ứng với môi trường, có khả năng tự cấu hình và hoạt động không cần sự giám sát

* Môi trường hoạt động: Các node cảm biến thường là khá dày đặc và phân bố trực tiếp trong môi trường (kể cả môi trương ô nhiễm, độc hại hay dưới nước ) => node cảm biến phải thích ứng với nhiều loại môi trường và sự thay đổi của môi trường

* Các phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm nhận, các node được kết nối với nhau trong môi trường không dây, môi trường truyền dẫn có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết lập được sự hoạt động thống nhất chung cho các mạng này thì các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới

* Cấu hình mạng cảm nhận: Mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, do đó phải thiết lập một cấu hình ổn định

16

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

* Sự tiêu thụ năng lượng: Mỗi node cảm biến được trang bị nguồn năng lượng giới hạn Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng là không thể thực hiện Vì vậy thời gian sống của mạng phụ thuộc vào thời gian sống của node cảm biến, thời gian sống của node cảm biến lại phụ thuộc vào thời gian sống của pin Do vậy, hiện nay các nhà khoa học đang nỗ lực tìm ra các giải thuật và giao thức thiết

kế cho node mạng nhắm tiết kiệm nguồn năng lượng hạn chế này

Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm nhận được trình bày trong hình 1.4 Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các node có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm nhận di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến

+ Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu

+ Lớp liên kết số liệu: có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung

dữ liệu, cách truy cập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi trường có tạp âm và các node cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các node lân cận

+ Lớp mạng: quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải

17

+ Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm nhận yêu cầu Lớp truyền tải chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

+ Lớp ứng dụng: tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở ớp ứng dụng

+ Mặt phẳng quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của node cảm biến Ví dụ:

* node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nó nhận được một bản tin để tránh tạo

ra các bản tin giống nhau

* Khi mức công suất của node cảm biến thấp, nó sẽ phát quảng bá sang các node cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến Công suất còn lại được giành cho nhiệm vụ cảm biến

+ Mặt phẳng quản lý di chuyển: có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các node Từ đó có thể xác định xem ai là node hàng xóm của mình

+ Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: có nhiệm vụ cân bằng và và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các node trong một vùng quan tâm Tuy nhiên không phải tất cả các node trong vùng đó đều thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm

1.4 Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây

WSN bao gồm các node cảm biến nhỏ gọn, thích ứng được với môi trường khắc nghiệt Những node cảm biến này, cảm nhận môi trường xung quanh, sau đó gửi những thông tin thu được đến trung tâm để xử lý theo ứng dụng.Các node không những có thể liên lạc với các node xung quanh nó, mà còn có thể xử lý dữ liệu thu được trước khi gửi đến các node khác WSN cung cấp rất nhiều những ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống [1]

* Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường

• Phát hiện mìn, chất độc trong môi trường

• Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa,

• Phát hiện ô nhiễm, chất thải,

• Phát hiện hoạt động núi lửa

• Phát hiện động đất

• Giám sát cháy rừng

* Hệ thống giao thông thông minh

• Giao tiếp giữa biển báo và phương tiên giao thông

• Hệ thống điều tiết lưu thông công cộng

• Hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,

• Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao thông

* Ứng dụng trong quân sự, an ninh

• Định vị, theo dõi sự di chuyển của các thiết bị quân sự

• Điều khiển tự động các thiết bị, robot,

• Kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự

• Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh

Các ứng dụng trong quân sự và an ninh, đặc biệt giúp ích cho con người trong việc tránh xa các vùng nguy hiểm (đặc biệt các vùng có chiến tranh) mà vẫn giám sát được các hoạt động chiến trường

* Ứng dụng trong thương mại

19

• Quản lý kiến trúc và xây dựng

• Quản lý sản xuất

• Hệ thống xử lý vật liệu

• Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng

• Điều khiển nhiệt độ

• Hệ thống tự động

• Thu thập dữ liệu thời gian thực

Các node cảm biến kết nối thành mạng lưới gửi dữ liệu đến node trung tâm Các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp bao gồm điều khiển, quản lý, hiệu suất và an toàn Các cảm biến đặt trong môi trường làm việc giám sát quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, kiểm soát môi trường làm việc,quản lý nhân viên, dữ liệu đưa về trung tâm để người quản lý có thể đưa ra các quyết định kịp thời

1.5 Vấn đề thách thức của mạng Wireless Sensor Networks (WSN)

Một số trong những thách thức lớn mà cản trở việc phổ biến của WSNs bao gồm:

- Năng lượng hạn chế: các nút cảm biến không dây là pin-powered và

thường được triển khai ở địa điểm xa và khắc nghiệt Như vậy, thay pin hoặc bất kỳ

sự can thiệp của con người khác là vấn đề hoặc không thể hoặc rất khó khăn Do đó, các nút này được làm theo yêu cầu phải hoạt động trong nhiều tháng hoặc nhiều năm tại một thời gian trên các nguồn năng lượng tương tự để duy trì chất lượng ứng dụng của dịch vụ (QoS) Kết quả là, bảo tồn năng lượng là điều quan trọng nhất trong WSNs, và rất nhiều các nghiên cứu được thực hiện trên sự phát triển của giao thức hiệu quả năng lượng và phần cứng cho WSNs ra đời

- Chịu lỗi: Thông thường một nút cảm biến có thể bị phá hủy hoặc ngừng

hoạt động, chẳng hạn như khi một nút cảm biến bị phá hủy trong một vụ cháy rừng hoặc bởi kẻ thù trên chiến trường Các nút còn lại phải thích ứng năng động trong thời gian thực và truyền tải dữ liệu đến các trạm gốc Do đó, các giao thức WSN cho MAC và lớp định tuyến phải có một mức độ nhất định vững mạnh

- Tính năng: các nút cảm biến là thiết bị nhỏ với bộ nhớ rất hạn chế và năng

lực xử lý Vì vậy, truyền tải quy mô lớn đôi khi là không thể trong các nút cảm biến, và các dữ liệu phải được truyền tới một trạm gốc để được xử lý Tuy nhiên với

sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn, nhược điểm này đã được giảm đáng kể

- An ninh: WSNs là các mạng lưới nhẹ với giới hạn về tốc độ dữ liệu truyền

và năng lực Do đó, các biện pháp an ninh thông thường như các khóa tin là không

20

dễ dàng áp dụng cho các mạng như vậy, vì chúng có thể làm tăng chi phí mạng và lần lượt giảm tuổi thọ mạng Tuy nhiên, an ninh là một yêu cầu quan trọng trong các ứng dụng như giám sát Như vậy, một lĩnh vực nghiên cứu trong WSNs là đảm bảo an ninh và sự riêng tư

-WSNs phải đối mặt với một số thách thức khác khá tốt, như vấn đề khả năng mở rộng và các vấn đề độ trễ

1.6 Vấn đề tiết kiệm năng lượng mạng cảm biến không dây

Mạng không dây đã có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, nó mang lại cho con người những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực mà ít cần đến các hoạt động trực tiếp của con người Những kết quả đạt được là do khả năng hoạt động độc lập của từng nút mạng Để hoạt động độc lập hoàn toàn, mỗi nút mạng luôn luôn đi kèm với một nguồn năng lượng để nuôi chúng Và việc tiết kiệm nguồn năng lượng này

để kéo dài thời gian hoạt động của nút mạng là vô cùng cần thiết Yêu cầu này làm xuất hiện một hướng mới cho nghiên cứu của con người đó là: tiết kiệm tiêu thụ năng lượng cho nút mạng không dây Đây là một hướng lớn có tầm quan trọng và đang được thực hiện thông qua những nghiên cứu, thử nghiệm,

Mục tiêu quan trọng nhất của các nghiên cứu này là tìm ra được tất cả những yếu tố có thể tác động để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng Và thông qua các yếu tố

đó sẽ thực hiện tác động để tiết kiệm năng lượng.Vậy ta phải có chế độ hoạt động

và chế độ ngủ , chế độ ngắt điện sao cho tiết kiệm năng lượng đến mức thấp nhất có thể

1.6.1 Nguyên nhân của việc lãng phí năng lượng:

- Khi một node nhận nhiều hơn 1 gói tại cùng thời điểm, các gói này được gọi là “collided packet” thậm chí khi chúng xảy ra đồng thời từng phần (không hoàn chỉnh) Tất cả các gói nguyên nhân là do xung đột thì phải loại bỏ và yêu cầu truyền lại các gói này Vì vậy, làm tăng mức tiêu thụ năng lượng

- Việc nghe lỏm (Overhearing): nghĩa là 1 node nhận được các gói mà đích đến không phải là nó mà là các node khác

- Phí tổn gói điều khiển(Control packet overhead): việc gửi và nhận các gói điều khiển sẽ làm tiêu thụ năng lượng quá nhiều, trừ các gói dữ liệu có ích có thể được truyền

- Một trong những nguyên nhân chính của việc lãng phí năng lượng là “idle listening”: nghĩa là lắng nghe 1 kênh rãnh để có thể nhận lưu lượng mà không gửi đi

1.6.2 Các yếu tố tác động làm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng

* Quá trình tiêu thụ năng lượng

- Ta cần tìm hiểu quá trình tiêu hao năng lượng trong mỗi nút Với mỗi nút,

ta cần nghiên cứu 2 chế độ năng lượng cơ bản

Thông tin tiêu đề chuyển từ chế độ ngủ sang chế độ hoạt động Bộ vi điều khiển

và sóng vô tuyến hoạt động trở lại

+ Chế độ hoạt động:

Tại bộ vi điều khiển: Quá trình xử lý nhanh, hoạt động ở mức năng lượng thấp

và nó tránh các dao động từ bên ngoài

Với sóng vô tuyến: Có tốc độ dữ liệu cao

Tuy nhiên, quá trình tiêu hao năng lượng lại khác nhau tuỳ theo mô hình mạng, khoảng cách , mật độ nút, tần số làm việc, thực tế sử dụng

Vấn đề quan trọng đặt ra là làm thế nào để nút mạng có thể giảm cường độ dòng cần sử dụng ở mỗi chế độ đồng thời nó có thể trở về 1 trong 3 chế độ 1 cách linh hoạt để tránh sự lãng phí, tăng thời gian sử dụng nguồn Một số giao thức chọn đường, quản lý công suất và trao đổi số liệu đã được thiết kế cho WSN với yêu cầu quan trọng nhất là tiết kiệm được năng lượng

Mặc dù các ứng dụng của mạng WSN là rất lớn nhưng những mạng này có một

số hạn chế như giới hạn về nguồn công suất, khả năng tính toán và độ rộng băng

22

thông Một trong những mục tiêu thiết kế chính của WSN là kéo dài thời gian sống của mạng và tránh suy giảm kết nối nhờ các kỹ thuật quản lý năng lượng

- Những yếu tố tác động để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng

Có nhiều yếu tố có thể tác động để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng như: Chế độ quản lý điện năng, Khoảng cách giữa nút truyền và nút nhận trong mạng, Mật độ các nút, Tần suất làm việc của mỗi nút, Công suất truyền, Tốc độ truyền,

- Chế độ quản lý điện năng: Cần phải có chế độ quản lý điện năng hợp lý: Tức ta cần tối ưu hoá điện năng của nguồn bằng cách sử dụng các thiết bị hoạt động với điện áp thấp và giảm cường độ của các thành phần khi chúng đang ở trong tình trạng không hoạt động

- Khoảng cách giữa các nút truyền và nút nhận trong mạng: Khi các nút đặt cách nhau 1 khoảng cách ngắn, thời gian truyền sẽ nhanh hơn, năng lượng tiêu dùng

sẽ nhỏ hơn so với các nút mạng ở cách xa nhau

sẽ xảy ra hiện tượng nghẽn mạng, năng lượng trong trường hợp này là không nhỏ -Tần suất làm việc của mỗi nút mạng:

-Công suất truyền dữ liệu của nút mạng:

1.6.3 Năng lượng việc báo hiệu trong truy nhập trung bình (Power aware medium-access with signalling - PAMAS):

- MLPAMAS là một kĩ thuật mở rộng của MACA và cải thiện được hiệu suất năng lượng từ MACA

- Giảm được vấn đề nghe lỏm bằng cách đặt các node vào trong chế độ ngủ, nhưng không giảm được vấn đề lắng nghe khi môi trường rỗi

Sử dụng 2 kênh vô tuyến: một kênh dữ liệu và một kênh điều khiển riêng Kênh điều khiển bao gồm báo hiệu RTS/CTS và tín hiệu bận Khi node nhận bắt đầu nhận dữ liệu thì nó sẽ gởi tín hiệu bận đến kênh điều khiển

23

Hình 1.6: Kĩ thuật PAMAS

- Trong PAMAS các node chuyển sang chế độ ngủ khi chúng không nhận hoặc không truyền dữ liệu thành công Đặc biệt, chúng cũng chuyển sang chế độ ngủ khi chúng tình cờ biết có sự truyền của node lân cận đến node khác hoặc nếu nó phát hiện thông qua biểu hiện của kênh báo hiệu điều khiển RTS/CTS rằng có 1 node lân cận đang nhận

- Khoảng thời gian của chế độ ngủ được thiết lập theo chiều dài của quá trình truyền đang xảy ra, được chỉ thị bởi kênh điều khiển

- Nếu quá trình truyền được bắt đầu trong khi một node vẫn ở chế độ ngủ, vào lúc node thức dậy, gửi tín hiệu thăm dò để xác định khoảng thời gian quá trình truyền xảy ra và bao lâu nó có thể quay trở lại chế độ ngủ

- Trong PAMAS, một node sẽ chỉ quay trở lại chế độ ngủ khi nó được ngăn chặn từ quá trình truyền/ nhận, vì vậy, việc thực hiện độ trễ/thông lượng của mạng

là không gây bất lợi Tuy nhiên vẫn còn lãng phí năng lượng đáng kể trong chế độ nhận idle (vd: trong điều kiện khi 1 node không có gói tin để gửi và không có sự hoạt động nào trên kênh) và lãng phí khi phải sử dụng đến 2 kênh làm việc đồng thời nghĩa là sử dụng 2 hệ thống vô tuyến

1.6.4 Lập lịch ngủ:

Các kĩ thuật tiết kiệm năng lượng tồn tại ở lớp MAC chủ yếu bao gồm các kĩ thuật lập lịch ngủ Nguyên tắc cơ bản đằng sau tất cả các kĩ thuật lập lịch ngủ là quá nhiều năng lượng bị lãng phí do phải lắng nghe trên kênh truyền vô tuyến trong khi không có thứ gì để nhận Các chế độ lập lịch ngủ đã sử dụng chế độ làm việc của 1 radio giữa các trạng thái năng lượng mở và tắt của nó để giảm hiệu quả của việc lắng nghe kênh rãnh này Chúng được sử dụng để thức dậy 1 radio bất cứ khi nào

nó đợi truyền hoặc nhận gói và ngủ nếu khác

Các kĩ thuật lập lịch ngủ có thể chia thành 2 loại:

- Lập lịch ngủ đồng bộ

24

- Lập lịch ngủ không đồng bộ

Các kĩ thuật lập lịch ngủ đồng bộ dựa trên sự đồng bộ xung clock giữa các node trong mạng Các nơi gửi và nơi nhận biết về nhau khi nào chúng nên hoạt động và chỉ gởi dữ liệu đến một nơi khác trong khoảng thời gian của chúng Nếu ngoài thời gian đó thì chúng đi ngủ

Hình 1.7: Lập lịch ngủ đồng bộ

Mặt khác, các kĩ thuật lập lịch ngủ không đồng bộ không dựa vào bất kì xung clock đồng bộ nào giữa các node Các node có thể gởi và nhận các gói tùy ý (bất cứ khi nào chúng thích) Hình dưới chỉ ra cách mà 2 node đang hoạt động, lập lịch ngủ không đồng bộ có thể truyền thông với nhau

Hình 1.8: Lập lịch ngủ không đồng bộ

- Các node thức dậy và đi ngủ định kì theo cùng cách mà chúng làm việc trong chế độ lập lịch ngủ đồng bộ Vì không có đồng bộ hóa thời gian, tuy nhiên, phải có một cách để đảm bảo rằng các node nhận thức dậy để nghe các quá trình truyền đến từ các node khác

25

- Thông thường các byte dẫn đầu (preamble) được gửi bởi 1 gói tin để đồng

bộ điểm bắt đầu của luồng dữ liệu đến giữa nơi truyền và nơi nhận Với chế độ lập lịch ngủ không đồng bộ, 1 số lượng lớn các byte dẫn đầu thêm vào được gửi cho mỗi gói để đảm bảo rằng nơi nhận có thể đồng bộ nó tại 1 số thời điểm

- Trong trường hợp xấu nhất, một gói bắt đầu truyền khi nơi nhận gói đi ngủ,

và các byte dẫn đầu sẽ phải được gởi trong khoảng thời gian bằng khoảng thời gian ngủ của nơi nhận Mỗi lần nơi nhận thức dậy, nó đồng bộ các byte dẫn đầu này và vẫn còn cho đến khi nó nhận gói

1.6.4.1 Các kĩ thuật lập lịch ngủ không đồng bộ:

Trong kĩ thuật này, các node thường giữ sóng vô tuyến ở trạng thái ngủ như là mặc định, và chỉ thức dậy trong 1 thời gian ngắn để kiểm tra lưu lượng gửi/nhận các thông điệp, bản tin:

* Vô tuyến đánh thức thứ cấp (Secondary wake-up radio)

Một nút mạng khi không có hoạt động truyền hoặc nhận gói tin cần được đặt vào chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng Để làm điều này, giải pháp thứ nhất là trang bị một phần cứng trên mỗi nút mạng, phần cứng này có 2 loại sóng vô tuyến Loại sóng vô tuyến thứ nhất có năng lượng cao dùng để trao đổi dữ liệu, đặt trong chế độ ngủ mặc định Loại sóng vô tuyến thứ hai (hay thứ cấp) dùng cho việc đánh thức, loại này không cần năng lượng cao và hoạt động liên tục (cả thao tác truyền và nhận) Nếu vô tuyến đánh thức nhận được vô tuyến đánh thức từ nút khác, nó phản ứng bằng cách đánh thức vô tuyến thứ nhất dậy để nhận dữ liệu Quá trình này bảo đảm vô tuyến thứ nhất chỉ hoạt động khi truyền hoặc nhận dữ liệu

* Kĩ thuật lắng nghe với năng lượng thấp và việc kiểm tra tín hiệu dẫn đầu

“preamble” (Low-power listening/preamble sampling):

Trong kĩ thuật này, đề cập đến vấn đề kiểm tra preamble(lấy mẫu đầu khung) và

kỹ thuật lắng nghe với năng lượng thấp (low-power listening)

- Các nơi nhận thức dậy để cảm nhận kênh theo chu kỳ Nếu không có hoạt động nào được tìm thấy, chúng sẽ trở lại chế độ ngủ

- Nếu một node muốn truyền, nó sẽ gửi tín hiệu preamble (tín hiệu đầu khung) để truyền gói đến nơi nhận Khi dò được tín hiệu preamble, node nhận sẽ chuyển sang chế độ hoạt động nhận Kích thước của preamble ban đầu được đặt đúng bằng chu kì kiểm tra

26

- Nếu 1 node tìm thấy đường truyền bận sau khi nó thức dậy và kiểm tra đường truyền, nó tiếp tục lắng nghe cho đến khi nó nhận 1 gói dữ liệu hoặc đường truyền trở lại trạng thái rỗi ( đó là do sự truyền của 1 bản tin khi node đích là không sẵn sàng) Hơn nữa, chiều dài của preamble và gói dữ liệu làm tăng overemitting, vì không có quan hệ bắt tay nào được thiết lập với nơi nhận đã muốn nhận

Hình 1.9: Kĩ thuật lắng nghe với năng lượng thấp/việc kiểm tra tín hiệu preamble

Tín hiệu thức thay vì có khả năng được gửi qua một giao thức của gói tin ở mức cao hơn, thì một phương pháp hiệu quả hơn là thực hiện trực tiếp ở trong lớp vật lý, như vậy tín hiệu thức có thể không dài hơn một xung RF Các node chỉ tìm thấy sau khi kiểm tra năng lượng radio trên kênh để xác định tín hiệu có mặt ở đó hay không Chú ý : chế độ này có khả năng thức dậy tất cả các nơi nhận có thể trong một vùng lân cận của nơi truyền xác định, thông tin ở phần đầu (header) có thể được dùng để đưa chúng trở về trạng thái ngủ nếu truyền thông không dành cho chúng

2.1 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là loại mạng đặc biệt với số lượng lớn nút cảm biến được trang bị bộ vi xử lý, thành phần cảm biến và thành phần quản lý sóng vô tuyến Các nút cảm biến cộng tác với nhau để hoàn thành một nhiệm vụ chung Trong nhiều ứng dụng, các nút cảm biến sẽ được triển khai cấu trúc như mạng ad-hoc Chúng phải tự tổ chức để hình thành một mạng không dây đa chặng Thách thức chung trong mạng không dây là vấn đề xung đột do hai nút gửi dữ liệu cùng lúc trên cùng kênh truyền

Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) đã được phát triển để giúp

đỡ mỗi nút quyết định khi nào và làm sao để truy nhập kênh Vấn đề này giống như định vị kênh hoặc đa truy nhập Lớp MAC được xem xét bình thường như một lớp con của lớp liên kết dữ liệu trong giao thức mạng Những giao thức MAC đã nghiên cứu rộng rãi trên những lĩnh vực truyền thống của truyền thông tiếng nói và dữ liệu không dây Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division multiple Access - TDMA), Đa truy nhập phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access - FDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA) là những giao thức MAC được sử dụng rộng rãi trong những hệ thống truyền thông tế bào hiện đại

Ý tưởng cơ bản của các phương pháp trên là sẽ tránh xung đột bởi việc chia nhỏ kênh truyền thành những kênh truyền con, các nút sẽ phân chia truy nhập các kênh truyền con đó Việc phân chia kênh được thực hiện theo thời gian, tần số hoặc theo

mã Những kênh truyền con này không ảnh hưởng lẫn nhau, những giao thức MAC này được phân vào nhóm phi xung đột (collisionfree) Lớp giao thức MAC khác dựa trên sự cạnh tranh dành quyền truy nhập trên một kênh dùng chung, kết quả trong sự phối hợp xác suất có điều kiện, không cần cấp phát sẵn kênh truyền

Mạng cảm biến khác với mạng dữ liệu không dây truyền thống trên một vài khía cạnh Trước hết, đa số các nút trong những mạng cảm biến hoạt động dựa trên nguồn điện pin, và rất khó để nạp điện cho những nguồn pin của tất cả các nút Thứ hai, mỗi nút thường được triển khai một cấu trúc riêng; chúng phải tự tổ chức hình

28

thành một mạng truyền thông Ba là, nhiều ứng dụng cần phải sử dụng số lượng lớn những nút, và mật độ nút sẽ thay đổi tại những địa điểm và thời gian khác nhau Tất cả những đặc trưng này cho thấy những giao thức MAC truyền thống không thích hợp cho những mạng cảm biến không dây nếu không có những sự cải biến Một số giao thức điều khiển truy cập phương tiện (MAC) đã được đề xuất cho mạng cảm biến không dây (WSNs) Bắt đầu từ việc năng lượng là một hạn chế lớn cho WSNs, rất nhiều các giao thức MAC đã được thiết kế với mục tiêu giảm thiểu tiêu thụ năng lượng nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất như độ trễ gói và tỷ lệ giao hàng Trong chương này, chúng ta sẽ nghiên cứu việc tiết kiệm năng lượng của giao thức MAC cho WSNs

2.2 Giao thức MAC dựa trên TDMA

TDMA giao thức được căn cứ trên việc đặt và lập lịch[10], [11], [20] Trong giao thức này , mỗi nút cuối cùng có thể truyền tải dữ liệu của nó Điều này được thực hiện bằng cách đặt khe thời gian cho các nút Do đó, các giao thức TDMA ngăn chặn va chạm và có giới hạn về độ trễ đầu cuối Các giao thức này tiết kiệm năng lượng khi mạng được nạp là rất cao và tất cả các khe cắm được dùng Tuy nhiên, các giao thức TDMA dựa trên bị các vấn đề về đồng bộ hóa Các nút trong các giao thức như vậy cần phải được đồng bộ chặt chẽ, hình thành các cụm truyền thông Nó không phải là dễ dàng để duy trì đồng bộ giữa 10 nút, đặc biệt là trong một mạng lưới rộng lớn Ngoài ra, khi các nút mới tham gia mạng lưới hoặc các nút rời mạng, nó không dễ dàng để tự động thay đổi độ dài khung và phân khe trong một cụm Hơn nữa, việc phát triển một kế hoạch hiệu quả với một mức độ cao của tái sử dụng kênh là rất khó khăn

2.2.1 (LEACH) Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp

LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp, dựa trên thuật toán phân nhóm, trong đó, các nút có thể phân bố ngẫu nhiên, và tự hình thành cụm (sefl configuring cluster formation) Nút chủ cụm có chức năng điều khiển các nút trong cụm gửi dữ liệu đến nó theo một chu kỳ nhất định Tại nút chủ, dữ liệu sẽ được thu thập và xử lý ở nhiều mức độ khác nhau, tùy thuộc vào từng ứng dụng, trước khi gửi tới trạm gốc[25] [8]

29

Hình 2.1: Giao thức LEACH [25]

Một trong những đặc điểm phổ biến của các ứng dụng mạng WSN là dữ liệu của nút gửi về, thông thường, có mối tương quan với nhau, người dùng cuối không cần yêu cầu tất cả dữ liệu (các dữ liệu có thể giống nhau - Redundant), hoặc chỉ cần những thông tin đã được xử lý, mô tả về những sự kiện xuất hiện trong môi trường

mà nút cảm biến được Giao thức định tuyến LEACH rất phù hợp với những ứng dụng có đặc điểm như vậy Trong giao thức LEACH, vì dữ liệu cảm biến được gửi

từ các nút đặt gần nhau có sự tương quan rất lớn, nên tất cả dữ liệu từ các nút trong phạm vi cụm sẽ được xử lý cục bộ tại nút chủ trước khi gửi về trạm gốc, giảm được lượng thông tin dư thừa lưu thông trên mạng, do đó, tiết kiệm được năng lượng của nút Một trong những đặc trưng cơ bản của LEACH là nút mạng tự tổ chức thành các cụm, trong đó một nút sẽ đóng vai trò là nút chủ - CH (Cluster Head) Tất cả những nút không phải là nút chủ sẽ phải truyền dữ liệu của nó tới nút chủ, nút chủ nhận dữ liệu từ nút thành viên trong cụm, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ, rồi truyền tới BS (Basic Station) Bởi 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 nếu nút chủ được chọn cố định trong suốt thời gian sống của mạng thì nút chủ sẽ hết năng lượng rất nhanh

Hình 2.2: Time-line hoạt động của LEACH [25]

Khi nút chủ chết, tất cả nút trong cụm sẽ không có khả năng trao đổi thông tin nữa Vì vậy, LEACH thực hiện ngẫu nhiên quay vòng vai trò nút chủ trong tất cả các nút mạng để tránh tiêu hao năng lượng trên một số nút cố định

30

Quá trình cảm biến và truyền thông trong giao thức LEACH được thiết kế thích hợp nhằm giảm tối thiểu năng lượng tiêu hao cho nút không phải là nút chủ Khi các nút chủ biết được tất cả nút thành viên trong cụm của nó, nó sẽ gửi bản tin định thời TDMA để thông báo cho mỗi nút chính xác khi nào thì thực hiện nhiệm vụ cảm biến và truyền dữ liệu đến nút chủ Cơ chế này cho phép nút thông thường sẽ tồn tại

ở trạng thái nghỉ (Sleep State) trong phần lớn thời gian, chỉ khi đến thời điểm phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến và gửi dữ liệu thì nút mới phải hoạt động Hơn nữa, dùng bản tin TDMA cho việc truyền dữ liệu còn giúp tránh được hiện tượng xung đột (collision) xảy ra trong cụm

2.2.2 Năng lượng các cụm TDMA (PACT)

Năng lượng các cụm TDMA hoặc PACT [14] sử dụng phân nhóm thụ động như Leach để tạo ra một mạng đường trục với cụm đứng đầu và các nút cửa ngõ để thông tin liên lạc, như thể hiện trong hình

Hình 2.3: Các cụm trong PACT [14]

Tuy nhiên, không giống như Leach, Việc chọn lựa của một cụm trưởng dựa trực tiếp trên mức độ mạnh của một nút Các nút cửa ngõ cho phép truyền thông giữa các cụm được diễn ra Cụm đầu thu thập dữ liệu từ các thành viên nhóm và chuyển

dữ liệu vào sink Các nút là thành viên của hai hoặc nhiều cụm có thể được bầu làm nút cửa ngõ Vai trò của cổng và cụm đứng đầu nhóm là hoán đổi cho nhau và phụ thuộc vào mức công suất của các nút

PACT PACT sử dụng siêu khung TDMA bao gồm khe mini điều khiển và khe

dữ liệu dài hơn Trong khe điều khiển, các nút phát các địa chỉ đích của họ cho các khe dữ liệu sau 0 Cluster-đầu A Cổng nút thông thường Các thông điệp điều khiển

31

cũng được sử dụng để phát sóng trạng thái vai trò cụm hiện tại Các nút chỉ ở trạng thái thức trong các khe dữ liệu tương ứng, tức là các khe cắm mà chúng gửi hoặc nhận dữ liệu và tắt thu phát ở các khe cắm khác, tiết kiệm năng lượng

Mặc dù các nút chỉ ở lại thức trong khe cắm dữ liệu tương ứng, tất cả các nút phải ngủ trong khe kiểm soát n để xác định lịch dữ liệu, trong đó n là số nút trong một cụm Vì vậy, kiểm soát chi phí lưu lượng có thể là tương đối cao trong các mạng lớn hơn Ngoài ra, các điều khiển khe nhỏ đòi hỏi phải đồng bộ chính xác, mà vẫn có thể gây ra vấn đề cho các mạng lớn và năng động

2.2.3 TDMA tự ổn định (SS-TDMA)

TDMA Tự Ổn định hoặc SS-TDMA [7] là một giao thức TDMA được thiết kế

để phát song và ứng dụng hội tụ Các giao thức có thể bắt đầu từ bất kỳ cụm riêng biệt nào và phục hồi cho các trạm từ nơi giao tiếp va chạm có thể đạt được giữa các cảm biến Tất cả lưu lượng trong một chuỗi cố định được lên kế hoạch vòng (ví dụ, bắc, nam, đông, tây) để đảm bảo truyền tải va chạm SS-TDMA sử dụng các mối quan hệ giữa các phạm vi can thiệp và phạm vi giao tiếp của các nút để có được một ước tính số lượng các nút trong phạm vi can thiệp mà không cần phải có cùng số lượng khe cắm Cảm biến chỉ hoạt động trong khe thời gian quy định Trong các khe còn lại, các cảm biến sẽ không làm việc để tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, ứng dụng của SS-TDMA bị hạn chế bởi vì nó được giới hạn chỉ có topo dạng lưới

2.2.4 Node-Activation Multiple Access (NAMA)

NAMA hoặc Node-Activation Multiple Access [3] được dựa trên độ phân giải liên quan đến khu vực (NCR) [3] và kích hoạt nút Đây là một chương trình ghép kênh phân chia thời gian Trong NAMA, một hàm băm được thực hiện tại mỗi nút, hàm băm này có một chuỗi đặc biệt là đầu vào và một ưu tiên ngẫu nhiên cho mỗi nút được tạo ra Các đầu vào đặc biệt là sự liên kết của của nút và số khe thời gian,

và như vậy với những thay đổi khe cắm khác nhau sẽ cho các ưu tiên khác nhau Nếu một nút có ưu tiên cao nhất trong phạm vi hai khe, nó được phép chuyển

và các nút còn lại ở trạng thái im lặng Như vậy, NCR cho phép mỗi nút chọn nút chiến thắng để truy cập kênh xác định

Mặc dù NAMA cung cấp sự tiếp cận kênh tự do và loại bỏ việc kiểm soát trên không (trừ thông tin về hai hop bên cạnh), nhưng nó có một số vấn đề Không có giới hạn cho việc truy cập kênh chậm trễ vì sự ưu tiên ngẫu nhiên Một nút có thể tiếp tục tạo ra các ưu tiên thấp hơn và không bao giờ đạt được quyền truy cập vào kênh Khi một nút được ưu tiên cao hơn một khe nhưng không có dữ liệu để gửi, Gây ra sự lãng phí băng thông kênh truyền cùng với sự mất mát năng lượng của tất

32

cả các nút ở lại trong trạng thái thức và trong trường hợp dữ liệu được gửi đi Các nút truyền tải và các ưu tiên thấp, mặt khác, năng lượng có thể bị thiếu hụt

2.2.5 Giao thức truy cập trung bình nhẹ (L-MAC)

Giao thức truy cập trung bình nhẹ hoặc L-MAC [8] sử dụng một cơ chế TDMA

để cung cấp một môi trường các nút có thể giao tiếp với nhau và không va chạm Bởi sự truy cập TDMA theo lịch trình cho sẵn và trong một khung cố định chiều dài, mỗi node sẽ sở hữu cho mình một khe cắm Một nút có thể sử dụng khe cắm của nó để gửi dữ liệu đến một nút bên cạnh trong một khung Một nút phát ra một danh sách của tất cả các khe chiếm đóng trong khu vực một hop của nó Điều này cho phép các nút mới lựa chọn các khe cắm không bị va chạm duy nhất trong hai hop của chúng Hạn chế chính của L-MAC là nhàn rỗi-nghe overhead là đáng

kể, như các nút phải lắng nghe các phần kiểm soát của tất cả các khe trong một khung để cho phép các nút tham gia vào mạng hoặc để nhận hoặc truyền dữ liệu Ngoài ra, L-MAC là chủ yếu phù hợp cho các mạng mật độ thấp

2.2.6 Truyền tải thích ứng với truy cập trung bình (Trama)

Trama hoặc truyền tải thích ứng với truy cập trung bình [11] là một giao thức TDMA dựa trên sự phân phối Trong Trama, thời gian được chia thành truy cập ngẫu nhiên và khe truy cập theo lịch trình Các nút thu thập thông tin các nút bên cạnh bằng cách trao đổi các gói tín hiệu nhỏ trong khoảng thời gian truy cập ngẫu nhiên Trong [11], tỷ lệ chiều dài của các truy cập ngẫu nhiên và các chu kỳ truy cập theo lịch trình được thiết lập đến 72: 10.000 Thời gian truy cập các chu kỳ theo lịch trình được thể hiện qua các slot Mỗi slot được gọi là một khe cắm truyền và được sở hữu bởi một nút trong mỗi khu vực Chủ sở hữu của một khe cắm được xác định bởi một hàm băm sử dụng ID nút và số khe là tham số của nó Trong thời hạn truy cập theo lịch trình, mỗi nút phải gửi lịch trình của mình một lần trong mỗi khoảng thời gian được dự kiến Trong [11], tỷ lệ chiều dài của một khoảng thời gian lịch trình và một thời gian truy cập theo lịch trình được thiết lập là 1:10 Vào đầu mỗi khoảng thời gian lịch trình , một nút sẽ tính toán các khe chiến thắng Khe cắm cuối cùng mà một nút giành chiến thắng được trong khoảng thời gian biểu được dành riêng cho việc truyền biểu đồ của nút cho khoảng thời gian kế tiếp Phần còn lại được sử dụng để trao đổi dữ liệu, nếu có

33

Hình 2.4: Cấu trúc khung MH-TRACE [11]

Vì vậy, khi một nút truyền lịch trình của mình, tất cả các nút trong vùng lân cận của nó ở trạng thái thức Năng lượng tiêu thụ là do phụ thuộc nhiều vào số lượng của một-hop lân cận, tức là, mật độ mạng lưới

2.2.7 MH-TRACE

MH- TRACE là một giao thức điều khiển truy cập phương tiện cụm dựa trên (MAC) [11] Trong giao thức MH-TRACE, mạng sẽ tự động được phân chia thành các cụm, được duy trì bởi cụm đứng đầu Thời gian được chia thành các siêu khung gồm nhiều khung, và mỗi cụm chọn một khung ,trong đó các nút trong cluster có

thể truyền dữ liệu, như thể hiện trong hình 2.5 Mỗi khung bao gồm một khung

phụ, một tiểu khung tổng hợp thông tin và một khung con dữ liệu, như thể hiện trong hình 2.4 Nút truyền yêu cầu truy cập kênh ban đầu của họ tới đầu cụm trong khung phụ Khi một node sử dụng khe cắm dữ liệu dành riêng của mình, truy cập kênh của nó được thay đổi trong khung tiếp theo Các nút được cấp quyền truy cập kênh thông qua các kế hoạch truyền dẫn truyền do cụm đứng đầu truyền một gói tổng kết trước khi truyền dữ liệu thực tế trong tổng kết thông tin của (IS) tiểu khung Do đó mỗi node hiểu việc truyền dữ liệu sắp tới trong phạm vi của nó nhận được bằng cách nhận thông tin từ các gói thông tin tổng hợp Các nút tiết kiệm năng lượng bằng cách đi vào chế độ ngủ và bất cứ khi nào gói tin ko sẵn sàng tham gia với một gói tin truyền hoặc tiếp nhận

34

Hình 2.5: Một ảnh chụp của phân nhóm MH-TRACE và truy cập trung bình cho một phần của một phân phối thực tế của nút di động Các nút C1 - C7 là nút

cluster-head [11]

2.3 Giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh

Các giao thức dựa trên việc cạnh tranh được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản, mạnh mẽ và linh hoạt của chúng Các giao thức này đòi hỏi ít hoặc không đồng bộ đồng hồ và không có thông tin về topo chung Chức năng điều phối phân phối IEEE 802.11 (DCF) [9] là một ví dụ về giao thức dựa trên sự cạnh tranh Nó được sử dụng rộng rãi bởi tính đơn giản và mạnh mẽ của mình đối với vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn Tuy nhiên, vì nghe nhàn rỗi, việc tiêu thụ năng lượng sử dụng MAC này là rất cao, như các nút thường ở chế độ nhàn rỗi Ngoài ra, tại tải trọng cao, giao thức MAC cạnh tranh dựa trên hoạt động kém vì số lượng va chạm cao PAMAS [17] đã thực hiện một cải tiến tiết kiệm năng lượng bằng cách chuyển các nút tắt trong thời gian một gói tin truyền nếu chúng không phải là đích định tuyến của gói tin Tuy nhiên, PAMAS không làm giảm việc nghe nhàn rỗi

35

2.3.1 Sensor-MAC

S-MAC được giới thiệu bởi các tác giả: Wei Ye, Jonh Heidermann, Deborah Estrin tại Hội nghị INFOCOM lần thứ 21, năm 2002 Được xây dựng trên nền tảng của các giao thức cạnh tranh như 802.11, S-MAC cố gắng kế thừa sự linh hoạt, tính khả biến của giao thức trên nền cạnh tranh trong khi cải tiến tính hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng đa bước nhảy S-MAC cố gắng giảm bớt tiêu thụ năng lượng từ tất cả các nguồn được xác định là nguyên nhân gây tiêu hao năng lượng,

đó là: nghe khi rỗi (idle listening), xung đột (collision), nghe thừa (overhearing) và

xử lý thông tin điều khiển (overhead) Để đạt được mục đích như thiết kế, S-MAC được thiết kế gồm có ba vấn đề chính: thực hiện chu kỳ thức - ngủ; tránh xung đột

và nghe thừa; xử lý thông điệp

b Lược đồ cơ bản

Mỗi nút cảm biển chuyển vào trạng thái “ngủ” trong một khoảng thời gian, sau đó tỉnh dậy và nghe xem liệu có nút nào muốn “nói chuyện” với nó Trong thời gian ngủ, nút cảm biến tắt bộ phận thu phát vô tuyến và đặt thời gian để quay về trạng thái thức

Khoảng thời gian cho việc thức và ngủ có thể được lựa chọn theo những ứng dụng khác nhau

Hình 2.6: Lược đồ S-MAC

Lược đồ trên yêu cầu có định kỳ sự đồng bộ giữa các nút cảm biến trong vùng tránh sai lệch thời gian Tất cả các nút cảm biến đều tự do lập lịch cho mình chu kỳ

36

thức/ngủ Tuy nhiên, để giảm bớt phải xử lý những gói tin điều khiển, tốt hơn là để cho các nút trong vùng đồng bộ cùng nhau Có nghĩa là chúng thức cùng lúc và chuyển sang trạng thái ngủ cùng lúc Nhưng cũng cần chú ý trong một mạng đa bước nhảy không phải tất cả các nút lân cận có thể đồng bộ hóa cùng nhau Hai nút lân cận A và B có thể có lịch khác nhau vì chúng tiến hành đồng bộ với những nút khác nhau C và D (Hình 2.7)

Hình 2.7: Đồng bộ giữa các nút Hai nút lân cận A, B có lịch khác nhau vìA

đồng bộ với C, B đồng bộ với D

Các nút cảm biến trao đổi với nhau thông tin lịch làm việc của chúng bằng cách phát quảng bá cho tất cả các nút lân cận hiện thời Điều này bảo đảm rằng tất cả các nút trong vùng vẫn có thể nói chuyện được với nhau dù chúng có lịch làm việc khác nhau Ví dụ trong Hình 2.7, nếu nút A muốn nói chuyện với nút B, nó chỉ cần đợi cho đến khi B ở trạng thái thức Nếu có nhiều nút trong vùng lân cận muốn nói chuyện với một nút, thì chúng cần tiến hành cạnh tranh chiếm đường truyền khi nút nhận ở trạng thái thức, sử dụng gói tin RTS (Request to Send) và CTS (Clear to Send) Nút nào gửi gói tin RTS ra trước sẽ giành quyền truy nhập và nút nhận sẽ trả lời với một gói CTS Sau đó chúng bắt đầu sự truyền dữ liệu, lúc này chúng không tuân theo lịch làm việc trước đó của chúng cho đến khi chúng kết thúc truyền dữ liệu

Mặt trái của lược đồ là sự gia tăng độ trễ do duy trì chu kỳ ngủ (sleep) của mỗi nút Hơn nữa, độ trễ có thể tích lũy qua mỗi chặng (hop), nên yêu cầu giới hạn độ trễ của ứng dụng tạo ra giới hạn thời gian ngủ trong chu kỳ làm việc của các nút cảm biến

c Tiến trình lựa chọn và duy trì lịch làm việc

Trước khi mỗi nút bắt đầu chu kỳ thức/ngủ, nó cần phải chọn một lịch biểu làm việc (khi nào thức, khi nào ngủ) và trao đổi lịch này với các nút lân cận Mỗi nút duy trì một bảng lưu giữ tất cả các thời gian biểu của các nút lân cận mà nó biết Rất hiếm khi xảy ra các nút phải duy trì nhiều thời gian biểu Các nút sẽ cố gắng chọn một thời gian biểu đã tồn tại trước khi tự chọn cho mình một thời gian biểu độc lập Mặt khác, xảy ra trường hợp các nút lân cận thất bại trong việc khám phá,

d Thực hiện đồng bộ

Lược đồ thức/ngủ yêu cầu sự đồng bộ giữa những nút trong vùng lân cận Việc các nút trong vùng lân cận định kỳ cập nhật lẫn nhau thời gian biểu của chúng là cần thiết để ngăn ngừa sự sai lệch thời điểm của chu kỳ nghe/ngủ

Việc cập nhật thời gian biểu được thực hiện bằng trao đổi gói tin đồng bộ SYNC Gói tin SYNC rất ngắn, và bao gồm địa chỉ của nút gửi và thời điểm chuyển sang trạng thái ngủ tiếp theo của nó

Để một nút nhận được cả những gói đồng bộ lẫn những gói dữ liệu, chúng ta chia khoảng thức (active time) của nó thành hai phần Phần đầu tiên để nhận những gói tin đồng bộ, phần hai để nhận những gói RTS (Hình 2.8) Mỗi phần được chia tiếp thành nhiều khe thời gian cho những nút gửi để thực hiện cảm nhận sóng mang

Ví dụ, nếu một nút gửi muốn gửi một gói tin đồng bộ thì nó khởi động cảm nhận sóng mang khi nút nhận bắt đầu nghe Nó ngẫu nhiên lựa chọn một khe thời gian để kết thúc cảm nhận sóng mang Nếu nó không phát hiện ra bất kỳ sự truyền nào vào khoảng cuối khe, thì nó chiếm được đường truyền và bắt đầu gửi gói tin đồng bộ của nó ở tại thời điểm ấy Việc thực hiện truyền gói dữ liệu cũng được thực hiện tương tự

Hình 2.8 cũng thể hiện mối quan hệ định thời của ba trường hợp có thể khi một nút gửi thực hiện truyền tới một nút nhận CS là cảm ứng sóng mang Trong lược

đồ, Nút gửi 1 chỉ gửi một gói tin đồng bộ SYNC Nút gửi 2 chỉ muốn gửi dữ liệu Nút gửi 3 gửi một gói tin đồng bộ và một gói tin RTS

Mỗi nút định kỳ quảng bá những gói tin đồng bộ tới các lân cận của nó kể cả khi

nó không có nút đồng bộ theo Điều này cho phép một nút mới gia nhập nhóm lân cận đã hình thành trước đó Nút mới thực hiện thủ tục để chọn một thời gian biểu có sẵn làm thời gian biểu của nó Quãng thời gian nghe đủ dài để nó có khả năng học

38

và theo một thời gian biểu có sẵn trước khi nó tự chọn cho mình một thời gian biểu độc lập

Hình 2.8: Quan hệ định kỳ trong thời gian giữa nút nhận và các nút gửi

e Tránh xung đôt và nghe thừa

Tránh xung đột là một nhiệm vụ cơ bản của giao thức MAC S-MAC sử dụng một lược đồ tránh xung đột trên nền cạnh tranh Khi một nút phát đi một gói tin, gói tin đó được thu bởi tất cả các nút lân cận của nó mặc dù chỉ một trong số chúng là nút nhận, đó chính là nghe thừa Phải nghe thừa làm cho giao thức MAC trên nền cạnh tranh kém hiệu quả về tiết kiệm năng lượng hơn so với những giao thức TDMA, vậy nên nó cần phải tránh

f Tránh xung đột

Khi nhiều nút có nhu cầu gửi số liệu vào cùng một thời điểm, chúng cần cạnh tranh để quyết định một nút được quyền gửi (chiếm đường truyền) Trong số những giao thức cạnh tranh, 802.11 thực hiện rất tốt việc tránh xung đột S- MAC sử dụng các kỹ thuật như chuẩn 802.11, bao gồm cảm nhận sóng mang vật lý, cảm nhận sóng mang ảo lẫn thực hiện trao đổi RTS/CTS

Có một trường độ dài phát (duration field) trong mỗi gói tin được truyền đi để chỉ rằng việc truyền này sẽ duy trì trong thời gian bao lâu Như vậy nếu một nút