Cấu trúc 1 node của mạng WSN

Mạng cảm ứng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhưtrong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên hiện nay mạng cảm ứngđang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong nhữ

Mục Lục Trang

Lời nói đầu 2

Tổng quan về mạng cảm biến 3

A.Khái quát 3

B.Nội dung 3

I.Giới thiệu 3

II.Cấu trúc mạng WSN 4

1/Cấu trúc 1 node của mạng WSN 4

2/Cấu trúc của toàn mạng WSN 6

III.Kiến thức giao thức mạng 17

IV.Ứng dụng mạng cảm biến không dây 21

V.Những khó khăn gặp phải 27

C.Tổng kết 30

Lời kết 31

Lời nói đầu

Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến vào những nămgần đây, sự phát triển của những mạng gồm các sensor giá thành rẻ, tiêu thụ ítnăng lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể Hiện nayngười ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng để áp dụng vào trong cuộcsống hàng ngày Mạng cảm ứng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhưtrong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên hiện nay mạng cảm ứngđang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhấttrong mạng cảm ứng là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại, hiệnnay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệuquả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trong một tương lai không xa,các ứng dụng của mạng cảm ứng sẽ trở thành một phần không thể thiếu trongcuộc sống con người, nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà khôngphải mạng nào cũng có được như mạng cảm ứng

B.Nội dung

I Giới thiệu

Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ đã tạo rarất nhiều ứng dụng phục vụ cho cuộc sống của con người, cũng như phục vụ chonhững mục đích nghiên cứu khoa học Cũng nhờ sự tiến bộ trong lĩnh vực truyềnthông vô tuyến mà các mạng sử dụng sensor giá thành thấp, tiêu thụ ít nănglượng và có thể thực hiện đa chức năng đã được chú ý nghiên cứu và phát triển.Những sensor này có kích cỡ nhỏ và thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếpvới nhau chủ yếu thông qua kênh vô tuyến Dựa trên cơ sở đó, người ta thiết kế ramạng cảm ứng nhằm phát hiện ra những sự kiện hoặc hiện tượng, thu thập vàtruyền dữ liệu, và truyền những thông tin cảm nhận được đến người dùng

Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến không dây .

Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng triển khai một

số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lượng mà cóthể cảm nhận, tính toán và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm mục đích tậptrung, xử lý thông tin cục bộ để đưa ra những phương án giải quyết phù hợp vớitừng ứng dụng của mạng cảm biến

Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:

 Có khả năng tự tổ chức

 Truyền thông quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop

 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm ứng

 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng

Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấuthành mạng- nút cảm biến.Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất địnhtùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệuquả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thậpcác thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, vàphải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận Mỗi nút cảmứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.2, bộ cảm nhận (asensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộnguồn (a power unit) Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộcvào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phátnguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).

 Bộ 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 cácnhiệm vụ định sẵn

 Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.Chúng gửi vànhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút kháchoặc tới sink

 Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng

là bộ nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin.Để các nút có thời gian sốnglâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trườngnhư là năng lượng ánh sang mặt trời

Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầuhết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độchính xác cao về vị trí Vì vậy cần phải có các bộ định vị.Các bộ phận di động,đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm

vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.Tất cảnhững thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ

ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụrấtít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động,

và thích ứng với môi trường.

2 Cấu trúc của toàn mạng WSN.

2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây.

Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệuquả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng,và khắc phục được những nhược điểmtrên, kéo dài thời gian sống của mạng.Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúcmạng phải cần phải dùng một số cơ chế ,kĩ thuật đặc thù sau:

 Giao tiếp không dây multihop:Khi giao tiếp không dây là kĩ thuậtchính,thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cáchhay các vật cản.Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần côngsuất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm côngsuất tổng thể Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếpmultihop.

 Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sốngcủa toàn mạng,hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảmbiến không dây

 Tự động cấu hình :Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình cácthông số một cách tự động.Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lýcủa nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị)

 Cộng tác,xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu:Trong một số ứngdụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nútcùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu

dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng.Cần phải kếthợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiếtkiệm băng thông và năng lượng Chẳng hạn như khi xác định nhiệt độ trungbình ,hay cao nhất của một vùng

Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.3 Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink Dữ liệu

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

Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

.2.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây.

a Cấu trúc phẳng (flat architecture)

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đềungang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với

sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi

truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối vớimột số lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần

số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách này chỉ cóhiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…

b Cấu trúc tầng (tiered architecture)

Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộcvào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1.5 Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệukhông đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấpthấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, vàcấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6)

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Hoặc các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví

dụ mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán Trong trườnghợp này, các sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản đểtách nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữliệu này Sự phân tích chức năng của các mạng cảm ứng có thể phản ánh các đặcđiểm tự nhiên của các nút, hoặc có thể gọi đơn giản là sự phân biệt theo logic Ví

dụ, một tập hợp con các nút với khả năng truyền thông ở phạm vi rộng có thể tạonên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.7)

Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý.

Nói cách khác, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệtmột cách logic khi chúng thực hiện một nhiệm vụ đại diện cho các nút khác.Những chức năng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông quamạng xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút Những qui tắc logic nàytạo nên mạng phân cấp logic (hình 1.8) Những quy tắc logic này có thể thayphiên nhau định kì để đảm bảo sự công bằng Khi các nút với khả năng tính toáncao hơn hoạt động thì các nút ít khả năng hơn sẽ chuyển các nhiệm vụ tính toánsang các nút này Nếu không có “computer servers” như vậy, một cụm các sensorcần thiết phải chọn ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ như là tập trung dữ liệu.Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có mỗi nút có tài nguyên vật lý thích hợpmới thích hợp để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn Ví dụ một nút với hệ thốngđịnh vị toàn cầu (global positioning system - GPS) có thể thực hiện vai trò chủchốt trong việc định vị hoặc đồng bộ thời gian Do vậy, không có gì là ngẫu nhiênkhi rất nhiều các mạng cảm ứng hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp

Hình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic

Mạng cảm ứng xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấutrúc phẳng, do các lý do sau:

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm ứng bằng việc định vịcác tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Rõ ràng là nếu triểnkhai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu đểthực hiện tất cả các nhiệm vụ Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùngphủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao Thay vào đó, nếumột số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận,một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữliệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi

- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng Khi cần phảitính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gianyêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt

động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêucầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy với cấu trúc tầng mà cácchức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từngchức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.

- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm ứng phải phù hợp với với số lượng các nútyêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng cấu trúcphẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong

số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n Các nghiên cứu khác đã thửcách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trongtrường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng củamỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau

Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt đượckhi dùng cấu trúc tầng Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiệních về tìm địa chỉ Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, mộtphần phân bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định

và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này

phụ thuộc vào tân số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm Hiện naycũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây

Thiết kế mạng cảm biến không dây chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố: năng chịu lỗi, khả năng mở rộng, chi phí sản xuất, môi trường hoạt động, những ràng buộc về phần cứng, cấu hình mạng cảm ứng, phương tiện truyền dẫn, sự tiêu thụ năng lượng.Những nhân tố này rất quan trọng vì chúng như là hướng dẫn để thiết

kế cấu trúc mạng,kiến trúc giao thức và thuật toán định tuyến cho mạng cảm biến không dây.Các nhân tố đó cụ thể là như thế nào?

 Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm ứng có thể khônghoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnhhưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạtđộng bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nútmạng không hoạt động Ở đây ta dùng phân bố Poisson để xác định xácsuất không có sai hỏng trong khoảng thời gian (0,t):

t

 ) (

Trong đó:

k

 : tỉ lệ lỗi của nút k

t: khoảng thời gian khảo sát

Rk(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm ứng

 Khả năng mở rộng (scability): Khi triển khai mạng cảm biếnnghiên cứu một hiện tượng nào đó, số lượng các nút cảm ứng được triển khai

có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thểvượt quá hàng triệu Những kiểu mạng mới phải có khả năng làm việc với sốlượng các nút này và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm ứng.Mật độ có thể tính toán theo công thức:

A R N

 Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints):

Như đã trình bày ở phần 1.2.1 về cấu trúc một nút cảm biến, có nhiều ràng buộc về phần cứng : phải có kích thước nhỏ,càng nhỏ càng tốt Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng 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 ứng với môi trường

 Cấu hình mạng cảm ứng (network topology)

Trong mạng cảm ứng, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên sensor field Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3 Do số lượng các nút cảm ứng rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:

 Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm ứng có thể đặt lộn xộn hoặcxếp theo trật tự trên trường cảm biến Chúng có thể được triển khai bằngcách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robotđặt từng cái một

 Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụthuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm ứng, khả năng đạt trạng tháikhông kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), nănglượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể

 Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào cácnút cảm ứng khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thayđổi chức năng.

 Môi trường hoạt động (Environment)

Các nút cảm ứng được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong cáchiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ởnhững vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dướiđáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặcnhững tòa nhà lớn

 Phương tiện truyền dẫn (Transmission media)

Ở những mạng cảm ứng multihop, các nút được kết nối bằng những phươngtiện không dây Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồngngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt động thống nhấtcủa những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phải phù hợptrên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm ứng dựa vào thiết kếmạch RF Những thiết bị cảm ứng năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz Cấu trúc mạng Wireless IntegratedNetwork Sensors (WINS) cũng sử dụng đường truyền vô tuyến để truyền dữ liệu Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại.Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn.Một thành quả thú vị nữa là hạt bụi Smart Dust, là một hệ thống tự cảm ứng, tínhtoán và giao tiếp dùng các phương tiện quang học để truyền Cả hai loại hồngngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là

có thể truyền ánh sáng cho nhau được

 Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption):

Các nút cảm ứng không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thểđược trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V) Trong một số ứng