Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)

Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)Cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây dùng phân cụm mờ kết hợp trạm thu phát di động (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

TP.HỒ CHÍ MINH – 2017

L I C O N

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

TP.HCM, ngày 07 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

V N ƣ n

L I C ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ, ngoài những cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của quý thầy cô, cùng với sự động viên khích lệ và ủng hộ của đồng nghiệp, bạn bè và gia đình Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới:

Ban Giám Hiệu và tất cả các thầy cô giáo của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cơ sở TP.HCM đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới PGS.TS Trần Công Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, chia sẻ kiến thức, tài liệu, tạo mọi điều kiện thuận lợi và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Bên cạnh đó, em cũng đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ tận tình từ TS Tân Hạnh, TS Bùi Xuân Lộc, ThS Phan Thị Th và các đồng nghiệp tại Đài truyền hình TP.HCM Xin gửi lời tri ân đến tất cả các thầy và các anh chị

Tuy nhiên, do thời gian hạn hẹp, mặc dù đã nỗ lực hết sức mình, nhưng chắc rằng luận văn khó tránh khỏi thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý thầy cô và các anh chị

Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 07 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

V N ƣ n

M C L C

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH M C C C K HI U, C C CH VI T T T vi

DANH M C C C BẢNG viii

DANH M C C C H NH V , ĐỒ TH ix

ẦU 1

CHƯƠNG 1:T NG QU N V NG C BI N H NG D Y 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 ng d ng của mạng cảm biến không dây 7

1.2.1 8

1.2.2 Tự độ óa a đì Đ n tử tiêu dùng 9

1.2.3 ự 10

1.2.4 11

1.2.5 13

1.2.6 15

1.3 Một số vấn đề thiết kế mạng cảm biến không dây 16

1.3.1 16

1.3.2 Kh ở rộng 17

1.3.3 Chi phí s n xuất 17

1.3.4 Hạn chế của phần c ng 17

1.3.5 Cấ ì ạng c m biến 17

1.3.6 S động 18

1.3.7 Tiêu th 18

1.3.8 Độ 18

1.3.9 Độ trễ 19

1.4 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 19

1.4.1 ấ ủa ộ ế ây 19

1.4.2 ấ a ủa ạ ế 21

1.4.3 ấ ế ủa ạ ế S topologies) 22

1.5 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2:C C C NG TR NH I N QU N 28

2.1 Định tuyến trong WSN 28

2.2 Các thông số định tuyến 31

32

2.2.2 32

2.2.3 ấ Quality of Service) 35

2.3 Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 35

2.4 Giao thức LEACH 39

2.5 Logic mờ Fuzzy logic 42

2.5.1 43

2.5.2 Biến ngôn ngữ 45

2.5.3 45

2.5.4 S 46

2.6 Giao thức CHEF Cluster Head Election mechanism using Fuzzy logic 48

2.7 Mô hình trạm thu phát di động trong WSN 51

2.7.1 độ ủa ạ 52

2.7.2 động có th dự đ c c đ nh 53

2.7.3 độ ó m soát 53

2.8 Thuật toán MECA 54

2.8.1 ì độ 54

2.8.2 đ ế 56

2.9 Thuật toán MSA 57

2.9.1 ì độ S 58

2.9.2 t toán MSA 58

2.10 Kết luận chương 2 60

CHƯƠNG 3:GI I PH P XU T 61

3.1 Giới thiệu 61

3.2 Đề xuất 1: Phân c m kết hợp với sink di dộng 62

3.2.1 ì 63

3.2.2 ì độ 63

3.3 Đề xuất 2: Phân c m mờ kết hợp sink di động 67

3.4 Kết luận chương 3 72

CHƯƠNG 4: PHỎNG V NH GI HIỆU SU T C GI I PH P

XU T 73

4.1 Giới thiệu 73

4.2 Các tiêu ch đánh giá hiệu suất 74

4.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá 74

4.3.1 Đ đ ấ 74

4.3.2 Đ đ ấ 77

4.4 Kết luận chương 4 80

K T LUẬN V HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81

T I IỆU TH H O 83

ACO Ant Colony Optimization Phương pháp tối ưu đàn kiến

BS Base Station (sink) Trạm gốc trạm thu phát

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia

theo mã

CSMA Carrier Sense Multiple

Access

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection

Đa truy cập cảm nhận sóng mang với phát hiện đ ng

độ

CHEF Cluster Head Election

mechanism using Fuzzy logic

Cơ chế lựa chọn trưởng c m sử

d ng logic mờ

DVD Digital Video Disc Một định dạng lưu trữ đĩa

quang phổ biến FIS Fuzzy Inference System Hệ thống suy luận mờ

HVAC Heating, Ventilation, and Air

Conditioning

Hệ thống sưởi ấm , thông gió ,

và điều hòa không khí

LEACH Low-Energy Adaptive

Clustering Hierarchy

Phân c m th ch ứng năng lượng thấp

MAC Media Access Control Điều khi n truy nhập đường

truyền

MECA Mobile sink based

Energy-efficient Clustering Algorithm

Thuật toán phân c m hiệu quả năng lượng dựa trên trạm thu

phát di động

MEMS Micro Electro Mechanical

Systems Hệ thống vi cơ điện tử

MSA Mobile Sink Assisted Energy

Efficient Routing Algorithm

Thuật toán định tuyến hiệu quả năng lượng hỗ trợ trạm thu

DANH SÁCH B NG

Bảng 1.1 So sánh hiệu suất giữa các cấu trúc trong WSN 27

Bảng 2.1 9 qui tắc mờ if-then của thuật toán CHEF 50

Bảng 3.1 9 qui tắc mờ if-then trong thuật toán đề xuất 2 71

Bảng 4.1 Bảng tham số mô phỏng 73

Bảng 4.2 Bảng so sánh tuổi thọ mạng giữa các đề xuất 1 với LEACH 75

Bảng 4.3 Bảng so sánh tuổi thọ mạng giữa đề xuất 2 với LEACH, CHEF, đề xuất 1 78

DANH SÁCH H NH V

Hình 1.1 Một mạng cảm biến không dây đi n hình 6

Hình 1.2 ng d ng trong công nghiệp 9

Hình 1.3 ng d ng trong gia đình 10

Hình 1.4 ng d ng trong quân sự 11

Hình 1.5 ng d ng theo d i tài sản và quản l chuỗi cung ứng 12

Hình 1.6 ng d ng trong nông nghiệp 13

Hình 1.7 ng d ng trong môi trường 14

Hình 1.8 ng d ng trong giám sát sức khỏe 15

Hình 1.9 Cấu tạo của một nút cảm biến không dây 20

Hình 1.10 Cấu trúc giao thức của WSN 21

Hình 1.11 Cấu trúc Bus 22

Hình 1.12 Cấu trúc Tree 23

Hình 1.13 Cấu trúc Star 24

Hình 1.14 Cấu trúc Ring 24

Hình 1.15 Cấu trúc Mesh 25

Hình 1.16 Cấu trúc Circular 25

Hình 1.17 Cấu trúc Grid 26

Hình 2.1 Mô hình định tuyến đơn hop bên trái và mô hình định tuyến đa hop bên phải 29

Hình 2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN 29

Hình 2.3 So sánh các lựa chọn định tuyến sử d ng các chỉ số năng lượng khác nhau 33

Hình 2.4 Phân c m với truy n thông đơn chặng single hop tới sink bên trái và phân c m với truyền thông đa chặng multi hop đến sink bên phải) 36

Hình 2.5 Định nghĩa mốc bên trái và định tuyến bằng cách sử d ng một mốc quan trọng (bên phải) 37

Hình 2.6 Mô hình mạng sử d ng LEACH 39

Hình 2.7 Hai pha trong một vòng của giao thức LEACH 41

Hình 2.8 Đồ thị của hàm thuộc tam giác 44

Hình 2.9 Đồ thị của hàm thuộc hình thang 45

Hình 2.10 Cấu trúc của hệ thống suy luận mờ FIS 46

Hình 2.11 Sơ đồ hoạt động của FIS 47

Hình 2.12 Mô hình mạng WSN sử d ng CHEF 48

Hình 2.13 Mô tả khoảng cách giữa nút Sj và các nút khác trong phạm vi bán k nh R 49

Hình 2.14.Mô hình mạng trong thuật toán MECA 55

Hình 2.15 Mô hình sink di động trong thuật toán MECA 55

Hình 3.1 Mô hình sink di động của thuật toán đề xuất 64

Hình 3.2 Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất 1 65

Hình 3.3 Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất 2 68

Hình 3.4 Sơ đồ lựa chọn trưởng c m dựa trên hệ thống suy luận mờ 69

Hình 3.5 Hàm thuộc của biến năng lượng đầu vào 70

Hình 3.6.Hàm thuộc của biến khoảng cách c c bộ đầu vào 70

Hình 3.7 Hàm thuộc của cơ hội đầu ra 71

Hình 4.1 Đồ thị so sánh số nút c n sống giữa đề xuất 1 với LEACH 75

Hình 4.2 Đồ thị so sánh năng lượng trung bình của mạng giữa đề xuất 1 với LEACH 76

Hình 4.3 Đồ thị so sánh năng lượng c n lại trong mạng giữa đề xuất 1 với LEACH 76

Hình 4.4 Đồ thị so sánh số nút c n sống giữa đề xuất 2 với LEACH, CHEF, đề xuất 1 78

Hình 4.5 Đồ thị so sánh Năng lượng trung bình của mạng giữa đề xuất 2 với LEACH, CHEF, đề xuất 1 79

Hình 4.6 Đồ thị so sánh năng lượng c n lại trong mạng giữa đề xuất 2 với LEACH, CHEF, đề xuất 1 79

ẦU

Trong những năm gần đây, Wireless Sensor Networks WSN thu hút ngày càng nhiều các nhà nghiên cứu chú vì những tiềm năng lợi ch to lớn mà chúng có th cung cấp cho các lĩnh vực công nghiệp và kinh tế-xã hội Ngày càng có nhiều ứng

d ng WSN được phát tri n cho nhiều lĩnh vực m c tiêu chiến lược, quan trọng và tiện d ng Mạng cảm biến không dây WSN đã và đang là lĩnh vực nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm WSN với những tiềm năng nổi trội đã mang lại những ứng d ng thiết thực trong cuộc sống con người Sự nổi lên của các mạng cảm biến không dây là kết quả của sự tiến hóa mới giữa sự phát tri n của điện tử số, vi điện

tử, hệ thống cơ học vi mô và tiến bộ trong công nghệ truyền thông không dây, đã cho phép tri n khai nhiều ứng d ng WSN trong lĩnh vực quân sự, giao thông, y tế, môi trường, sức khỏe, công nông nghiệp và trong hệ sinh thái thì cảm biến không dây là thành phần thiết yếu WSN là một tập hợp bao gồm các thiết bị cảm biến sử

d ng các liên kết không dây đ phối hợp thực hiện nhiệm v nhằm thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện cũng như bất kỳ địa hình nào Tất cả các nút được theo d i và ki m soát bởi một trạm gốc BS Hiệu suất sử

d ng năng lượng là thách thức ch nh mà các nhà thiết kế phải đối mặt trong WSN Nói chung, nguồn năng lượng trong một nút cảm biến về cơ bản được cung cấp từ một pin có nguồn năng lượng hạn chế Nguồn năng lượng này không dễ dàng đ thay thế hoặc nạp lại khi các nút cảm biến tri n khai trong một vùng rộng lớn, các nút cảm biến bị giới hạn bởi sức mạnh tính toán và khả năng truyền thông mà chúng

có th cung cấp Nếu các cảm biến được nối mạng và lập trình chính xác, tất cả các tác v xử lý tín hiệu có th được thực hiện hợp l đ thu thập thông tin từ các vùng

xa cũng như các khu vực nguy hi m Tối ưu hóa thời gian sống của mạng là một bài toán phức tạp

Truyền tải dữ liệu là công việc tiêu hao năng lượng chủ yếu trong WSNs Điều cần thiết là làm sao đ ki m soát mức tiêu th năng lượng trong giai đoạn thu thập

dữ liệu Điều này được thực hiện bằng cách cho phép số lượng nút tối thi u liên lạc trực tiếp với trạm gốc hay trạm thu phát sink , nơi tập hợp dữ liệu ứng d ng trong

WSN Có nhiều thuật toán đã phát tri n cho việc phân c m trong WSN nhằm giảm thi u số nút giao tiếp với trạm gốc Điều này được thực hiện bằng cách nhóm các nút được tri n khai thành các c m hoặc các khu vực Mỗi c m được điều khi n bởi một nút Trưởng C m gọi là cluster-head CH , các nút khác trong c m trở thành nút thành viên của c m đó Các nút thành viên chỉ liên lạc với nút Trưởng C m trong một phạm vi hạn chế và do đó giảm tiêu th năng lượng Nút Trưởng C m s tổng hợp dữ liệu thu thập được từ các nút thành viên thành một gói và chuy n tiếp tới Trạm gốc Cần lưu rằng chỉ có các nút Trưởng C m có trách nhiệm gửi dữ liệu trong c m đã thu thập đến trạm thu phát, nơi xử lý và ra quyết định Việc tri n khai trạm thu phát trong một WSN là một mối quan tâm lớn Do đó, các vấn đề liên quan đến năng lượng tiêu th , thời gian sống của WSN đang được nghiên cứu Nói chung giả sử các trạm thu phát là tĩnh cố định trong tự nhiên, tuy nhiên chúng có khả năng di động trong một số tình huống đ thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến [1]

Đ đạt được kết quả tiết kiệm năng lượng cao hơn, t nh di động của trạm thu phát nhằm tăng thời gian sống của WSN được xem xét trong luận văn này

Mục tiêu của luận văn:

M c tiêu của luận văn là cải tiến thời gian sống của mạng WSN Do đó s tìm hi u

về giao thức phân c m LEACH và giải thuật phân c m dựa trên logic mờ CHEF, với hướng tiếp cận mới là trạm thu phát di động mobile sink Qua đó s sử d ng thuật toán phân c m mờ kết hợp với trạm thu phát di động mobile sink đ cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây

Vấn đề cần giải quyết của luận văn

Hãy xem xét một mạng lưới cảm biến tri n khai một cách ngẫu nhiên Một nút cảm biến có giao diện truyền thông không dây có th giao tiếp với các nút khác trong vùng lân cận của nó Bởi vì hạn chế của các nguồn năng lượng và do thực tế rằng giao tiếp làm tiêu hao điện năng đáng k trong một nút cảm biến, phạm vi truyền dẫn của các nút này được giới hạn cho m c đ ch năng lượng hiệu quả, các nút cảm biến xa sink s sử d ng chuy n tiếp đa chặng multi hop đ truyền dữ liệu đến sink Kết quả truyền thông đa chặng cho thấy tiêu hao năng lượng không cân bằng trong

các phần khác nhau trong mạng, các nút xung quanh sink thì cạn kiệt năng lượng nhanh hơn nhiều so với các nút ở xa Điều này không chỉ gây ra những cảm biến gần sink ngưng hoạt động, mà c n làm cho sink không th truy cập bởi các nút cảm biến khác Trong trường hợp này, các dữ liệu cảm biến không th gửi thành công đến sink, dữ liệu chuy n tiếp đến các bộ cảm biến gần sink bị tắc ngh n theo dạng thắt nút cổ chai có th làm cho mạng ngưng hoạt động, đây là một kết quả trực tiếp của việc có một sink tĩnh cố định Do đó, đ đạt được kết quả tiết kiệm năng lượng cao hơn, t nh di động của trạm thu phát nhằm tăng tuổi thọ WSN được xem

xét trong luận văn này

ối tƣợng nghiên cứu

Tìm hi u các ưu và nhược đi m của mạng cảm biến không dây, thuật toán phân

c m LEACH, thuật toán phân c m dựa trên logic mờ CHEF, mô hình trạm thu phát

di động mobile sink

Ph m vi nghiên cứu

- Nghiên cứu các kiến trúc mạng WSN

- Tìm hi u về giao thức phân c m LEACH, thuật toán phân c m dựa trên logic mờ CHEF, mô hình trạm thu phát di động

- Tập trung nghiên cứu kết hợp thuật toán phân c m mờ với trạm thu phát di động

đ cải tiến thời gian sống của WSN

P ƣơng p áp ng iên cứu

- Tài liệu: tìm hi u các đối tượng cần nghiên cứu từ các bài báo khoa học đã được xuất bản và đăng trên các tạp chí uy tín trên thế giới

- Tiến hành thiết kế, đề xuất thuật toán, ki m chứng bằng mô phỏng

Các đóng góp của luận văn

- Đề xuất 1 cải tiến thời gian sống của WSN bằng phương pháp tiếp cận giao thức định tuyến phân c m LEACH kết hợp sink di động theo đường dẫn cố định

- Đề xuất 2 cải tiến thời gian sống của WSN bằng phương pháp tiếp cận thuật toán phân c m mờ CHEF kết hợp sink di động theo đường dẫn cố định

Đ cải tiến thời gian sống của mạng WSN, các phương pháp tiếp cận thiết kế dựa trên sink di động là một giải pháp tri n vọng

Cấu trúc luận văn

Nội dung của luận văn gồm 4 chương:

C ƣơng 1: Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây Trong chương này

mô tả về cấu trúc mạng cảm biến không dây, đặc đi m và cấu trúc của nút cảm biến Những vấn đề gặp phải của mạng cảm biến không dây như năng lượng, điều khi n truy nhập đường truyền Đồng thời chương này cũng chỉ ra các ứng d ng phong phú trong đời sống của mạng cảm biến như các ứng d ng trong y tế, ứng d ng trong quân đội, ứng d ng trong gia đình và trong môi trường

C ƣơng 2: Các công trình liên quan Trong chương này giới thiệu về định tuyến,

các loại chính của các giao thức định tuyến, giao thức định tuyến kinh đi n LEACH Tiếp theo là giới thiệu logic mờ, thuật toán phân c m dựa trên logic mờ CHEF Cuối cùng tìm hi u các mô hình sink di động, thuật toán dựa trên sink di động MECA, MSA

C ƣơng 3: Chương này em trình bày giải pháp đề xuất kết hợp phân c m mờ với

sink di động đ cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây

C ƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá hiệu suất của giải pháp đề xuất

ết ận v ƣ ng p át t iển

có th kết hợp với nhau đ cảm biến môi trường, xử lý dữ liệu và giao tiếp không dây qua một khoảng cách ngắn Các cảm biến thường được sử d ng đ giám sát vật

lý hoặc các yếu tố môi trường như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp lực, sự chuy n động hoặc ô nhiễm tại các khu vực khảo sát Một trạm thu phát hoặc trạm cơ sở hoạt động như một giao diện giữa người sử d ng và mạng Người ta có th lấy thông tin từ mạng bằng cách chèn các truy vấn và thu thập các kết quả từ trạm thu phát Thông thường một mạng cảm biến không dây có chứa hàng trăm nghìn nút cảm biến Các nút cảm biến có th giao tiếp với nhau bằng cách sử d ng các tín hiệu radio Một nút cảm biến không dây được trang bị các thiết bị cảm biến và tính toán, các máy thu phát vô tuyến và các bộ phận nguồn Một số các nút cảm biến có

th di chuy n, bằng cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động, như đã đạt được trong dự án Robomote Ngày nay với sự phát tri n nhanh chóng của khoa học

kĩ thuật nói chung và sự phát tri n của mạch kĩ thuật số, hệ thống vi cơ điện tử MEMS, truyền thông không dây nói riêng thì việc thiết kế và phát tri n các nút cảm biến (sensor node) với k ch thước nhỏ, thực hiện được nhiều chức năng, giá thành

rẻ, tiêu th t năng lượng, có th truyền thông không dây, các nút cảm biến rất nhỏ

có th thực hiện nhiều chức năng, bao gồm cảm nhận, xử lý dữ liệu, có th phân tích tính toán trên các dữ liệu thu thập được sau đó truyền trực tiếp hoặc đa chặng (multihop) về trạm điều khi n đ tiếp t c phân t ch và đưa ra các quyết định toàn

c c về môi trường xung quanh Tuy nhiên, các nút cảm biến này có nguồn lực hạn chế về: năng lượng giới hạn, khả năng xử lý, dung lượng lưu trữ và băng thông truyền thông thấp Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông tin, định tuyến thông tin về trạm thu phát Sink đ chuy n tới người dùng thông qua mạng internet và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ Sink đến các nút cảm biến Thông tin được định tuyến về ph a sink, sau đó sink có th liên lạc trực tiếp hoặc gián tiếp với người dùng thông qua mạng Internet hay vệ tinh Trạm thu phát Sink hoặc trạm gốc (BS hay Base Station) với bộ xử l , năng lượng

và khả năng lưu trữ lớn đảm nhận chức năng như nhận dữ liệu từ các nút cảm biến

và xử lí

H n 1 1: t ng cả iến ng điển n

Mạng cảm biến không dây (WSNs) cho phép nhiều ứng d ng mới, và do yêu cầu về

độ phức tạp của thiết bị thấp cùng với tiêu th năng lượng thấp, kéo dài thời gian sống của mạng, cần phải có sự cân bằng giữa khả năng truyền thông và khả năng xử

lý tín hiệu, dữ liệu Điều này thúc đẩy một nỗ lực rất lớn trong các hoạt động nghiên cứu, quá trình chuẩn hóa và đầu tư công nghiệp trong nhiều năm gần đây Mạng cảm biến không dây thông thường có một số đặc đi m sau:

- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người

- Truyền thông không tin cậy và quảng bá trong phạm vi hẹp, sử d ng định tuyến đơn chặng hoặc đa chặng

- Tri n khai dày đặc và có khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến

- Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi ph thuộc vào sự di chuy n, hao mòn và

hư hỏng ở các nút cảm biến

- Bị giới hạn về năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán

Chính những đặc đi m này đã đưa ra những yêu cầu đặc biệt trong thiết kế mạng cảm biến không dây Một trong những hạn chế ch nh của WSNs có liên quan trực tiếp đến hiệu suất phần cứng, ch ng hạn như khả năng xử l và pin, mà kết quả là lượng năng lượng tiêu th cao hơn và giảm thời gian sống của mạng Tuy nhiên, có rất nhiều ứng d ng sử d ng WSN như các hoạt động cứu hộ thảm họa, ph ng chống cháy rừng, các khu vực chiến tranh, kỹ thuật, y tế và nông nghiệp, nơi mà sự can thiệp trực tiếp của con người là tương đối có nguy hi m cao hoặc đôi khi không th thực hiện được Trong nhiều trường hợp thay thế pin cũng không khả thi vì số lượng lớn nút cảm biến của WSN cũng như các hạn chế của khu vực tri n khai Nếu một nút tắt nguồn và mất kết nối có th bị ảnh hưởng làm cho m c tiêu của mạng trở nên vô ch Do t nh chất hạn chế nguồn lực, khả năng sao lưu năng lượng rất hạn chế và cách duy nhất đ duy trì kết nối mạng là sử d ng năng lượng có hiệu quả đ kéo dài tuổi thọ của toàn bộ mạng Các ứng d ng sử d ng mạng cảm biến không dây s phải có kết nối liên t c với khu vực mà chúng được tri n khai mà không có bất kỳ sự cố nào nếu không sự tham gia của việc tri n khai cảm biến s không có hiệu quả Đ duy trì tuổi thọ của mạng, lựa chọn duy nhất là sử d ng hiệu quả năng lượng có sẵn ở mức tối đa

1.2 ng ụng củ ng cả iến ng

Trong những năm gần đây, mong muốn kết nối đã gây ra một sự gia tăng theo cấp số trong truyền thông không dây Các mạng dữ liệu không dây, đặc biệt đã dẫn tới xu hướng này do sự gia tăng trao đổi dữ liệu trong các dịch v Internet như World Wide Web, e-mail, và truyền dữ liệu Các khả năng cần thiết đ cung cấp các dịch v như vậy được đặc trưng bởi nhu cầu thông tin dữ liệu trong mạng ngày càng tăng; các ứng d ng hiện đang được phát tri n, ch ng hạn như phân phối đa phương tiện không dây trong nhà, chỉ ra rằng xu hướng này s tiếp t c phát tri n Mạng

WLAN không dây cung cấp một ví d về hiện tượng này Các ứng d ng mạng cảm biến không dây tiềm năng khác đang tồn tại như: ki m soát và giám sát công nghiệp; tự động hóa gia đình và điện tử tiêu dùng; an ninh và cảm biến quân sự; theo dõi tài sản và quản lý chuỗi cung ứng; nông nghiệp thông minh và cảm biến môi trường; giám sát sức khoẻ [2 Một khái quát các ứng d ng cho mạng cảm biến không dây như sau:

1.2.1 so t v s t n n h p

Công nghệ mạng không dây đã chứng tỏ tiềm năng lớn cho các ứng d ng công nghiệp, đặc biệt trong việc giám sát các dữ liệu như áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, dòng chảy, mức độ, độ nhớt, mật độ và độ rung Các phép đo có th được thu thập thông qua các đơn vị cảm biến và truyền không dây tới một hệ thống ch nh đ vận hành và quản lý Thông qua WSN đ theo dõi quy trình cung cấp những lợi ích lớn

so với hệ thống có dây truyền thống Một cơ sở công nghiệp lớn, đi n hình có

ph ng điều khi n tương đối nhỏ, được bao quanh bởi một nhà máy quy mô lớn

Ph ng điều khi n có các chỉ số và hi n thị mô tả trạng thái của nhà máy (trạng thái van, điều kiện của thiết bị, nhiệt độ và áp suất của vật liệu lưu trữ, vv , cũng như các thiết bị đầu vào ki m soát các bộ truyền động trong nhà máy van, l sưởi, vv)

có ảnh hưởng đến trạng thái quan sát của nhà máy [3] Các cảm biến mô tả trạng thái của nhà máy vật l , các màn hình trong ph ng điều khi n, các thiết bị đầu vào điều khi n và các bộ truyền động trong nhà máy thường là t tốn kém khi so sánh với chi phí của cáp bọc kim loại sử d ng đ liên lạc giữa chúng trong một cài đặt có dây Tiết kiệm chi ph đáng k có th đạt được nếu có phương tiện không dây rẻ tiền

đ cung cấp thông tin liên lạc này Bởi vì thông tin được truyền đạt là thông tin trạng thái, nó thường thay đổi chậm Do đó, trong hoạt động bình thường, lượng dữ liệu cần thiết của mạng là tương đối thấp, nhưng độ tin cậy yêu cầu của mạng là rất cao Một mạng cảm biến không dây của nhiều nút, cung cấp nhiều đường dẫn định tuyến tin nhắn của giao tiếp đa chặng, có th đáp ứng các yêu cầu này

H n 1 2: ng ụng t ng c ng ng iệp

Một ví d nữa là việc sử d ng các mạng cảm biến không dây cho các ứng d ng an toàn công nghiệp Các mạng cảm biến không dây có th sử d ng các cảm biến đ phát hiện các vật liệu độc hại hoặc nguy hi m, phát hiện sớm và xác định các rò rỉ hoặc sự đổ tràn các hóa chất hoặc các tác nhân sinh học trước khi có th gây ra thiệt hại nghiêm trọng và trước khi vật liệu có th tiếp cận con người Bởi vì các mạng không dây có th sử d ng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường dẫn định tuyến, và có th tự ph c hồi và tự duy trì, chúng có th chịu đựng được khi bị

nổ hoặc các thiệt hại khác trong nhà máy công nghiệp, cung cấp cho các cơ quan chức năng các thông tin quan trọng về tình trạng nhà máy trong điều kiện rất khó khăn

1.2.2 Tự độn hóa a đình v Đ n tử tiêu dùng

Gia đình là không gian ứng d ng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây SmartHome là thuật ngữ đ chỉ một ngôi nhà thông minh với sự ứng d ng toàn diện của các thiết bị cảm biến không dây [4] Một ứng d ng được điều khi n từ xa, một thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân PDA có th điếu khi n TV, máy nghe DVD, dàn

âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác hay các bóng đèn, các cánh cửa,

và các ổ khoá cũng được trang bị với kết nối mạng cảm biến không dây Với điều khi n từ xa, trên chiếc ghế bành người ta có th ki m soát ngôi nhà với sự thoải mái Tuy nhiên tiềm năng hấp dẫn nhất của nó là sự kết hợp của nhiều dịch v ,

ch ng hạn như rèm cửa đóng tự động khi bật tivi, hoặc có th tự động tắt tiếng hệ

thống giải tr gia đình khi nhận cuộc gọi qua điện thoại Với quy mô và máy tính cá nhân cả hai kết nối thông qua mạng cảm biến không dây

H n 1 3: ng ụng t ng gi đ n

Một ứng d ng chủ yếu khác của gia đình là mở rộng t nh năng Remote Keyless Entry (RKE) trên nhiều xe ô tô Với mạng cảm biến không dây, khóa không dây, cảm biến cửa và cửa sổ, và điều khi n ánh sáng không dây, chủ sở hữu nhà có th

có một thiết bị tương tự như ph m tắt với một nút Khi nút này được nhấn, thiết bị s khóa tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các đèn trong nhà tiết kiệm vài đèn ban đêm , bật đèn an ninh ngoài trời, và cài đặt hệ thống điều h a không kh HVAC trong nhà vào chế độ ngủ đêm Người sử d ng nhận được một tiếng bíp trấn an và ngủ ngon khi điều này được thực hiện thành công, biết rằng nhà

an toàn Nếu một cánh cửa được mở ra, hoặc một số vấn đề khác tồn tại, một màn hình nhỏ trên thiết bị cho thấy nguồn gốc của sự cố Mạng WSN thậm chí có th sử

d ng một hệ thống an ninh gia đình đầy đủ đ phát hiện ra một cửa sổ bị hỏng hoặc các rắc rối khác

Giống như nhiều công nghệ, một số ứng d ng được đề xuất sớm nhất của các mạng cảm biến không dây là cho các ứng d ng quân sự [6] Một trong những lợi ích tuyệt vời của việc sử d ng các mạng cảm biến không dây là chúng có th được sử d ng

đ thay thế các vệ sĩ và bảo vệ xung quanh chu vi phòng thủ, giữ cho binh sĩ khỏi nguy hi m Bằng cách này, chúng có th ph c v cùng chức năng như các mìn sát thương, mà không gây thiệt hại cho nhân viên liên minh trong trận chiến (hoặc dân thường sau đó

H n 1 4: ng ụng t ng n ự

Ngoài các ứng d ng phòng thủ như vậy, các mạng cảm biến không dây được tri n khai có th được sử d ng đ định vị và xác định các m c tiêu tấn công tiềm năng và

đ hỗ trợ tấn công bằng cách tìm quân đội liên minh và xe không người lái Chúng

có th được trang bị micrô âm thanh, cảm biến rung động địa chấn, cảm biến từ trường, radar băng thông cực đại và các cảm biến khác [7]

1.2.4 Theo t s n v qu n hu un ứn

Theo dõi tài sản có th có nhiều hình thức Một ví d là theo dõi các container vận chuy n trong một cảng lớn Các cơ sở cảng đó có th có hàng ch c ngàn container, một số trong đó trống và xếp trong kho, trong khi các container khác lại bị ràng buộc cho nhiều đi m đến khác nhau Các container được xếp chồng lên nhau, cả trên đất liền và trên tàu Một yếu tố quan trọng trong năng suất (và lợi nhuận) của người gửi hàng là làm thế nào hiệu quả các container có th được tổ

chức đ chúng có th được xử lý số lần ít nhất và với ít lỗi nhất Ví d , điều quan trọng là các container tiếp theo cần thiết được trên đầu của một ngăn xếp gần đó thay vì ở dưới cùng của một ngăn xếp dài 1 km Lỗi trong bản ghi vị trí của bất kỳ container nào có th là thảm họa; một container bị mất có th chỉ được tìm thấy bằng một tìm kiếm toàn diện quy mô rất lớn Mạng cảm biến không dây có th được

sử d ng đ có lợi trong tình huống như vậy; bằng cách đặt cảm biến trên mỗi container, vị trí của nó luôn có th được xác định

bộ chuỗi cung ứng - từ nguyên liệu thông qua các thành phần đến sản phẩm cuối cùng - có th giúp doanh nghiệp hoạt động hiệu quả hơn V d , chuy n sản phẩm thừa từ Ph ng X nơi bán chậm đến Ph ng Y nơi bán nhanh có th giúp một công

ty tránh mua bộ phận linh kiện đ sản xuất nhiều sản phẩm hơn cho Ph ng Y Các mạng cảm biến không dây được đặt dọc theo chuỗi cung ứng cho phép tất cả mọi người trong doanh nghiệp đưa ra các quyết định tốt hơn vì có sẵn nhiều thông tin về sản phẩm trong chuỗi cung ứng

H n 1 6: ng ụng t ng n ng ng iệp

Việc sử d ng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp như là đo mưa các trang trại trồng trọt có quy mô diện t ch lớn, và có th nhận được mưa chỉ rải rác và chỉ trên một số phần của trang trại Việc tưới tiêu tốn kém chi ph , vì vậy điều quan trọng là phải biết được những cánh đồng nào đã nhận được đủ lượng nước, do đó việc tưới tiêu có th bỏ qua với những cánh đồng nào đã nhận đủ mưa ng d ng như vậy là l tưởng cho các mạng cảm biến không dây Số lượng dữ liệu được gửi qua mạng có th rất thấp (ít nhất là một bit - có hoặc không - đáp ứng với câu hỏi đã

có mưa ngày hôm nay chưa? Và độ trễ tin nhắn có th theo thứ tự phút Tuy nhiên, chi phí phải thấp, và tiêu th điện năng phải đủ thấp đ toàn bộ mạng kéo dài suốt mùa trồng trọt Hệ thống cảm biến không dây có khả năng đo lường độ ẩm đất vì mạng lưới này có th được trang bị một bộ cảm biến hóa học và sinh học Dữ liệu được cung cấp bởi một mạng lưới như vậy có khả năng cung cấp cho người nông dân một cái nhìn tổng quát về độ ẩm của đất, nhiệt độ, nhu cầu về thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và phân bón, nhận được đủ ánh nắng mặt trời và nhiều đo lường khác Loại ứng d ng này đặc biệt quan trọng đối với vườn nho nơi những thay đổi môi

trường nhanh chóng có th ảnh hưởng lớn đến giá trị của v mùa và cách thức chúng được xử lý Các tính năng xác định vị trí của nhiều mạng cảm biến không dây cũng có th được sử d ng trong các hệ thống điều khi n tiên tiến đ cho phép tự động hoá các thiết bị nông nghiệp Nhiều ứng d ng của mạng cảm biến không dây cũng được sử d ng trên các vật nuôi Người nông dân có th sử d ng các mạng cảm biến không dây trong việc xác định vị trí của gia súc trong trang trại, và với cảm biến đặt trên mỗi con vật, xác định nhu cầu điều trị đ ngăn ngừa ký sinh trùng Những người chăn nuôi gà thịt và gà thường trong những chuồng nhiệt độ mát mẻ Nếu nhiệt độ tăng quá mức, hàng ngàn con gà có th bị chết Các mạng cảm biến không dây có th được sử d ng đ theo dõi nhiệt độ trong toàn trại, giữ cho động vật an toàn

H n 1 7: ng ụng t ng i t ƣ ng

Sự suy thoái môi trường đã trở thành một trong những mối quan tâm lớn nhất đối với hầu hết các quốc gia Chất lượng nước và không khí rất cần thiết đ duy trì sự cân bằng giữa phát tri n con người và môi trường lành mạnh Giải pháp được đề xuất cho việc này là một hệ thống theo d i môi trường dựa trên một mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây được sử d ng rộng rãi trong việc giám sát ô nhiễm không kh , nước, vv Phát hiện các nguồn gây ô nhiễm môi trường như thủy ngân [8] Có th tri n khai tại một số thành phố đ theo dõi nồng độ khí nguy hi m cho người dân

1.2.6 s t sứ h e

Một thị trường cho các mạng cảm biến không dây dự kiến s phát tri n nhanh chóng là lĩnh vực giám sát sức khoẻ "Giám sát sức khoẻ" thường được định nghĩa là "theo d i thông tin y tế không nguy hi m đến tính mạng", đ phân biệt nó với y tế từ xa Có hai ứng d ng giám sát sức khoẻ phổ biến của các mạng cảm biến không dây Một là theo d i sức khỏe th lực, v d , theo dõi nhịp tim và tốc độ hô hấp của người bệnh thông qua các bộ cảm biến đeo và gửi thông tin tới máy tính cá nhân đ phân tích sau này [9] Hai là giám sát sức khoẻ tại nhà, ví d như quản lý cân nặng cá nhân [10], trọng lượng bệnh nhân có th được gửi không dây tới máy

t nh cá nhân đ lưu trữ Các ví d khác là theo dõi và ghi lại lượng đường trong máu hàng ngày của người bị ti u đường và theo dõi bệnh nhân rối loạn mãn tính [11] Việc sử d ng các mạng cảm biến không dây trong giám sát sức khoẻ dự kiến s tăng tốc do sự phát tri n các cảm biến sinh học, những cảm biến này, có th phát hiện enzyme, axit nucleic, và các vật liệu quan trọng về sinh học khác có th rất nhỏ

và không đắt tiền, dẫn đến nhiều ứng d ng trong dược phẩm và chăm sóc y tế

H n 1 8: ng ụng t ng giá át ức ỏ

Một lĩnh vực phát tri n liên quan đến giám sát và an ninh y tế là cứu trợ thiên tai Ví

d , các cảm biến không dây của hệ thống điều h a không kh HVAC trong một tòa nhà đa tầng bị s p đổ (có th là kết quả của trận động đất) có th cung cấp thông tin

vị trí nạn nhân đ giải cứu nhân viên nếu có cảm biến âm thanh, kích hoạt tự động bằng gia tốc hoặc bằng tay của nhân viên cấp cứu Cảm biến nước và kh cũng có

th được sử d ng đ giúp nhân viên cứu hộ hi u biết về các điều kiện bên dưới

chúng trong đống đổ nát Ngay cả khi không có cảm biến bổ sung nào được đưa vào, t nh đồng nhất và vị tr trước và sau khi s p đổ của các nút mạng còn sót lại có

th được sử d ng đ giúp nhân viên hi u cách tòa nhà s p đổ, nơi có túi kh hoặc các khu vực có th sống sót khác và có th được sử d ng bởi các nhà điều tra đ làm cho các t a nhà tương lai an toàn hơn Các hệ thống cứu trợ thiên tai không dây, dưới dạng đèn báo cứu hộ sạt lở, đã có mặt trên thị trường Thiết bị này s liên t c truyền tín hiệu đ người cứu hộ có th xác định vị tr người đeo trong trường hợp khẩn cấp, được sử d ng bởi người trượt tuyết và những người leo núi khác trong các khu vực dễ bị sạt lở Các hệ thống hiện tại có những hạn chế, tuy nhiên chủ yếu trong số này là chúng chỉ cung cấp thông tin vị trí và không cung cấp thông tin về sức khoẻ của nạn nhân Trong một cơn lốc lớn, khi nhân viên cấp cứu có th phát hiện một số t n hiệu, họ không có cách nào đ quyết định ai nên được trợ giúp trước Gần đây, người ta đã đề xuất các hệ thống này s được tăng cường bằng cách

bổ sung các cảm biến sức khoẻ, bao gồm oxy và nhiệt kế, đ các nhân viên cứu hộ

có th thực hiện việc phân loại trong một trận sạt lở lớn, xác định những người còn sống dưới tuyết

1.3 t ố vấn đề t iết ế m ng cảm biến không dây

Có rất nhiều thách thức đặt ra bởi việc tri n khai các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến truyền thông qua đường dẫn không dây, dễ mất mát và không

dễ thay thế Thách thức chủ yếu liên quan đến việc cung cấp năng lượng hạn chế, thường là không hồi ph c của các nút cảm biến Đ tối đa hóa tuổi thọ của mạng, các giao thức cần được thiết kế ngay từ đầu với m c tiêu quản lý nguồn năng lượng hiệu quả Sau đây là một số vấn đề thiết kế cũng như là thách thức trong mạng cảm biến không dây

1.3.1 h n n hịu

Các nút cảm biến dễ bị tấn công và thường xuyên tri n khai trong môi trường nguy hi m Các nút có th bị lỗi do các vấn đề phần cứng hoặc thiệt hại vật lý hoặc cạn kiệt nguồn cung cấp năng lượng Các giao thức được tri n khai trong một mạng cảm biến không dây s có th phát hiện các lỗi này càng sớm càng tốt và đủ mạnh

đ xử lý một số lượng lớn các lỗi trong khi vẫn duy trì được toàn bộ chức năng của mạng Điều này đặc biệt quan trọng với thiết kế giao thức định tuyến, đảm bảo rằng các đường dẫn thay thế có sẵn đ định tuyến lại các gói tin Môi trường tri n khai khác nhau tạo ra các yêu cầu khả năng chịu lỗi khác nhau

th duy trì hiệu suất đầy đủ

1.3.3 Chi phí s n xuất

Bởi vì nhiều mô hình tri n khai coi các nút cảm biến là thiết bị dùng một lần, các mạng cảm biến không dây có th cạnh tranh với các phương pháp tiếp cận thu thập thông tin truyền thống chỉ khi các nút cảm biến được sản xuất với giá rất

rẻ Giá m c tiêu dự kiến cho một nút cảm biến nên l tưởng là t hơn 1$

1.3.4 Hạn chế của phần cứng

Tối thi u mỗi nút cảm biến cần phải có một bộ cảm biến, một đơn vị xử lý, một bộ truyền tải, và một nguồn cung cấp điện Theo tùy chọn, các nút có th có nhiều bộ cảm biến gắn sẵn hoặc các thiết bị bổ sung như hệ thống định vị đ có th định tuyến theo vị trí Tuy nhiên, mỗi chức năng bổ sung đi kèm với chi phí bổ sung

và làm tăng tiêu th điện năng và k ch thước vật lý của nút Do đó, các chức năng

bổ sung cần được cân bằng với các yêu cầu về chi ph và điện năng thấp

1.3.5 Cấu hình ạng c m biến

Mặc dù WSN đã phát tri n theo nhiều khía cạnh, chúng vẫn là mạng có các nguồn lực hạn chế về năng lượng, khả năng t nh toán, bộ nhớ và khả năng truyền thông Trong những hạn chế này, tiêu th năng lượng là điều quan trọng hàng đầu, được chứng minh bởi số lượng lớn các thuật toán, kỹ thuật và các giao thức đã được phát tri n đ tiết kiệm năng lượng và do đó kéo dài tuổi thọ của mạng Bảo trì cấu

hình là một trong những vấn đề quan trọng nhất được nghiên cứu đ giảm tiêu th năng lượng trong các mạng cảm biến không dây

1.3.6 S n động

Trong các ứng d ng WSN tập trung, dữ liệu cảm biến được chuy n tiếp đến một trạm cơ sở, nơi nó có th được xử lý bằng các phương pháp sử d ng nhiều tài nguyên Định tuyến và tổng hợp dữ liệu có th gây ra nhiều chi phí Một số WSN sử

d ng các trạm thu phát di động [12 , đi qua vùng cảm biến đ thu thập dữ liệu, hoặc định vị mình sao cho số luồng truyền đi được giảm thi u cho các nút cảm biến

1.3.7 Tiêu thụ n n ư n

Nhiều thách thức của mạng cảm biến xoay quanh các nguồn năng lượng hạn chế K ch thước của các nút giới hạn kích thước của pin Thiết kế phần mềm và phần cứng cần xem xét cẩn thận các vấn đề sử d ng năng lượng hiệu quả, tối đa hóa tuổi thọ của mạng Thời gian sống bị ảnh hưởng trực tiếp do độ bền của pin của bộ cảm biến Đạt được mức tiêu th năng lượng thống nhất trong mạng s kéo dài tuổi thọ mạng, vì nó ngăn ngừa chết sớm các khu vực c th của mạng do các đi m nóng

có th gây ra sự gián đoạn cấu trúc và sự kết nối Sink di động s giảm bớt các đi m nóng r ràng vì các khu vực tiêu th năng lượng cao xung quanh sink Tuy nhiên, những thách thức liên quan đến việc định tuyến sink di động có th gây ra tiêu th năng lượng trong mạng tăng lên Nhu cầu quảng cáo thường xuyên vị trí sink (hoặc

vị trí của nó trong cấu trúc liên kết) vào mạng lưới là một sự tiêu tốn năng lượng có

th xảy ra Một giao thức định tuyến hiệu quả nên giảm thi u chi phí của hoạt động này đ bảo vệ tiết kiệm năng lượng do sử d ng sink di động

1.3.8 Độ t n

Độ tin cậy của giao thức định tuyến ph thuộc vào tỷ lệ phân phối của các gói dữ liệu đến Sink Mặc dù tránh những tổn thất gói tin nói chung nằm trong phạm vi của giao thức MAC (Medium Access Control , Sink di động đặt ra một thách thức về độ tin cậy mà giao thức định tuyến phải giải quyết Các gói dữ liệu s mất khi được chuy n tiếp hướng tới vị tr Sink đã lỗi thời vì Sink đã di động sang vi

tr khác Các giao thức định tuyến Sink di động thành công phải sử d ng cơ chế đ

tránh các gói dữ liệu bị mất Một vấn đề quan trọng khác về độ tin cậy là khả năng thay đổi tải đột ngột theo các đường truyền dữ liệu khi sink đến vị tr mới Các cấu hình lại tuyến đường có th gây ra sự dao động đáng tin cậy trong những khoảng thời gian nhỏ dẫn đến tổn thất dữ liệu bất ngờ Cuối cùng, các hành động nên được thực hiện đ điều chỉnh các tổn thất gói dữ liệu có th cản trở hoạt động của giao thức

1.4 iến t c ng cả iến ng

1.4.1 ấu tr ủa ột n t ến h n

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như: đơn vị cảm biến sensing unit , đơn vị xử l processing unit , đơn vị truyền dẫn (transmission unit) và bộ nguồn (power unit) Ngoài ra có th có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng d ng như là hệ thống định vị (position finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer) [13] Một sơ đồ khối chức năng của một nút cảm biến không dây linh hoạt được cung cấp trong hình 1.9

H n 1 9: Cấ t củ t n t cả iến ng

Các đơn vị cảm biến thường bao gồm hai ti u đơn vị: cảm biến và bộ chuy n đổi tương tự - số (ADCs) Các tín hiệu tương tự được tạo ra bởi các cảm biến được chuy n đổi sang tín hiệu số của ADC, và sau đó đưa vào bộ xử lý Bộ xử lý nói chung kết hợp với một bộ nhớ nhỏ (storage) và nó có th quản lý các thủ t c làm cho nút cảm biến hợp tác với các nút khác đ thực hiện nhiệm v cảm ứng được giao Một đơn vị truyền dẫn kết nối nút với mạng Một trong những thành phần quan trọng nhất của một nút cảm biến là đơn vị năng lượng Các đơn vị năng lượng

có th được hỗ trợ bởi một đơn vị thu thập năng lượng như pin mặt trời

Bộ vi xử lý có một số chức năng bao gồm:

 Quản lý thu thập dữ liệu từ cảm biến

 Thực hiện chức năng quản l điện năng

 Kết nối dữ liệu cảm biến với lớp sóng vật lý

 Quản lý các giao thức mạng vô tuyến

Một khía cạnh quan trọng của bất kỳ nút cảm biến không dây là giảm thi u năng lượng tiêu th bởi hệ thống Thông thường, hệ thống vô tuyến nhỏ đ i hỏi lượng điện lớn nhất Do đó, dữ liệu được gửi qua mạng vô tuyến chỉ khi nó được yêu cầu Một thuật toán s được nạp vào nút đ xác định thời đi m gửi dữ liệu dựa trên

sự kiện đã biết Hơn nữa, điều quan trọng là giảm thi u công suất tiêu th bởi cảm biến Do đó, phần cứng nên được thiết kế đ cho phép bộ vi xử l điều khi n điện một cách khôn ngoan

1.4.2 ấu tr ao thứ ủa ạn ến h n

Cấu trúc giao thức thực hiện phối hợp các t nh toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp dữ liệu cảm biến với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến Cấu trúc giao thức bao gốm: lớp ứng d ng (Application Layer), lớp giao vận Transport Layer , lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật l Physical Layer , mặt ph ng quản l năng lượng (Power Management Plane), mặt ph ng quản l di động (Mobility Management Plane) và mặt ph ng quản l nhiệm v Task Management Plane Cấu trúc giao thức được sử

d ng trong sink và tất cả các nút cảm biến được th hiện trên hình 1.10

H n 1 1 : Cấ t c gi t ức củ WSN

Các loại phần mềm ứng d ng khác nhau có th được xây dựng và sử d ng trên lớp ứng d ng tùy thuộc vào các nhiệm v cảm biến Lớp này làm cho phần cứng và phần mềm của lớp thấp nhất trong suốt đối với người dùng cuối Lớp vận chuy n giúp duy trì luồng dữ liệu nếu ứng d ng mạng cảm biến yêu cầu Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp vận chuy n, giao thức định

tuyến không dây đa chức năng c th giữa các nút cảm biến và sink Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép kênh dữ liệu, phát hiện khung, điều khi n truy cập phương tiện truyền thông (MAC – Media Access Control) và ki m soát lỗi Vì môi trường phức tạp và các nút cảm biến có th di động, giao thức MAC phải nhận thức được sức mạnh và có th giảm thi u sự va chạm với phát sóng của nút lân cận Lớp vật lý chỉ đáp ứng nhu cầu của một điều chế đơn giản nhưng mạnh m , lựa chọn tần

số, mã hóa dữ liệu, kỹ thuật truyền và nhận Thêm vào đó, các mặt ph ng quản lý năng lượng, mặt ph ng quản l di động và mặt ph ng quản l nhiệm v điều khi n

sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuy n và nhiệm v giữa các nút cảm biến Các mặt ph ng này giúp cho các nút cảm biến có th phối hợp trong nhiệm v cảm biến và giám sát được tổng năng lượng tiêu th

1.4.3 ấu tr liên kết ủa ạn ến h n ( S topologies)

Là một phần quan trọng của WSN, quản lý cấu trúc liên kết luôn được sử

d ng đ tiết kiệm năng lượng trong khi vẫn duy trì kết nối mạng Việc phát tri n và tri n khai các WSN đã áp d ng các cấu trúc mạng truyền thống theo các hướng mới Các cấu trúc mạng cảm biến không dây khác nhau là Bus, Tree, Star, Ring, Mesh, Circular và Grid [14]

Cấu trúc Bus

Trong cấu trúc này, có một nút gửi tin nhắn đến một nút khác trên mạng, một thông điệp quảng bá s được gửi lên mạng mà tất cả các nút khác nhìn thấy, nhưng chỉ có nút nhận thực sự mới chấp nhận và xử lý tin nhắn

H n 1 11: Cấ t c B

cấu trúcBus rất dễ cài đặt nhưng thường bị tắc ngh n do lưu lượng truy cập và truyền thông đường dẫn đơn Tuy nhiên, cấu trúcBus hoạt động tốt nhất với một số

lượng nút hạn chế Nếu nhiều hơn một vài ch c nút được thêm vào một mạng bus, vấn đề hiệu suất s có kết quả

Cấu trúc Tree

Mạng sử d ng một hub trung tâm gọi là nút gốc (root node) là nút truyền thông chính Trong phân cấp, hub trung tâm (central hub) là một cấp độ bên dưới từ nút gốc Mức thấp hơn này tạo thành một mạng lưới sao Mạng lưới cây có th được coi là sự kết hợp giữa cấu trúc mạng của Star và Peer to Peer như th hiện trong hình 1.12 Trong đường dẫn mạng cảm biến có th là hop đơn hoặc đa hop, nút cảm biến nhận dữ liệu cảm nhận môi trường và gửi chúng đến sink và cảm biến chuy n tiếp chúng đến nút cha mẹ của nó sau khi nhận được các thông điệp dữ liệu từ nút con của nó Điều quan trọng là tìm một cây đường dẫn ngắn nhất tối ưu với tuổi thọ tối đa và thời gian trễ ngắn nhất Có vấn đề trong kế hoạch cân bằng tải ở mỗi cấp của cây có quy mô lớn và truyền thông giữa hai nút Nếu có một liên kết bị ngắt trong nhiều tuyến đường hoạt động thì truyền thông cũng s bị phá vỡ

H n 1 12: Cấ t c Tree Cấu trúc Star

Một mạng sao là một cấu trúc truyền thông, nơi một trạm cơ sở có th gửi và nhận tin nhắn đến một số nút từ xa Các nút từ xa không được phép gửi tin nhắn cho nhau Lợi thế của loại mạng này đối với các mạng cảm biến không dây bao gồm

t nh đơn giản, khả năng giữ mức tiêu th năng lượng của nút ở mức tối thi u Nó cũng cho phép truyền thông độ trễ thấp giữa nút từ xa và trạm cơ sở Bất lợi của một mạng như vậy là trạm cơ sở phải nằm trong vùng truyền dẫn vô tuyến của tất cả

các nút riêng lẻ và không mạnh bằng các mạng khác do sự ph thuộc của nó vào một nút đơn đ quản lý mạng

H n 1 13: Cấ t c Star Cấu trúcRing

Trong một mạng vòng, mỗi nút có chính xác hai hàng xóm cho m c đ ch truyền thông Tất cả thư đi qua một vòng trong theo cùng một hướng (hoặc theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ) Sự mất kết nối bất kỳ nút nào cũng phá vỡ vòng lặp và có th làm toàn bộ mạng ngưng hoạt động

H n 1 14: Cấ t c Ring Cấu trúc Mesh

Mạng lưới cho phép truyền dữ liệu tới một nút tới các nút khác trong mạng

có phạm vi truyền dẫn vô tuyến Điều này cho phép truyền thông đa hop, tức là nếu một nút muốn gửi một thông điệp đến một nút khác nằm ngoài phạm vi truyền thông vô tuyến, nó có th sử d ng một nút trung gian đ chuy n tiếp thông điệp tới nút mong muốn Cấu trúc mạng này có ưu đi m là sự dư thừa và khả năng mở rộng Nếu một nút đơn lẻ bị mất kết nối, một nút từ xa vẫn có th liên lạc với bất kỳ nút

nào khác trong phạm vi của nó, do đó có th chuy n tiếp thông báo đến vị trí mong muốn Ngoài ra, phạm vi của mạng không nhất thiết phải giới hạn bởi phạm vi giữa các nút đơn; nó chỉ đơn giản có th được mở rộng bằng cách thêm nhiều nút vào hệ thống

H n 1.15: Cấ t c Mesh

Sự bất lợi của loại mạng này là tiêu th điện năng cho các nút thực hiện truyền thông đa hop thường cao hơn các nút không có khả năng này, thường là hạn chế tuổi thọ pin Ngoài ra, khi số lượng truyền thông tăng qua nhiều chặng hops đến một đi m, thời gian đ phân phát thông điệp cũng tăng lên, đặc biệt là nếu một nút được yêu cầu có năng lượng thấp

hiện trong Hình 1.16 Tùy thuộc vào khoảng cách của một nút đến sink và phạm vi truyền của các nút, dữ liệu phải đi qua một hoặc nhiều bước nhảy trước khi đến sink Các cấu trúc Circular là dễ dàng thiết lập, dễ bảo trì, và hiệu quả hơn

Cấu trúc Grid

Trường mạng cảm biến phân chia thành các lưới như th hiện trong hình 1.17 Khu vực mạng được phân chia thành lưới vuông không chồng chéo với cùng kích cỡ Nên có ít nhất một và chỉ một nút trong trạng thái làm việc trong mỗi ô lưới tại bất kỳ thời đi m nào Đ tăng thời gian sống của mạng, các nút trong mỗi ô lưới làm việc lần lượt Bên trong mỗi ô lưới, một nút được chọn là một trưởng ô lưới có trách nhiệm chuy n tiếp thông tin định tuyến và truyền tải các gói dữ liệu

H n 1.17: Cấ t c Grid

Định tuyến được thực hiện theo cách ô lưới này sang ô lưới khác (grid-by-grid) Giao thức định tuyến đa đường dựa trên đường lưới đ định tuyến các gói dữ liệu nhanh, sử d ng và tiết kiệm năng lượng của các nút cảm biến, ngoài việc tránh và

xử lý tắc ngh n khi xảy ra trong mạng

Đối với các cấu trúc trong mạng cảm biến không dây, ta có sự so sánh hiệu suất giữa các cấu trúc về đường dẫn, mất kết nối nút (node failure), cân bằng tải, tắc ngh n đường dẫn của gói, tỷ lệ thu nhận gói, tiêu th năng lượng, thời gian sống của mạng, độ tin cậy như sau:

Bảng 1 1: S án iệ ất giữ các cấ t c t ng WSN Hiệu suất Bus Tree Star Ring Mesh Circular Grid

Đường dẫn Đơn Đơn Đơn Gấp đôi Nhiều Nhiều Nhiều Mất kết nối

Cân bằng tải Ít Nhiều

hơn Bus

Ít hơn

Nhiều nhất Tắc ngh n

đường dẫn gói Nhiều Nhiều Nhiều Nhiều Ít Ít Ít nhất

Tỷ lệ thu nhận

Nhiều nhất Năng lượng

tiêu th Nhiều Nhiều Nhiều Nhiều Ít Ít Ít nhất Thời gian

Chương này giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây bao gồm: Các ứng

d ng và các vấn đề thiết kế một WSN Bên cạnh đó cũng đề cập đến kiến trúc của một mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 2

C C C NG TR NH I N QU N 2.1 n t ến t ng WSN

Dữ liệu thu thập được bởi các nút cảm biến trong một WSN thường được truyền cho một trạm cơ sở base station hay sink như là liên kết WSN với các mạng khác, nơi dữ liệu có th được xử l , phân t ch và ra quyết định Trong các mạng cảm biến nhỏ, nơi các nút cảm biến và một sink nằm gần nhau, truyền thông trực tiếp (single-hop) giữa tất cả các nút cảm biến và sink có th là khả thi Tuy nhiên, hầu hết các ứng d ng WSN đ i hỏi một số lượng lớn các nút cảm biến bao phủ các khu vực rộng lớn, đ i hỏi cách tiếp cận truyền thông gián tiếp đa chặng (multi-hop) Tức là, các nút cảm biến không chỉ phải tạo ra và phổ biến thông tin của riêng mình mà còn ph c v như các rơle hoặc các nút chuy n tiếp cho các nút cảm biến khác Quá trình thiết lập các đường dẫn từ nguồn đến một sink thông qua một hoặc nhiều rơle được gọi là định tuyến Khi các nút của WSN được tri n khai theo cách xác định nghĩa là chúng được đặt ở các vị tr được xác định trước), sự giao tiếp giữa nút và sink có th thực hiện bằng các tuyến đường được thiết lập trước Tuy nhiên, khi các nút được tri n khai theo cách ngẫu nhiên nghĩa là chúng được phân tán vào môi trường ngẫu nhiên), kết quả là cấu hình mạng không th đoán trước Trong trường hợp này, các nút này cần phải tự tổ chức, nghĩa là chúng phải hợp tác đ xác định vị trí của chúng, xác định những nút lân cận và khám phá các đường dẫn đến sink Chương này giới thiệu các loại chính của các giao thức định tuyến, chiến lược truyền dữ liệu và trình bày các công trình có liên quan

Trách nhiệm chính của lớp mạng là tìm đường đi từ nguồn dữ liệu đến sink Trong

mô hình định tuyến duy nhất (bi u đồ bên trái trong hình 2.1), tất cả các nút cảm biến có th giao tiếp trực tiếp với sink Mô hình truyền thông trực tiếp này là cách tiếp cận đơn giản nhất, trong đó tất cả dữ liệu đi một bước nhảy duy nhất đ đến

đ ch Tuy nhiên, trong các thiết lập thực tế, cách tiếp cận đơn hop này là không thực

tế và phải sử d ng mô hình truyền thông đa hop đồ thị bên phải trong hình 2.1)