Nghiên cứu đánh giá một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp mac cho mạng cảm biến không dây

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNGNGUYỄN THỊ HỒNG VÂN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ HỒNG VÂN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC CHO

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Thái Nguyên – 2019

Tên tôi là: Nguyễn Thị Hồng Vân, học viên lớp cao học K16 – Kỹ thuậtviễn thông – Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông TháiNguyên.

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đánh giá một số giao thức tiết

kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng cảm biến không dây” do Thầy giáo

TS Vũ Chiến Thắng hướng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản thân tôithực hiện, dựa trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn khoa học và cáctài liệu tham khảo đã trích dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

Thái Nguyên, năm 2019

Học viên

Nguyễn Thị Hồng Vân

Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tàinghiên cứu, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của:

Thầy giáo hướng dẫn trực tiếp TS Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình

về phương hướng và phương pháp nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận văn

Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ điện tử viễn thông, Trường đạihọc Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên đã tạo điều kiện vềthời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho tác giả

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quýbáu đó

Thái Nguyên, 2019

Học viên

Nguyễn Thị Hồng Vân

LỜI CAM ĐOAN .i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi

MỞ ĐẦU xiii

1 Tính cấp thiết của đề tài xiii

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xv

3 Mục tiêu của đề tài xv

4 Phương pháp nghiên cứu xv

5 Nội dung của luận văn xv

6 Những đóng góp của luận văn xvi

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1

1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây 1

1.2 Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây 2

1.2.1 Những thách thức ở cấp độ nút 2

1.2.2 Những thách thức ở cấp độ mạng 4

1.2.3 Sự chuẩn hóa 7

1.2.4 Khả năng cộng tác 9

1.3 Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây 9

1.3.1 Lớp vật lý 11

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu 12

1.3.3 Lớp mạng 13

1.3.4 Lớp giao vận 14

1.3.5 Lớp ứng dụng 15

1.4 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây 17

1.4.2 Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm 18

1.4.3 Mô hình truyền thông Đa Điểm - Điểm 19

1.5 Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây 21

1.5.1 Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4 23

1.5.2 Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 24

1.5.3 Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4 27 1.5.4 Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4 28

1.6 Kết luận chương 1 30

Chương 2 GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 31

2.1 Các thành phần tiêu thụ năng lượng trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm biến không dây 31

2.1.1 Cấu trúc phần cứng cơ bản của một nút mạng cảm biến không dây31 2.1.2 So sánh các thành phần tiêu thụ năng lượng trong cấu trúc phần cứng của nút mạng cảm biến không dây 32

2.2 Giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây 35

2.2.1 Các giao thức không đồng bộ thời gian 38

2.2.2 Các giao thức đồng bộ thời gian 42

2.3 Thực thi một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC trên hệ điều hành Contiki 44

2.3.1 Hệ điều hành Contiki 44

2.3.2 Thực thi giao thức ContikiMAC 50

2.3.3 Thực thi giao thức XMAC 58

2.4 Kết luận chương 2 61

Chương 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LỚP MAC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 62

3.1.1 Giới thiệu chung 62

3.1.2 Cấu hình các giao thức lớp MAC tiết kiệm năng lượng trong hệ điều hành Contiki 63

3.2 Công cụ mô phỏng và mô hình kết nối 64

3.2.1 Giới thiệu về công cụ mô phỏng Cooja 64

3.2.2 Mô hình kết nối giữa các nút mạng cảm biến không dây trong Cooja 65

3.2.3 Mô hình nhiễu giữa các nút mạng cảm biến không dây trong Cooja67 3.3 Kịch bản mô phỏng đánh giá 69

3.3.1 Cấu trúc liên kết mạng 69

3.3.2 Các giả thiết cho bài toán mô phỏng 72

3.3.3 Kịch bản đánh giá 74

3.4 Các thước đo đánh giá hiệu năng 76

3.5 Kết quả đánh giá 78

3.6 Phân tích và đưa ra khuyến nghị 80

3.7 Kết luận chương 3 82

KẾT LUẬN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

Chữ viết tắt Chữ đầy đủ

AODV Adhoc Ondemand Distance Vector Routing

B-MAC Berkeley- Multiplexed Analogue Components

DAO Destination Advertisement Object

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

OSI Open Systems Interconnection Reference Model

OUI Organizational Unique Identifier

RPL IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy

network

RSSI Received Signal Strength Indicator

S-MAC Social Mobile Analytics Cloud

SICS Swedish Institute of Computer Science

SINR Signal to interference plus noise ratio

TCP/IP Transmission Control Protocol (TCP) và Internet

Protocol (IP)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN ht t p : / / l r c tnu.edu.vn

WiFi Wireless Fidelity

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Kịch bản đánh giá mô phỏng 75Bảng 3.2: Mô hình năng lượng của Tmote Sky tại công suất phát là 0dBm 77

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN ht t p : / / l r c tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN ht t p : / / l r c tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải ráctrong trường cảm biến 2

Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây Error!

Bookmark not defined.

Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến khôngdây 18Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến khôngdây 18Hình 1.5: Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến khôngdây 20Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấmđen và các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng Hai FFDs là điều phối viênPAN trong hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen MạngPAN bên phải bao gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN 23Hình 1.7: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) vàđịa chỉ ngắn (16 bit) 24Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý 25Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11.Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và

11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnhhưởng bởi 802.11 26Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC 29

Hình 2.1: Các thành phần chính trong cấu trúc phần cứng của một nút cảmbiến không dây 31Hình 2.2: Bo mạch Tmote Sky 32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

bo mạch Tmote Sky 33

Hình 2.4: Sơ đồ khối của bộ thu phát vô tuyến 34

Hình 2.5: Các mạng hình sao chỉ là các kiểu mạng có thể có nếu các thiết bị không bao giờ dùng bộ vô tuyến để lắng nghe các truyền dẫn từ các nút lân cận 36

Hình 2.6: Trong một mạng lưới, tất cả các nút có thể trao đổi với nhau, cho phép phạm vi của mạng có thể được mở rộng và cho phép các tuyến đường dự phòng để làm tăng độ tin cậy của mạng 37

Hình 2.7: Nguyên lý quay vòng công suất vô tuyến trong LPL

38 Hình 2.8: Để phát một gói tin với cơ chế LPL thì đầu tiên phía gửi sẽ gửi một chuỗi các gói tin báo hiệu gửi để đánh thức phía thu 39

Hình 2.9: Tối ưu hóa việc nhận biết gói tin báo hiệu gửi trong LPL Mỗi gói tin báo hiệu gửi chứa địa chỉ của phía thu gói dữ liệu Khi phía thu lắng nghe được một gói tin báo hiệu gửi, nó sẽ gửi một một gói tin xác nhận cho phía gửi và sau đó phía gửi ngay lập tức truyền gói dữ liệu 39

Hình 2.10: Cơ chế hoạt động của giao thức XMAC 41

Hình 2.11: Cơ chế hoạt động của giao thức ContikiMAC 42

Hình 2.12: Với một giao thức đồng bộ thời gian chẳng hạn như TSMP thì các nút cần phải bật bộ vô tuyến với thời gian ít hơn, bởi vì chúng biết chính xác khi nào phía gửi có thể truyền dữ liệu 43

Hình 2.13: Lịch sử phát triển Contiki 45

Hình 2.14: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki 47

Hình 2.15: Sơ đồ hoạt động các ứng dụng trong Contiki 48

Hình 2.16: Việc truyền dẫn trong ContikiMAC và tính toán thời gian

51 Hình 2.17: Gói tin truyền tải phải đủ dài để nó không nằm giữa các CCA kế tiếp nhau 52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

một khoảng thời gian im lặng không được phát hiện trước tl, nút nhận quay trở lại trạng thái ngủ Nếu khoảng thời gian im lặng dài hơn ti, nút nhận quay trở lại trạng thái ngủ Nếu không nhận được gói nào sau khoảng thời gian im lặng, ngay cả khi phát hiện hoạt động vô tuyến, nút nhận trở lại trạng thái ngủ

54

Hình 2.19: Xác định pha truyền dẫn: Sau khi truyền thành công, nút gửi đã xác định được pha thức giấc của nút nhận, do đó cần gửi bản tin với số lần truyền ít hơn 56

Hình 2.20: XMAC sử dụng một chuỗi báo hiệu để thông báo một truyền dẫn 59

Hình 3.1: Tổ chức của 3 lớp Framer, RDC, MAC trong Contiki

62 Hình 3.2: Công cụ mô phỏng Cooja 65

Hình 3.3: Mô hình UDG 66

Hình 3.4: Mô hình UDI 69

Hình 3.5: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki 70

Hình 3.6: Ví dụ về việc hình thành DODAG 72

Hình 3.7: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong bài toán mô phỏng 74

Hình 3.8: Mô hình mô phỏng một cụm gồm 35 nút 75

Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu 79

Hình 3.10: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong mạng 79

Hình 3.11: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình 80

Hình 3.12: So sánh số bước nhảy trung bình 80

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin –

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuậtcùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện chomột thế hệ mạng mới ra đời – mạng cảm biến không dây (Wireless SensorNetwork - WSN) Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chứcnăng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứngdụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân

sự, môi trường sống, giao thông

Trong một tương lai không xa, khi một số lượng lớn các thiết bị cảmbiến được tích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành mộtphần không thể thiếu trong xã hội hiện đại nhằm mang lại sự tiện nghi vànhững ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người

Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn không chỉ trong khoa học vànghiên cứu mà còn trong những ứng dụng thực tế Tuy nhiên, việc thiết kế vàtriển khai có hiệu quả mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với rấtnhiều thử thách do những đặc điểm riêng biệt của nó như các nút cảm biến bịgiới hạn về phần cứng, khả năng tính toán, mật độ dày đặc của các nút trong

hệ thống Với sự thuận lợi và khó khăn khi thiết kế và triển khai mạng cảmbiến không dây (WSN) đã đặt ra nhiều hướng nghiên cứu để hoàn chỉnh hệthống, trong đó có các hướng nghiên cứu chính đang được quan tâm mạnh mẽ

từ các nhà khoa học đó là: Điều khiển truy nhập môi trường truyền cho mạngcảm biến không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa cácthiết bị cảm biến, vấn đề năng lượng và sử dụng tiết kiệm năng lượng, vấn đềđảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) Trong đó vấn đề giảm tiêu hao nănglượng là một trong số vấn đề được quan tâm hàng đầu, do đây là vấn đề sốngcòn quyết định thời gian sống của toàn hệ thống mạng WSN Chính vì vậy,

Xuất phát từ thực tế khách quan đó, tôi chọn nội dung: “Nghiên cứuđánh giá một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng cảm biếnkhông dây” Với mục đích tìm hiểu một số giao thức tiết kiệm năng lượng vềmạng cảm biến không dây nhằm đưa ra nhưng hướng phát triển mới.

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các giao thức tiết kiệm nănglượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây Đây là đối tượng nghiêncứu được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong thời gian gầnđây

Các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC được nghiên cứu trongphạm vi mô hình ứng dụng thu thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây.Các nghiên cứu đánh giá được tác giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏngCooja

3 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng, tính hiệu quả của các giaothức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC trong phạm vi mô hình ứng dụng thuthập dữ liệu của mạng cảm biến không dây Dựa trên các kết quả đánh giá môphỏng, tác giả đưa ra một số khuyến nghị khi áp dụng các giao thức này chocác ứng dụng thu thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có

ở trong và ngoài nước để phân tích, đánh giá về các giao thức tiết kiệm nănglượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây Dựa trên các cơ sở lýthuyết và các phân tích, đánh giá, tác giả tiến hành mô phỏng và đánh giá cácgiao thức này

Chương 2: Giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảmbiến không dây.

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá giao thức lớp MAC tiết kiệm nănglượng cho mạng cảm biến không dây

Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các đề xuất mới của tác giả và dự kiếnhướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn

6 Những đóng góp của luận văn

Trong luận văn này, tác giả đưa ra một số kết quả nghiên cứu đánh giá sosánh hiệu năng của một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC chomạng cảm biến không dây Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụngtrong việc thiết kế các mạng cảm biến không dây trong các hệ thống thu thập

dữ liệu tự động Do vậy vấn đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoahọc và thực tiễn

Thái Nguyên, năm 2019

Học viên

Nguyễn Thị Hồng Vân

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu

hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyềnthông nhằm cung cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tácđộng lại với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường xác định Các ứngdụng điển hình của mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theodõi, giám sát và y học…

Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng Các nút mạngthường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn,thường được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạnchế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vàinăm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trườngđộc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao,…) [1]

Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như đượcminh họa ở hình 1.1 Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữliệu đến một Sink/Gateway và người dùng cuối Các nút giao tiếp với nhauqua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đachặng Sink có thể truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông quaInternet hoặc vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng diđộng, WiMAX…) hoặc không cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kếtnối trực tiếp với người dùng cuối Lưu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway

và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác

trong trường cảm biến

Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chứcnăng đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu Do vậy, việctruyền thông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:

 Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện

và thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink

 Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc

chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếptrong tuyến đường đa chặng đến Sink

1.2 Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây

1.2.1 Những thách thức ở cấp độ nút

Trong mạng cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nútcần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành Côngsuất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến khôngdây bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồnnăng lượng thấp bên ngoài Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì cácyếu tố kích thước và hình thức quyết định đến các ứng dụng tiềm năng chomạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kíchthước nhỏ gọn Giá thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến

không dây bởi vì mạng cảm biến không dây thường được triển khai với quy

mô lớn Với việc triển khai hàng ngàn các nút mạng cảm biến thì việc tiếtkiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phép tiết kiệm được mộtkhoản tiền đáng kể

Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởngđến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiếntrúc mạng Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn cáclinh kiện phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng ròcũng như hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng Phần mềm chạy trêncác nút cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sửdụng và đặt các thành phần phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt Nhờ

sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các nút mạng cảm biến có thểchạy hệ điều hành và nó cung cấp các cơ chế hoạt động công suất thấp giúptiết kiệm năng lượng

Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạngcũng như việc thiết kế các giao thức mạng Bởi vì quá trình truyền thông tiêutốn nhiều năng lượng nên điều quan trọng là xác định hướng các kiểu truyềnthông để chúng sử dụng hiệu quả tài nguyên sẵn có Để giúp các giao thứcmạng làm được điều này, phần cứng và phần mềm cần biết được thông tin về

sự tiêu hao năng lượng và cung cấp thông tin này đến tầng mạng Ngoài ra, đểtiết kiệm năng lượng, người thiết kế hệ thống cần phải đặt các thiết bị phầncứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt Tuy nhiên, chế độ ngủ cũng ảnhhưởng đến trễ truyền thông của hệ thống

Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kếphần cứng lẫn phần mềm Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì ảnh hưởng ởđây là các phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiệncần phải ít, mỗi linh kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền Những ảnh

hưởng đối với các nhà thiết kế phần mềm là ít rõ rệt hơn Với chi phí thấp,kích thước vật lý nhỏ, công suất tiêu thụ thấp thì các bộ vi xử lý mà trên đócác phần mềm hoạt động trở nên nhỏ gọn hơn, tốc độ tính toán và kích thước

bộ nhớ của các bộ vi xử lý cũng bị giảm bớt Các nhà thiết kế phần mềm chomột hệ thống mạng cảm biến không dây thường chỉ có vài ngàn Byte bộ nhớ

để làm việc so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte bộ nhớ trong các hệ thốngmáy tính thông dụng Do đó, phần mềm cho các nút mạng cảm biến khôngdây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải có khả năng chạy trongmột môi trường hạn chế nghiêm ngặt về tài nguyên (năng lượng, bộ nhớ, khảnăng xử lý hạn chế)

1.2.2 Những thách thức ở cấp độ mạng

Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giảiquyết là sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ởcấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biếnkhông dây

Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượngcác nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút Trongnhiều trường hợp, các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu

từ nhiều điểm thu thập riêng biệt Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồmhàng ngàn các nút cảm biến

Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyếntrong mạng cảm biến không dây Định tuyến là quá trình mạng xác địnhnhững tuyến đường tốt nhất để truyền bản tin qua mạng Định tuyến có thểđược thực hiện hoặc là tập trung hoặc là phân tán Với định tuyến tập trung thìmột máy chủ tính toán bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, còn với địnhtuyến phân tán thì mỗi nút thực hiện tự quyết định lựa chọn tuyến đường đểgửi mỗi bản tin

Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởngđến cả hiệu năng mạng xét về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng nhưtốc độ dữ liệu để có thể vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng và hơn hết

là khoảng thời gian tồn tại của mạng được đảm bảo Trong mạng cảm biếnkhông dây, việc truyền thông tin đòi hỏi năng lượng Các nút thực hiện truyềnthông tin nhiều sẽ mất năng lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ởchế độ ngủ Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn đầy đủ thông tin khilập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng

Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn thông tin định tuyến thì nó yêucầu các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất.Thông tin này đòi hỏi cần phải có bộ nhớ Tuy nhiên, mỗi nút có một sốlượng bộ nhớ hạn chế Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách

kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và

bỏ qua những thông tin không cần thiết khác

Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyềnkhông đáng tin cậy, điều này làm cho vấn đề định tuyến càng gặp nhiều khókhăn Trong kênh truyền thông vô tuyến công suất thấp thì không chắc chắnrằng nếu một bản tin đã được gửi đi bởi một nút thì bản tin đó sẽ nhận đượcbởi một nút đích được dự kiến trước trong mạng Bản tin này có thể bị giánđoạn hoặc có thể bị chặn hoàn toàn bởi một vật lớn bằng kim loại vừa đượcđặt giữa phía gửi và phía nhận Ngay cả khi bản tin không bị chặn hoàn toànthì các bit của nó có thể bị thay đổi trên đường truyền

Tính chất không đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi

là "tổn hao" Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạngcảm biến không dây Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là mộtthách thức đối với các giao thức định tuyến Các giao thức định tuyến phảitính toán vấn đề tổn hao khi quyết định tuyến đường để truyền các bản tin và

có thể bản tin cần phải được gửi lại Các bản tin sẽ được định tuyến sao chocác nguy cơ mất mát bản tin là thấp nhất Nhưng nếu một bản tin được truyềnqua một tuyến đường xảy ra việc mất dữ liệu thì bản tin cần được gửi lại mộtvài lần trong trường hợp bản tin không thể gửi được qua mạng trong lần thửđầu tiên.

Tổn hao là một thuộc tính khó xác định, đặc biệt là trong các mạngkhông dây Tổn hao bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và

độ ẩm của không khí cũng như môi trường vật lý xung quanh của các mạngcảm biến không dây Ví dụ, nếu một lò vi sóng được bật lên, các trường điện

từ mà nó tạo ra có thể can thiệp vào băng tần truyền không dây 2.4GHz.Tương tự như vậy, một mạng máy tính WiFi có thể ảnh hưởng tới một mạngcảm biến không dây, do đó các mạng cảm biến không dây thường bị mất dữliệu nhiều hơn vào ban ngày, khi mà mọi người đang sử dụng mạng WiFi hơn

là vào ban đêm Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây cầnphải được chuẩn bị trước cho những vấn đề này

Tính chất quy mô lớn của các mạng cảm biến không dây làm phức tạpthêm việc định địa chỉ các nút Trong một mạng quy mô lớn, mỗi nút phải cóđịa chỉ riêng để các bản tin có thể được gửi tới nó Các địa chỉ cần có độ dài

đủ lớn sao cho mỗi nút trong các mạng quy mô lớn phải có một địa chỉ riêngbiệt Và ngay cả khi mạng có quy mô nhỏ thì nó có thể tương tác với các nútmạng khác bên ngoài Trong trường hợp này, địa chỉ của các nút trong haimạng phải là duy nhất

Vì số lượng các mạng cảm biến không dây có thể tương tác với cácmạng khác bên ngoài ngày tăng, nên chúng ta cần phải chuẩn bị cho quy môphát triển theo cấp số nhân Do đó, cơ chế định địa chỉ cho các mạng cảmbiến không dây phải xác định duy nhất vài triệu, thậm chí vài tỷ các nút mạngriêng biệt

Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn làmột thách thức vô cùng khó khăn Với mạng cảm biến không dây có thể baogồm hàng ngàn nút thì việc thực hiện quản lý mạng theo cách truyền thốngkhông thể áp dụng ngay được Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi sự điềuchỉnh cơ sở hạ tầng mạng thủ công bởi một quản trị viên hệ thống Với cácmạng cảm biến không dây ở dạng Ad-hoc, mạng phải được chuẩn bị để tựquản lý chính nó mà không có bất kỳ sự điều hành mạng nào của con người.Ngoài ra, trong mạng máy tính truyền thống, mỗi máy tính kết nối mạng cóthể yêu cầu cấu hình thủ công hoặc bán thủ công Ví dụ như người dùng ở cácmáy tính có thể cần phải nhập mật khẩu để truy cập mạng Đối với mạng cảmbiến không dây thì điều đó là không khả thi khi cho một người nhập mật khẩuvào từng nút mạng cảm biến tại các thời điểm khi cần truy cập mạng.

Một mạng cảm biến không dây cũng phải cung cấp các cơ chế truy cập

từ bên ngoài Có những trường hợp mà một mạng cảm biến không dây được

sử dụng cô lập, nhưng thông thường các dữ liệu tạo ra bởi các mạng cảm biếnkhông dây cần phải được lấy ra để xử lý hoặc được lưu trữ ở một nơi khác.Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây cần phải được cấu hình lại hoặc thayđổi trong quá trình hoạt động Trong cả hai trường hợp, các mạng cảm biếnkhông dây phải cho phép truy cập được từ bên ngoài

nghệ thông tin Tuy nhiên, cả hai phải làm việc cùng nhau trong hệ thống tòanhà tự động, ở đó các cảm biến độ ẩm tạo ra đầu vào cho việc kiểm soát môitrường trong toà nhà Hệ thống kiểm soát môi trường được điều khiển bởi một

hệ thống công nghệ thông tin tiên tiến, chúng tiếp nhận đầu vào từ các cảmbiến độ ẩm

Nếu không có sự chuẩn hóa thì các nhà sản xuất thiết bị và các nhà tíchhợp hệ thống cần phải xây dựng toàn bộ hệ thống đối với mọi hệ thống mớiđược cài đặt Ngoài ra, nhà sản xuất và nhà tích hợp sẽ sử dụng một côngnghệ độc quyền từ một nhà cung cấp riêng lẻ Công nghệ độc quyền này cóthể cung cấp các lợi ích trong thời gian ngắn, nhưng nó làm cho nhà sản xuất

và nhà tích hợp đều gặp khó khăn trong việc phát triển hệ thống của họ vượt

ra ngoài công nghệ độc quyền bởi các nhà cung cấp Ngoài ra, khi công nghệnày là độc quyền thì các nhà cung cấp công nghệ sẽ điều khiển tương lai củacông nghệ mà không phải là các nhà sản xuất và các nhà tích hợp

Với việc chuẩn hóa công nghệ thì công nghệ là độc lập với nhà cungcấp, nhà sản xuất và người dùng Bất kỳ nhà cung cấp nào đều có thể lựa chọn

để cung cấp các hệ thống dựa trên công nghệ Các nhà sản xuất thiết bị, cácnhà tích hợp hệ thống có thể lựa chọn để xây dựng hệ thống của họ dựa trêncông nghệ từ bất kỳ nhà cung cấp nào

Tiêu chuẩn hóa công nghệ có một ưu điểm lớn đó là việc chấp nhận cácđiều khoản Khi công nghệ được chuẩn hóa thì các nhà cung cấp, nhà sản xuất

và các nhà tích hợp hệ thống có thể dễ dàng chọn các công nghệ mà không córủi ro từ các nhà cung cấp chính nữa

Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một tháchthức không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức.Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của côngnghệ, từ công nghệ truyền thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định

tuyến, truy cập mức ứng dụng và tích hợp hệ thống công nghệ thông tin Mỗicấp độ có những thách thức kỹ thuật riêng nhưng quan trọng hơn đó là việcchuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bởi các nhóm khác nhau.

1.2.4 Khả năng cộng tác

Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhàcung cấp khác nhau có thể hoạt động cùng nhau Khả năng cộng tác là điềucần thiết giữa các nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dâyvới các cơ sở hạ tầng mạng hiện có

Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộngtác ở nhiều mặt Các nút cảm biến phải tương thích với nhau từ lớp vật lý chođến lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khicác thiết bị từ các hãng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau Ở cấp độ vật

lý, các nút cảm biến không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số

vô tuyến để thực hiện truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệuđược truyền Ở cấp độ mạng, các nút phải thống nhất về định dạng thông tinđược gửi và nhận trên các kênh vật lý cũng như các nút mạng được đánh địachỉ như thế nào, các bản tin sẽ được vận chuyển qua mạng bằng cách nào Ởlớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút cảm biến phải chia sẻ cách thức để dữliệu được gửi vào hoặc lấy ra từ mạng, cũng như làm thế nào để nút cảm biến

có thể được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài

1.3 Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây

Kiến trúc ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi Sink và các nút cảmbiến được minh họa ở hình 1.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kếthợp giữa vấn đề năng lượng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến nănglượng, các giao thức tổng hợp dữ liệu và truyền thông hiệu quả năng lượngqua môi trường không dây Kiến trúc ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý,lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp ứng dụng, cũng như các

mặt phẳng đồng bộ, mặt phẳng định vị, mặt phẳng quản lý cấu trúc liên kếtmạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di động và mặt phẳngquản lý nhiệm vụ Lớp vật lý xác định các yêu cầu cần thiết đó là các kỹ thuậtđiều chế, truyền dẫn, tiếp nhận dữ liệu Bởi vì môi trường có nhiễu và các nútcảm biến có thể di động, nên lớp liên kết có trách nhiệm đảm bảo việc truyềnthông tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiển lỗi và quản lý truy nhập kênh thôngtin thông qua lớp MAC để hạn chế tối đa xung đột với các bản tin quảng bácủa nút lân cận Tùy thuộc vào các nhiệm vụ cảm biến thì các chương trìnhứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và được sử dụng trên lớp ứngdụng Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu từ lớp giao vận Lớpgiao vận giúp duy trì dòng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu.Thêm vào đó là các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và quản lý nhiệm

vụ để giám sát năng lượng tiêu thụ, sự di chuyển và sự phân phối nhiệm vụgiữa các nút cảm biến Những mặt phẳng này giúp các nút cảm biến phối hợpvới nhau trong việc cảm nhận môi trường và giảm tổng năng lượng tiêu thụ

Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây

Mặt phẳng quản lý năng lượng quản lý việc sử dụng năng lượng củamột nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhậnđược một bản tin từ một nút lân cận Điều này nhằm tránh việc nhận được cácbản tin trùng lặp Ngoài ra, khi mức năng lượng của một nút cảm biến xuốngthấp thì nút cảm biến sẽ thông báo quảng bá đến các nút lân cận để các nút lâncận biết rằng năng lượng của nó đang ở mức thấp và nó không thể tham giavào việc định tuyến các bản tin Năng lượng còn lại chỉ để dành riêng choviệc cảm nhận và truyền dữ liệu của riêng nút đó Mặt phẳng quản lý di độngphát hiện và đăng ký sự di chuyển của các nút cảm biến, do đó một tuyếnđường đến người dùng cuối luôn luôn được duy trì và các nút cảm biến có thểtheo dõi các nút lân cận của chúng Bằng việc nhận biết các nút lân cận thì cácnút cảm biến có thể cân bằng giữa việc sử dụng năng lượng và nhiệm vụ củachúng Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ cân bằng và lập lịch các nhiệm vụ cảmnhận cho một khu vực cụ thể Không phải tất cả các nút cảm biến trong khuvực đó được yêu cầu thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm Kếtquả là, một số nút cảm biến thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn các nút khác, tùythuộc vào mức năng lượng của chúng Những mặt phẳng quản lý này là cầnthiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau sao cho chúng đạt đượchiệu quả cao nhất về năng lượng, về định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến

và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến Nếu không có các mặt phẳngquản lý này thì mỗi nút cảm biến chỉ có thể làm việc riêng lẻ Từ góc độ toànmạng thì sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể cộng tác với nhau, nhờ

đó thời gian tồn tại của mạng có thể được kéo dài

1.3.1 Lớp vật lý

Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mang, pháthiện tín hiệu và điều chế dữ liệu

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép các dòng dữ liệu, phát hiệnkhung dữ liệu, điều khiển lỗi và điều khiển truy nhập kênh truyền Nó đảmbảo sự tin cậy của các kết nối điểm - điểm và điểm - đa điểm trong mạng

1.3.2.1 Điều khiển truy nhập kênh truyền

Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đachặng và tự tổ chức cần phải đạt được hai mục tiêu Mục tiêu thứ nhất là tạo

cơ sở hạ tầng mạng Bởi vì hàng trăm nút cảm biến có thể nằm rải rác với mật

độ cao trong một trường cảm biến, nên cơ chế MAC cần phải thiết lập cácliên kết truyền thông để truyền dữ liệu Điều này tạo thành cơ sở hạ tầngmạng cần thiết cho việc truyền thông không dây đa chặng và cung cấp khảnăng tự tổ chức Mục tiêu thứ hai là chia sẻ hiệu quả các tài nguyên truyềnthông giữa các nút cảm biến Những tài nguyên này bao gồm thời gian, nănglượng và tần số Trong suốt một thập kỷ qua, một số giao thức MAC đã đượcphát triển cho các mạng cảm biến không dây để giải quyết những yêu cầu này

Với bất kể một cơ chế truy nhập kênh truyền nào thì vấn đề hiệu quảnăng lượng là vô cùng quan trọng Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trợcác chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến Việc bảo tồnnăng lượng rõ ràng nhất là tắt bộ thu phát khi không cần thiết Mặc dù phươngpháp tiết kiệm năng lượng này dường như có lợi đáng kể cho việc tiết kiệmnăng lượng nhưng nó có thể cản trở việc kết nối mạng Sau khi bộ thu phát tắtthì nút cảm biến không thể nhận được bất kỳ gói tin nào từ các nút lân cận,bởi vì nó bị ngắt kết nối mạng Ngoài ra, việc bật và tắt bộ thu phát vô tuyếnđều có một chi phí về năng lượng tiêu thụ do các thủ tục khởi động và tắt bộthu phát vô tuyến đều yêu cầu cả về phần cứng và phần mềm Có một số chế

độ hoạt động hữu ích khác cho nút cảm biến không dây tùy thuộc vào sốlượng các trạng thái của bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi A/D và bộ thu

phát Mỗi chế độ này được đặc trưng bởi năng lượng tiêu thụ, thời gian trễ đểchuyển đổi giữa các chế độ năng lượng đó.

1.3.2.2 Điều khiển lỗi

Một chức năng quan trọng của lớp liên kết dữ liệu là điều khiển lỗi(Error Control - EC) Hai chế độ quan trọng của phương thức điều khiển lỗitrong các mạng truyền thông là sửa lỗi trước (Forward Error Control - FEC),yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request - ARQ) Lợi ích của ARQtrong các ứng dụng mạng cảm biến bị hạn chế do việc tổn hao năng lượng khitruyền lại và việc giải mã cũng phức tạp hơn ở FEC, cũng như các khả năngsửa lỗi cần phải được xây dựng Do đó, các mã điều khiển lỗi đơn giản vớiviệc mã hóa và giải mã ít phức tạp có thể là các giải pháp hiện tại tốt nhất chocác mạng cảm biến Để thiết kế một cơ chế như vậy thì điều quan trọng làphải hiểu rõ về các đặc tính kênh truyền

1.3.3 Lớp mạng

Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảmbiến, có thể ở gần hoặc ngay trong hiện trường như được chỉ ra trong hình1.1 Thông tin thu thập được liên quan đến hiện trường được truyền đến Sink

có thể được đặt xa so với trường cảm biến Tuy nhiên, phạm vi truyền thôngcủa các nút cảm biến bị hạn chế đã không cho phép việc truyền thông trựctiếp giữa mỗi nút cảm biến với Sinks Điều này đòi hỏi các giao thức địnhtuyến không dây đa chặng giữa các nút cảm biến và Sink bằng việc sử dụngcác nút cảm biến trung gian để thực hiện chuyển tiếp Các kỹ thuật định tuyếnhiện có đã được phát triển cho các mạng Ad-hoc không dây thường khôngphù hợp với các yêu cầu của mạng cảm biến Lớp mạng của các mạng cảmbiến thường được thiết kế theo quy tắc sau đây:

 Vấn đề hiệu quả năng lượng luôn là vấn đề được quan tâm nhất

 Các mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

 Ngoài việc định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp các dữ liệu

từ các nút lân cận thông qua việc xử lý cục bộ

 Do số lượng lớn các nút trong một mạng cảm biến không dây nên cóthể các nút không có nhận dạng duy nhất và chúng có thể cần phải đượcđánh địa chỉ dựa trên dữ liệu và vị trí của chúng

Một vấn đề quan trọng đối với việc định tuyến trong các mạng cảmbiến không dây là việc định tuyến có thể dựa trên các truy vấn tập trung dữliệu Dựa trên các thông tin được yêu cầu bởi người dùng, các giao thức địnhtuyến sẽ xác định các nút khác nhau trong mạng để cung cấp thông tin yêucầu Cụ thể là người dùng quan tâm nhiều hơn đến truy vấn một thuộc tínhcủa hiện trường chứ không phải là truy vấn một nút riêng lẻ Ví dụ "các khuvực có nhiệt độ trên 21oC" là một truy vấn phổ biến hơn so với "nhiệt độ đọcbởi nút số #47"

Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp kết nối liênmạng với các mạng bên ngoài chẳng hạn như các mạng cảm biến khác, các hệthống chỉ huy, điều khiển và mạng Internet Các nút Sink có thể được sử dụngnhư một Gateway kết nối với các mạng khác, trong khi ở một trường hợpkhác chúng tạo ra một đường trục kết nối các nút Sink với nhau và kết nốiđường trục với các mạng khác thông qua một Gateway

1.3.4 Lớp giao vận

Sự phát triển của các giao thức lớp giao vận là một nhiệm vụ đầy tháchthức bởi vì các nút cảm biến bị ảnh hưởng bởi những hạn chế về phần cứngnhư là năng lượng và bộ nhớ hạn chế Do đó, mỗi nút cảm biến không thể lưutrữ một lượng lớn dữ liệu như một máy chủ trên mạng Internet

Để thực hiện việc truyền thông trong mạng cảm biến không dây thì cácgiao thức lớp giao vận yêu cầu hai chức năng chính đó là: Đảm bảo độ tin cậy

và điều khiển tắc nghẽn Do tài nguyên hạn chế và chi phí cao về năng lượng

đã ảnh hưởng đến độ tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối đến điểmcuối được sử dụng trong các mạng cảm biến không dây Do vậy cần thiết phải

có các cơ chế đáng tin cậy Ngoài ra, tắc nghẽn có thể xuất hiện bởi lưu lượnglớn dữ liệu được tạo ra trong suốt quá trình xảy ra các sự kiện trong trườngcảm biến Tắc nghẽn cần được giảm thiểu bởi các giao thức lớp giao vận

1.3.5 Lớp ứng dụng

Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng chính cũng như một số chức năngquản lý Ngoài các chương trình ứng dụng cụ thể cho mỗi ứng dụng thì cácchức năng quản lý và xử lý truy vấn cũng nằm ở lớp này

Ngoài các chức năng truyền thông trong ngăn xếp phân lớp thì cácmạng cảm biến không dây cũng được trang bị các chức năng để hỗ trợ hoạtđộng cho các giải pháp khác được đề xuất Trong một mạng cảm biến khôngdây, mỗi thiết bị cảm biến được trang bị một đồng hồ cục bộ Mỗi sự kiện cóliên quan đến sự hoạt động của thiết bị cảm biến bao gồm cảm nhận, xử lý vàtruyền thông được kết hợp với thông tin định thời được điều khiển thông quacác đồng hồ cục bộ Vì người dùng quan tâm đến thông tin phối hợp từ nhiềucảm biến, nên thông tin định thời có liên quan đến dữ liệu ở mỗi thiết bị cảmbiến cần phải được thống nhất Ngoài ra, mạng cảm biến không dây có thể sắpxếp thứ tự chính xác các sự kiện được cảm nhận bởi các cảm biến phân tán từ

đó mô hình hóa chính xác môi trường vật lý Những yêu cầu đồng bộ này đãdẫn đến sự phát triển các giao thức đồng bộ thời gian trong các mạng cảmbiến không dây

Sự tương tác chặt chẽ với các hiện tượng vật lý đòi hỏi phải có cácthông tin vị trí có liên quan Các mạng cảm biến không dây kết hợp chặt chẽvới các hiện tượng vật lý ở môi trường xung quanh Thông tin thu thập đượccần phải được kết hợp với vị trí của các nút cảm biến để cung cấp cái nhìnchính xác về trường cảm biến Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây có thể

được sử dụng để theo dõi các đối tượng nhất định trong các ứng dụng giámsát Các ứng dụng này đòi hỏi thông tin vị trí để đưa vào các thuật toán theodõi Ngoài ra, các dịch vụ dựa trên vị trí và các giao thức truyền thông cũngyêu cầu thông tin vị trí Do đó, các giao thức định vị đã được đưa vào ngănxếp truyền thông.

Cuối cùng, một số giải pháp quản lý cấu trúc liên kết cũng cần phải có

để duy trì kết nối và vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây Các thuậttoán quản lý cấu trúc liên kết cung cấp các phương thức hiệu quả cho việctriển khai mạng nhằm kéo dài thời gian tồn tại của mạng và phủ sóng thôngtin một cách hiệu quả Ngoài ra, các giao thức điều khiển cấu trúc liên kếtgiúp xác định các mức công suất truyền cũng như thời gian hoạt động của cácnút cảm biến để tối thiểu năng lượng tiêu thụ trong khi vẫn đảm bảo kết nốimạng Cuối cùng, các giao thức phân nhóm được sử dụng để tổ chức mạngthành các cụm nhằm cải thiện khả năng mở rộng và cải thiện thời gian tồn tạicủa mạng

Bản chất sự phụ thuộc vào từng ứng dụng của các mạng cảm biếnkhông dây đã xác định một số thuộc tính đặc trưng riêng so với các giải phápmạng truyền thống Mặc dù những nghiên cứu và triển khai ban đầu của cácmạng cảm biến không dây tập trung chủ yếu vào việc truyền dữ liệu trongmôi trường không dây nhưng một vài lĩnh vực ứng dụng mới của mạng cảmbiến không dây cũng đã xuất hiện Chúng bao gồm các mạng cảm biến vàđiều khiển không dây, trong đó mỗi nút cảm biến có thêm các thiết bị truyềnđộng để chuyển đổi thông tin cảm nhận được thành các hành động để tácđộng đến môi trường và các mạng cảm biến đa phương tiện không dây hỗ trợlưu lượng đa phương tiện bao gồm các thông tin âm thanh và hình ảnh Ngoài

ra, hiện trường mạng cảm biến không dây gần đây đã được áp dụng vào trongcác môi trường hạn chế như thiết lập mạng dưới nước, trong lòng đất và tạo ra

các mạng cảm biến không dây dưới nước và trong lòng đất Những lĩnh vựcnghiên cứu mới này đặt ra những thách thức mới bổ sung mà chưa được quantâm xem xét bởi một số giải pháp đã được phát triển cho các mạng cảm biếnkhông dây truyền thống.

Sự linh hoạt, khả năng chịu lỗi, cảm nhận độ trung thực cao, chi phíthấp và một số đặc điểm triển khai nhanh chóng của các mạng cảm biếnkhông dây đã tạo ra nhiều lĩnh vực ứng dụng mới cho việc cảm nhận từ xa.Trong tương lai, một loạt các lĩnh vực ứng dụng này sẽ làm cho các mạngcảm biến trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta.Tuy nhiên, việc thực hiện các mạng cảm biến này cần phải đáp ứng được cácyếu tố như khả năng chống lỗi, khả năng mở rộng, chi phí, phần cứng, sự thayđổi cấu trúc liên kết mạng, môi trường và năng lượng tiêu thụ Bởi vì nhữngràng buộc này rất nghiêm ngặt và đặc thù cho các mạng cảm biến nên các kỹthuật mạng Ad-hoc không dây mới là rất cần thiết Nhiều nhà nghiên cứu hiệnđang tham gia vào việc phát triển các công nghệ cần thiết cho các lớp khácnhau của ngăn xếp giao thức mạng cảm biến

1.4 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thểđược chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm.Mỗi mô hình truyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau.Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông này

1.4.1 Mô hình truyền thông Điểm - Điểm

Mô hình truyền thông Điểm - Điểm xảy ra khi một nút mạng cảm biếnkhông dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác Tuynhiên, việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác.Trong hình 1.3, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau nhưng

có hai nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì

chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyềnthông.

Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không

dây

1.4.2 Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm

Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm được minh họa như ở hình 1.4

Mô hình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và cóthể là tất cả các nút khác trong mạng Mô hình truyền thông này có thể được

sử dụng để gửi một lệnh thiết lập đến các nút trong mạng

Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không

dây

Có nhiều hình thức truyền thông trong mô hình Điểm - Đa điểm Tùythuộc vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi làkhác nhau Nếu yêu cầu độ tin cậy cao thì giao thức truyền thông có thể phảitruyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành công đượcgói tin Nếu độ tin cậy không yêu cầu quá khắt khe thì giao thức truyền thông

có thể không cần phải truyền lại bất kỳ bản tin nào và giao thức truyền thôngcoi kênh truyền thông đủ tin cậy để các bản tin có thể đến được các nút nhận

Nhiều cơ chế và giao thức đã được thiết kế để thực hiện truyền thôngĐiểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không dây Dạng đơn giản của truyềnthông Điểm - Đa điểm là mạng tràn lan Điều này được thực hiện bằng cáchtừng nút quảng bá bản tin được gửi đi Khi một nút lắng nghe được một bảntin quảng bá được phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tintới tất cả các nút khác xung quanh nó Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗinút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại các bản tin.Hiệu quả của cơ chế này là bản tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ cácbản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến

Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợpnhưng nó không phải là cơ chế đáng tin cậy Các bản tin bị mất do nhiễu hoặcxung đột cần được truyền lại Để đạt được độ tin cậy trong truyền thông Điểm

- Đa điểm thì giao thức truyền thông phải phát hiện được các bản tin bị mất vàphát lại chúng

1.4.3 Mô hình truyền thông Đa Điểm - Điểm

Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm thường được sử dụng để thuthập dữ liệu từ các nút trong trường cảm biến Với mô hình truyền thông Đađiểm - Điểm, một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút Nút này thường đượcgọi là Sink Hình 1.5 minh họa mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm

Hình 1.5: Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không

Trong truyền thông Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sinktrong mạng Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thểđược gửi tới thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nútgửi Điều này cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệuđạt hiệu quả cao hơn

Để thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấutrúc cây với gốc của nó ở nút Sink Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việcgửi lặp lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bướcnhảy bằng không tính từ nút Sink Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền

và truyền lại các bản tin để thông báo chúng có bước nhảy là một tính từ nútSink Lần lượt, các nút lân cận của chúng sẽ quảng bá thông tin là chúng cóbước nhảy là hai tính từ nút Sink Với phương thức đơn giản này, mọi núttrong mạng cuối cùng sẽ biết có bao nhiêu bước nhảy chúng phải trải qua

được tính từ nút Sink và biết được các nút lân cận gần Sink hơn Khi gửi mộtgói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần Sink hơn.

1.5 Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây

Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho cácứng dụng công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp Tiêu chuẩn này đã được pháttriển cho mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện vàđiện tử (IEEE) Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s

và công suất đầu ra tối đa 1mW Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm viphủ sóng hẹp trong vài chục mét Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật củachuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp,điều này đã làm cho chuẩn IEEE 802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến khôngdây Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4

Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn IEEE 802.15.4 và sự sẵn có của các

bộ thu phát vô tuyến tương thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiềungăn xếp vô tuyến công suất thấp đã được xây dựng trên chuẩn IEEE802.15.4 như là: WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee

Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:

 Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh

truyền vô tuyến vật lý như thế nào

 Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin

đến từ các lớp vật lý sẽ được xử lý như thế nào

Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 đã xác định rõ một vài cơ chế ở lớp vật lý

và lớp MAC nhưng không phải tất cả mọi chỉ dẫn đều được sử dụng rộng rãi

Ví dụ chuẩn WirelessHART sử dụng các chỉ dẫn lớp vật lý và định dạng tiêu

đề gói tin ở lớp MAC nhưng không phải tất cả các quy định ở lớp MAC được

sử dụng

Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte Cácgói tin có kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho cácthiết bị với tốc độ dữ liệu thấp Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho cácgói tin nên lượng dữ liệu dành sẵn cho giao thức lớp trên hoặc lớp ứng dụngvào khoảng từ 86 đến 116 byte Do vậy, các giao thức ở lớp trên thường thêmvào các cơ chế phân mảnh các phần dữ liệu lớn hơn thành nhiều khung theochuẩn 802.15.4.

Các mạng IEEE 802.15.4 được chia thành các mạng PAN như hình 1.6.Mỗi mạng PAN có một điều phối viên PAN và một tập các thành viên mạngPAN Các gói tin được truyền qua mạng PAN mang 16 bit nhận dạng chomạng PAN để xác định mạng PAN nào mà gói được gửi đến Một thiết bị cóthể tham gia vào một mạng PAN như là một điều phối viên PAN và cũngđồng thời tham gia là thành viên mạng PAN trong một mạng PAN khác

Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: Thiết bị có chứcnăng đầy đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs) Các FFDs cónhiều khả năng hơn RFDs và có thể đóng vai trò như một điều phối viênPAN RFDs là các thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việcchế tạo với giá thành rẻ hơn RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs CácFFDs có thể truyền thông được với cả RFDs và FFDs

Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng Hai FFDs là điều phối viênPAN trong hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen Mạng PAN bên phải bao gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN.

Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba loại cấu trúc mạng được hỗtrợ là hình sao, mạng mắt lưới và hình cây nhưng hầu hết các giao thức hoạtđộng ở lớp trên không sử dụng các cấu hình mạng của 802.15.4 Thay vào đó,chúng xây dựng những cấu trúc liên kết mạng của riêng nó ở phía trên lớpMAC 802.15.4 Vì lý do đó, chúng ta không đi vào chi tiết các cấu trúc liênkết mạng được định nghĩa bởi chuẩn IEEE 802.15.4

1.5.1 Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4

Mỗi nút trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 có một địa chỉ 64 bitnhận dạng thiết bị duy nhất Do kích thước gói tin bị giới hạn bởi chuẩn IEEE802.15.4, nên độ dài 64 bit địa chỉ là không khả thi Do đó, chuẩn IEEE802.15.4 cho phép các nút sử dụng địa chỉ với độ dài 16 bit Các địa chỉ ngắnđược gán bởi điều phối viên PAN và chỉ có giá trị trong khuôn khổ của mộtPAN Các nút có thể lựa chọn để gửi gói tin bằng cách sử dụng cả hai địnhdạng địa chỉ

Địa chỉ được viết dưới dạng hệ thập lục phân (Hexa) phân cách nhaubằng dấu hai chấm Một ví dụ về độ dài một địa chỉ 802.15.4 là

00:12:75:00:11:6 e:cd: fb Hình 1.7 là một ví dụ về hai địa chỉ IEEE 802.15.4

là một địa chỉ dài và một địa chỉ ngắn

Hình 1.7: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4

là địa chỉ dài (64 bit) và địa chỉ ngắn (16 bit)

Các địa chỉ dài là duy nhất trên thế giới và mỗi thiết bị IEEE 802.15.4được gán một địa chỉ khi được sản xuất Mỗi nhà sản xuất yêu cầu 24 bit nhậndạng duy nhất OUI của nhà sản xuất (Organizational Unique Identifier) lấy từ

tổ chức IEEE Các OUI được sử dụng như là 24 bit địa chỉ đầu tiên của thiết

bị Còn lại 40 bit được gán bởi nhà sản xuất và phải là duy nhất cho mỗi thiếtbị

Các địa chỉ ngắn được gán bởi các điều phối viên mạng PAN Một địachỉ ngắn chỉ có hiệu lực trong phạm vi mạng PAN đó Tuy nhiên, một thiết bịvới một địa chỉ ngắn có thể truyền thông với các thiết bị bên ngoài mạng PANbằng cách mang thêm 16 bit định danh mạng PAN của nó và mạng PAN củathiết bị đích trong mỗi bản tin được gửi đi Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 khôngchỉ định bất kỳ thuật toán cụ thể nào sẽ được sử dụng bởi một điều phối viênPAN khi gán các địa chỉ ngắn trong phạm vi mạng PAN

1.5.2 Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4

Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóatín hiệu Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến đượccấp phép miễn phí Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên tần