VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSON VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG.doc

VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSON VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG

Mục lục 1

Thuật ngữ viết tắt 4

Lời nói đầu 6

Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor 7

1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 7

1.2 Nền tảng phát triển mạng 7

1.2.1 Mạng Ad hoc không dây 7

1.2.2 Nền tảng công nghệ 10

1.3 Mô tả hệ thống 12

1.3.1 Mô tả hệ thống tổng quát 12

1.3.2 Hệ thống WISENET 13

1.4 Tổng quan về kiến trúc mạng 17

1.4.1 Lớp ứng dụng 18

1.4.1.1 Giao thức quản lý Sensor 18

1.4.1.2 Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu 19

1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu 20

1.4.2 Lớp giao vận 20

1.4.3 Lớp mạng 21

1.4.4 Liên kết liên mạng 21

1.4.5 Lớp liên kết số liệu 22

1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trờng truyền dẫn 22

1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi 23

1.4.6 Lớp vật lý 24

1.5 Đặc điểm của mạng Wireless Sensor 25

1.5.1 Kích thớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp 25

1.5.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 26

1.5.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế 26

1.5.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng 26

1.5.5 Hoạt động tin cậy 27

1.6 ứng dụng của mạng Sensor 27

1.6.1 ứng dụng trong quân sự 27

1.6.2 ứng dụng về môi trờng 29

1.6.3 ứng dụng trong y tế 30

1.6.4 ứng dụng trong gia đình 30

1.6.5 Các ứng dụng thơng mại khác 31

Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor 33

2.1 Tính đặc thù của mạng 33

2.1.1 Hạn chế phần cứng 33

2.1.2 Môi trờng hoạt động 34

2.1.3 Môi trờng truyền dẫn 35

2.2 Sự tiêu thụ năng lợng 36

2.2.1 Năng lợng cho nhiệm vụ cảm biến 37

2.2.2 Năng lợng cho truyền thông 37

2.2.3 Năng lợng cho xử lý 38

2.3 Các giải pháp tiết kiệm năng lợng 38

2.3.1 Giải pháp định tuyến 38

2.3.1.1 Các phơng pháp định tuyến tối u về năng lợng 39

2.3.1.2 Phơng pháp định tuyến số liệu tập trung 40

2.3.1.3 Các giao thức lớp mạng khác đợc đề xuất cho mạng Sensor 41

2.3.2 Giải pháp truy nhập môi trờng truyền dẫn 46

2.3.2.1 Yêu cầu với giao thức điều khiển truy nhập môi trờng (MAC) cho mạng sensor 46

2.3.2.2 Các giao thức MAC cho mạng sensor 47

2.3.2.3 Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lợng 50

2.3.3.2 Phát hiện nguồn thấp "Low Battery" 51

2.3.3.3 Cảnh báo "Low Battery" 53

2.3.4 Tận dụng các nguồn năng lợng trong tự nhiên 54

2.3.1.1 Tế bào quang điện 55

2.3.1.2 Các nguồn năng lợng khác 56

Chơng III : Phần mềm mô phỏng năng lợng cho mạng Wireless Sensor 57

3.1 Mô hình hoá mô phỏng 57

3.1 Mô hình nguồn năng lợng 57

3.3 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor 58

3.3.1 Phần mềm NS-2 58

3.3.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng Sensor trên nền NS-2 61

3.3.3 Các định dạng mới trong NS-2 62

3.3.4 Thay đổi trong NS-2 64

3.4 Thiết lập mã lập trình mô phỏng 66

3.4.1 Thiết lập kênh hiện tợng và kênh dữ liệu 66

3.4.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon 66

3.4.3 Thiết lập các nút Phenomenon với giao thức "định tuyến" Phenom 66

3.4.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon 67

3.4.5 Định hình nút Sensor 68

3.4.6 Thiết lập các nút Non-Sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) 69

3.4.7 Gắn kết các tác nhân Sensor 70

3.4.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng Sensor cho mỗi nút 70

3.4.9 Khởi động ứng dụng Sensor 70

Chơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor 71

4.1 Mục đính mô phỏng 71

4.2 Thực hiện mô phỏng 72

4.2.1 Mã chơng trình 72

4.2.1 Phân tích kết quả 73

4.2 Kết quả 74

4.2.1 Sự tổn hao năng lợng 75

4.2.2 Tốc độ giảm năng lợng khi tăng số nút mạng 77

4.2.3 Tốc độ giảm năng lợng khi mật độ mạng không đổi 78

4.2 Đánh giá 79

Kết luận 80

Tài liệu tham khảo 81

Thuật ngữ viết tắt

ADC Analogue/Digital converter Bộ chuyển đổi tơng tự / số

Vector

Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời

API Application program interface Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng

ARC Adaptive transmitssion rate

control

Điều khiển tốc độ truyền dẫn thích ứngARQ automatic repeat request Cơ chế sửa lỗi bằng yêu cầu lặp lại tự

động

CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập theo cảm biến lu lợng

Distance-Vector

Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với

đích tuần tự

FDMA Frequency division multiple

access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

HTTP HyperText Tranffer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản

ISM band Industrial, Scientific and

có cơ sở hạ tầng)

communication network

Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu

NS-2 Network Simulator version 2 Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2Otcl Object-oriented tool command

language

Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hớng

đối tợng

RS-232 Serial Radio Link - 232 Liên kết vô tuyến nối tiếp theo chuẩn

RS-232SAR Sequential assignment routing Định tuyến chỉ định liên tục

communication network

Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu loại nhỏ

SMACS Self Organizing MAC for

Sensor network

Giao thức MAC tự tổ chức cho mạng sensor

SMP Sensor management protocol Giao thức quản lý sensor

SPIN Sensor protocols for Các giao thức thông tin sensor thông

information via negotiation qua thỏa thuậnSQDDP Sensor query and data

dissemination protocol

Giao thức truy vấn sensor và phổ biến

số liệuSQL Structure Query Language Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc

SQTL Sensor query and tasking

language

Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ sensor

SSF Scalable Simulation Framework Cơ cấu mô phỏng mở rộng

TADAP Task assignment and data

advertisement protocol

Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo

số liệuTCP/IP Transmission Control

Protocol/Internet Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao thức Internet

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

WISENET WIreless SEnsor NETwork Hệ thống mạng sensor không dây

WISENET WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, côngnghệ vi mạch điện tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiềuứng dụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất kỳ điều kiện

và vùng địa lý nào Có nhiều phơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thôngtin trong đó mạng Wireless Sensor hiện đang đợc dùng phổ biến trên thế giới và đangdần xâm nhập vào nớc ta

Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng Wireless Sensor nh vấn đề năng lợng, vấn đề đồng

bộ sensor, vấn đề mở rộng mạng Năng lợng luôn là yếu tố quan trọng của tất cả cácloại mạng Với mạng Wireless Sensor do tính đặc thù của mạng là hạn chế về phầncứng và ứng dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lợng càng trở lên quantrọng

Trớc thực tế này, đợc sự định hớng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòngNghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bu Điện,

em đã chọn đề tài đồ án: “Vấn đề năng lợng trong mạng Wireless Sensor và đánh giábằng mô phỏng”

Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng l ợng trong mạngWireless Sensor, từ đó đa ra các giải pháp tiết kiệm năng lợng trong mạng và tận dụngcác nguồn năng lợng sạch trong tự nhiên

Đồ án gồm 4 chơng:

1 - Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor

2 - Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor

3 - Chơng III : Phần mềm mô phỏng cho mạng Wireless Sensor

4 - Chơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor

Do còn hạn chế về kiến thức và năng lực nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót.Mong đợc sự góp ý của thầy cô và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Pháttriển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bu Điện, đã hớng dẫn em

về chuyên môn cũng nh phơng pháp làm việc để em có thể hoàn thành đồ án Qua đây,

em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô trong Khoa Viễn Thông I,Học viện Công nghệ Bu chính - Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoànthành đồ án này

Hà Nội ngày 31 tháng 10 năm 2005

Sinh viênPhan Viết Thời

Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor

1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây

Các thiết bị cảm biến (Sensor) đợc kết nối thành mạng, phối hợp với nhau để thựchiện các nhiệm vụ với quy mô lớn, đợc đặt nhiều hy vọng nhằm cách mạng hóa tronglĩnh vực thu thập thông tin ở bất kì điều kiện và vùng địa lý nào Mạng cảm biến khôngdây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng cácliên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện cácnhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tợng mục tiêu Mạng này có thể liên kết trực tiếpvới nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môitrờng mạng công cộng nh Internet hay vệ tinh Các nút Sensor không dây có thể đợctriển khai cho các mục đích chuyên dụng nh giám sát và an ninh; kiểm tra môi trờng;tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợithế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu nh trong bất kì loại hình địa lý nào kểcả các môi trờng nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây truyền thống đợc Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mớicho con ngời Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến hoàntoàn có thể gắn trong một kích thớc rất nhỏ Chúng có thể hoạt động trong một môi tr-ờng dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Do đó, với mạng cảm biến không dây ngàynay, ngời ta đã có thể khám phá nhiều hiện tợng rất khó thấy trớc đây

Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh cáccấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở cácchất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trờng sinh vật phức tạp

1.2 Nền tảng phát triển mạng

Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc không dây và

đợc thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ công nghệ

1.2.1 Mạng Ad hoc không dây

Mạng Ad hoc không dây là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, đợc triểnkhai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện nh để tìmkiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp,.v.v Mạng Adhoc không cần các thành phần cơ sở hạ tầng nh tổng đài, trạm thu phát gốc hay bất kìmột trung tâm điều khiển nào Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc đợc liên kết

động với nhau một cách tuỳ ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài Tất cảcác nút này đều có thể hoạt động nh một bộ định tuyến nhờ khả năng tìm và duy trìtuyến tới các nút khác trong mạng Các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc có thểchia thành hai loại:

- Các giao thức định tuyến theo bảng: mỗi nút mạng sẽ duy trì và cập nhật thông tin

định tuyến tới mọi nút mạng khác

- Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: Việc định tuyến chỉ đợc thực hiện khi có

yêu cầu chuyển gói, nhờ cơ chế tìm đờng

Hiện nay có bốn giao thức định tuyến đợc sử dụng trong mạng Ad hoc:

a) Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự

Trong Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự (Destination-SequencedDistance-Vector - DSDV), mọi trạm di động đều có một bảng định tuyến trong đó ghicác đích hiện tại, số các bớc nhảy để đến đợc đích và số thứ tự đợc gán cho nút đích Sốthứ tự này đợc sử dụng để phân biệt các tuyến và nh vậy tránh đợc sự hình thành cácvòng lặp Các trạm định kỳ gửi bảng định tuyến của nó cho các nút lân cận của nó Mộttrạm cũng gửi bảng định tuyến nếu một thay đổi đáng kể trong bảng so với lần gửi cậpnhật cuối cùng đợc phát hiện Nh vậy, việc cập nhật đợc thực hiện cả theo thời gian vàtheo sự kiện

Các bảng định tuyến có thể đợc gửi cập nhật theo hai cách: chuyển toàn bộ (“fulldump”) hay cập nhật phần gia tăng Theo cách chuyển toàn bộ, bảng định tuyến sẽ đợcgửi trọn vẹn đến các nút lân cận và nó có thể bao gồm nhiều gói tin Ng ợc lại, theocách cập nhật phần gia tăng, chỉ những mục ghi mới của bảng định tuyến so với lần cậpnhật cuối cùng mới đợc gửi đi và phải vừa trong một gói tin Khi mạng tơng đối ổn

định, các gói cập nhật phần gia tăng đợc sử dụng để tránh việc lu lợng tăng cao và việcchuyển toàn bộ (full dump) ít đợc sử dụng hơn Trong các mạng thay đổi nhanh, số l-ợng các gói cập nhật phần gia tăng có thể trở lên rất lớn nên việc chuyển toàn bộ bảng

đợc thực hiện thờng xuyên hơn

b) Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian

Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian (Temporally OrderedRouting Algorithm - TORA) là một giao thức định tuyến trên cơ sở một thuật toán

“đảo liên kết” (“Link Reversal”) Nó đợc thiết kế để tìm các tuyến đờng theo yêu cầu,cung cấp nhiều tuyến tới một đích, thiết lập tuyến nhanh và giảm tới mức tối thiểuphần phụ tải (overhead) bằng thuật toán khoanh vùng chống lại các thay đổi về hìnhtrạng mạng có thể sảy ra Việc tối u định tuyến (tìm đờng ngắn nhất) đợc coi là thứ yếu

và việc định tuyến với các đờng dài hơn đợc sử dụng thờng xuyên để tránh phần phụ tảikhi tìm đờng mới

Hoạt động của giao thức TORA đợc hình dung giống nh đa nớc chảy dốc xuống quamột mạng các đờng ống và hớng tới một điểm đích Các đờng ống mô tả các liên kếtgiữa các nút mạng, các điểm nối các đờng ống này mô tả các nút mạng và nớc chảytrong các ống mô tả các gói tin đợc định tuyến hớng tới đích Mỗi nút có một độ cao sovới đích đợc tình toán bởi giao thức định tuyến và độ cao giảm dần trên tuyến, nhờ vậy

có thể chuyển gói tin một cách tuần tự để tới đích

c) Giao thức định tuyến nguồn động

Điểm cơ bản của giao thức định tuyến nguồn động ( Dynamic Source Routing - DSR)

là việc sử dụng định tuyến nguồn Tức là, nơi gửi nhận biết đợc hoàn toàn tuyến đờnggồm các liên kết dẫn tới đích Các tuyến đờng này đợc lu trong bộ nhớ định tuyến(Route Cache) Các gói dữ liệu mang theo thông tin định tuyến nguồn trong tiêu đềgói Khi một nút trong mạng Ad hoc muốn gửi một gói tin tới một đích mà nó chanhận biết đợc tuyến đờng, nó sẽ sử dụng một tiến trình tìm đờng (Route Discovery) đểxác định một tuyến Tiến trình tìm đờng sẽ gửi tràn lan vào trong mạng các gói yêu cầu

tuyến (Route Request-RREQ) Mỗi nút nhận đợc RREQ lại tiếp tục quảng bá nó, trừkhi nút đó là nút đích hoặc có một tuyến tới đích đợc lu trong bộ nhớ định tuyến Cácnút này trả lời các gói RREQ bằng các gói hồi âm định tuyến (Route Reply-RREP).Các gói này đợc định tuyến trở lại nguồn Các gói RREQ và RREP cũng đợc địnhtuyến theo nguồn Các gói RREQ lập lên một tuyến xuyên qua mạng Gói RREP địnhtuyến trở lại nguồn bằng cách đi ngợc trở lại theo tuyến đờng này Thông tin về tuyến

đợc mang trở lại bằng gói RREP và đợc lu tại nguồn để sử dụng

Nếu một liên kết trên một tuyến bị sự cố, nút nguồn đợc thông báo bằng một gói lỗi(Route Error-RERR) Nguồn sẽ xoá tuyến này trong bộ nhớ định tuyến và bắt đầu mộttiến trình tìm đờng mới nếu tuyến này còn cần thiết Trong DSR không cần một cơ chế

đặc biệt nào để phát hiện các vòng lặp định tuyến

d) Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời

Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời (Ad hoc On-DemandDistance- Vector Routing - AODV) có điểm giống DSR là nó cũng tìm các đờng cóyêu cầu thông qua một bằng một tiến trình tìm đờng tơng tự Tuy nhiên, AODV sửdụng một cơ chế rất khác để lu giữ thông tin định tuyến Nó sử dụng các bảng địnhtuyến truyền thống, mỗi mục là một đích Đây là điểm ngợc lại DSR (DSR có thể lugiữ nhiều mục cho mỗi đích) Không có định tuyến nguồn, AODV dựa vào các mụctrong bảng định tuyến để truyền một RREP trở về nguồn và sau đó,đợc sử dụng để

định tuyến các gói số liệu đợc tới đích AODV sử dụng các số thứ tự đợc lu tại mỗi

đích để xác định tính mới của thông tin định tuyến và chống lại các vòng lặp địnhtuyến Tất cả các gói đều mang theo các số thứ tự này

Một đặc điểm quan trọng của AODV là lu giữ các trạng thái định giờ căn bản trongmỗi nút để tận dụng các mục trong bảng định tuyến đơn Một mục trong bảng địnhtuyến có thể bị xoá nếu nó không đợc sử dụng trong thời gian gần

Giao thức DSDV là giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức DSR, TORA,AODV thuộc loại giao thức định tuyến theo yêu cầu

1.2.2 Nền tảng công nghệ

Các tiến bộ trong công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử rất nhỏ giá rẻ với công suấtthấp và phân hóa chức năng cao, các bớc tiến trong công nghệ mạng không dây vàtrong lĩnh vực vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thuthập dữ liệu Việc sử dụng các bộ vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phátvô tuyến và các thiết bị cảm biến tơng tự, số khác nhau cho phép một mạng các thiết bịcảm biến không dây hoạt động bằng nguồn acquy có thể thu thập dữ liệu về môi trờngtrong phạm vi lớn Dữ liệu này có thể đợc tải đến một máy tính và đợc lu trong cơ sởdữ liệu Sau đó, có thể đợc phân tích thông qua một phần mềm ứng dụng Kết quả cóthể đợc truy xuất trực tiếp hoặc bởi một trình duyệt Web chuẩn ở bất cứ đâu trênInternet Các mạng Sensor ngày nay có những cải tiến đáng kể so với các Sensor truyềnthống theo hai hớng:

- Các Sensor có thể đặt ở xa hiện tợng tức là các thông tin về hiện tợng có đợc nhờnăng lực cảm biến và phân tích Theo hớng này, yêu cầu các Sensor lớn sử dụng một số

kỹ thuật phức tạp để nhận biết đợc các đích từ các tạp âm môi trờng ở khoảng cách xa

- Nhiều Sensor chủ yếu chỉ hoạt động cảm biến đợc triển khai Vị trí các Sensor vàhình trạng thông tin đợc tính toán cẩn thận Chúng đợc liên kết thành một mạng đểtruyền thông tin về các diễn biến của hiện tợng đợc thăm dò tới các nút trung tâm, nơitiếp nhận và xử lý dữ liệu.

Một mạng Sensor bao gồm một số lợng lớn các nút đợc triển khai dày đặc bên trong

đối tợng cần thăm dò hoặc ở rất gần nó Vị trí của các Sensor phải không cần định tr ớc

Điều này cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc trongcác hoạt động tránh sự nguy hiểm Điều này cũng có nghĩa là các thuật toán và giaothức phải có khả năng tự tổ chức Một đặc trng nữa của mạng Sensor là khả năng cộngtác của các Sensor Các Nút Sensor phải có bộ xử lý gắn trong Thay vì chuyển các dữliệu thô đến các nút có nhiệm vụ xử lý, các nút Sensor sẽ sử dụng khả năng tính toáncủa nó để thực hiện các xử lý đơn giản và chỉ chuyển đi các dữ liệu đợc yêu cầu và đãqua xử lý sơ bộ

Các đặc điểm trên đa đến một phạm vi ứng dụng lớn của mạng Sensor Một số lĩnhvực đợc ứng dụng là y tế, quân sự và an ninh Ví dụ nh các bác sỉ sẽ kiểm tra từ xa cácdữ liệu về sinh lý bệnh nhân Điều này vừa thuận tiện cho bệnh nhân vừa giúp các bác

sĩ hiểu rõ hơn về tình trạng bệnh nhân Mạng Sensor còn đợc sử dụng để phát hiện cáctác nhân hóa học trong không khí và nớc Chúng giúp chỉ ra kiểu, sự cô lại và vị trí củacác chất Về cơ bản, các mạng Sensor cung cấp cho ngời sử dụng sự hiểu tốt hơn, thôngminh hơn về môi trờng Chúng ta có thể thấy rằng trong tơng lai, các mạng wirelesSensor sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống, giống nh máy tính cá nhânhiện nay

Các ứng dụng thực tế của mạng Sensor yêu cầu phải sử dụng công nghệ mạngWireless Ad hoc Mặc dù vậy, có nhiều thuật toán và giao thức đã đợc sử dụng cho cácmạng Wireless Ad hoc truyền thống nhng chúng không phù hợp lắm với các đặc tính

và yêu cầu ứng dụng của mạng Sensor, Để minh hoạ điểm này, sự khác nhau giữamạng Sensor và mạng Wireless Ad hoc đợc đợc phác hoạ dới đây :

- Số lợng nút Sensor trong mạng Sensor có thể đợc yêu cầu ở mức lớn hơn rấtnhiều so với các mạng Ad hoc

- Các nút Sensor đợc triển khai với mật độ lớn hơn

- Các nút Sensor thờng gặp trục trặc

- Hình trạng mạng Sensor thay đổi rất thờng xuyên

- Các nút Sensor thờng sử dụng mô hình thông tin quảng bá ngợc lại các mạng

Ad hoc sử dụng truyền thông điểm- điểm

- Các nút Sensor có hạn chế về công xuất, khả năng tính toán và bộ nhớ

- Các nút Sensor có thể không có nhận dạng toàn cục do số lợng nút Sensor lớn.Vì một số lợng lớn nút Sensor đợc triển khai dày đặc nên các nút lân cận có thể rấtgần nhau Do đó, truyền thông đa liên kết (Multihop) đợc chọn để công suất sử dụngthấp hơn so với truyền thông đơn liên kết truyền thống (Single hop).Hơn nữa, công suất

truyền dẫn có thể giữ ở mức thấp, điều này rất cần cho các hoạt động ngầm Truyềnthông đa liên kết còn có một số hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền thôngkhoảng cách xa.

Một hạn chế quan trọng nhất của các nút Sensor là yêu cầu phải tối thiểu công suấttiêu thụ Các nút Sensor chỉ tích trữ đợc nguồn năng lợng hạn chế và không đợc thaythế Vì vậy, trong khi các mạng truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất lợng dịch

vụ (QoS) cao thì các giao thức trong mạng Sensor phải chú trọng đến sự bảo tồn nguồnnăng lợng Ngời sử dụng phải chọn giữa tuổi thọ của mạng với hạn chế về thông lợnghay độ trễ truyền dẫn lớn

1.3 Mô tả hệ thống

1.3.1 Mô tả hệ thống tổng quát

Các nút Sensor đợc triển khai trong một trờng Sensor (Sensor field) đợc minh họatrên hình 1.1 Mỗi nút Sensor đợc phát tán có khả năng thu thập thông số liệu, địnhtuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới ngời dùng (User) và định tuyến cácbản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor Số liệu đợc địnhtuyến về phía bộ thu nhận (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầngnền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phátgốc hay các trung tâm điều khiển, nh trong hình 1.1 Bộ thu nhận có thể liên lạc trựctiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của ngời dùng hoặc gián tiếp thông quaInternet hay vệ tinh (Satellite)

Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút Sensor

Một nút Sensor đợc tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộthu phát không dây và nguồn Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút Sensor còn có thể có cácthành phần bổ xung nh hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lợng và thiết bị di động Cácthành phần trong một nút Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.2 Bộ cảm biến thờng thờnggồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tơng tự / số(ADC) Các tín hiệu tơng tự có đợc từ các Sensor trên cơ sở cảm biến các hiện tợng đợc

chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới đợc đa tới bộ xử lý Bộ xử

lý, thờng kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủtục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảothông tin giữa nút Sensor và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồngngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút Sensor là bộnguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lợng cho nút Sensor vàkhông thay thế đợc nên nguồn năng lợng của nút thờng là giới hạn Bộ nguồn có thể đ-

ợc hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lợng, ví dụ nh các tấm pin mặt trời nhỏ

Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng Sensor và các nhiệm vụ cảm biến yêucầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút Sensor th ờngphải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển cácnút Sensor theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ đợc phân công

Hình 1.2: Các thành phần của nút Sensor

Để minh hoạ rõ hơn về mạng Sensor không dây trong thực tế, phần tiếp sau đây sẽgiới thiệu một hệ thống mạng Sensor điển hình Đó là hệ thống WISENET

1.3.2 Hệ thống WISENET

a) Giới thiệu hệ thống WISENET

WISENET (Wireless Sensor NETwork) là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trờng nh

ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây côngsuất thấp đợc gọi là các “hạt cảm biến” (Sensor motes) Dữ liệu này đợc chuyển tới mộtmáy chủ và đợc lu trong một cơ sở dữ liệu Một chơng trình Web sẽ nhận dữ liệu phântích và hiển thị trên trình duyệt Web

Mỗi hạt Sensor đợc tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến, cácphần tử cảm biến môi trờng và nguồn nuôi Một hệ điều hành thời gian thực đợc gọi làTinyOS (Tiny Operation System) đợc sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà vẫncung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạt động tập trung đồngthời

b) Sơ đồ hệ thống WISENET

Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data AnalysisSubsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần chính làtrạm chủ (Server), trạm ngời dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor motenetwork)

Hình 1.3; Sơ đồ hệ thống WISENET

Các hệ thống con chính là:

- Hệ thống con phân tích số liệu: Hệ thống con này chỉ gồm phần mềm Nó dựa trên

cơ sở hạ tầng Internet và Web hiện tại (HTTP) để truyền thông tin giữa máy tính chủ(Server) và máy truy cập (Client) Nhiệm vụ của hệ thống con này là chọn lấy các dữliệu môi trờng thích hợp cha đợc xử lý, có đợc nhờ hệ thống thu nhận dữ liệu, phân tích

và gửi kết quả đến ngời dùng theo yêu cầu

- Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu môi

tr-ờng và lu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý Hệ thống conbao gồm mạng các Sensor đợc kết hợp với máy tính chủ đợc cài đặt phần mềm hệthống (TinyOS Daemon)

Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:

- Trạm ngời dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhng là thành phần bên

ngoài Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệt Web (Webbrowser) và đợc nối mạng Internet Nó chỉ đóng vai trò là giao diện của ngời sử dụng

đối với hệ thống phân tích số liệu Nó đa ra yêu cầu số liệu của ngời sử dụng với trạmchủ và thu lấy các số liệu đã yêu cầu

Trạm chủ (Server): Đây là thành phần then chốt của hệ thống, là mối liên lạc giữa hai

hệ thống con thu nhận và phân tích số liệu Về mặt phân tích số liệu nó là một máy chủHTTP (HTTP Server) mang một ứng dụng Web (Web program) Khi nhận đợc một yêucầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web này nhận số liệu từ cơ sở dữ liệu(SQL Database), phân tích và đa lại trang theo yêu cầu đến máy tính ngời dùng

(Client) Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có một trình tiện ích hoạt động ngầm(Daemon) đợc gọi là wiseDB để trao đổi thông tin dễ dàng với mạng Sensor WiseDB

đảm nhận việc gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp (gatewaymote) để chuyển tới mạng Sensor Nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạngSensor (cũng thông qua gateway mote) Số liệu đa đến đợc xử lý rất ít và đợc chuyểnvào cơ sở dữ liệu Nh vậy, cơ sở dữ liệu SQL là cầu nối giữa hai hệ thống thu nhận và

xử lý số liệu Vì cơ sở dữ liệu SQL liên lạc thông qua TCP/IP nên chỉ trạm chủ HTTP

và chơng trình Web cần phải đợc đặt trong cùng một tổ chức vật lý Trạm chủ HTTP,cơ sở dữ liệu SQL, wiseDB có thể đặt trong các tổ chức vật lý khác nhau và kết nốithông qua Internet Trình tự hoạt động của Server đợc tóm tắt nh sau:

Hình 1.4: Trình tự hoạt động của Server Mạng các hạt Sensor: Mạng các Sensor là thành phần trọng tâm của hệ thống Các

Sensor đảm nhận việc thu thập số liệu môi trờng và chuyển các số liệu này đến trạmchủ Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về số liệu hay tải chơngtrình mới Có hai phần tử thuộc thành phần này Thứ nhất là các hạt thông thờng(Standard mote) Các hạt này có nhiệm thu thập các thông tin cảm biến từ môi trờng,bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến gateway Chúngtruyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz và đảmbảo tất cả các gói đều đợc đa tới Gateway Chúng còn có phần cứng hiệu chỉnh và giámsát công suất nguồn Hạt cổng (Gateway mote) là phần tử thứ hai của mạng Sensormotes Mục đích chính của nó là liên lạc giữa trạm chủ và mạng Sensor qua liên kết vôtuyến RS-232 và chuyển tất cả các gói số liệu tới WiseDB Cả hai phần tử Standardmote và Gateway mote đều có cùng phần cứng và phần mềm, chúng chỉ khác nhau vếchức năng

Kiểm tra các tham

số điều kiện hợp lệ

Nhận số liệu

từ cơ sở dữ

liệu, tuỳ theo ràng buộc của trạm khách

Tạo trang Web với dữ liệu

đã đ ợc yêu cầu

đến Client

Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor gồm:

Các thành phần trong hạt Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.5, bao gồm:

- Các Sensor cảm biến ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ (Light, Humidity, Temp); các LEDtrạng thái

- Mạch thu phát vô tuyến, mạch giao tiếp RS-232 (UARTS), các bộ chuyển tơng

tự-số (ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điều hành TinyOS,phần mềm) đợc tích hợp trên vi mạch CC1010

- Phần mềm hệ thống (drivers) giao tiếp RS-232 (chỉ trong gateway), bộ thu phát vôtuyến và antent

-Bộ nguồn nuôi (gồm acquy, mạch giám sát nguồn)

c) Các tiêu chuẩn đợc áp dụng

* Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP)

* Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc (SQL)

* Liên kết vô tuyến nối tiếp RS-232

* Liên kết nối tiếp vi điều khiển (I2C)

* Quy định FCC (dải tần công nghiệp, khoa học, y tế ISM)

1.4 Tổng quan về kiến trúc mạng

Ngăn xếp giao thức đợc sử dụng trong bộ thu nhận (nút Sink) và tất cả các nút Sensor

đợc minh họa trong hình 1.6

Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lợng, kết hợp

số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lợng thông qua môi ờng không dây và tăng cờng sự hợp tác giữa các nút Sensor Ngăn xếp giao thức baogồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng(Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt

tr-bằng quản lý năng lợng (Power Management Plane), mặt tr-bằng quản lý di động(Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task ManagementPlane).

Hình 1.6: Ngăn xếp giao thức mạng Sensor

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể đợc xây dựng và

sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụngcủa mạng Sensor yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu đợc cung cấpbởi lớp giao vận Do môi trờng có nhiễu và các nút Sensor có thể di động đợc, giaothức MAC phải đợc tính toán về năng lợng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phátquảng bá với các nút lân cận Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhậncần thiết đơn giản nhng mạnh mẽ Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lợng, di

động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lợng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụgiữa các nút Sensor Các mặt bằng này giúp cho các nút Sensor có thể phối hợp trongnhiệm vụ cảm biến và giảm đợc tổng năng lợng tiêu thụ

Mặt bằng quản lý năng lợng quản lý việc một nút Sensor sử dụng năng lợng của nó

nh thế nào Ví dụ, nút Sensor có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ mộttrong các nút lân cận Điều này có thể tránh đợc việc nhận bản tin tới hai lần Ngoài ra,khi mức năng lợng của nút Sensor thấp, nút Sensor sẽ thông báo tới tất cả các nút lâncận rằng mức năng lợng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc địnhtuyến cho các bản tin Năng lợng còn lại đợc dự trữ cho việc cảm biến Mặt bằng quản

lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của nút Sensor, vì thế một tuyến đờng hớngtới nút user luôn đợc duy trì và các nút Sensor có thể theo dõi đợc các nút Sensor lâncận Với việc nhận biết đợc các nút Sensor lân cận, nút Sensor có thể cân bằng giữanhiệm vụ và năng lợng sử dụng Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếpnhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể Không phải tất cả các Sensor trong vùng đó

đợc yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm Kết quả là một vài nútSensor thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lợng của chúng

Những mặt quản lý này rất cần thiết, nh vậy, các nút Sensor có thể làm việc cùng vớinhau để có hiệu quả về mặt năng lợng, có thể định tuyến số liệu trong một mạngSensor di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút Sensor Nếu không, mỗi nút Sensor

sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng Sensor,

sẽ hiệu quả hơn nếu các nút Sensor có thể hoạt động hợp tác với nhau, nh thế cũng cóthể kéo dài tuổi thọ của mạng

1.4.1 Lớp ứng dụng

Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng Sensor đợc vạch rõ và đợc đề xuất, cácgiao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng Sensor vẫn còn là một vùng rộng lớncha đợc khám phá Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụngquan trọng là giao thức quản lý Sensor (Sensor Management Protocol-SMP), giao thứcphân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu (Task Assignment and Data AdvertisementProtocol-TADAP), giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu (Sensor Query andData Dissemination Protocol-SQDDP), rất cần thiết cho mạng Sensor trên cơ sở nhữngsơ đồ đợc đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạngSensor Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tínhmở

1.4.1.1 Giao thức quản lý Sensor

Việc thiết kế một giao thức quản lý lớp ứng dụng có nhiều thuận lợi Mạng Sensor cónhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau và việc truy nhập đến các Sensor thông qua cácmạng nh Internet đợc định hớng trong một số các dự án hiện nay Một giao thức quản

lý lớp ứng dụng làm cho phần cứng và phần mềm của các lớp thấp trở lên trong suốtvới các ứng dụng quản lý mạng Sensor Tức là, việc sử dụng các phần cứng và phầnmềm nào cho lớp thấp không ảnh hởng tới hoạt động của các ứng dụng quản lý mạngSensor

Các nhà quản trị hệ thống tác động tới mạng Sensor nhờ sử dụng SMP Không nhnhiều mạng khác, mạng Sensor bao gồm các nút không có các số nhận dạng ID(IDentify ) toàn cục và chúng thờng không có cơ sở hạ tầng mạng Vì thế SMP cầnphải truy nhập tới các nút bằng cách sử dụng đặt tên thuộc tính cơ sở và đánh địa chỉ vịtrí cơ sở

SMP là một giao thức quản lý cung cấp hoạt động phần mềm cần thiết để thực hiệnnhiệm vụ quản trị mạng sau:

- Đa ra các quy tắc liên quan tới việc tập hợp số liệu, đặt tên thuộc tính cơ sở, tậphợp các nhóm nút Sensor thành cụm

- Trao đổi số liệu liên quan tới các thuật toán tìm vị trí

- Đồng bộ thời gian cho các nút Sensor

- Di chuyển các nút Sensor

- Bật và tắt các nút Sensor

- Truy vấn cấu hình mạng Sensor và trạng thái nút, định dạng lại cấu hình mạngSensor

- Xác nhận, phân phối khoá và bảo mật trong truyền thông số liệu

1.4.1.2 Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu

Một hoạt động quan trọng khác trong mạng Sensor là phổ biến yêu cầu về số liệu.Ngời sử dụng có thể gửi yêu cầu này tới một nút Sensor, tới một mạng con hoặc tớitoàn mạng Yêu cầu này có thể là về một thuộc tính nào đó của hiện tợng mục tiêuhoặc một sự kiện đáng quan tâm Sau đó, các Sensor liên quan sẽ gửi các số liệu đợcyêu cầu tới ngời sử dụng Một phơng pháp khác là quảng cáo các số liệu có sẵn Trongphơng pháp này, các nút Sensor quảng cáo các số liệu có sẵn cho ngời dùng và truy vấnngời sử dụng về số liệu mà họ quan tâm tới Một giao thức lớp ứng dụng cung cấp chongời dùng phần mềm với giao diện cho việc truyền đạt yêu cầu hỗ trợ rất hiệu quả chocác hoạt động của lớp thấp hơn, nh định tuyến

1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu

SQDDP cung cấp cho ngời sử dụng những ứng dụng bao gồm giao diện truy vấn,phản hồi truy vấn và thu thập phản hồi gửi tới Cần lu ý rằng hầu hết các truy vấnkhông đợc đa ra cho từng nút riêng Thay vào đó, việc đặt tên thuộc tính cơ sở và vị trícơ sở đợc sử dụng nhiều hơn Ví dụ: “vị trí của những nút mà cảm biến đợc nhiệt độcao hơn 70 độ F ” là một truy vấn thuộc tính cơ sở Tơng tự nh vậy, “nhiệt độ đọc rabởi những nút trong vùng A” là một ví dụ đặt tên vị trí cơ sở

Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ Sensor (Sensor Query And Tasking SQTL) là một ứng dụng cung cấp một tập hợp lớn dịch vụ SQTL hỗ trợ ba loại sự kiện

Language-đợc định nghĩa bằng từ khóa receive, every and expire Từ khóa receive định nghĩa các

sự kiện đợc tạo ra bởi nút Sensor khi nút Sensor nhận đợc một bản tin (Message); từkhóa Every định nghĩa các sự kiện xảy ra định kỳ theo một bộ định thời gian (Timer),

từ khóa Expire định nghĩa các sự kiện xảy ra khi một bộ định thời gian không còn hiệulực Nếu một nút Sensor nhận đợc một thông báo dành cho nó và bao gồm một đoạnmã lệnh, nút Sensor sẽ thực hiện đoạn lệnh đó Ngoài SQTL, các loại SQDDP khác cóthể phát triển cho những ứng dụng khác nhau Các SQDDP có thể đợc sử dụng duynhất cho từng ứng dụng

1.4.2 Lớp giao vận

Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các nút Sensor cóbáo cáo cần chuyển tới nút thu nhận (Sink) và nút ngời sử dụng Lớp giao vận đặc biệtcần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bênngoài khác Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn cha phù hợp với đặc trng củamôi trờng mạng Sensor hiện nay Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ các nútSensor trực tiếp đến nút quản lý của ngời sử dụng là không hiệu quả Phơng pháp phântách TCP là cần thiết để mạng Sensor tơng tác với các mạng khác ví dụ nh Internet.Trong phơng pháp này, kết nối TCP đợc sử dụng để liên lạc giữa nút quản lý của ngời

sử dụng và nút thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi tr ờngmạng Sensor đợc sử dụng cho truyền thông giữa nút thu nhận và các nút Sensor Kếtquả là truyền thông giữa nút ngời sử dụng và nút thu nhận có thể sử dụng giao UDPhoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh Mặt khác, việc truyền thông giữa nútthu nhận và các nút Sensor chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu nh UDP, bởi vìcác nút Sensor có bộ nhớ hạn chế

Không giống các giao thức kiểu nh TCP, các phơng pháp truyền thông đầu cuối (end

to end) trong mạng Sensor không địa chỉ toàn cục Các phơng pháp này dựa trên việc

đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu Các nhân tố nh tiêu thụnăng lợng, khả năng mở rộng và các đặc trng nh định tuyến tập trung số liệu khiến chomạng Sensor cần phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận Yêu cầu này nhấnmạnh sự cần thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận

1.4.3 Lớp mạng

Các nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng ở gần hoặc ở ngay bên trong cáchiện tợng mục tiêu nh trong hình 1.1 Giao thức định tuyến không dây đa bớc phù hợpgiữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-hoc thôngthờng không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor Lớp mạng của mạng Sensor đợcthiết kế theo những nguyên tắc sau :

- Hiệu suất năng lợng luôn là yếu tố quan trọng

- Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung

- Việc tập hợp số liệu chỉ đợc thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của cácnút Sensor

- Một mạng Sensor lý tởng phải nhận biết đợc việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vịtrí

1.4.4 Liên kết liên mạng

Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp sự liên kết mạng với cácmạng bên ngoài nh các mạng Sensor khác, các hệ thống phát lệnh và điều khiển hayInternet Trong một mô hình mạng, các nút Sink đợc sử dụng nh một cổng (Gateway)

đến các mạng khác Trong một mô hình mạng khác, một đờng trục đợc tạo ra bằngviệc kết nối các nút Sink với nhau và đờng trục này đợc truy nhập tới các mạng khácthông qua một Gateway

Các giao thức Mô tả giao thức

Tràn Quảng bá số liệu tới tất cả các nút lân cận mà không quan tâm

đến việc chúng đã nhận nó hay cha Dây truyền Gửi số liệu tới một nút lân cận đợc lựa chọn ngẫu nhiên

Chỉ gửi các số liệu tới các nút Sensor nếu chúng đợc yêu cầu;

có 3 loại bản tin : ADV, REQ và DATA SPIN

SAR Tạo nhánh nhiều nhánh cây với gốc của mỗi nhánh cây là một

bớc tới nút lân cận từ nút Sink; chọn một cây cho số liệu để địnhtuyến trở lại bộ nhận theo tài nguyên năng lợng và việc đo QoSbù

LEACH Tạo các cụm (Cluster) để tối thiểu hóa tiêu thụ năng lợng

Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung

số liệu, điều khiển truy nhập môi trờng và sửa lỗi Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối

điểm -điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyềnthông Hai phần dới sẽ trình bày về chiến lợc truy nhập môi trờng truyền dẫn và điềukhiển sửa lỗi cho mạng Sensor

1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trờng truyền dẫn

Giao thức MAC trong mạng Sensor tự tổ chức đa bớc không dây (Wireless MultihopSelf-organizing Sensor network) phải đạt đợc hai mục tiêu Thứ nhất là phải tạo ra cơ

sở hạ tầng mạng Vì hàng nghìn nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờngSensor nên giao thức MAC phải thiết lập đợc những liên kết thông tin để truyền số liệu.Việc này sẽ lập lên cơ sở hạ tầng nền tảng cần thiết cho truyền thông không dây đa bớc

và tạo cho mạng Sensor khả năng tự tổ chức Nhiệm vụ thứ hai là chia sẻ tài cácnguyên thông tin một cách hiệu quả và cân bằng giữa các nút Sensor Các giao thứcMAC truyền thống có thể đợc phân loại dựa trên các cơ chế phân bổ tài nguyên Bảng2.3 cung cấp một sự phân tích các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng của các loại này

Phân loại Kiểu chia sẻ tài

nguyên

Phạm vi ứng dụng Nhợc điểm

Chỉ định Phân bổ cố định đợc Thích hợp với lu l- Không hiệu quả

Hữu ích đối với tốc

độ biến đổi và lu lợng

đa phơng tiện

Làm tăng phụ tải(Overhead) và trễ

do tiến trình đăng kítrớc tài nguyênTruy nhập

ngẫu nhiên

(dựa trên cạnh

tranh)

Tranh dành kênh khicần chuyển gói

Phù hợp với lu lợngcao

Không hiệu quảvới lu lợng nhạycảm với trễ

Bảng 1.2: Phân loại giao thức MAC 1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi

Một chức năng quan trọng khác của lớp liên kết số liệu là điều khiển sửa lỗi cho sốliệu truyền dẫn Hai phơng pháp điều khiển sửa lỗi quan trọng trong mạng truyền thông

là sửa lỗi trớc (Forward Error Correction-FEC) và yêu cầu lặp lại tự động (AutomaticRepeat Request-ARQ) Phơng pháp ARQ cha đợc áp dụng trong mạng Sensor mặc dù

đã có nhiều dạng ARQ có khả năng thích ứng và hiệu quả đã đợc áp dụng cho cácmạng di động khác Khả năng ứng dụng của phơng pháp ARQ trong mạng Sensor bịhạn chế do việc tăng chi phí trớc khi truyền dẫn và phụ tải Mặt khác, độ phức tạp trongmã hoá của phơng pháp FEC tăng theo khả năng hiệu chỉnh lỗi Xét về mặt này, việc sửdụng các mã đơn giản là giải pháp tốt nhất cho mạng Sensor Trong thiết kế của phơngpháp này, vấn đề quan trọng là phải xem xét kỹ lỡng đặc điểm của kênh và kỹ thuậtmã Phần tiếp theo sẽ trình bày động lực ứng dụng và cơ sở thiết kế thủ tục FEC theoyêu cầu của mạng Sensor

FEC: Độ tin cậy của liên kết là tham số quan trọng trong thiết kế bất kì một mạng

không dây nào, điều này càng quan trọng hơn với mạng Sensor do tính chất gay gắt vàkhông ổn định của sự đụng độ kênh trong các ứng dụng khác nhau Một số các ứngdụng nh giám sát di động và điều hành máy móc đòi hỏi độ chính xác số liệu cao Tỷ

số lỗi bít (BER) là tham số quan trọng để đánh giá độ tin cậy của liên kết BER tỷ lệthuận với tốc độ kí hiệu Rs và tỷ lệ nghịch với tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Es / N0) vàmức công xuất phát Pout Giả sử một phơng pháp mã hoá với tỷ lệ R đợc sử dụng Nếutốc độ truyền kí hiệu số liệu đợc giữ không đổi so với trớc khi mã hoá thì tốc độ truyền

kí hiệu tổng phải tăng đến Rs / R Ngoài ra, nếu công suất truyền dẫn không đổi thìnăng lợng thu đợc trên một kí hiệu giảm đến REs BER đo đợc ở đầu vào bộ giải mã,BER của tín hiệu cha đợc xử lý, lớn hơn BER của tín hiệu sau giải mã Điều này có đợcnhờ bộ giải mã bằng cách khai thác phần d thừa và cầu trúc của bộ mã để hiệu chỉnhmột số lỗi đờng truyền Trong thực tế, một mã sửa lỗi tốt đợc đánh giá qua mức độgiảm BER và độ lợi chung Độ lợi mã đợc đánh giá bằng công suất phát thêm vào cầnthiết trong trờng hợp không dùng mã sửa lỗi để đạt đợc cùng BER của tín hiệu sau giảimã

Việc truyền thông số liệu một cách tin cậy có thể đợc cung cấp bằng cách tăng côngxuất phát ra (Pout) hoặc sử dụng cơ chế FEC phù hợp Vì một nút Sensor có nguồn năng

lợng giới hạn nên việc tăng công suất phát là không khả thi Do đó, phải tập trung vàoFEC vì FEC có thể giảm đáng kể BER với bất kì giá trị Pout đợc cho Tuy nhiên, cũngphải tính đến công suất xử lý tăng thêm do mã hoá và giải mã Công suất xử lý này gâybất lợi do giới hạn nguồn năng lợng của các nút Sensor Điều này rất quan trọng đốivới mạng Sensor mặc dù có thể không đáng kể với các mạng không dây khác Nếucông xuất xử lý phát sinh này lớn hơn độ lợi mã hoá thì cả quá trình này là không hiệuquả về năng lợng và hệ thống chẳng cần phải mã hoá sửa lỗi Mặt khác, FEC là rấtquan trọng với mạng Sensor nếu tổng công suất mã hoá và giải mã nhỏ hơn công suấtphát tiết kiệm đợc

Giả thiết một kênh có Fading Rayleigh chậm không chọn lọc tần số và sử dụng mãhoá soắn để hiệu chỉnh lỗi Các phân tích đã đa đến kết luận rằng năng lợng tiêu thụtrung bình cho một bit có ích tăng hàm mũ theo độ dài hạn chế của mã và không phụthuộc vào tỷ lệ mã Ngoài ra, FEC thờng không hiệu quả nếu giải mã bằng một vi xử lý

và nghiên cứu này giới thiệu một bộ giải mã Viterbi chuyên dụng gắn trên bảng mạch.Các kỹ thuật mã đơn giản có thể giải quyết vấn đề hiệu quả năng lợng cho mạngSensor

1.4.6 Lớp vật lý

Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế vàmã hoá số liệu Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộthu phát nên sẽ không đợc xem xét ở đây Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệuứng phát sóng, hiệu xuất năng lợng và các phơng pháp điều chế trong mạng Sensor.Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về nănglợng và độ phức tạp của hoạt động Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng Sensor, việctối thiểu hoá năng lợng đợc coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn đề về suy hao,phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đờng Thông thờng, công suất

đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với dn , trong đó 2

≤ n < 4.Số mũ n gần 4 với antent tầm thầp và các kênh gần mặt đất điển hình trongmạng Sensor Nguyên nhân là do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất

Để giải quyết vấn đề này, ngời thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu vàkhai thác chúng một cách triệt để Vi dụ, truyền thông qua nhiều bớc nhảy trong mạngSensor có thể vợt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đờngtruyền nếu mật độ nút mạng đủ lớn Tơng tự, trong khi suy hao đờng truyền và dung l-ợng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theokhông gian

Việc lựa chọn phơng thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin cậy trongtruyền thông của mạng Sensor Các phơng pháp điều chế cơ hai và cơ số M đợc so sánhtrong [36] Trong khi một phơng pháp điều chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thờigian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạpcủa mạch điện và tăng công suất vô tuyến Với điều kiện công suất khởi kích (đợc giớithiệu trong phần 2.1.8) vợt trội thì phơng pháp điều chế cơ số hai có hiệu quả về nănglợng hơn Vì thế, phơng pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi với các hệ thống có công suấtkhởi kích thấp

Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (ImpulseRadio-IR) từng đợc sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đokhoảng cách, gần đây đợc chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạngkhông dây trong nhà UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên không cần các tần sốmang hoặc trung tần Thông thờng, điều chế vị trí xung đợc sử dụng Ưu điểm chínhcủa UWB là khả năng mau phục hồi với đối với hiên tợng phát đa đờng Việc sử dụngcông suất truyền thông thấp và thiết kế mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích hợpvới các mạng Sensor.

1.5 Đặc điểm của mạng Wireless Sensor

1.5.1 Kích thớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp

Trong bất kỳ hớng phát triển công nghệ nào, kích thớc và công suất tiêu thụ luôn chiphối khả năng xử lý, lu trữ và tơng tác của các thiết bị cơ sở Việc thiết kế các phầncứng cho mạng Sensor phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêucầu nhất định về khả năng hoạt động Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả

để bù lại các hạn chế của phần cứng

1.5.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Phơng thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng Sensor là cảm biến và vậnchuyển các dòng thông tin với khối lợng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận một lệnh,dừng, phân tích và đáp ứng lại Ví dụ, thông tin cảm biến có thể đợc thu nhận đồng thờibởi các Sensor, đợc thao tác và truyền lên mạng Hoặc dữ liệu có thể đợc nút Sensornhận từ các nút Sensor khác và đợc hớng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu Vìdung lợng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối lợng lớn dữ liệu giữa dòng vào vàdòng ra là không khả thi Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lợng lớn các sự kiện mứcthấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trênnhiều sự kiện thời gian thực Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồngthời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ

1.5.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế

Số lợng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi của liênkết xử lý - lu trữ - chuyển mạch trong mạng Sensor thấp hơn nhiều trong các hệ thốngthông thờng Điển hình, bộ cảm biến (Sensor ) hay bộ truyền động (actuator) cung cấpmột giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn Ngợc lại, các hệthống thông thờng, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạtcác thiết bị trên nhiều mức điều khiển đợc liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp Cáchạn chế về kích thớc và công suất, khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn

có chiều hớng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp

1.5.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị Sensor đợc nối mạng có khuynh hớng dành riêng cho ứng dụng cụ thể,tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì có một phạm vi ứngdụng Sensor rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Vớimỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các thành phần phần mềm

để có đợc ứng dụng từ các thành phần phần cứng Nh vậy, các loại thiết bị này cần một

sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có đợc hiệu quả sử dụng phần cứngcao Môi trờng phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xâydựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thểchuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.

1.5.5 Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lợng lớn, đợc triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụthể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy củacác đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thớc và công suất Việc tăng độ tin cậy của cácthiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụngbằng khả năng chấp nhận và khắc phục đợc sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ Nh vậy, hệthống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triểncác ứng dụng phân tán tin cậy

1.6 ứng dụng của mạng Sensor

Mạng Sensor có thể gồm các kiểu cảm biến khác nhau nh động đất, từ trờng với tốc

độ lấy mẫu thấp, nhiệt độ, hình ảnh, hồng ngoại, âm thanh và dò vô tuyến (radar) qua

đó có thể kiểm tra đợc rất nhiều tính chất của môi trờng xung quanh nh :

- Các thành phần hiện diện hay vắng mặt của đối tợng

- Các mức ứng suất của các đối tợng tiếp xúc với nhau

- Các đặc tính tức thời nh tốc độ, phơng hớng và kích thớc của một đối tợngCác nút Sensor có thể đợc sử dụng để thăm dò liên tục, phát hiện sự kiện, nhận dạng

sự kiện, cảm biến về vị trí hoặc để điều khiển í tởng về vi cảm biến và kết nối vôtuyến giữa các nút mạng hứa hẹn nhiều lĩnh vực ứng dụng mới Có thể phân loại cácứng dụng theo lĩnh vực quân sự, y tế, môi trờng, gia đình và các ứng dụng thơng mạikhác Có thể mở rộng sự phân chia này với nhiều loại khác nh thăm dò không gian, xử

lý hóa học, giảm rủi ro

1.6.1 ứng dụng trong quân sự

Các mạng Wireless Sensor là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sựngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền

thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu Các đặc tính triển khainhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng Sensor cho thấy đây

là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự Vì các mạng Sensor dựa trêncơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷmột số nút không ảnh hởng tới hoạt động chung nh các Sensor truyền thống nên chúngtiếp cận chiến trờng tốt hơn Một số ứng dụng của mạng Sensor là : kiểm tra lực lợng,trang bị, đạn dợc, giám sát chiến trờng, trinh sát vùng và lực lợng địch, tìm mục tiêu,

đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạtnhân (NCB)

- Kiểm tra lực lợng, trang bị, đạn dợc: Các lãnh đạo và chỉ huy có thể kiểm tra thờng

xuyên tình trạng của quân đội, điều kiện và khả năng sẵn sàng chiến đấu của các trang

bị, đạn dợc trong một chiến trờng bằng việc sử dụng các mạng Sensor Mỗi ngời lýnh,

xe cộ, trang bị đều đợc gắn một Sensor để thông báo trạng thái Các thông báo này đợctập hợp tại một nút thu dữ liệu (Sink nút ) và đợc gửi tới ngời chỉ huy Các số liệu này

có thể đợc hớng tới các cấp cao hơn trong phân cấp chỉ huy cùng với các số liệu từ các

đơn vị khác tại mỗi cấp

- Theo dõi chiến trờng : Tại các vùng quan trọng, các tuyến tiếp cận, các con đờng và

eo biển, các mạng Sensor có thể đợc triển khai nhanh chóng để theo dõi hoạt động của

đối phơng một cách rõ ràng, bí mật Khi bản đồ công tác đã đợc chuẩn bị, các mạngSensor có thể đợc triển khai bất cứ lúc nào để theo dõi đối phơng

- Trinh sát vùng và lực lợng đối phơng: Khi các mạng Sensor đợc triển khai tại các

vùng chiến lợc, các thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời có thể đợc thu thậptrong một vài phút trớc khi bị đối phơng ngăn chặn

- Tìm mục tiêu: Các mạng Sensor có thể đợc kết hợp chặt chẽ với các hệ thống hớng

đạo trong các quân trang thông minh

- Đánh giá thiệt hại của trận đánh: Ngay trớc hoặc sau khi tấn công, các mạng

Sensor có thể đợc triển khai trong vùng mục tiêu để tập hợp các số liệu đánh giá thiệthại trong trận đánh

- Trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân: Trong các cuộc chiến

tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và kịp thời các tác nhân là điều rấtquan trọng Các mạng Sensor đợc triển khai trong vùng chiếm đóng và đợc sử dụng nhcác hệ thống cảnh báo vũ khí sinh hóa có thể cung cấp cho quân đội các thông tin vềcác tác nhân có thể gây nguy hiểm, thơng vong Các mạng Sensor còn đợc dùng đểgiám sát chi tiết sau khi các tấn công sinh, hóa và hạt nhân đợc phát hiện Ngời ta cóthể có đợc sự trinh sát về vũ khí hạt nhân mà không phải đa các đội trinh sát vào vùngbức xạ nguy hiểm của

1.6.2 ứng dụng về môi trờng

Một số các ứng dụng về môi trờng của mạng Sensor bao gồm theo dõi sự di chuyểncủa các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trờng ảnh hởngtới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nớc tới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt

đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toántrong nông nghiệp; kiểm tra môi trờng không khí,đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng;

nghiên cứu khí tợng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi ờng và nghiên cứu ô nhiễm môi trờng.

tr Phát hiện cháy rừng : Vì các nút Sensor có thể triển khai dày đặc, tự do ở các vị trí

cần thiết nên chúng có thể cung cấp tin tức chính xác về nguồn gốc phát lửa trớc khichúng phát tán rộng không kiểm soát đợc Hàng nghìn nút Sensor có thể đợc triển khai

và tích hợp nhờ các hệ thống quang và các tần số vô tuyến Ngoài ra, các nút Sensorcòn đợc trang bị các phơng pháp thu năng lợng, ví dụ nh dùng pin mặt trời, để cácSensor có thể tự duy trì trong nhiều tháng thậm chí nhiều năm Các nút Sensor sẽ cộngtác với các nút khác để phân tán sự cảm biến và chống lại các trở ngại nh các cành cây,khối đá làm cản trở tầm nhìn của các Sensor

- Vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trờng: Việc lập bản đồ sinh học của môi

tr-ờng đòi hỏi phải tiếp cận một cách tinh vi để kết hợp các thông tin qua các trục khônggian và thời gian Các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực cảm biến từ xa và thu thập dữ liệu

tự động cho phép độ phân giải không gian, quang phổ và thời gian cao tại một đơn vịdiện tích Dựa vào công nghệ hiện nay, các nút Sensor có thể đợc kết nối Internet, điềunày cho phép ngời sử dụng từ xa có thể điều khiển, kiểm tra và theo dõi các thành phầnsinh học trong môi trờng

Mặc dù các hệ thống cảm biến vệ tinh và trên máy bay rất hữu ích cho việc theo dõitính đa dạng sinh học vĩ mô nhng chúng không đủ tinh vi để tiếp cận các thành phầnsinh học có kích cỡ nhỏ Do đó cần thiết phải sử dụng mạng Sensor để theo dõi chi tiếtcác thành phần sinh học một cách đầy đủ

- Phát hiện lũ lụt: một ví dụ về ứng dụng phát hiện lũ lụt là hệ thống ALERT đợc

triển khai tại Mỹ Nhiều kiểu Sensor đợc triển khai trong hệ thống ALERT là các cảmbiến về lợng ma, mức nớc và thời tiết Các Sensor này cung cấp thông tin cho hệ thốngcơ sở dữ liệu trung tâm Các dữ liệu này đợc tính toán, phân tích để đa ra dự báo về tìnhhình nguy cơ lũ lụt

- Các tính toán cho nông nghiệp: một số các hỗ trợ trong nông nghiệp là kiểm tra,

tính toán kịp thời mức độ mầm bệnh trong nớc uống, mức độ xói mòn đất và mức độ ônhiễm

1.6.3 ứng dụng trong y tế

Một số ứng dụng trong y tế của mạng Sensor là cung cấp khả năng giao tiếp cho ngờikhuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dợc phẩm trong bệnhviện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loàisinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con ngời; giám sát, kiểm tra cácbác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện

- Kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con ngời: Các số liệu về sinh lý thu thập đợc

bằng các mạng Sensor có thể đợc lu trữ trong thời gian dài và có thể đợc sử dụng đểkhảo sát y học Mạng Sensor còn đợc sử dụng để kiểm tra và phát hiện tình trạng củangời cao tuổi nh sự đột quỵ Các nút Sensor nhỏ này cho phép các đối tợng có thể dichuyển tự do trong phạm vi rộng và các bác sĩ có thể phát hiện các triệu chứng đợc

định nghĩa trớc một cách dễ dàng Các mạng Sensor này tạo thuận lợi hơn cho các bệnh

nhân so với việc đến các trung tâm điều trị Một nhóm có tên là “Health Smart Home’’

đợc tổ chức tại khoa y học của Grenoble – France để đánh giá, công nhận tính khả thicủa các hệ thống này

- Giám sát và kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện: Mỗi bệnh nhân

có các nút Sensor nhỏ và nhẹ đợc gắn với họ Mỗi nút Sensor có một nhiệm vụ riêng

Ví dụ, một nút có thể theo dõi nhịp tim, trong khi một nút khác theo dõi huyết áp Cácbác sĩ cũng có thể mang theo các nút Sensor để các bác sĩ khác biết đợc vị trí của họtrong bệnh viện

- Quản lý dợc phẩm trong bệnh viện: Các bệnh nhân đợc gắn các nút Sensor có thể

nhận biết các dị ứng thuốc và các dợc phẩm cần thiết Nh vậy, có thể giảm tối đa cácsai sót trong việc kê đơn thuốc và sử dụng thuốc của bệnh nhân

1.6.4 ứng dụng trong gia đình

- Tự động hóa trong gia đình: Với các tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các nút Sensor và

các bộ điều khiển thông minh có thể đợc gắn trong các thiết bị gia đình nh máy hútbụi, lò vi sóng, tủ lạnh, Các nút này có thể tơng tác với các nút khác và mạng bênngoài thông qua Internet hoặc vệ tinh Nhờ vậy, ngời sử dụng có thể giám sát, điềukhiển các thiết bị gia đình từ xa một cách dễ dàng

- Môi trờng thông minh: môi trờng thông minh đợc thiết kế có thể gồm hai khối khác

nhau là phần con ngời (human- centered) và phần kỹ thuật (technology – centered )(G.D Abowd, J.P.G Sterbenz, Final report on the interagency workshop on researchissues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000) Trongphần con ngời, môi trờng thông minh phải đáp ứng các yêu cầu của ngời sử dụng thôngqua giao tiếp vào/ra Về phần kỹ thuật, các kỹ thuật phần cứng, các giải pháp mạng vàcác dịch vụ phần sụn (middleware) đợc phát triển Các nút Sensor có thể đợc gắn vàocác độ dùng và thiết bị gia đình và chúng có thể thông tin với các nút khác và trạm chủcăn phòng (room Server) Các room Server cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi cáccông việc cần phải làm hoặc cần đợc hỗ trợ nh việc in ấn, quét ảnh và fax Các roomServer và các nút Sensor kết hợp với các thiết bị trong gia đình trở thành một hệ thốngthích nghi với khả năng tự tổ chức và tự điều chỉnh trên cơ sở các trờng điều khiển

1.6.5 Các ứng dụng thơng mại khác

Các ứng dụng thơng mại có thể đợc kể đến là : kiểm tra sự mệt mỏi cơ thể; xây dựngcác bàn phím ảo; quản lý sự kiểm kê; kiểm tra chất lợng sản phẩm; xây dựng cáckhông gian làm việc thông minh; điều khiển môi trờng trong các toà nhà công sở; cácrobot điều khiển và chỉ đạo trong các môi trờng chế tạo tự động; đồ chơi tơng tác; cácbảo tàng thông minh; nhà máy điều khiển tự động; kiểm tra các vùng nguy hiểm; kiếntrúc thông minh với các nút Sensor gắn trong; các máy chẩn đoán; vận tải; kiểm tra vàphát hiện vụ trộm xe; giám sát xe cộ;

- Điều khiển môi trờng trong các toà nhà công sở: các trạng thái không khí và nhiệt

độ của hầu hết các công sở đợc điều khiển đợc từ một trung tâm Bởi vậy, nhiệt độtrong một căn phòng có thể đợc thay đổi trong một phạm vi nhỏ, nơi này có thể cónhiệt độ ấm hơn một nơi khác vì chỉ có một bộ điều khiển trong một căn phòng mà

dòng không khí chảy từ một hệ thống trung tâm lại không đợc phân bố đồng đều Một

hệ thống mạng Wireless Sensor phân tán có thể đợc thiết lập để điều khiển không khí

và nhiệt độ tại các phần khác nhau của căn phòng Kĩ thuật phân tán này giảm đợc rấtnhiều chi phí năng lợng cho điều hoà không khí và giảm đáng kể lợng carbon sinh ra

- Bảo tàng tơng tác thông minh: trong tơng lai, trẻ em có thể tơng tác với các đối

t-ợng trong bảo tàng để hiểu hơn về chúng Các đối tt-ợng này có thể phản ứng lại các vachạm hay lời nói Ngoài ra, trẻ em còn có thể tham gia vào các thí nghiệm nguyênnhân - kết quả theo thời gian thực để học tập về khoa học và môi trờng Thêm vào đó,các mạng Wireless Sensor có thể cung cấp thứ tự và sự định vị bên trong bảo tàng Một

ví dụ là bảo tàng thám hiểm San Francisco Exploratorium, trng bày kết hợp sự đo lờng

số liệu và các thí nghiệm nguyên nhân – kết quả

- Phát hiện trộm cắp xe hơi: Các nút Sensor có thể đợc triển khai để phát hiện và

nhận ra kẻ trộm trong vùng địa lý và thông báo cho chủ nhân thông qua Internet

- Quản lý sự kiểm kê: mỗi thứ trong kho đợc có thể gắn một Sensor Ngời sử dụng có

thể tìm thấy chính xác vị trí của của đối tợng và kiểm kê số lợng của các đối tợng cùngloại Nếu ngời sử dụng muốn thêm một sự kiểm kê mới thì phải liên lạc với các nútSensor thích hợp Qua đó có thể giám sát và định vị các đối tợng trong bản kê bất cứlúc nào

- Giám sát và theo dõi xe cộ: có hai phơng pháp giám sát và theo dõi xe cộ Thứ nhất,

đờng đi của xe đợc xác định trong các cụm và đợc chuyển tới trạm gốc, thứ hai là các

số liệu cha qua xử lý từ các nút Sensor đợc chuyển tới trạm gốc, tại đây chúng đợcphân tích để xác định vị trí các xe

Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor

2.1 Tính đặc thù của mạng

2.1.1 Hạn chế phần cứng

Tất cả các thành phần của nút Sensor phải đặt vừa vào trong một khối Thông thờngkích cỡ đợc yêu cầu nhỏ hơn 1 centimet khối, đôi khi, phải đủ nhẹ để có thể treo trênkhông trung Ngoài các yêu cầu về kích cỡ, khối lợng, việc thiết kế các nút Sensor còn

bị hạn chế bởi các yêu cầu nghiêm ngặt khác là :

+ Công suất tiêu thụ phải vô cùng thấp

+ Hoạt động trong mật độ thể tích cao

+ Giá thành sản xuất thấp và có thể bị bỏ qua mà không ảnh hởng tới toàn mạng+ Có thể tự động tổ chức, quản trị và hoạt động không cần can thiệp

+ Thích nghi đợc với môi trờng

Vì các nút Sensor thờng không tiếp cận đợc nên thời gian tồn tại của một mạngSensor phụ thuộc vào tuổi thọ nguồn năng lợng của nút Năng lợng cũng là tài nguyênhiếm do bộ nguồn có kích cỡ giới hạn Ví dụ, tổng năng lợng dự trữ trong một hạtSensor thông minh là 1J Trong mạng Sensor tích hợp vô tuyến (WINS), dòng điệntrung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30 A để đảm bảo thời gian sống dài Các nút WINS

đợc cung cầp năng lợng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đờng kính 2.5 cmdày 1cm) Ngoài ra, có thể tăng thời gian sống của mạng bằng cách tìm lấy năng lợng

từ môi trờng Các ô pin mặt trời là một ví dụ

Bộ thu phát của các nút Sensor có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cựchoặc các thiết bị vô tuyến (RF) Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọcthông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở lên đắt và phức tạp Ngoài ra,suy hao đờng truyền tín hiệu giữa hai nút Sensor tỷ lệ theo luỹ thừa bậc bốn củakhoảng cách do các nút Sensor sử dụng antent đẳng hớng Tuy nhiên, truyền thông vôtuyến đợc quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trongmạng Sensor có kích thớc nhỏ , tốc độ số liệu thấp (thờng nhỏ hơn 1 Hz) và khả năng

sử dụng lại tần số cao do khoảng cách truyền thông ngắn Các đặc điểm này tạo ra chothấy hệ số sử dụng hệ thống vô tuyến là thấp Tuy nhiên, việc thiết kế các mạch vôtruyến có hiệu quả về năng lợng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức côngnghệ Các kỹ thuật vô tuyến thơng mại hiện nay vẫn không đợc nh mong muốn vìchúng còn tiêu thụ nhiều năng lợng

Mặc dù đã có các bộ xử lý công suất tính toán cao với kich thớc nhỏ nhng hiện tạichúng vẫn cha đợc phổ biến Ví dụ, một vi hạt thông minh (smart dust mote) nguyênbản là một bộ vi điều khiển 4 MHz Atmel AVR 8535 với 8 Kb bộ nhớ tốc độ cao, 512byte RAM và 512 byte EEPROM (ROM lập trình bằng điện) Hệ điều hành TinyOS đ-

ợc sử dụng trong bộ xử lý này, với 3500 byte không gian chứa mã OS và 4500 bytekhông gian có sẵn Bộ xử lý của một nút Sensor nguyên bản khác, gọi là AMPS (-Adaptive Multi-domain Power aware Sensors-Vi cảm biến nhận biết năng lợng đa miền

thích ứng), có một vi xử lý 59 – 206 MHz SA – 1110 sử dụng hệ điều hành đa nhiệm

-OS

Hầu hết các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu có một sự hiểu biết về vị trí Vì các nútSensor thờng đợc triển khai ngẫu nhiên và hoạt động tự động, nên chúng cần phải cómột hệ thống tìm đờng Hệ thống này cũng đợc yêu cầu bởi nhiều giao thức địnhtuyến Thông thờng, các nút Sensor còn đợc trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS có

độ chính xác nhỏ hơn 5m Nhờ vậy, chúng có thể tự động tìm vị trí thích hợp và có khảnăng định vị chính xác các hiện tợng đích

2.1.2 Môi trờng hoạt động

Các nút Sensor đợc triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong hiện tợng đểquan sát Vì thế, chúng thờng hoạt động tự động tại các vùng cách xa Chúng có thểlàm việc trong các môi trờng sau:

+ Trong các phần tiếp giáp

+ Bên trong các bộ phận lớn

+ Đáy biển

+ Bên trong các hiện tợng phức tạp

+ Trên mặt biển, trong một thuỷ lôi

+ Các vùng ô nhiễm sinh hoá

+ Trong các đờng ống hay dòng sông theo dòng chảy

Nh vậy, các nút Sensor phải làm việc với các điều kiện rất khó khăn: dới áp suất caodới đáy biển; ở các môi trờng khắc nghiệt nh vùng chiến sự hay các đống đổ nát; dớisức nóng hay độ lạnh; trong các môi trờng tạp âm lớn Với mỗi loai phải có một kếhoạch thiết kế thích hợp

2.1.3 Môi trờng truyền dẫn

Trong một mạng Sensor đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môi trờngkhông dây Các liên kết này có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hay các tín hiệuquang Việc chọn môi trờng thông tin liên quan đén yêu cầu nhiệm vụ của mạng vàchúng phải đảm bảo các quy định quốc tế về thông tin trong không gian để có thể hoạt

động đợc ở mọi nơi

Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần công nghiệp, khoa học và y học (Industrial,Scientific and Medical-ISM) Các dải tần này đợc thông tin tự do trong hầu hết các nớc.Bảng phân phối tần số quốc tế nằm trong khoản S5 trong quy định tần số chỉ ra một sốdải tần dành cho các ứng dụng ISM (Bảng 2.1)

Bảng 2.1 Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM

Một số các dải tần này đã đợc sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay và mạngnội bộ không dây (Wireless LAN) Các mạng Sensor sử dụng bộ thu phát kích cỡ nhỏ,giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp Do các hạn chế về phần cứng và sự cân bằng giữahiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mang thuộc dảitần rất cao (UHF) Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433 MHz ISM ở châu Âu và 915MHz ở Bắc Mỹ Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổ rộng vàthông dụng Chúng không vợt khỏi các tiêu chuẩn riêng, do đó có thể phù hợp với các

kế hoạch tiết kiệm năng lợng Mặt khác, còn có các hạn chế khác nh giới hạn công suất

và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai do các dải tần ISM không đợc quản lý.Một kiểu truyền thông khác trong mạng Sensor là sử dụng hồng ngoại Thông tinhồng ngoại đợc sử dụng tự do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết bị điện Các bộthu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo Ngày nay, các máy tính xách tay,máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại Trở ngạichính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đờng nhìn thẳng giữa nơi gửi

và nơi nhận Điều nay làm cho hồng ngoại khó đợc sử dụng trong trờng hợp mạngSensor

Một hớng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một

hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi trờng truyền dẫn quanghọc Có hai phơng pháp truyền thông tin: thứ nhất là truyền thông thụ động sử dụngmột máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật (Corner-cube-retroreflector (CCR));thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các gơng chuyển động Hiệnnay các diode lazer tại nơi phát đợc gắn trên bảng mạch, có thể chuyển động lái chùmsáng vào chính xác nơi nhận

Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi trờng truyền dẫn phức tạp hơn Ví dụ, với cácứng dụng dới biển thì môi trờng truyền dẫn là môi trờng nớc Do đó phải sử dụng bứcxạ bớc sóng dài để đi xuyên trong nớc Với các vùng khí hậu khắc nghiệt hay các vùngchiến sự, thì phải vợt qua đợc các sai lỗi và nhiễu lớn Ngoài ra, các antent của Sensorthấp hơn và có công suất bức xạ nhỏ hơn các thiết bị vô tuyến khác Do đó,môi trờng

Dải tần Tần số trung tâm

truyền thông phải đợc hỗ trợ bằng các phơng thức điều chế và mã hoá chống lỗi phùhợp với đặc điểm từng loại kênh truyền.

2.2 Sự tiêu thụ năng lợng

Nút Wireless Sensor là một thiết bị điện rất nhỏ nên chỉ đợc trang bị nguồn năng lợnghạn chế (<0.5Ah, 1.2V) Trong hầu hết các ứng dụng, việc tiếp thêm năng lợng làkhông thực hiện đợc Cho nên, thời gian tồn tại của nút Sensor phụ thuộc chủ yếu vàotuổi thọ của nguồn năng lợng Trong mạng Sensor đa liên kết, mỗi nút đóng hai vai trò

là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu Sự trục trặc của vài nút có thể là nguyênnhân quan trọng của việc thay đổi hình trạng mạng, phải định tuyến lại gói tin và phải

tổ chức lại mạng Do đó, việc bảo tồn nguồn năng lợng và quản lý nguồn năng lợng làrất quan trọng Do các nguyên nhân này mà nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào việcthiết kế các thuật toán và giao thức nhận biết, tính toán năng lợng cho mạng Sensor.Trong các mạng đa liên kết và di động khác, việc tiêu thụ năng lợng là một vấn đềquan trọng trong thiết kế song không phải vấn đề chính vì nguồn năng lợng có thể đợcngời sử dụng thay thế Điều quan trọng hơn là vấn đề cung cấp chất lợng dịch vụ(QoS) Tuy nhiên, trong các mạng Sensor, hiệu quả năng lợng là một vấn đề vô cùngquan trọng vì nó ảnh hởng trực tiếp tới tuổi thọ của mạng Các giao thức riêng cho từngứng dụng đợc thiết kế để có đợc sự cân bằng thích hợp giữa các vấn đề về độ trễ vàthông lợng với hiệu quả năng lợng

Nhiệm vụ chính của một nút Sensor trong trờng Sensor là theo dõi các sự kiện, xử lýnhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu Công suất tiêu thụ bởi ba thành phầnchính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu

2.2.1 Năng lợng cho nhiệm vụ cảm biến

Năng lợng tiêu thụ của bộ cảm biến và các thành phần của nó có thể thay đổi tuỳ theoứng dụng cụ thể Việc cảm biến rời rạc sẽ tiêu thụ công suất nhỏ hơn so với việc theodõi các hiện tợng một cách liên tục Độ phức tạp của nhiêm vụ quan sát hiện tợng đóngvai trò quyết định trong việc xác định mức năng lợng tiêu hao Các mức tạp âm biên độcao là nguyên nhân làm tăng độ phức tạp trong việc quan sát hiện tợng của các Sensor

Do đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho nhiệm vụ cảm biến

2.2.2 Năng lợng cho truyền thông

Trong ba thành phần nêu trên trong một nút Sensor, phần truyền thông số liệu tiêuthụ năng lợng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu Đặc điểm truyền thông trongmạng Sensor là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp (~ 0 dbm), chi phí năng lợngcho việc phát và thu là gần nh nhau Trong mạch thu phát, các bộ trộn, các bộ tổng hợptần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khoá pha (PLL) và các bộkhuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể Điều quan trọng là tính toán nàykhông chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởiphát trong mạch thu phát Thời gian khởi phát lên tới hàng trăm micro giây làm côngsuất khởi phát trở lên đáng kể Giá trị cao của thời gian khởi phát đợc cho là do thờigian khoá của vòng khoá pha (PLL) Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suấtkhởi phát sẽ chiểm u thế so với công suất tích cực Kết quả là việc chuyển trạng thái

(thu, phát) giữa ON va OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một khối lợng điện năng lớnmỗi lần chuyển trạng thái về ON.

Công suất vô tuyến tiêu thụ đợc tính nh sau:

Pc = NT [ PT ( Ton + Tst ) + Pout ( Ton )] + NR [ PR (Ron + Rst ) ]

Trong đó, PT/R là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu; Pout là công suất đầu ra của bộphát; T/Ron là khoảng thời gian phát/thu trạng thái ON; T/Rst là khoảng thời gian khởiphát tại mạch phát/thu; NT/R là số lần mạch phát/thu chuyển mạch sang ON trong một

đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phơng thức điều khiển truy nhập môi ờng Ton có thể viết lại bằng L/R , trong đó, L là kích thớc gói, R là tốc độ số liệu.Với tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các bộ thu phát vô tuyến thờng có PT và PR khoảng 20dbm và Pout gần 0 dbm Giá trị mục tiêu của Pc khoảng –20 dbm

tr-2.2.3 Năng lợng cho xử lý

Năng lợng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lợng dành cho truyềnthông số liệu Do ảnh hởng của fading và do sự suy giảm đờng truyền theo luỹ thừa bậcbốn nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyền thông tăng.Trong khi đó, bộ xử lý thờng không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ côngsuất nhỏ

Một nút Sensor phải có khả năng tính toán và tơng tác với môi trờng xung quanh.Giới hạn về chi phí và kích thớc dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán dẫn oxit kim loại(CMOS) cho bộ vi xử lý Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế về hiệu quả năng l-ợng

Ngoài ra, trong nút Sensor còn có các mạch mã hoá và giải mã, các mạch tích hợpcác ứng dụng đặc biệt Khi thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng, phải tínhtoán các ảnh hởng đến công suất tiêu thụ của các thành phần này

2.3 Các giải pháp tiết kiệm năng lợng

- Hiệu suất năng lợng luôn là yếu tố quan trọng

- Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung

- Việc tập hợp số liệu chỉ đợc thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của cácnút Sensor

- Một mạng Sensor lý tởng phải nhận biết đợc việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vịtrí

2.3.1.1 Các phơng pháp định tuyến tối u về năng lợng

Các phơng pháp đợc sử dụng để chọn tuyến đờng có hiệu suất năng lợng cao đợcminh hoạ trên hình 2.1

Hình2.1: Hiệu quả năng lợng trong định tuyến

Trong đó, T là nút nguồn cảm biến hiện tợng mục tiêu Nó có bốn đờng có thể liênlạc với bộ thu nhận (Sink) nh sau :

1) Đờng tổng mức năng lợng nguồn nuôi hiện tại (PA:power available) cực đại: là

đ-ờng có tổng các mức năng lợng nguồn nuôi hiện tại của các nút liên quan lớn nhất PAtổng đợc tính bằng tổng các PA của mỗi nút dọc theo đờng Theo phơng pháp này, đ-ờng 2 đợc lựa chọn Tuy nhiên, đờng 2 lại bao gồm những nút trong đờng 1 và một nút

mở rộng Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nhng nó không phải là đờng có hiệu suất nănglợng cao nhất Nh vậy, những đờng nhận đợc từ việc mở rộng các đờng có thể kết nốiSensor tới Sink sẽ không đợc tính Loại trừ đờng 2, đờng 4 là đờng có hiệu suất năng l-ợng cao nhất khi sử dụng phơng pháp PA tối đa

2) Đờng năng lợng cực tiểu (ME: minimum energy): đờng mà năng lợng tiêu thụ cực

tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút Sensor đợc gọi là đờng ME Nh vậy

đờng ME là đờng có tổng các α nhỏ nhất Trong ví dụ này, đờng 1 là đờng ME

3) Đờng có số bớc nhảy cực tiểu (MH: minimum hop): là đờng có số liên kết từ nút

Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất Đờng 3 trong ví dụ này là đờng có hiệu suất caonhất theo tiêu chí này Lu ý rằng phơng pháp ME sẽ chọn ra đờng tơng tự nh phơngpháp MH khi năng lợng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các liên kết đều

nh nhau, tức là tất cả α ở mọi liên kết đều bằng nhau Vì thế, khi các nút phát quảng bávới cùng mức năng lợng mà không có bất kì sự điều khiển năng lợng nào, MH là tơng

đơng với ME

4) Đờng có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đờng mà dọc theo

nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đờng khác Theo tiêu chí này, đờng 3

là đờng có hiệu suất năng lợng cực đại và đờng 1 là đờng có hiệu suất lớn thứ hai

Ph-ơng pháp này ngăn ngừa việc sử dụng các nút Sensor có PA thấp sớm trong khi có thể

sử dụng các nút khác có PA cao hơn Nh thế có thể tránh đợc hiện tợng một số nút bịcạn nguồn năng lợng sớm làm ảnh hởng đến hoạt động toàn mạng

2.3.1.2 Phơng pháp định tuyến số liệu tập trung

Một vấn đề quan trọng khác của lớp mạng là định tuyến có thể dựa trên việc tập trung

số liệu Trong định tuyến số liệu tập trung, việc phổ biến các yêu cầu (các nội dung đ

-ợc quan tâm) đ-ợc thực hiện nhằm phân nhiệm vụ cảm biến tới các nút Sensor Có haiphơng pháp đợc sử dụng để phổ biến yêu cầu là: nút Sink phổ biến nội dung đợc quantâm tới các nút Sensor cần thiết và các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo cho sốliệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu về các số liệu này

Định tuyến số liệu tập trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính cơ sở Nguyên nhân cầnphải đặt tên thuộc tính cơ sở là ngời sử dụng thờng quan tâm tới truy vấn thuộc tính củahiện tợng hơn là truy vấn tới một nút riêng lẻ Ví dụ, “những khu vực nơi nhiệt độ v ợtquá 70 độ F” là một truy vấn đợc sử dụng thờng xuyên hơn là “nhiệt độ đợc đọc bởimột nút nào đó” Việc đặt tên thuộc tính cơ sở đợc sử dụng để truy vấn về các thuộctính của hiện tợng Với việc đặt tên thuộc tính cơ sở, các phơng thức phát quảng bá,phát đến một nhóm theo thuộc tính cơ sở (attribute-based multicasting), phát theo địa

lý (geo-casting), phát bất kỳ ( any-casting ) trở lên quan trọng đối với mạng Sensor Tập hợp số liệu là một kỹ thuật đợc sử dụng để giải quyết những vấn đề trùng lặp vàchồng chéo trong định tuyến số liệu tập trung Trong kỹ thuật này, một mạng Sensor đ-

ợc mô tả với cấu trúc cây phát đa điểm đảo ngợc (reverse multicast tree) nh trong hình2.2

2.3.1.3 Các giao thức lớp mạng khác đợc đề xuất cho mạng Sensor

a) Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu loại nhỏ ( SMECN : Small Minimum Energy Communication Network ): giao thức MECN đợc phát triển để tính toán một

mạng con có hiệu suất năng lợng cao trong một mạng truyền thông nhất định Mộtthuật toán mới đợc gọi là SMECN đợc đề xuất cũng nhằm cung cấp một mạng con nhvậy Mạng con, tức là một lợc đồ con, đợc cấu trúc bởi SMECN nhỏ hơn mạng con đợccấu trúc bởi MECN nếu vùng phát quảng bá là hình tròn với công suất nhất định Lợc

đồ con G của lợc đồ G’, mô tả mạng Sensor, tối thiểu năng lợng sử dụng với các điềukiện sau: số cạnh trong lợc đồ con G nhỏ hơn trong lợc đồ G’ gồm tất cả nút trong G’,

nếu hai nút u và v đợc kết nối trong G’ , chúng cũng đợc kết nối trong G; năng lợng cần thiết để truyền số liệu từ nút u tất cả các nút lân cận trong lợc đồ con G nhỏ hơn

năng lợng cần thiết để truyền số liệu tới tất cả các nút lân cận trong G’ SMECN cũngtuân theo đặc tính ME mà MECN sử dụng để cấu trúc nên mạng con Đặc tính ME là

có tồn tại một đờng ME trong lợc đồ con G giữa u và v với mọi cặp (u,v) đợc kết nối

trong G’

Công suất cần thiết để truyền số liệu giữa u và v tính nh sau: p(u,v) = td(u,v) n , với t

là một hằng số, d(u,v) là khoảng cách giữa u và v và n ≥ 2 là hàm mũ suy giảm bởi

truyền dẫn vô tuyến Ngoài ra, công suất cần thiết để nhận số liệu là c Vì p(u,v) tăng lên theo luỹ thừa n (n ≥ 2) của khoảng cách giữa u và v, công suất chuyển tiếp số liệu

có thể nhỏ hơn công suất truyền dẫn số liệu trực tiếp giữa nút u và v Đờng dẫn giữa u

(tức là u0) và v ( ví dụ uk) đợc đặc trng bởi r , với r = ( u0, u1, ,uk) trong lợc đồ con G =(V,E) là một dãy có thứ tự của các nút nh cặp (ui, ui+1) thuộc E Ngoài ra, độ dài của r

là k Tổng công suất tiêu thụ giữa các nút u0 và uk là:

Với p(ui,ui+1) là công suất cần thiết để truyền dẫn số liệu giữa nút ui và ui+1; và c làcông suất cần thiết để nhận số liệu Tuyến đờng r là một đờng ME từ u0 tới uk nếu C(r)

≤ C(r)’ với mọi đờng r’ giữa nút u0 và uk trong G’ Nh vậy, một lợc đồ con có đặc tính

ME nếu với tất cả các cặp (u,v) thuộc V, có tồn tại một đờng r trong G là một đờng ME giữa u và v trong G’

b) Giao thức tràn (Flooding): thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng đợc sử dụng

để định tuyến trong mạng Sensor Trong thuật tràn, mỗi nút đang nhận một gói số liệuhoặc một gói điều khiển lặp lại nó bằng cách phát quảng bá, trừ khi gói này đã đạt đ ợc

số bớc nhảy cực đại cho phép hoặc gói đã tới đích Thuật tràn là một kỹ thuật phản ứng

và nó không cần duy trì kiến trúc mạng đắt tiền và thuật toán tìm đờng phức tạp Tuynhiên, nó có một vài hạn chế nh :

+ Sự trùng lặp (Implosion): trùng lặp là một trạng thái mà các bản sao của gói tin đợcgửi tới cùng một nút Ví dụ, nếu một nút Sensor A có N nút Sensor lân cận mà đó cũng

là những nút lân cận của nút Sensor B, nút Sensor B nhận N bản sao của bản tin đ ợc gửi

đi bởi nút Sensor A

+ Sự chồng lấn (Overlap): nếu hai nút chia sẻ cùng một vùng quan sát, cả hai nút cóthể cảm nhận cùng một kích thích tại cùng một thời điểm Kết quả là các nút lân cậnnhận đợc các bản tin sao lại

+ Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): giao thức tràn không đa vào báo cáo cáctài nguyên năng lợng hiện tại Một giao thức nhận biết đợc tài nguyên năng lợng phải

đa vào báo cáo mức năng lợng của các nút tại mọi thời điểm

c) Giao thức dây truyền (Gossiping): với giao thức dây truyền, các nút không phát

quảng bá mà gửi đi những gói tới tới một nút lân cận đợc chọn ngẫu nhiên Một nútSensor lựa chọn ngẫu nhiên một trong các nút lân cận để gửi số liệu Khi nút lân cận đónhận đợc số liệu, nó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút Sensor khác Mặc dù phơng phápnày tránh đợc vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tại mộtnút bất kỳ, nhng nó phải mất một thời gian khá dài để truyền bản tin tới tất cả các nútSensor

d) Các giao thức thông tin Sensor thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols for Information via Negotiation-SPIN): một họ các giao thức có khả năng thích ứng đợc

gọi là SPIN đợc thiết kế để khắc phục nhợc điểm của giao thức tràn (Flooding) cổ điểnbằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên Họ giao thức SPIN đợc thiết kế dựatrên hai ý tởng cơ bản: 1) Các nút Sensor hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồnnăng lợng bằng cách chỉ gửi các số liệu mô tả về số liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ