Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây

Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

CUNG CẤP CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÍ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

CUNG CẤP CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGÀNH: XỬ LÍ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI 2009

L ỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ sự

phát triển của các mạng bao gồm các mạng cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã nhận được sự quan tâm đáng kể Các mạng cảm biến ngày nay được ứng dụng vào trong các lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông…Trong tương lai không xa, các ứng dụng sử dụng mạng cảm biến sẽ được sử dụng rộng rãi trong đời sống con người nhờ vào các ưu điểm về giá thành, sự nhỏ gọn

và tiện lợi của chúng

Tuy nhiên mạng cảm biến vẫn đang đối diện với rất nhiều thách thức như giới hạn năng lượng, băng thông, độ trễ và mất mát gói tin đã đặt ra nhiều vấn đề cần nghiên cứu và khắc phục Trong quá trình tìm hiểu về mạng cảm biến mà cụ thể trong luận văn này là mạng cảm biến không dây, tôi đã lựa chọn và tìm hiểu phương pháp cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng thông qua việc sử dụng cơ chế đa kênh và hàng đợi kết hợp với mức ưu tiên của các gói tin để cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS NGÔ QUỲNH THU - Bộ môn Truyền thông và mạng máy tính – Viện công nghệ thông tin và truyền thông – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình chỉ bảo và định hướng cho tôi để hoàn thành luận văn này

TÓM T ẮT LUẬN VĂN

Ngày nay nhờ tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã trở thành đề tài được nghiên cứu nổi bật và nhận được sự tiến bộ đáng kể trong vài năm qua Mạng cảm biến là mạng vô tuyến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý, hay điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, sự chấn động, áp suất, sự chuyển động, ô nhiễm ở các vị trí khác nhau

Các cảm biến là các thiết bị điện tử nhỏ, thông thường được trang bị bộ thu phát

vô tuyến hoặc các thiết bị không dây khác, một bộ vi xử lý nhỏ và một nguồn năng lượng Các cảm biến này có khả năng thu thập, xử lý và truyền thông thông tin đến các nút khác và ra thế giới bên ngoài

Mạng cảm biến là một lĩnh vực rất sâu rộng, luận văn này sẽ giới thiệu một cách khái quát nhất về các đặc điểm của mạng cảm biến Phần tiếp theo sẽ nghiên cứu về chất lượng dịch vụ (QoS) và truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến Phần cuối cùng là mô phỏng về đa kênh đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng

Luận văn này gồm có 3 phần:

Phần I: Mạng cảm biến

Phần này trình bày các đặc điểm của mạng cảm biến, kiến trúc chung của mạng cảm biến và điều khiển truy nhập môi trường Phần này bao gồm 3 chương:

Chương 1: Mạng cảm biến và các tham số của mạng cảm biến

Chương 2: Kiến trúc mạng cảm biến

Chương 3: Điều khiển truy nhập môi trường

Phần II: Chất lượng dịch vụ trong WSN

Trình bày về chất lượng dịch vụ, các giao thức đa kênh trong mạng cảm biến Phần này bao gồm 2 chương:

Chương 4: Chất lượng dịch vụ trong mạng cảm biến

Chương 5: Các giao thức đa kênh và truyền thông thời gian thực

Phần III: Mô phỏng và đánh giá kết quả

Phần này giới thiệu về phần mềm mô phỏng NS2 và mô phỏng đánh giá kết quả của việc cung cấp chất lượng dịch vụ trong mạng cảm biến không dây Phần này gồm 2 chương:

Chương 6: Phần mềm mô phỏng NS2

Chương 7: Mô phỏng và đánh giá kết quả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU - 1 -

TÓM TẮT LUẬN VĂN - 2 -

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ - 6 -

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT - 8 -

Phần I : MẠNG CẢM BIẾN - 10 -

Chương 1: Mạng cảm biến không dây và các tham số của mạng - 10 -

1.1 Giới thiệu - 10 -

1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến - 12 -

1.3 Các tham số của mạng cảm biến - 14 -

Chương 2: Kiến trúc của mạng cảm biến - 16 -

2.1 Lớp vật lí - 17 -

2.2 Lớp liên kết dữ liệu - 17 -

2.2.1 Điều khiển truy nhập môi trường - 17 -

2.2.2 Giao thức tự tổ chức MAC trong mạng cảm biến - 18 -

2.3 Tầng mạng - 19 -

2.3.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu - 20 -

2.3.2 Internetworking - 21 -

2.3.3 Flooding and gossiping - 21 -

2.3.4 Giao thức định tuyến thông tin dựa trên dàn xếp dữ liệu - 22 -

2.3.5 Directed diffusion - 24 -

2.4 Lớp vận chuyển - 24 -

2.5 Lớp ứng dụng - 25 -

2.5.1 Giao thức quản lí cảm biến - 25 -

2.5.2 Giao thức quảng cáo dữ liệu - 26 -

2.5.3 Truy vấn cảm biến và giao thức phổ biến dữ liệu - 26 -

Chương 3: Điều khiển truy nhập môi trường - 28 -

3.1 Những khác biệt và các hạn chế của giao thức MAC trong mạng cảm biến - 29 -

3.1.1 Các điểm khác biệt của giao thức MAC trong mạng cảm biến - 29 -

3.1.2 Các hạn chế của giao thức MAC trong mạng cảm biến - 29 -

3.2 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến - 31 -

3.2.1 Các giao thức MAC không theo lịch trình - 31 -

3.2.1.1 Các giao thức MAC nhiều bộ thu phát - 32 -

3.2.1.2 Giao thức MAC nhiều đường đi - 33 -

3.2.1.3 Các giao thức MAC trung tâm sự kiện - 34 -

3.2.1.4 Encounter-Based MAC Protocols - 35 -

3.2.1.5 Tóm tắt các giao thức MAC không theo lịch trình - 37 -

3.2.2 Các giao thức MAC theo lịch trình - 39 -

3.2.2.1 Các giao thức MAC dựa trên ưu tiên - 39 -

3.2.2.2 Các giao thức MAC dựa trên lưu lượng - 40 -

3.2.2.3 Các giao thức MAC dựa trên sự phân cụm - 41 -

3.2.2.4 Các giao thức TDMA MAC - 46 -

3.2.2.5 Tóm tắt các giao thức MAC theo lịch trình - 48 -

Phần II: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO WSN - 49 -

Chương 4: QoS trong mạng WSN - 50 -

4.1 Các mô hình QoS trong mạng WSN - 50 -

4.1.1 Mô hình dịch vụ tích hợp - 51 -

4.1.2 Mô hình dịch vụ phân biệt - 52 -

4.2 Sơ đồ chuyển tiếp thích nghi (AFS) - 54 -

Chương 5: Đa kênh và truyền thông thời gian thực - 57 -

5.1 Giao thức đa kênh phân cụm trong mạng WSN - 57 -

5.1.1 Cơ chế cảm nhận ảo - 57 -

5.1.2 Chi tiết của phương pháp - 58 -

5.1.3 Chu kì hoạt động trong cluster - 62 -

5.2 Giao thức đa kênh cây cơ sở - 63 -

5.3 Giao thức đa kênh luồng cơ sở - 67 -

5.3.1 Phân kênh luồng cơ sở - 69 -

5.3.2 Hiệu quả năng lượng định tuyến thời gian thực - 70 -

5.3.2.1 Chuyển tiếp thời gian thực - 71 -

5.3.2.2 Quản lí lân cận - 72 -

Phần III: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ - 74 -

Chương 6: Phần mềm mô phỏng NS2 - 74 -

6.1 Giới thiệu chung - 74 -

6.2 Kiến trúc của NS2 - 74 -

6.3 C++ và OTcl - 76 -

6.4 Các thành phần cấu hình mạng trong NS2 - 77 -

Chương 7: Mô phỏng và đánh giá kết quả - 79 -

7.1 Thuật toán - 79 -

7.2 Mô phỏng và đánh giá kết quả - 82 -

7.2.1 Kịch bản mô phỏng - 82 -

7.2.2 Mô tả kịch bản chi tiết - 84 -

7.2.3 Kết quả mô phỏng và phân tích - 85 -

7.2.3.1 Kết quả mô phỏng bằng NAM - 85 -

7.2.3.2 Kịch bản 1 - 87 -

7.2.3.3 Kịch bản 2 - 91 -

7.2.3.4 Kịch bản 3 - 97 -

7.3 Kết luận - 103 -

KẾT LUẬN - 105 -

D ANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Giám sát chiến trường 12

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến 12

Hình 1.3: Kiến trúc của một nút cảm biến 13

Hình 2.1: Ngăn xếp giao thức cho mạng WSN 16

Hình 2.2: Sơ đồ phân lớp MAC 18

Hình 2.3: Định tuyến trung tâm dữ liệu 20

Hình 2.4: Truyền gói trong Flooding 21

Hình 2.5: Hoạt động của SPIN 23

Hình 3.1: Truyền tải dữ liệu trong PAMAS 33

Hình 3.2: Truyền tải dữ liệu trong BMAC 36

Hình 3.3: Truyền tải dữ liệu trong WiseMAC 36

Hình 3.4: Truyền tải dữ liệu trong CSMAMPS 37

Hình 3.5: Định dạng frame TRAMA 41

Hình 3.6: Định dạng frame PMAC 41

Hình 3.7: So sánh truyền thông giữa LEACH và GANGS 43

Hình 3.8: Group TDMA ReceiverBased Grouping 44

Hình 3.9: Định dạng frame của SMAC và các biến thể 46

Hình 3.10: Định dạng frame trong EMACS and LMAC 47

Hình 4.1: Chuyển tiếp gói tin 52

Hình 4.2: Xác suất tiếp cận đạt được và xác suất tiếp cận mong đợi 55

Hình 5.1: Các Data plane và các tương quan Patche/Cluster 60

Hình 5.2: Mở rộng cây trong mỗi cluster để kết nối tới sink 62

Hình 5.3: Giao thức đa kênh cây cơ sở 65

Hình 6.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng 74

Hình 6.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS 76

Hình 7.1: Hàng đợi PriQ 81

Hình 7.2: Hàng đợi Multiserv 82

Hình 7.3: Sơ đồ phân bố các nút trong mạng 82

Hình 7.4: Kết quả mô phỏng NAM sử dụng 2 mức ưu tiên 85

Hình 7.5: Kết quả mô phỏng NAM sử dụng 3 mức ưu tiên 86

Hình 7.6: Đồ thị thông lượng theo kịch bản 1 sử dụng 2 mức ưu tiên 87

Hình 7.7: Đồ thị độ trễ theo kịch bản 1 sử dụng 2 mức ưu tiên 89

Hình 7.8: Đồ thị mất gói tin theo kịch bản 1 sử dụng 2 mức ưu tiên 90

Hình 7.9: Đồ thị thông lượng theo kịch bản 2 sử dụng 2 mức ưu tiên 91

Hình 7.10: Đồ thị trễ theo kịch bản 2 sử dụng 2 mức ưu tiên 92

Hình 7.11: Đồ thị mất gói tin theo kịch bản 2 sử dụng 2 mức ưu tiên 93

Hình 7.12: Đồ thị thông lượng theo kịch bản 2 sử dụng 3 mức ưu tiên 94

Hình 7.13: Đồ thị trễ theo kịch bản 2 sử dụng 3 mức ưu tiên 95

Hình 7.14: Đồ thị mất gói tin theo kịch bản 2 sử dụng 3 mức ưu tiên 96

Hình 7.15: Đồ thị thông lượng theo kịch bản 3 sử dụng 2 mức ưu tiên 97

Hình 7.16: Đồ thị trễ theo kịch bản 3 sử dụng 2 mức ưu tiên 98

Hình 7.17: Đồ thị mất gói tin theo kịch bản 3 sử dụng 2 mức ưu tiên 99

Hình 7.18: Đồ thị thông lượng theo kịch bản 3 sử dụng 3 mức ưu tiên 100

Hình 7.19: Đồ thị độ trễ theo kịch bản 3 sử dụng 3 mức ưu tiên 101

Hình 7.20: Đồ thị mất gói tin theo kịch bản 3 sử dụng 3 mức ưu tiên 102

-DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect

CSMA-MPS CSMA-Minimal Preamble Sampling

SQTL Sensor query and tasking language

Phần I : MẠNG CẢM BIẾN Chương 1: Mạng cảm biến không dây và các tham số của mạng

1.1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây (Wireless

dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ…

Những tiến bộ công nghệ gần đây trong các lĩnh vực như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành th ấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu về nơi giám sát

Những nút cảm biến này bao gồm các thành phần: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây và nguồn nuôi

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các nút cảm biến hay chính là sự giới hạn

về năng lượng của chúng Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn

cung cấp Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất

Mạng cảm biến đòi hỏi công nghệ kết nối mạng add-hoc không dây Mặc dù nhiều giao thức và các thuật toán đã được đề xuất cho mạng add-hoc không dây truyền thống nhưng chúng không phù hợp với các đặc tính riêng và các ứng dụng yêu cầu trong mạng cảm biến Có vài điểm khác biệt giữa mạng cảm biến và mạng add-hoc không dây:

• Các nút trong mạng cảm biến không dây được triển khai dày đặc

• Các nút trong mạng cảm biến không dây dễ bị lỗi

lớn hơn là trong mạng add-hoc không dây

• Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng mô hình truyền thông quảng bá trong khi hầu hết các mạng add-hoc sử dụng mô hình truyền thông điểm-tới-điểm

• Các nút cảm biến không có định danh toàn cục bởi vì chi phí và số lượng của các cảm biến là lớn

Phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến là rất rộng Chúng có thể dùng để theo dõi điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, mức độ ô nhiễm…Trong lĩnh vực y tế WSN được dùng để theo dõi bệnh nhân, chuẩn đoán, dùng thuốc trong bệnh viện, giám sát dữ liệu sinh lí của con người, theo dõi và giám sát các bác sĩ, bệnh nhân trong một bệnh viện Trong lĩnh vực quân sự WSN có thể là một phần của chỉ huy quân sự, điều khiển, truyền thông, tính toán, tình báo, giám sát, trinh sát và hệ thống mục tiêu Chúng được

sử dụng để giám sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, và giám sát chiến trường Các mạng cảm biến cũng có thể được tích hợp vào trong các hệ thống hướng dẫn cho các

vực như là thám hiểm không gian, xử lý hóa chất và giảm nhẹ thiên tai, các ứng dụng trong gia đình và thương mại khác

Hình 1.1: Giám sát chiến trường

1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến

Do các điểm khác biệt giữa mạng cảm biến và mạng add-hoc không dây đã nêu

ở trên nên cấu trúc hiện nay của mạng Internet và mạng add-hoc không dây không dùng được cho mạng cảm biến Cấu trúc của mạng cảm biến phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Các nút cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến (sensor field) như hình 1.2, mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến tới các sink

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến

Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết

bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng

Kiến trúc của một nút cảm biến như sau:

• Bộ nguồn (power unit)

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.3: Kiến trúc của một nút cảm biến

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số

Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý Đơn vị xử lý

thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho

các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng mặt trời Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với

sự biến đổi của môi trường

Một thiết kế cho mạng cảm biến chịu ảnh hưởng của nhiều tham số trong đó bao gồm khả năng chịu lỗi, khả năng mở rộng, chi phí sản xuất, môi trường hoạt động, topology của mạng, hạn chế về phần cứng, phương tiện truyền thông, điện năng tiêu thụ Sự thất bại của các nút cảm biến phải không ảnh hưởng tới công việc chung của mạng cảm biến Đây là độ tin cậy hoặc tính chịu lỗi của mạng Tính chịu lỗi là khả năng duy trì chức năng của mạng cảm biến mà không có bất kì gián đoạn nào do sự hỏng hóc của các nút cảm biến gây ra

Các giao thức và các thuật toán có thể được thiết kế để giải quyết các mức độ chịu lỗi yêu cầu bởi mạng cảm biến Nếu môi trường nơi các nút cảm biến được triển khai

có ít nhiễu như là theo dõi nhiệt độ, độ ẩm trong một ngôi nhà, khi đó các giao thức có thể được thiết kế đơn giản hơn Trong trường hợp khác, nếu các nút cảm biến được triển khai vào trong chiến trường để giám sát và phát hiện thì tính chịu lỗi phải có mức yêu cầu cao vì dữ liệu cảm nhận là quan trọng và các nút cảm biến có thể bị phá hủy

bởi các hoạt động thù địch Tính chịu lỗi phụ thuộc vào từng ứng dụng trên mạng cảm biến

Số nút cảm biến được triển khai để nghiên cứu về hiện tượng có thể được yêu cầu

là hàng trăm hoặc hàng nghìn nút vì thế các mạng phải có khả năng làm việc với một

số lượng lớn các nút Mật độ có thể dao động từ vài nút tới hàng vài trăm nút trong một khu vực mà có có đường kính nhỏ hơn 10m Mật độ của các nút phụ thuộc vào ứng dụng mà trong đó các cảm biến được triển khai

Việc triển khai một mạng cảm biến với mật độ dày đặc và số lượng các nút lớn đòi hỏi phải cẩn trọng trong việc bảo trì topology Các vấn đề liên quan tới việc bảo trì topology và thay đổi được phân lớp thành ba pha: pha trước triển khai và triển khai, pha sau triển khai và pha triển khai lai

xếp theo trật tự trên trường cảm biến Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một

• Pha sau triển khai: sau khi triển khai, topology thay đổi là do sự thay đổi trong

các nút cảm biến như là vị trí, khả năng tiếp xúc (do nhiễu, tiếng ồn, chướng ngại vật di chuyển), năng lượng có thể sử dụng, sự cố và chi tiết công việc

• Pha triển khai lại: bổ sung các nút cảm biến có thể được triển khai lại vào bất

cứ lúc nào để thay thế các nút cảm biến bị trục trặc hoặc là thay đổi nhiệm vụ chung của mạng Việc bổ sung một nút mới vào mạng cần phải tổ chức lại mạng Sao chép thường xuyên sự thay đổi của topology trong một mạng add-hoc mà có vô số các nút và năng lượng tiêu thụ ngặt nghèo yêu cầu phải có các giao thức định tuyến đặc biệt

Chương 2: Kiến trúc của mạng cảm biến

Các nút cảm biến thường được rải rác trong trường cảm biến Mỗi nút cảm biến

có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến dữ liệu trở về sink và người dùng cuối Dữ liệu được định tuyến trở lại với người dùng cuối thông qua sink Sink có thể giao tiếp

với nút quản lí tác vụ (task manager node) thông qua Internet hoặc qua vệ tinh

Tầng ứng dụng Tầng vận chuyển Tầng mạng Tầng liên kết dữ liệu Tầng vật lý

vô tuyến và làm tăng nỗ lực hợp tác giữa các nút cảm biến Ngăn xếp giao thức bao

gồm: lớp ứng dụng (application layer), lớp vận chuyển (transport layer), lớp mạng (network layer), lớp liên kết dữ liệu (data link layer), lớp vật lí (physical layer), mặt phẳng quản lí năng lượng (power management plane), mặt phẳng quản lí di động (mobile management plane), và mặt phẳng quản lí tác vụ (task management layer

plane) Phụ thuộc vào nhiệm vụ cảm nhận, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp vận chuyển trợ giúp việc bảo trì luồng dữ liệu nếu các ứng dụng trong mạng yêu cầu nó Lớp mạng quan tâm tới vấn đề

định tuyến dữ liệu cung cấp bởi lớp vận chuyển Trong môi trường nhiễu và các nút cảm biến có thể di động, giao thức lớp MAC phải nhận thức về năng lượng và có khả năng tối thiểu hóa xung đột với việc quảng bá tới các nút lân cận Lớp vật lí giải quyết những yêu cầu của việc điều chế, kĩ thuật truyền tải và tiếp nhận Ngoài ra, năng lượng, tính di động và các mặt phẳng quản lí tác vụ giám sát năng lượng, sự di chuyển và phân tán tác vụ giữa các nút cảm biến Những mặt phẳng này trợ giúp các nút cảm biến phối hợp các tác vụ và giảm tổng thể sự tiêu thụ năng lượng trong mạng

2 1 Lớp vật lí

Lớp vật lí có nhiệm vụ lựa chọn tần số, sinh ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa dữ liệu Chọn một sơ đồ điều chế tốt là rất quan trọng trong việc đảm bảo tín tin cậy của truyền thông trong mạng cảm biến Điều chế nhị phân và điều chế M-ary là hai sơ đồ được sử dụng trong mạng cảm biến Trong khi M-ary có

thể giảm số truyền tải kịp thời bằng cách gửi nhiều bit trên một kí tự (multiple bits per

symbol), kết quả của nó là một mạch phức tạp và tăng năng lượng thiêu thụ radio Điều chế nhị phân thì cho kết quả tốt hơn về mặt hiệu quả năng lượng

2 2 Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm dồn các luồng dữ liệu, phát hiện các khung

dữ liệu, truy nhập môi trường và điều khiển lỗi

Giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây phải đạt được hai mục đích:

đặc và rời rạc trong trường cảm biến, sơ đồ MAC phải thiết lập các liên kết truyền thông cho việc truyền tải dữ liệu Điều này tạo cơ sở hạ tầng cần thiết cho mạng không dây theo từng bước nhảy và đưa ra khả năng tự tổ chức cho mạng

• Thứ hai là chia sẻ công bằng và hiệu quả các nguồn tài nguyên giữa các nút cảm biến

Nhiều điều chỉnh cần được thực hiện trong các giao thức MAC khi ứng dụng trong mạng cảm biến Mục đích chính của giao thức MAC trong hệ thống là cung cấp chất lượng dịch vụ cao và hiệu quả dải thông

Các giao thức wireless MAC

Các giao thức MAC phân tán

Truy nhập

Các giao thức MAC tập trung

Hình 2.2: Sơ đồ phân lớp MAC Truy nhập môi trường tập trung vào hai nhiệm vụ quan trọng là chuyển nhượng tài nguyên chuyên dụng và bảo tồn năng lượng Chi tiết về điều khiển truy nhập môi trường sẽ được trình bày ở phần sau

Giao thức SMACS thực hiện khởi tạo mạng và tổ chức lớp liên kết và thuật toán eavesdrop-and-register (EAR) cho phép kết nối liền mạch của các nút di động trong một mạng cảm biến SMACS là giao thức xây dựng trên cơ sở hạ tầng phân tán mà cho

tải/tiếp nhận cho truyền thông mà không cần bất cứ nút master cục bộ hay toàn cục nào Trong giao thức này, phát hiện nút lân cận và các pha phân chia kênh là được kết hợp, theo thời gian các nút nghe thấy tất các các nút lân cận, chúng sẽ hình thành một mạng kết nối Một liên kết truyền thông bao gồm hai cặp của khe thời gian hoạt động ở chế độ lựa chọn ngẫu nhiên nhưng cố định tần số (hoặc tần số nhảy liên tiếp) Phương pháp này tận dụng được dải thông sẵn có trong mạng, tránh được sự đồng bộ mạng trên diện rộng mặc dù truyền thông giữa các nút trong tập con vẫn cần đồng bộ hóa Sử

dụng một lịch trình thức giấc ngẫu nhiên trong pha kết nối và tắt radio trong thời gian nhàn rỗi để bảo tồn năng lượng Nó sử dụng hai radio: một radio năng lượng rất thấp

để đánh thức nút lân cận và một radio thứ hai sử dụng ít năng lượng hơn nhiều thông qua một chu kì làm việc thấp hoặc là một chu kì phần cứng Thông thường radio thứ hai này chỉ có thể truyền tải một busy tone, nó sử dụng một kênh riêng để truyền tone

và không ảnh hưởng tới bất kì dữ liệu nào đang truyền

2.3 Tầng mạng

Tầng mạng điều khiển định tuyến dữ liệu qua mạng từ nguồn tới đích Các giao thức định tuyến trong mạng WSN khác với các giao thức định tuyến truyền thống ở vài điểm Một trong số đó là các nút trong mạng WSN không có địa chỉ IP, vì thế các giao thức định tuyến dựa trên IP không thể sử dụng trong mạng WSN Thiết kế các giao thức cho mạng WSN cần đảm bảo tính mở Nó phải dễ dàng quản lí truyền thông giữa nhiều nút và phổ biến dữ liệu cảm nhận tới trạm cơ sở Các giao thức cũng phải đảm bảo các hạn chế về tài nguyên như là giới hạn năng lượng, dải thông, bộ nhớ và khả năng tính toán Bằng cách đảm bảo các hạn chế trên trong mạng cảm biến thời gian sống của mạng có thể được kéo dài Cuối cùng giao thức phải giải quyết được vấn đề hiệu quả, tính chịu lỗi, tính công bằng và an ninh trong mạng

Chính vì những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức sau:

được sơ đồ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai số lượng lớn các nút đó vì lượng mào đầu để duy trì ID quá cao

truyền đến sink

lưu trữ

• Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khi được triển khai ngoại trừ một vài nút có thể di động

thường dựa trên vị trí

hiện tượng chung

Trong phần này sẽ giới thiệu vài giao thức định tuyến quan trọng trong các mạng WSN

Trong định tuyến trung tâm dữ liệu, việc phổ biến mối quan tâm được thực hiện

để phân công các nhiệm vụ cảm biến cho các nút cảm biến Có hai cách tiếp cận được

sử dụng để phổ biến mối quan tâm đó là:

tâm (hình 2.3 b)

Hình 2.3: Định tuyến trung tâm dữ liệu

quảng cáo (có nhiều người lính trong khu vực này)

Tập hợp dữ liệu (data aggregation) là công nghệ sử dụng để giải quyết vấn đề

bùng nổ và chồng chéo trong định tuyến trung tâm dữ liệu Trong công nghệ này ở đó

sink hỏi các nút cảm biến để báo cáo điều kiện xung quanh của hiện tượng Dữ liệu đến

từ nhiều nút cảm biến được tập hợp như là cùng một thuộc tính của hiện tượng khi chúng đến cùng một nút định tuyến trên con đường trở về sink Tập hợp dữ liệu có thể coi như là một tập các phương pháp tự động kết hợp dữ liệu đến từ nhiều nút cảm biến vào trong một tập các thông tin có ý nghĩa

2.3.3 Flooding and gossiping

Flooding là kỹ thuật chung thường được sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong mạng adhoc vô tuyến và hữu tuyến Chiến lược định tuyến này rất đơn giản và không phụ thuộc vào cấu hình mạng và các giải thuật định tuyến phức tạp Flooding sử dụng phương pháp reactive nhờ đó mỗi nút nhận dữ liệu hoặc điều khiển

dữ liệu để gửi các gói tới các nút lân cận Sau khi truyền, một gói sẽ được truyền trên tất cả các đường có thể Trừ khi mạng bị ngắt không thì các gói sẽ truyền đến đích

Hình 2.4: Truyền gói trong Flooding

Giải thuật này có 3 nhược điểm lớn như sau:

nút

sát, chúng có thể cảm nhận sự kích thích giống nhau ở cùng một thời điểm và vì thế kết quả là các nút lân cận nhận được các thông điệp trùng lặp

• Mù tài nguyên (resource blindness): thuật toán này không hề quan tâm đến vấn

đề năng lượng của các nút, các nút sẽ nhanh chóng tiêu hao năng lượng và làm giảm thời gian sống của mạng

Một sự cải tiến của giao thức này là Gossiping, thuật toán này cải tiến ở chỗ mỗi nút sẽ ngẫu nhiên gửi gói mà nó nhận được đến một trong các nút lân cận của nó Nó không đơn giản để thực hiện như cơ chế flooding và nó mất thời gian lâu hơn để truyền các thông điệp trên toàn mạng Thuật toán này làm giảm số lượng các gói lan truyền trong mạng, tránh hiện tượng bản tin kép tuy nhiên có nhược điểm là có thể gói sẽ không bao giờ đến được đích

2.3.4 Giao thức định tuyến thông tin dựa trên dàn xếp dữ liệu

SPIN là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu Mục tiêu chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một

số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng Nguyên lý của giao thức này đó là

negotiation) này là các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ

dữ liệu nào được truyền trong mạng

SPIN khai thác trên dữ liệu nhờ đó mà các nút sẽ kết hợp miêu tả dữ liệu (metadata) với dữ liệu mà chúng tạo ra và sử dụng sự miêu tả này để thực hiện việc dàn xếp dữ liệu trước khi truyền dữ liệu thực tế Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan

này tạo ra sự sắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm đến loại dữ liệu này Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng

Việc thích ứng tài nguyên cho phép các nút cảm biến chạy SPIN có thể thích ứng với trạng thái hiện tại của tài nguyên năng lượng Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có thể giảm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu hoặc các gói Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của mạng

Hình 2.5: Hoạt động của SPIN Hoạt động của SPIN gồm 6 bước:

- Bước 1: ADV để thông báo dữ liệu mới tới các nút

- B ước 2: REQ để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm Sau khi nhận được ADV các

nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu

- Bước 3: bản tin DATA bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến và

kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu

- Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các

nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu (metadata)

- Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu,

- Bước 6: là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này

Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không quan tâm đến

dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích

2.3.5 Directed diffusion

Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính của phương pháp này là tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân cận mạng Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đường truyền dẫn Đặc điểm duy nhất của giao thức này là sự kết hợp với khả năng của nút để có thể tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng

Lớp vận chuyển đặc biệt cần thiết khi truy nhập vào hệ thống được lên kế hoạch qua mạng Internet hoặc các mạng khác bên ngoài TCP với cơ chế cửa sổ truyền tải hiện hành của nó không phù hợp với các đặc điểm đặc biệt của môi trường mạng cảm biến Bakre và Badrinath đưa ra hướng tiếp cận gọi là tách TCP (TCP splitting) làm cho mạng cảm biến tương tác với các mạng khác như là Internet Trong hướng tiếp cận này, kết nối TCP là kết thúc ở các nút sink và một giao thức lớp vận chuyển đặc biệt có thể điều khiển việc truyền thông giữa nút sink và các nút cảm biến Kết quả là truyền thông giữa user và nút sink là UDP hoặc là TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh

Do hạn chế về bộ nhớ của các nút cảm biến, truyền thông giữa sink và các nút cảm biến có thể chỉ là các giao thức loại UDP

2.5.1 Giao thức quản lí cảm biến

Các mạng cảm biến có nhiều lĩnh vực ứng dụng và truy nhập chúng qua các mạng như là mạng Internet Thiết kế một giao thức quản lí lớp ứng dụng có vài ưu điểm Nó làm cho phần cứng và phần mềm của các lớp thấp hơn trở nên trong suốt trong các ứng dụng quản lí mạng cảm biến Hệ thống quản trị tương tác với các mạng cảm biến sử dụng giao thức quản lí cảm biến (Sensor Management Protocol - SMP) Không giống như nhiều mạng khác, các mạng cảm biến bao gồm các nút mà không có định danh toàn cục ID (như là IP của internet) và chúng thường không có hạ tầng Vì thế SMP cần truy cập tới các nút bằng cách sử dụng thuộc tính dựa trên tên và vị trí địa chỉ cơ sở (location-base addressing), chúng được giải thích cụ thể hơn trong phần này SMP là một giao thức quản lí mà cung cấp phần mềm cần thiết để thực hiện các nhiệm

vụ quản trị sau:

2.5.2 Giao thức quảng cáo dữ liệu

Phân công nhiệm vụ và giao thức quảng cáo dữ liệu (Task Assignment and Data Advertisement Protocol - TADAP) điều khiển việc phổ biến mối quan tâm trong mạng cảm biến Các user gửi các mối quan tâm của họ tới một nút cảm biến, một tập con các nút hoặc là toàn mạng Mối quan tâm này có thể về một thuộc tính nhất định của hiện tượng hoặc là kích hoạt một sự kiện Một hướng tiếp cận khác là quảng cáo dữ liệu sẵn

có trong mạng trong đó các nút cảm biến quảng cáo dữ liệu sẵn có tới các user và các user truy vấn dữ liệu mà họ quan tâm Một giao thức lớp ứng dụng mà cung cấp phần mềm người dùng với giao diện hiệu quả cho việc phổ biến mỗi quan tâm là hữu ích cho hoạt động của các lớp thấp hơn như là định tuyến như đã được giải thích trong hình 2.3

Truy vấn cảm biến và giao thức phổ biến dữ liệu (sensor query and data

dissemination protocol - SQDDP) cung cấp cho các ứng dụng người dùng với giao diện gửi truy vấn, phản hồi truy vấn và kết hợp các gói tin reply Chú ý rằng các truy vấn này sinh với các nút cụ thể Thay vào đó, dựa trên thuộc tính dựa vào tên hoặc dựa trên vị trí hay được sử dụng hơn Ví dụ “vị trí của các nút trong siêu thị nơi mà kho các hàng đang bán ở dưới ngưỡng và nên được cung cấp lại” là một truy vấn dựa trên thuộc tính Tương tự “kích thước kho hàng đang bán ở một nút A” là một ví dụ cho định danh dựa vào vị trí

Truy vấn cảm biến và ngôn ngữ nhiệm vụ (Sensor query and tasking language

-SQTL) được đề xuất như là một ứng dụng mà cung cấp thậm chí một số lượng lớn các dịch vụ SQTL hỗ trợ 3 loại sự kiện mà được định nghĩa bởi các từ khóa: receive, every, expire Từ khóa receiver định nghĩa sự kiện sinh ra bởi một nút cảm biến khi nó nhận được một thông điệp Từ khóa every định nghĩa các sự kiện xảy ra định kì vì một timer time-out và từ khóa expire định nghĩa các sự kiện xảy ra khi một timer là kết

thúc Nếu một nút cảm biến nhận được một thông điệp mà dành cho nó và có kịch bản thì sau đó nút cảm biến đó sẽ thực hiện kịch bản đó Mặc dù SQTL được đề xuất, các loại SQTL khác nhau có thể được phát triển cho các ứng dụng khác nhau Việc sử dụng SQDDP có thể cho từng ứng dụng riêng biệt

Chương 3: Điều khiển truy nhập môi trường

Như đã trình bày trong các chương trước giới hạn năng lượng, tính toán, và tài nguyên truyền thông làm phức tạp giao thức thiết kế trong mạng cảm biến và ngăn chặn ứng dụng của nhiều công nghệ đã được sử dụng trong các mạng khác Mặt khác trong các mạng cảm biến vấn đề bảo tồn năng lượng để kéo dài thời gian sống của mạng luôn luôn là mối quan tâm hàng đầu Các giao thức truy nhập môi trường cung cấp ảnh hưởng lớn nhất qua các cơ chế truyền thông và ảnh hưởng trực tiếp lên hoạt động của bộ thu phát, các hoạt động truyền thông tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong hầu hết các cảm biến Vì vậy chúng ta thảo luận khái niệm điều khiển truy nhập môi trường trong quan hệ với mạng cảm biến để bảo tồn năng lượng tiêu thụ trong mạng MAC cung cấp các chức năng chủ yếu sau:

cho truyền thông giữa các thiết bị

truyền thông bất cứ lúc nào Truy nhập môi trường trở thành chức năng chính của các giao thức MAC trong mạng không dây vì MAC quảng bá dễ dàng nguyên nhân dữ liệu lỗi qua các xung đột

biến nhất thực hiện qua các thông điệp báo nhận (ACK) và truyền tải lại khi cần thiết

diễn trong frame phân phát qua lớp cao hơn

3.1 Những khác biệt và các hạn chế của giao thức MAC trong mạng cảm biến

Các giao thức MAC cho mạng không dây đã được đề xuất thường không phù hợp với mạng cảm biến bởi nhiều nguyên nhân:

Các giao thức mạng không dây truyền thống cố gắng cung cấp thông lượng cao, độ trễ thấp, tính công bằng và quản lí di động nhưng thường có một chút xem xét hoặc không đối với việc bảo tồn năng lượng Các giao thức MAC mạng cảm biến phải cung cấp hiệu năng tốt nhất với việc tiêu thụ năng lượng thấp nhất vì giới hạn tài nguyên năng lượng sẵn có trong mỗi cảm biến Các giao thức MAC mạng cảm biến thường có những đặc trưng như là thông lượng, độ trễ để giảm năng lượng tiêu thụ để kéo dài thời gian sống của nút Để giảm năng lượng tiêu thụ, trong mạng WSN các nút cảm biến thường đi vào trạng thái ngủ khi không hoạt động

Một điểm khác biệt nữa là các thông điệp trong các ứng dụng của mạng cảm biến thường có kích thước nhỏ hơn nhiều khi so sánh với các mạng không dây truyền thống Kích thước thông điệp nhỏ hơn chỉ ra rằng chi phí giao thức từ các thông điệp header tăng và các giao thức MAC không cần dự trữ thời gian dài cho việc truyền các thông điệp thông thường

Các giao thức MAC phải hoạt động chức năng yêu cầu bởi các ứng dụng trong khi sử dụng giới hạn tài nguyên sẵn có trong mạng cảm biến Ứng dụng và giao thức thiết kế phải sử dụng tài nguyên phần cứng trên các nút cảm biến thận trọng để bảo tồn năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng

Hầu hết các nghiên cứu hiện nay trên các giao thức MAC cho mạng cảm biến tập trung vào việc giảm năng lượng tiêu thụ trên các bộ thu phát bởi vì các bộ thu phát thường sử dụng hầu hết năng lượng hơn là bất kì tài nguyên phần cứng nào khác Các nhà thiết kế cố gắng giới hạn năng lượng tiêu thụ trên bộ thu phát bằng cách ngăn chặn hoặc hạn chế xung đột, nghe trộm, nghe trong trạng thái nhàn rỗi (idle listening) và truyền tải lại

Các thiết kế cho giao thức MAC cũng phải đấu tranh với các chức năng được cung cấp bởi các bộ thu phát được chọn cho các cảm biến Các thiết kế thông thường xem xét sự tiêu thụ năng lượng với các chế độ khác nhau của hoạt động nhưng các đặc điểm khác có thể có tầm quan trọng như nhau Hầu hết các bộ thu phát mạng cảm biến tiêu thụ năng lượng như nhau trong chế độ nhận cho dù chúng nhận được được một thông điệp hoặc chỉ nhận được nhiễu Một bộ thu phát mà có thể nghe trên kênh với năng lượng rất thấp có thể tiết kiệm được rất nhiều năng lượng tiêu thụ trong chế độ nghe nhàn rỗi

năng tính toán và lưu trữ tài nguyên sẵn có trong các nút cảm biến khi so sánh với các thiết bị vô tuyến sử dụng trong các mạng khác Một vài giao thức MAC đề nghị xem xét việc xử lí các yêu cầu cần thiết cho hoạt động bình thường, nhưng một giao thức MAC phức tạp có thể làm giảm thời gian một nút cảm biến sử dụng trong chế độ ngủ hoặc tiêu thụ phần lớn thời gian sẵn có của bộ xử lí và giới hạn xử lí cho ứng dụng và các giao thức khác

Các giao thức mạng cảm biến và thiết kế các ứng dụng tập trung vào các thuật toán phân tán hơn là tổ chức tập trung Với các giao thức MAC nó chỉ ra rằng các phương pháp truyền thống phân bổ tài nguyên và quản lí là dựa trên tập trung, thông tin toàn cục sẽ không thực hiện tốt trong các mạng cảm biến Tốc độ dữ liệu thấp và nhiều bước nhảy cần thiết chia sẻ thông tin qua toàn bộ mạng cảm biến tăng rất nhiều giao thức đáp ứng thời gian Bởi thời gian quản lí toàn bộ tài nguyên có thể thích nghi

với một sự thay đổi trong mạng cảm biến, các điều kiện có thể đã trở nên tồi tệ hoặc bất thường có thể đã giảm xuống Ngoài ra việc chia sẻ thông tin này tiêu thụ năng lượng lớn như là việc các nút truyền tải hay chuyển tiếp các thông điệp điều khiển Thiết kế giao thức MAC phải cân bằng lợi ích của việc chia sẻ thông tin giữa các nút gần nhau, để đạt được một điểm hoạt động tối ưu với chi phí chia sẻ thông tin đó Các giao thức MAC phải cung cấp tính mở với kích thước mạng và mật độ nút cảm biến để

hỗ hàng trăm tới hàng nghìn nút cảm biến

Cuối cùng, giao thức MAC phải yêu cầu cảm biến đọc thông tin cho hoạt động Các cảm biến cùng với các mạch cần thiết như là các bộ chuyển đổi tương tự sang số, tiêu thụ năng lượng và vì thế gây ra chi phí bổ sung cho việc tiêu thụ năng lượng và chi phí cho việc sản xuất các cảm biến

Trong mạng cảm biến, các giao thức MAC thường được phân ra làm hai loại: giao thức theo lịch trình và các giao thức không theo lịch trình hay còn gọi là các giao thức ngẫu nhiên

Các giao thức MAC không theo lịch trình không có sự duy trì và chia sẻ trạng thái, một giao thức MAC không theo lịch trình có thể tiêu thụ ít tài nguyên xử lí hơn,

có bộ nhớ nhỏ hơn và giảm số thông điệp mà nút phải truyền tải Hơn nữa, các nút cảm biến được thêm vào trong mạng thông qua việc triển khai lại hoặc là di chuyển, có thể bắt đầu tham gia một cách nhanh chóng hơn nhiều bởi vì chúng không có được lịch trình hiện tại hoặc là gia nhập vào một nhóm cảm biến khác Tuy nhiên, theo kinh nghiệm thông thường các giao thức MAC không theo lịch trình có tỉ lệ cao hơn về xung đột, lắng nghe nhàn rỗi và nghe trộm bởi vì các nút cảm biến không phối hợp các truyền tải Giảm nhẹ các ảnh hưởng của các vấn đề thông thường yêu cầu các giao thức

điệp đặt trước kênh nó có thể bù đắp những lợi ích của việc không tổ chức các nút cảm biến

Các giao thức MAC không theo lịch trình cũng cho phép các nút cảm biến thích nghi dễ dàng hơn với sự thay đổi của điều kiện lưu lượng vì đặt trước kênh có thể xảy

ra với độ chi tiết hơn và các nút cảm biến có thể thích nghi với tranh chấp trên kênh Các giao thức MAC có lịch trình phải phối hợp các nút cảm biến để phân phối lại tài nguyên bởi vì độ trễ giữa các tài nguyên dành riêng và tài nguyên sử dụng Tính công bằng sẽ trở thành một vấn đề trong các giao thức MAC không theo lịch trình bởi vì không có cơ chế ngầm tồn tại mà cân bằng sử dụng kênh không giống với giao thức MAC theo lịch trình

Việc sử dụng nhiều bộ thu phát trên mỗi nút cảm biến có thể làm tăng năng lượng tiêu thụ trong mạng, một trong những cách khắc phục là mỗi bộ thu phát có thể hoạt động ở chu kì thấp hơn so với một bộ thu phát duy nhất bằng cách chia các yêu cầu truyền thông của nút giữa các bộ thu phát Khi sử dụng nhiều bộ thu phát cho phép nút cảm biến tăng băng thông hoặc là rút ngắn thời gian phản ứng

Một hệ thống nhiều bộ thu phát phải có năng lực xử lí để tiếp nhận và xử lí dữ liệu từ nhiều kênh Vì thế các hệ thống nhiều bộ thu phát yêu cầu các cơ chế truyền thông hiệu năng cao hơn và khả năng của các processor cao hơn là các hệ thống chỉ có một bộ thu phát Cuối cùng việc thêm nhiều bộ thu phát và một bộ xử lí mạnh hơn có thể làm giảm năng lượng tiêu thụ tổng thể nhưng yêu cầu thiết kế nút cảm biến bao gồm một nguồn năng lượng mà cung cấp đủ cho tất cả các thiết bị phần cứng hoạt động cùng nhau Để thực hiện nhiều bộ thu phát các giao thức MAC khả thi, giao thức và thiết bị thiết kế phải vượt qua được mất mát năng lượng trong các bộ thu phát mà phát sinh độc lập khi sử dụng và đấu tranh với việc thêm vào các nút cảm biến phức tạp và chi phí

PAMAS

PAMAS viết tắt của Power Aware Multi-Access with Signaling là một giao thức đầu tiên được đề xuất cho các mạng Ad-hoc, cố gắng để bảo tồn năng lượng bằng hoạt động với 2 bộ thu phát: một cho thông điệp dữ liệu và một cho thông điệp điều khiển Bằng cách tách thông điệp chuyển qua các thiết bị có thể tránh được các xung đột với một lượng thông điệp lớn hơn và tiết kiệm năng lượng trong khi sử dụng để truyền lại hoặc là nghe trộm

Hình 3.1: Truyền tải dữ liệu trong PAMAS

Có lẽ nhược điểm lớn nhất của PAMAS liên quan tới yêu cầu nhiều radio Nhiều radio trên một thiết bị sẽ làm tăng rất nhiều năng lượng tiêu thụ và chi phí thiết

bị cho các mạng cảm biến Hơn nữa điều khiển truy nhập vào hai phương tiện truyền thông không dây sẽ làm tăng độ phức tạp của giao thức MAC Thông điệp kích thước nhỏ hiện diện hầu hết trong các mạng cảm biến cũng làm giảm lợi ích của việc tách dữ liệu và điều khiển truyền tải Tuy nhiên những ý tưởng đã được đề xuất trong PAMAS

có thể làm việc với các mạng cảm biến với các thông điệp dữ liệu lớn nếu nút cảm biến

và các bộ thu phát thiết kế có thể giảm chi phí của bộ thu phát được thêm vào

Một phương pháp đơn giản hóa lớp MAC là truyền thông điệp sau một thời gian trễ nhất định, loại bỏ các điều khiển thông điệp và nhận biết sóng mang giúp giảm chi

nhiều bản sao của mỗi thông điệp có thể được quảng bá qua mạng Cơ chế đợi gửi tin

cung cấp chức năng chính cho giao thức MAC và phải giảm rủi ro của xung đột Các giao thức theo đây là một hướng tiếp cận với việc chuyển tiếp nhiều bản sao của mỗi thông điệp tới đích

• SRBP (Simple Random Backoff Protocol): giao thức chờ gửi tin ngẫu nhiên đơn

giản, với chức năng đơn giản truyền tải một thông điệp sau khi khởi tạo ngẫu nhiên một thời gian chờ gửi tin

nhiên thích nghi, cố gắng để cải thiện hiệu năng bằng cách xem xét mật độ cảm biến trong vùng cục bộ và điều kiện lưu lượng hiện tại

truyền tin bằng cách đưa ra các nút cảm biến từ transmitter với xác suất cao hơn trước đó Để làm điều này, nút cảm biến lựa chọn ngẫu nhiên một giá trị backoff

tương ứng với ước lượng khoảng cách từ transmitter trước tới nút chuyển tiếp và

các nút cảm biến có thể truyền thông với khoảng cách lên tới R

Các giao thức trên có thể xảy ra các xung đột trong quá trình truyền tải mặc dù các thuật toán chờ gửi tin đã được đề xuất, để làm giảm xác suất va chạm, thời gian chờ có thể tăng lên làm tăng độ trễ thông điệp đặc biệt trong các mạng dày đặc hoặc các mạng sinh ra một lượng dữ liệu lớn Mặt khác việc truyền tải cùng một thông điệp theo nhiều đường đi cũng có thể gây ra tắc nghẽn trong mạng, các giao thức này được sử dụng tốt nhất trong các mạng có lưu lượn nhẹ

Các ứng dụng mạng cảm biến có nhiều yêu cầu ứng dụng khác nhau và mẫu lưu lượng vì thế các giao thức MAC có thể bảo tồn hầu hết năng lượng bằng các cải tiến riêng trong từng mạng Ví dụ, một mạng cảm biến phát hiện mục tiêu sẽ có thông

lượng rất thấp với mọi thời gian nhưng có thể tạo ra một khối lượng lớn dữ liệu khi một sự kiện quan tâm xảy ra Một giao thức MAC mà hoạt động trên cơ các giả định về lưu lượng liên tục sinh ra có thể lãng phí năng lượng khi mạng cảm biến không có mục tiêu Các giao thức theo đây xem xét các yêu cầu ứng dụng để điều khiển năng lượng

mở rộng bằng cách chuyển tiếp lưu lượng

CC-MAC (Correlation-based Collaborative MAC): giao thức MAC cộng tác cơ

sở tương quan cố gắng bảo tồn năng lượng trong khi thực hiện các yêu cầu ứng dụng bằng cách tận dụng các hiểu biết về các nút cảm biến đặt cạnh nhau tạo ra các phép đo tương quan

CC-MAC tự bản thân nó đã bao gồm hai thành phần: Event MAC (E-MAC), thành phần mà lọc các phép đo nút cảm biến để giảm lưu lượng và Network MAC (N-MAC) thành phần chuyển tiếp các phép đo đã được lọc tới sink của mạng

3.2.1.4 Encounter-Based MAC Protocols

Các giao thức MAC đặc biệt là các giao thức không theo lịch trình đối mặt với những thách thức của việc đánh thức các nút cảm biến mà phải truyền thông Trong một giao thức MAC không theo lịch trình, các nút cảm biến có thể không biết lịch trình ngủ của các nút lân cận vì thế chúng phải thăm dò bằng cách nào đó với các thông điệp cho tới khi nút lân cận thức giấc Khi truyền thông các nút cảm biến đụng độ nhau trong thời gian chúng bắt đầu truyền thông điệp Tiết kiệm năng lượng được cung cấp bởi các giao thức MAC encounter-based bằng cách chỉ đồng bộ các nút cảm biến lân cận khi cần thiết và chỉ trong thời gian truyền tải

STEM : một nút cảm biến đánh thức một nút lân cận bằng cách truyền tải hoặc là các thông điệp báo hiệu lặp lại (repeated beacon messages) STEM-B hoặc là một xung đánh thức (wakeup-tone) STEM-T

hoạt động trên các lịch trình độc lập, B-MAC sử dụng tiêu đề (preambles) rất dài cho

truyền tải thông điệp

CSMA-MPS (CSMA-Minimal Preamble Sampling)

Các nhà nghiêu cứu cố gắng cải thiện năng lượng và độ trễ qua B-MAC và WiseMAC trong sự phát triển của CSMA với tối thiểu hóa lấy mẫu tiêu đề trong giao thức CSMA-MPS Trong CSMA-MPS thay vì truyền tải một tiêu đề dài nút nguồn luân

phiên truyền các thông điệp điều khiển nhỏ và lắng nghe một phản ứng từ nút nhận rất giống với STEM-B

Hình 3.4: Truyền tải dữ liệu trong CSMA-MPS

Như là các thảo luận ở trên, các giao thức MAC không theo lịch trình tận dụng

sự đơn giản để giảm thiểu tài nguyên sử dụng trong một nút cảm biến Tuy nhiên chúng thường cung cấp ít chức năng hơn là các giao thức theo lịch trình vì thế các giao thức khác phải thực hiện các yêu cầu cần thiết Phối hợp các nút lân cận cho truyền thông một vấn đề tiềm ẩn được giải quyết trong các giao thức MAC theo lịch trình trở thành chức năng chủ yếu của các giao thức không theo lịch trình Những người dùng cuối mà yêu cầu rất đơn giản các giao thức MAC vì ràng buộc tài nguyên hoặc chỉ yêu cầu giới hạn chức năng có thể tìm một giao thức MAC không lịch trình là một sự lựa chọn tốt nhất

Bảng 3.1: Tóm tắt các giao thức MAC không theo lịch trình

Chi phí phần cứng

và tài nguyên năng lượng

Nhiều đường đi Chuyển tiếp các thông

thông điệp được chuyển tiếp nhiều lần

trên yêu cầu của ứng dụng

Lọc dư thừa dữ liệu, cảm nhận chính xác framework

Tính toán tham số

và phân tán toàn cục

Encounter-based

Các tone mốc báo hoặc

thiết

Nhiều hoặc các thông điệp điều khiển dài được gửi trên một thông điệp

dữ liệu