Nối tiếp phần 1, Bài giảng Mạng cảm biến: Phần 2 tiếp tục trình bày những nội dung về các giao thức MAC; các giao thức điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC); các giao thức MAC dựa trên sự ganh đua; giao thức lớp mạng; đặt tên và đánh địa chỉ; định tuyến trong mạng cảm biến không dây; các chiến lược định tuyến trong WSN;... Mời các bạn cùng tham khảo!
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Khoa Kỹ thuật Điện tử I ********** Vũ Anh Đào - Trần Thị Thục Linh - Nguyễn Hồng Hoa Bài giảng: MẠNG CẢM BIẾN Hà nội, 12/2014 CHƢƠNG CÁC GIAO THỨC MAC Mục đích chƣơng Chƣơng giới thiệu thuật tốn giao thức lớp truyền thơng (theo mơ hình OSI – Open System Interconnection), bao gồm: lớp vật lý, lớp liên kết liệu giao thức điều khiển truy nhập kênh truyền Đây giao thức cần thiết để trao đổi thông tin hai nút mạng Không thể phủ nhận tính chất kênh truyền lớp vật lý phần quan trọng ngăn xếp giao thức Mục tiêu chƣơng này, đó, cung cấp cho ngƣời đọc hiểu biết số khái niệm liên quan đến thông tin số qua kênh vô tuyến Đồng thời đƣa quy tắc bắt buộc để lựa chọn sơ đồ điều chế thu phát WSN Nhiệm vụ quan trọng lớp liên kết liệu hình thành trì tuyến thơng tin trực tiếp nút cảm biến lân cận, đảm bảo việc truyền tin cách hiệu tin cậy qua tuyến Độ tin cậy phải đƣợc đảm bảo có tình trạng lỗi biến thiên theo thời gian tuyến không dây, nhiều chế với đặc điểm đặc tính tiêu thụ lƣợng khác phải đƣợc trọng Chƣơng giới thiệu tổng quát chức khác lớp liên kết liệu Giao thức MAC (Medium Access Control – Điều khiển truy nhập môi trƣờng) giải nhiệm vụ đơn giản xếp thời gian có số nút truy nhập vào mạng thông tin mơi trƣờng có chia sẻ Chƣơng giới thiệu sở giao thức MAC, giải thích số yêu cầu cụ thể vấn đề mà MAC gặp mạng cảm biến không dây Yêu cầu quan trọng hiệu lƣợng việc sử dụng nguồn MAC cụ thể cho việc khác 3.1 Giới thiệu Mơ hình mạng cảm biến đƣợc chia thành nhiều lớp nhƣ minh họa hình 3.1, lớp có nhiệm vụ riêng Hình 3.1 Mơ hình phân lớp giao thức mạng cảm biến Lớp vật lý (Physical layer): đảm nhận việc lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mang, tách tín hiệu, điều chế mã hóa liệu, thực truyền nhận liệu qua môi trƣờng vật 75 lý Nhiệm vụ đƣợc thực thu phát Khi thiết kế lớp vật lý cho mạng cảm biến việc tối thiểu lƣợng vấn đề quan trọng Lớp liên kết liệu (DDL – Data link layer): Lớp liên kết liệu đảm nhận việc ghép luồng liệu, thăm dò khung liệu, điều khiển lỗi truy nhập đƣờng truyền Nó đảm bảo độ tin cậy cho kết nối điểm – điểm điểm – đa điểm mạng truyền thông Trong mơ hình OSI chuẩn lớp liên kết liệu bao gồm giao thức truy nhập kênh truyền MAC, nhƣng có phân chia rõ ràng cơng việc MAC phần lại DLL Giao thức MAC thực hai nhiệm vụ bản: - Sử dụng kỹ thuật Lập khung phép tầng truy nhập môi trƣờng - Chia sẻ cách công hiệu nguồn tài nguyên thông tin nút cảm biến Hai nhiệm vụ quan trọng phần lại DLL điều khiển lỗi điều khiển lƣu lƣợng Điều khiển lỗi đƣợc sử dụng để đảm bảo độ tin cậy q trình truyền để có hành động phù hợp có sai số truyền Điều khiển lƣu lƣợng làm nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ truyền để bảo vệ máy thu tốc độ chậm không bị tràn liệu Lớp mạng (Network layer): làm nhiệm vụ định tuyến, truyền thông mạng Lớp truyền tải (Transport layer): Đây lớp đặc biệt cần thiết hệ thống đƣợc hoạch định truy nhập vào Internet hay mạng bên khác Lớp ứng dụng (Application layer): cung cấp giao diện đến ngƣời sử dụng 3.2 Lớp vật lý Phần cung cấp khái niệm quan trọng kênh vô tuyến truyền thông số qua chúng để hiểu khía cạnh liên quan đến lƣợng, mà khơng sâu tìm hiểu giao thức lớp 3.2.1 Cấp phát tần số Đối với hệ thống RF vô tuyến thực tế, việc lựa chọn tần số sóng mang nhiệm vụ quan trọng Tần số sóng mang xác định đặc tính truyền sóng lực kênh truyền Trong giao tiếp tần số vô tuyến RF, dải tần (băng tần) sử dụng thƣờng bắt đầu tần số thấp thấp (VLF - Very Low Frequency) kết thúc tần số cực cao (EHF Extremely High Frequency) (Hình 3.2) 3kHz 30kHz VLF 100km 300kHz LF 10km 3MHz MF 1km 30MHz HF 100m 300MHz VHF 10m 3GHz UHF 1m SHF 10cm Hình 3.2 Phổ điện từ - tần số vô tuyến VLF = Very low frequency (tần số thấp) LF = Low frequency (tần số thấp) MF = Medium frequency (tần số trung bình) 76 30GHz 300GHz EHF 1cm 1mm HF = High frequency (tần số cao) VHF = Very high frequency (tần số cao) UHF = Ultrahigh frequency SHF = Super high frequency (tần số siêu cao) EHF = Extremely high frequency (tần số cực cao) Bảng 3.1 Một số dải ISM Tần số Ghi 13.553 – 13.567 MHz 26.957 – 27.283 MHz 40.66 – 40.70 MHz 433 – 464 MHz Châu Âu 902 – 928 MHz Chỉ dùng Mỹ 2.4 – 2.5 GHz Chỉ sử dụng công nghệ WLAN/WPAN 5.725 – 5.875 GHz Chỉ sử dụng công nghệ WLAN 24 – 24.25 GHz Việc lựa chọn dải tần làm việc yếu tố quan trọng thiết kế hệ thống Ngoại trừ công nghệ băng tần siêu rộng (UWB – Ultra Wide Band), hầu hết hệ thống RF làm việc tần số dƣới GHz Dải tần vô tuyến phải đƣợc hiệu chỉnh để tránh nhiễu không mong muốn, phù hợp với hệ thống ngƣời sử dụng khác Một số hệ thống phải đƣợc cấp phép đặc biệt cho băng tần riêng biệt Ví dụ, châu Âu, hệ thống GSM sử dụng băng tần GSM 900 (880-915 MHz) GSM 1800 (1710-1785 MHz) Cũng có băng tần đƣợc cấp miễn phí nhƣ băng tần cơng nghiệp, khoa học y tế (ISM) Bảng 3.1 liệt kê số băng tần ISM Làm việc dải tần khơng đƣợc cấp phép, có nghĩa làm việc mà không cần cho phép từ phủ hay từ nơi cấp phát tần số Không ngạc nhiên băng tần phổ biến, không cho mạng cảm biến mà cịn cho/ cơng nghệ vơ tuyến khác Ví dụ, băng tần 2.4 GHz ISM đƣợc sử dụng cho IEEE 802.11, Bluetooth, IEEE 802.15.4 Sau số ý lựa chọn tần số làm việc: • Trong băng tần ISM công cộng, hệ thống tồn nhiễu đƣợc tạo hệ thống khác (sử dụng công nghệ giống khác nhau) băng tần, đơn giản khơng bị hạn chế sử dụng Ví dụ, có nhiều hệ thống chia sẻ băng tần 2.4 GHz ISM, bao gồm IEEE 802.11b, Bluetooth IEEE 802.15.4 WPAN – chúng tồn với băng tần Vì vậy, tất hệ thống băng tần phải đủ mạnh để chống lại nhiễu từ hệ thống khác Khái niệm tồn cần phải đƣợc tiếp cận lớp vật lý lớp MAC • Một thơng số quan trọng hệ thống truyền dẫn hiệu suất antenna, đƣợc định nghĩa tỷ lệ công suất phát tổng công suất đầu vào antenna Cơng suất cịn lại bị tiêu tán nhiệt Do nút cảm biến có kích thƣớc nhỏ nên sử dụng 77 đƣợc antenna nhỏ Ví dụ, sóng vơ tuyến 2.4 GHz có bƣớc sóng 12.5 cm, dài nhiều so với kích thƣớc dự kiến nút cảm biến Nhìn chung, khó để xây dựng đƣợc antenna có hiệu giảm kích thƣớc antenna để giảm bƣớc sóng Nếu làm đƣợc điều lƣợng sử dụng tăng lên để có công suất phát 3.2.2 Điều chế giải điều chế Khi máy tính số giao tiếp, trao đổi liệu số, mà chủ yếu ký hiệu (symbol) Mỗi ký hiệu đƣợc lấy từ bảng chữ cái, channel alphabet Trong trình điều chế, ký hiệu từ channel alphabet đƣợc ánh xạ tới dạng sóng có chiều dài hữu hạn Chiều dài đƣợc gọi bề rộng ký hiệu (symbol duration) Với hai dạng sóng khác tạo điều chế nhị phân (binary modulation) Nếu kích thƣớc m ∈ N, m> 2, ta có điều chế m-ary Các trƣờng hợp phổ biến số nhị phân (gồm hai ký hiệu 0, 1) số lƣỡng cực (gồm hai ý ký hiệu 1, -1) Khi đề cập đến “tốc độ” truyền/ điều chế liệu, ta cần phân biệt tham số sau: Tốc độ ký hiệu (Symbol rate): Là nghịch đảo bề rộng ký hiệu Trong điều chế nhị phân, cịn đƣợc gọi tốc độ bit Tốc độ liệu (Data rate): Là số bit giây mà điều chế chấp nhận đƣợc để truyền Do đó, tốc độ đƣợc tính dùng liệu nhị phân Đối với điều chế nhị phân, tốc độ bit tốc độ liệu giống thƣờng dùng tốc độ bit để biểu thị tốc độ liệu Điều chế đƣợc thực máy phát Ngƣời nhận cuối phải khôi phục lại liệu phát từ dạng sóng nhận đƣợc Q trình biến đổi từ sóng nhận đƣợc để tạo ký hiệu đƣợc gọi giải điều chế (demodulation) Vì tạp âm, suy giảm, nhiễu nên dạng sóng nhận đƣợc thƣờng bị méo (so với sóng phát đi), thu xác định cách chắn liệu phát Thay vào đó, thu định ký hiệu lỗi với xác suất đó, đƣợc gọi tỉ số lỗi ký hiệu (symbol error rate) Đối với liệu số đƣợc biểu diễn theo bit, khái niệm quan trọng đƣợc gọi tỉ số lỗi bit (BER - Bit Error Rate), mô tả xác suất bit chuyển tới lớp cao bị sai Nếu sử dụng điều chế nhị phân, xác suất lỗi bit xác suất lỗi ký hiệu giống Trong trƣờng hợp điều chế m-ary, chúng khác Ngay tín hiệu đƣợc giải điều chế khơng xác, nhóm bit chuyển số vị trí (miễn SNR không thấp) Tất lớp cao chủ yếu quan tâm đến xác suất lỗi bit Hình thức điều chế phổ biến điều chế băng thơng, tín hiệu đƣợc điều chế sóng mang tuần hồn dải tần cao Phổ đƣợc sử dụng sơ đồ điều chế băng thông thƣờng đƣợc mô tả theo tần số trung tâm fc băng thơng B Phần lớn lƣợng tín hiệu đƣợc tìm thấy dải tần số (fc – B/2, fc + B/2) Sóng mang thƣờng đƣợc biểu diễn dƣới dạng sóng cosin, biết biên độ, tần số góc dịch pha Theo đó, có ba loại điều chế bản: khoá dịch biên (ASK - Amplitude Shift Keying), khoá dịch pha (PSK - Phase Shift Keying) khoá dịch tần (FSK – Frequency Shift Keying) Chúng sử dụng độc lập kết hợp với nhau.Ví dụ, điều chế biên độ vng góc (QAM – Quadrature Amplitude Modulation) kết hợp điều chế biên độ điều chế 78 pha cách sử dụng hai biên độ khác hai góc pha khác để biểu thị hai bit ký hiệu 3.2.3 Công nghệ trải phổ Trải phổ kỹ thuật truyền thông đƣợc đặc trƣng băng thông rộng công suất thấp Trong hệ thống trải phổ, băng thông sóng phát lớn yêu cầu thực tế để truyền liệu ngƣời sử dụng Tín hiệu đƣợc trải rộng máy phát thu gọn máy thu Sử dụng tín hiệu băng rộng giảm đƣợc tạp âm/nhiễu băng hẹp Các hệ thống trải phổ thƣờng có tính bền vững cao để chống lại ảnh hƣởng đa đƣờng nhƣng mà máy thu đắt phức tạp để có đƣợc sơ đồ điều chế phù hợp Hai loại công nghệ trải phổ phổ biến trải phổ dãy trực tiếp (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum) trải phổ nhảy tần (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum) 3.2.4 Thiết kế thu phát WSN Một số điểm định ảnh hƣởng đến thiết kế PHY WSN là: • Tiêu thụ lƣợng thấp • Cơng suất phát nhỏ tạo dải truyền dẫn nhỏ Điều tạo chu trình hoạt động có cơng suất thấp Đa số phần cứng phải tắt hoạt động chế độ standby công suất thấp hầu hết thời gian sử dụng • Tốc độ liệu tƣơng đối thấp, yêu cầu khoảng vài chục đến vài trăm kbit/s • Giá thành tính phức tạp q trình thực thấp • Mức độ thay đổi thấp… Thơng thƣờng, mạng cảm biến, khó để tìm sơ đồ điều chế cấu trúc thu phát đơn giản, giá rẻ nhƣng đủ mạnh để tạo cung cấp dịch vụ mong muốn a Lựa chọn công suất phát: Lựa chọn công suất phát thấp để tiết kiệm lƣợng mạng cảm biến không dây khác với thiết bị vô tuyến khác Một số khác biệt bao gồm: Thứ nhất, công suất phát nhỏ, thƣờng có bậc dBm (tƣơng ứng với mW) Mặt khác, lƣợng tiêu thụ thu phát (bao gồm phần đầu vào RF phần băng gốc) lớn nhiều so với công suất phát thực tế Wang at al ƣớc tính thu phát làm việc tần số GHz cần công suất 10 đến 100 mW để phát mW Thứ hai, với cơng suất phát nhỏ chế độ thu phát tiêu thụ nhiều lƣợng nhƣ nhau, chí q trình thu sử dụng nhiều lƣợng trình phát Phụ thuộc vào cấu trúc thu phát mà tiêu thụ lƣợng chế độ nghỉ cơng suất thu Để giảm lƣợng tiêu thụ trung bình WSN lƣu lƣợng thấp, phải giữ thu phát chế độ nghỉ tất thời gian Vì vậy, điều quan trọng phải đặt thu phát trạng thái ngủ thay trạng thái nghỉ Tuy nhiên, vấn đề đặt thời gian/ lƣợng khởi động mà thu phát sử dụng để chuyển từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt động (thức) Trong thời gian khởi động, không cho phép truyền nhận liệu Ví dụ thu phát µAMPS-1 cần 79 thời gian khởi động 466 µs tiêu thụ cơng suất 58 mW Vì vậy, chuyển sang trạng thái ngủ khơng có lợi trạng thái hoạt động xảy Phụ thuộc vào lƣu lƣợng hoạt động giao thức MAC để thiết lập trạng thái hoạt động cho thu phát Nếu có thể, khơng mà nhiều gói tin đƣợc gửi chế độ đánh thức để chia giá thành khởi động cho nhiều gói tin Thứ ba, cần xem xét chi phí truyền dẫn so với chi phí tính tốn nút cảm biến Rõ ràng, so sánh chi phí cần quan tâm đến nhiều yếu tố nhƣ: phần chi phí truyền thơng phụ thuộc vào u cầu BER, phạm vi phát, loại thu phát… Phần chi phí tính tốn phụ thuộc vào loại xử lý, số câu lệnh… Ví dụ, với nút Rockwell’s WIN, có 1500 đến 2700 câu lệnh đƣợc thực bit truyền; với nút MEDUSA II, tỉ số nằm khoảng từ 220:1 đến 2900:1; với nút WINS NG, tỉ số vào khoảng 1400:1 Nhƣ vậy, tính tốn rẻ truyền dẫn b Lựa chọn sơ đồ điều chế: Các nhân tố sau phải đƣợc coi trọng nhƣ lựa chọn sơ đồ điều chế: tốc độ liệu/ tốc độ ký hiệu yêu cầu mong muốn, độ phức tạp thực hiện, mối quan hệ công suất phát BER đặc tính mong đợi kênh truyền Thời gian thu phát chế độ ngủ nhiều thời gian truyền Tốc độ liệu thu phát/ điều chế cao thời gian yêu cầu để truyền liệu cho thấp, lƣợng tiêu thụ Điểm quan trọng thứ hai tiêu thụ lƣợng sơ đồ điều chế phụ thuộc vào tốc độ ký hiệu nhiều tốc độ liệu Ví dụ, phép đo lƣợng tiêu thụ WLAN (Wireless Local Area Network) IEEE 802.11b lƣợng tiêu thụ phụ thuộc vào sơ đồ điều chế, điều chế khoá mã bù (CCK Complementary Code Keying) nhanh tiêu thụ lƣợng nhiều so với DBPSK DQPSK Tuy nhiên, chênh lệch dƣới 10% tất sơ đồ có tốc độ ký hiệu c Ăng-ten: Một đặc điểm cần ý tất nút cảm biến hạn chế kích thƣớc số lƣợng ăng-ten Nếu ăng-ten nhỏ nhiều độ dài sóng mang khó đạt đƣợc hiệu suất cao, đó, ăng-ten kích thƣớc khơng phù hợp phải sử dụng nhiều lƣợng truyền để đạt đƣợc lƣợng xạ Thứ hai là, với trƣờng hợp nút cảm biến nhỏ, khó để đặt hai ăng-ten có khoảng cách phù hợp để có đƣợc phân tập thu Các antenna phải cách 4050% độ dài bƣớc sóng để có hiệu tốt từ phân tập Ở dải 2.4 GHz, khoảng cách nằm khoảng đến cm Thêm vào đó, sóng vơ tuyến phát từ ăng-ten gần đất, số ứng dụng, có hệ số suy hao đƣờng truyền cao hơn, giá trị thƣờng thấy α =2 cho truyền thông khơng gian Hệ số mơi trƣờng có chƣớng ngại vật (nhƣ tồ nhà, tƣờng…) Hơn nữa, phụ thuộc vào ứng dụng mà ăng-ten không đƣợc nhô lên khỏi vỏ bọc nút để tránh bị hỏng Thông thƣờng, hạn chế làm giảm chất lƣợng đặc tính ăng-ten nút cảm biến khơng dây 80 Ví dụ, nút đƣợc phân bố rải rác mặt đất nằm vị trí ngẫu nhiên, ăng-ten chúng tiếp xúc với đất vật cản khác Điều làm cho việc truyền sóng vơ tuyến khơng đẳng hƣớng, tức cƣờng độ tín hiệu phát theo hƣớng khác khác Thiết kế ăng-ten gây tƣợng này, kết tạo khác biệt lớn đặc tính truyền sóng khơng gian (cịn đƣợc gọi vấu ăng-ten) 3.3 Lớp liên kết liệu 3.3.1 Các nhiệm vụ yêu cầu Một nhiệm vụ quan trọng lớp liên kết tạo tuyến thông tin tin cậy cho việc truyền tin nút cảm biến lân cận nằm dải vơ tuyến Nó đƣợc xem xét dựa đặc điểm sau: • Lập khung: Dữ liệu đƣợc xếp định hình thành gói khung, bao gồm liệu thông tin liên quan đến giao thức lớp liên kết (và lớp dƣới lớp MAC) Hình dạng kích thƣớc gói tin dựa vào thông số công suất mức tiêu thụ lƣợng • Điều khiển lỗi: Đây chức cần thiết cho tất phƣơng tiện truyền dẫn, đặc biệt phƣơng tiện vô tuyến bị méo dạng sóng truyền khiến gói tin phát khơng thể sử dụng đƣợc Các chế điều khiển lỗi bù ảnh hƣởng lỗi Hiệu mức tiêu thụ lƣợng chế lỗi khác phụ thuộc vào loại lỗi đƣờng truyền • Điều khiển luồng: Bộ thu gói tin tạm thời khơng muốn nhận chúng, ví dụ nhƣ thiếu không gian đệm khả xử lý Các chế điều khiển luồng tạo tín hiệu khiến phát làm chậm lại trình truyền dẫn Do nhiều nút cảm biến đƣợc thiết kế có tốc độ bit thấp nên lý điều khiển luồng không đƣợc đề cập đến mạng cảm biến Điều thực đề cập đến khả thu nút Do đó, điều khiển luồng không đƣợc nghiên cứu cách rõ ràng WSN dƣờng nhƣ với kỹ thuật có, số đƣợc tích hợp giao thức điều khiển lỗi (sơ đồ cửa sổ trƣợt) lại có hiệu • Quản lý tuyến truyền: Kỹ thuật bao gồm phát hiện, cài đặt, trì kết thúc liên kết với nút lân cận Ví dụ nhƣ thiếu không gian đệm khả xử lý Một phần quan trọng trình trì liên kết đánh giá chất lƣợng liên kết để dùng cho giao thức lớp cao nhƣ cho định định tuyến hay cho mục đích giám sát cấu hình mạng 3.3.2 Điều khiển lỗi Phần thảo luận số phƣơng pháp điều khiển lỗi, phƣơng pháp xử lý lỗi truyền dẫn tuyến vô tuyến để cung cấp dịch vụ Dịch vụ truyền liệu đƣợc cung cấp lớp liên kết đƣợc đặc trƣng thuộc tính sau: • Khơng lỗi: Thơng tin mà lớp liên kết nút nhận đƣa cho ngƣời sử dụng phải khơng có lỗi, tức bit truyền phải đƣợc khơi phục cách xác • Sắp xếp theo chuỗi: Nếu ngƣời sử dụng DLL phát chuyển giao hai gói tin A B theo chuỗi DLL thu khơng chuyển B đến ngƣời sử dụng trƣớc A, tất kết phải A trƣớc B có A B mà thơi, khơng gói tin đƣợc 81 phép gửi • Khơng có sao: Ngƣời sử dụng DLL thu phải có thơng tin tất thời điểm • Khơng tin: Ngƣời sử dụng DLL thu phải có tin lần Ngồi thuộc tính hạn chế độ trễ lƣợng, có nghĩa trễ DLL lớp thấp lƣợng sử dụng DLL lớp thấp bị giới hạn giá trị cho Các kỹ thuật điều khiển lỗi quan trọng sửa lỗi trƣớc (FEC - Forward Error Correction) yêu cầu lặp tự động (ARQ - Automatic Repeat Request) Các giao thức ARQ giải tất yêu cầu dịch vụ nêu (khơng lỗi, xếp theo chuỗi, khơng có không tin) phƣơng pháp FEC lại chủ yếu tập trung vào việc làm để khơng có lỗi truyền dẫn a Ngun nhân đặc tính sai số truyền dẫn Chúng ta biết truyền dẫn kênh vô tuyến có nhiều lỗi truyền kênh hữu tuyến Các tƣợng vật lý nhƣ phản xạ, khúc xạ tán xạ với di chuyển nút, dịch chuyển môi trƣờng tạo nên fading nhanh nhiễu liên ký hiệu Suy hao đƣờng truyền, suy giảm có mặt chƣớng ngại vật tạo nên fading chậm Thêm vào tạp âm nhiễu từ hệ thống nút khác làm việc dải tần dải tần lân cận Đồng (128 bit) SFD (16 bit) Phần mở đầu Tín hiệu (8 bit) Dịch vụ (8 bit) Chiều dài (8 bit) MPDU (thay đổi) PHY header Hình 3.3 Định dạng khung lớp vật lý IEEE 802.11/802.11b Méo dạng sóng gây lỗi bit suy hao tin Hình 3.3 định dạng khối liệu giao thức lớp vật lý (PPDU - Physical-layer Protocol Data Unit) chuẩn WLAN IEEE 802.11 với lớp vật lý DSSS PPDU đƣợc chia thành phần mở đầu, PHY header phần liệu khối liệu giao thức lớp MAC (MPDU - the MAC-layer Protocol Data Unit) Phần gói tin MAC Phần mở đầu mẫu bit không đổi, đƣợc dùng cho mục đích cân cho phép thu có đƣợc đồng bit khung PHY header mô tả độ dài sơ đồ điều chế đƣợc dùng phần liệu, đƣợc bảo vệ trƣờng tổng kiểm tra (tổng kiểm tra) Kết thúc phần PHY header bắt đầu MPDU đƣợc biểu thị SFD cố định Mất tin xảy (i) thu không đồng bit/ khung đƣợc, (ii) SFD lỗi (iii) lỗi bit lại PHY header làm cho tổng kiểm tra chúng không Kết việc tin giai đoạn sau thu nhƣ giải mã FEC hay giao thức MAC khơng có liệu Khi trình đồng PHY header kết thúc hồn tồn, bit tạo nên MPDU đƣợc xử lý FEC MAC Nếu số bit khơng giống nhƣ phát ta nói có lỗi bit Các giao thức ARQ cung cấp tổng kiểm tra để phát lỗi bit loại bỏ tồn gói tin có lỗi Trong chế lập khung này, áp dụng FEC sửa lỗi bit phần liệu/ 82 MPDU, nhƣng không sửa đƣợc lỗi phần PHY header đó, việc tin xảy Các phép đo với thu phát vô tuyến phù hợp với IEEE 802.11 đƣợc thực môi trƣờng cơng nghiệp khơng có đƣờng nhìn thẳng (NLOS - Non Line Of Sight) cho thấy xảy hai loại lỗi với tỉ lệ lớn Cấu trúc khung nhƣ hình 3.3 dạng chung việc tin xảy số hệ thống khác Các thống kê lỗi bit tin phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ tần số, sơ đồ điều chế, khoảng cách, mơi trƣờng truyền sóng (số đƣờng truyền, loại vật liệu) có mặt nhiễu Một số nghiên cứu thống kê tính chất sau: + Cả tƣợng lỗi bit gói tin thƣờng có tính chất chùm, tức có xu hƣớng xảy lỗi nhóm bit nhóm gói tin với khoảng khơng lỗi nhóm Theo kinh nghiệm, phân bố độ dài nhóm lỗi thƣờng thay đổi lớn + Lỗi phát thu cố định thay đổi theo thời gian tỉ lệ lỗi bit tức thời cao (10-4…10-2) Tỉ lệ tin xảy tƣơng tự nhƣ vậy, vƣợt 50% b Các kỹ thuật ARQ Ý tƣởng giao thức ARQ đƣợc mô tả nhƣ sau Lớp liên kết nút phát chấp nhận gói tin, tạo gói tin lớp liên kết với phần header tổng kiểm tra, truyền gói tới thu Bộ thu kiểm tra tính tồn vẹn gói tin vào tổng kiểm tra gửi tín hiệu phản hồi (feedback) phát thành cơng cuả q trình truyền dẫn Nếu nhận đƣợc tín hiệu phản hồi âm (xác nhận phủ định), phát thực phát lại Thành phần giao thức ARQ bao gồm: • Định dạng gói tin: DLL phát chấp nhận liệu U từ lớp cao hơn, thƣờng đối tƣợng bị hạn chế mặt kích thƣớc (hình 3.4) Hạn chế bị áp đặt, ví dụ nhƣ tham số kỹ thuật hạn chế lớp vật lý (nhƣ sóng mang hay chế đồng bit có thuật tốn tìm kiếm khơng mạnh) DLL tạo header H cho gói tin, phần tiêu đề chứa thơng tin địa điều khiển Thông tin địa cần thiết truyền thơng khơng dây mặt chất phƣơng tiện truyền thông quảng bá, mặt lý thuyết tất nút lân cận dải tần nhận đƣợc gói tin Địa giúp phân biệt phát thu dự định Thơng tin điều khiển bao gồm số chuỗi cờ, tùy thuộc vào loại giao thức ARQ U = Dữ liệu Giao diện DLL H = DLL/MAC header U = Dữ liệu FCS = f (H,U) Hình 3.4 Định dạng gói tin DLL • Tổng kiểm tra: Tổng kiểm tra (thƣờng đƣợc gọi chuỗi kiểm tra khung) đƣợc nối vào gói tin sau q trình định dạng gói tin Thơng thƣờng, tổng kiểm tra hàm 83 Hình 4.15 Phân phối liệu theo tuyến đƣờng đƣợc chọn nâng cao chất lƣợng Giao thức truyền tin trực tiếp tiết kiệm lƣợng đáng kể Các tƣơng tác đƣợc khoanh vùng cho phép đạt hiệu suất tƣơng đối cao đƣờng truyền không tối ƣu Đồng thời, chế truyền tin ổn định với mơi trƣờng mạng có đặc tính động Do sử dụng phƣơng thức tập trung liệu nên giao thức gán địa cho nút 4.3.5 Định tuyến phân cấp Định tuyến phân cấp (hay định tuyến theo cụm) ban đầu đƣợc sử dụng mạng vô tuyến, đƣợc biết đến kỹ thuật với ƣu điểm khả mở rộng truyền thơng hiệu Do đó, định tuyến phân cấp đƣợc sử dụng để thực định tuyến hiệu lƣợng WSN Trong kiến trúc phân cấp, nút có lƣợng cao đƣợc sử dụng để xử lý gửi thông tin nút có lƣợng thấp đƣợc sử dụng để thực nhiệm vụ cảm nhận vùng lân cận đối tƣợng Nhƣ việc tạo cụm gán nhiệm vụ đặc biệt cho nút chủ đóng góp lớn vào việc mở rộng hệ thống, tăng thời gian sống mạng nâng cao hiệu suất lƣợng Định tuyến phân cấp phƣơng pháp hữu hiệu để giảm nhỏ lƣợng tiêu thụ cụm nhờ thực thu thập hợp liệu để giảm số thông điệm phát tới trạm trung tâm Mục giới thiệu số giao thức định tuyến phân cấp thƣờng đƣợc sử dụng a Giao thức phân cụm thích nghi lượng thấp LEACH LEACH giao thức định tuyến đƣợc thiết kế để thu thập phân phối liệu đến thu, thƣờng trạm trung tâm LEACH đƣợc sử dụng với mục đích là: kéo dài thời gian sống mạng, giảm lƣợng tiêu thụ nút mạng, dùng tập hợp liệu để giảm số thông điệp cần truyền Nhƣ đề cập đến phần 3.6.1, LEACH xây dựng cấu trúc mạng thành cụm Mỗi cụm đƣợc quản lý nút chủ gọi nút chủ LEACH lựa chọn ngẫu nhiên số nút cảm biến để trở thành nút chủ quay vòng vai trò để phân bố tải lƣợng nút cảm biến mạng Ở LEACH, nút chủ nén liệu đến từ nút khác 155 cụm chúng gửi gói liệu thu thập tới trạm trung tâm nhằm mục đích giảm số lƣợng thông tin truyền phát trạm trung tâm Việc thu thập số liệu đƣợc thực tập trung theo chu kỳ Do giao thức thực thích ứng có nhu cầu trao đổi theo dõi thƣờng xuyên mạng cảm biến Thực tế, ngƣời sử dụng khơng cần tất số liệu lập tức, việc truyền phát số liệu theo chu kỳ khơng cần thiết làm suy giảm nguồn lƣợng giới hạn nút cảm biến Sau khoảng thời gian cho trƣớc, việc quay vòng ngẫu nhiên thay đổi vai trò nút chủ đƣợc tiến hành cho có tiêu tán lƣợng nút cảm biến mạng Hình 4.16 Phân chia cụm mạng Hình 4.17 Tổ chức chu kỳ LEACH Hoạt động LEACH (nhƣ minh họa hình 4.17) đƣợc tổ chức thành chu kỳ chu kỳ đƣợc tách thành hai pha: pha thiết lập pha ổn định trạng thái Ở pha thiết lập, cụm đƣợc tổ chức nút chủ đƣợc lựa chọn Ở pha ổn định trạng thái, việc truyền số liệu thực trạm trung tâm đƣợc tiến hành Khoảng thời gian tồn pha ổn 156 định trạng thái thƣờng dài so với thời gian thiết lập ban đầu để giảm tối thiểu tổng chi phí Hoạt động pha đƣợc minh họa hình 4.18 Chu kỳ độ dài cố định Pha thiết lập Pha ổn định Khe thời gian Bƣớc quảng bá Khe thời gian Khe thời gian n Khe thời gian Bƣớc thiết lập cụm Thơng báo lịch trình Tự ứng cử nút chủ Các nút chủ cạnh tranh với CSMA Các nút thành viên cạnh tranh với CSMA Hình 4.18 Hoạt động pha Pha thiết lập bắt đầu việc nút tự ứng cử làm nút chủ Một số lƣợng nhỏ nút đƣợc xác định trƣớc, P, tự định chúng trở thành nút chủ Một nút (n) chọn số ngẫu nhiên v phạm vi từ đến so sánh v với giá trị ngƣỡng T(n) Nếu số ngẫu nhiên nhỏ giá trị ngƣỡng T(n), nút trở thành nút chủ vòng Giá trị ngƣỡng đƣợc tính tốn dựa biểu thức tốn học có kết hợp phần trăm mong muốn (hay xác suất trở thành nút chủ P), vòng (r) tập hợp nút chƣa đƣợc chọn làm nút chủ 1/P vịng trƣớc (G) T(n) đƣợc xác định theo công thức: T(n) , n G P , P(r mod(1/ P)) n G (4.1) Ở bƣớc quảng bá, tất nút chủ đƣợc lựa chọn phát quảng bá tin thông báo tới tất nút cịn lại mạng chúng nút chủ Các nút chủ sử dụng giao thức CSMA để tránh tƣợng đầu cuối ẩn Các nút khác, nút chủ sau nhận đƣợc tin thông báo định thuộc cụm mà chúng muốn Quyết định dựa cƣờng độ tín hiệu tin thơng báo Trong bƣớc thiết lập cụm tiếp theo, nút thành viên sử dụng giao thức CSMA để thông báo cho nút chủ tƣơng ứng chúng thành viên cụm Sau thu nhận đƣợc tất tin từ nút muốn gia nhập cụm dựa số lƣợng nút thành viên cụm, nút chủ biết đƣợc số lƣợng nhận dạng nút cụm 157 Trong bƣớc thơng báo lịch trình, vào số lƣợng thành viên cụm, nút chủ xây dựng lịch trình TDMA, chọn mã CDMA cấp cho nút khe thời gian Nút chủ thơng báo lịch trình đến tất nút thành viên LEACH dùng kỹ thuật đa truy cập theo mã CDMA để giảm xung đột nút cụm Mã đƣợc chọn lựa cẩn thận để giảm can nhiễu cụm Trong pha ổn định trạng thái, nút cảm biến bắt đầu cảm biến truyền phát số liệu nút chủ Các nút chủ, sau thu tất số liệu, tập hợp chúng lại trƣớc gửi đến trạm trung tâm Sau khoảng thời gian định đƣợc xác định trƣớc, mạng quay trở lại trạng thái thiết lập bắt đầu vòng lựa chọn nút chủ Do xung đột gói tin quảng bá gói tin gia nhập cụm, giao thức khơng thể đảm bảo nút nút chủ thuộc cụm Tuy nhiên, đảm bảo nút thuộc nhiều cụm Nút chủ đƣợc bật chu kỳ nút thành viên phải bật pha thiết lập pha ổn định, phụ thuộc vào vị trí chúng lịch trình TDMA nhóm LEACH cung cấp mơ hình lựa chọn cách ngẫu nhiên Điều làm giảm tải thông tin cung cấp tập hợp tin cậy số liệu cho ngƣời sử dụng cuối LEACH góp phần giảm đáng kể lƣợng tiêu thụ kéo dài thời gian hoạt động mạng cảm biến so với trƣờng hợp mạng gồm nhóm cố định Tuy nhiên, giao thức định tuyến LEACH có số nhƣợc điểm Thứ nhất, LEACH chƣa xác định cụ thể đƣợc số lƣợng tối ƣu nút chủ mạng mạng khác có cấu hình, mật độ số lƣợng nút khác Thứ hai, LEACH chƣa có gợi ý thời điểm thực việc xác định lại nút chủ Thứ ba, nút chủ xa trạm trung tâm tiêu thụ lƣợng nhiều nhanh chóng dừng hoạt động nút khác Thứ tƣ, khả lƣợng cung cấp cho nút thay đổi theo thời gian nên tất nút chủ khơng thể thực truyền tin đơn bƣớc nhảy tới trạm trung tâm Thứ năm, khoảng thời gian pha ổn định trạng thái ảnh hƣởng lớn đến lƣợng tiêu thụ Nếu khoảng thời gian ngắn, chi phí điều khiển cho giao thức tăng Ngƣợc lại, khoảng thời gian dài làm sụt giảm lƣợng nhanh chóng Nhiều giao thức đƣợc đƣa để cải tiến LEACH Giao thức XLEACH (extented LEACH) xem xét đến mức lƣợng nút trình lựa chọn nút chủ Theo đó, mức ngƣỡng T(n) đƣợc xác định nhƣ sau: T(n) E n,current P P(r mod(1/ P)) E n,max rn,s div P E n,current E n,max Trong E n,current lƣợng tại, E n,max lƣợng lúc đầu nút có đƣợc 158 (4.2) rn,s số vịng liên tiếp mà nút khơng đƣợc làm nút chủ Khi giá trị rn,s đạt đến 1/P, ngƣỡng T(n) trở lại giá trị có trƣớc xét đến lƣợng lại biểu thức tính T(n) Giá trị rn,s nút trở thành nút chủ LEACH bao gồm nhiều thuộc tính cho phép giảm lƣợng tiêu thụ Yêu cầu lƣợng LEACH đƣợc phân bố cho tất nút, vai trò nút chủ đƣợc thay đổi dựa mức lƣợng lại nút LEACH thực thuật tốn phân bố, khơng yêu cầu thông tin điều khiển từ trạm trung tâm Quản lý cụm cục bộ, không cần thông tin toàn mạng Việc thu thập liệu cụm làm giảm đáng kể lƣợng tiêu thụ, nút khơng phải gửi thơng tin trực tiếp tới thu b Giao thức PEGASIS Giao thức định tuyến tập trung hiệu công suất hệ thống thông tin cảm biến PEGASIS (Power – Efficient Gathering in Sensor Information Systems) cấu trúc mở rộng họ giao thức định tuyến tập hợp thông tin cho mạng cảm biến không dây PEGASIS thực hai nhiệm vụ: kéo dài thời gian sống cho mạng, đồng lƣợng tất nút mạng giảm độ trễ gói liệu PEGASIS ứng dụng mơ hình mạng gồm nút phân bố đồng khu vực nút biết đƣợc thông tin chung nút khác mạng Hơn nút cịn có khả điều chỉnh công suất thu phát dùng kỹ thuật CDMA Mục tiêu giao thức định tuyến giảm lƣợng tiêu thụ truyền liệu thu thập đƣợc từ nút đến trạm gốc với độ trễ thấp Khác với giao thức khác dựa cấu trúc mạng hình hay phân chia thành cụm, PEGASIS dùng cấu trúc chuỗi Theo cấu trúc này, nút liên lạc với nút gần Chuỗi nút xa trạm gốc nút đƣợc thêm vào nút cuối chuỗi Để xác định nút gần nhất, nút dựa cƣờng độ tín hiệu để đo khoảng cách đến tất nút gần nút hiệu chỉnh công suất phát đủ để liên lạc với nút gần nghe thấy đƣợc Một nút chuỗi đƣợc chọn làm nút chủ vòng Nút chủ có nhiệm vụ thu thập liệu phát đến trạm gốc Sự luân phiên vai trò nút chủ chuỗi đảm bảo cân công suất tiêu thụ nút Tuy nhiên, nút chủ xa trạm gốc phải tiêu tốn công suất lớn để phát liệu đến trạm gốc Dạng đơn giản nút hai phía nút chủ lần lƣợt truyền liệu đến đến nút chủ Nút chủ tập hợp liệu phát cho trạm gốc Tuy nhiên, mơ hình gây độ trễ lớn cho gói liệu Để giảm trễ, giao thức khác đƣợc sử dụng, dùng mơ hình tập hợp liệu song song theo chuỗi Để có chất lƣợng cao hơn, nút đƣợc cấp thu phát dùng CDMA để tránh can nhiễu nút lân cận Hình 4.19 minh họa giải thuật tập hợp liệu song song 159 Hình 4.19 Tập hợp liệu song song mạng hình chuỗi Giả sử tất nút biết đƣợc thông tin chung mạng đƣợc liên kết thành chuỗi Ngoài ra, giả thiết nút lần lƣợt truyền liệu đến trạm gốc cho nút thứ (i mod N), với N số nút tham gia vào chuỗi, có nhiệm vụ truyền liệu tập hợp đƣợc trạm gốc vòng thứ i Xét nút vị trí số chuỗi, nút chủ vòng thứ - Ở vòng đầu tiên, tất nút vị trí chẵn truyền liệu cho nút bên phải - Ở vòng tiếp theo, nút nhận liệu vòng đƣợc đánh số lại, nút vị trí lẻ Các nút vị trí chẵn tập hợp liệu truyền cho nút bên phải - Ở vòng thứ 3, nút đƣợc đánh số lại, nút khơng cịn vị trí lẻ Nút 7, nút bên cạnh nút tính đến vịng này, đƣợc đánh số (ở vị trí lẻ) Nút tập hợp liệu gửi cho nút Nút tập hợp liệu nhận đƣợc với liệu gửi tới trạm gốc Tập hợp liệu song song theo chuỗi cho phép giảm đáng kể lƣợng, nút hoạt động theo chế độ song song Mặt khác, cấu trúc phân cấp cấu trúc hình đƣợc cân bằng, chế đảm bảo sau (log2N) bƣớc, liệu tập hợp đến nút chủ Với nút cảm biến đƣợc trang bị kỹ thuật CDMA, chế cho hiệu suất cao xét tƣơng quan lƣợng – trễ cần cho vòng tập hợp liệu Có thể coi chế phép đo để cân lƣợng tiêu hao độ trễ 4.3.6 Định tuyến theo vị trí Mục tiêu giao thức định tuyến theo vị trí dùng thơng tin vị trí để tìm tuyến liên lạc hiệu từ nguồn đến đích Định tuyến theo vị trí phù hợp cho mạng cảm biến, mạng tập hợp liệu kỹ thuật hiệu để tối thiểu hóa số truyền dẫn tới trạm gốc nhờ hạn chế thơng tin dƣ thừa gói tin từ nguồn khác Yêu cầu tập hợp liệu để giảm lƣợng tiêu thụ chuyển mơ hình truyền thơng tính tốn mạng cảm biến từ mơ hình tập trung địa (tƣơng tác đƣợc thực hai điểm đầu cuối địa hóa) sang mơ hình tập trung liệu (nội dung liệu quan trọng nhận dạng nút thu thập liệu) Trong mơ hình này, ứng dụng gửi yêu cầu 160 tƣợng vùng địa lý cụ thể gần vùng lân cận điểm mốc Các kỹ thuật định tuyến truyền thống, thƣờng đƣợc thiết kế để tìm tuyến truyền hai điểm có địa xác định, không phù hợp để xử lý truy vấn đa chiều đặc trƣng mặt địa lý Định tuyến theo vị trí, mặt khác, sử dụng thơng tin vị trí để tới đích, vị trí nút đƣợc sử dụng nhƣ địa Bên cạnh khả tƣơng thích với ứng dụng tập trung liệu, định tuyến theo vị trí cần lƣợng cho tính tốn truyền thơng Mặt khác, giao thức yêu cầu lan truyền thơng tin theo cấu hình đơn bƣớc nhảy (ví dụ vị trí nút lân cận tốt nhất) để có định chuyển tiếp xác Định tuyến theo vị trí khơng u cầu trì cấu trúc liệu bên (nhƣ bảng định tuyến) Nhờ đó, chi phí điều khiển giảm đáng kể, khả mở rộng mạng đƣợc nâng cao Do vậy, giao thức phù hợp với mạng có nguồn lƣợng hạn chế khả mở rộng cao a Các chiến lược chuyển tiếp gói tin Một khái niệm quan trọng định tuyến theo vị trí quy ƣớc để chuyển gói đến đích cuối Trong giao thức định tuyến dựa vị trí, nút định bƣớc dựa vào vị trí nó, vị trí nút lân cận nút đích Chất lƣợng định phụ thuộc vào hiểu biết nút cấu hình tồn mạng Sự hiểu biết cục cấu hình mạng dẫn tới đƣờng truyền khơng tối ƣu Hình 4.20 minh họa cho hai trƣờng hợp Nút giữ gói tin đƣa định chuyển tiếp dựa hiểu biết cục Tìm đƣợc tuyến truyền tối ƣu yêu cầu hiểu biết toàn hệ thống Tuy nhiên, hiểu biết cấu hình tồn hệ thống khơng thích hợp mạng cảm biến khơng dây, lƣợng hoạt động bị giới hạn Để giải vấn đề này, nhiều giải thuật đƣợc đề xuất Hình 4.20 Quyết định chuyển tiếp mang tính cục tồn hệ thống Xem xét mơ hình nhƣ minh họa hình 4.21, nút có liệu cần chuyển MH Quá trình chọn lựa nút trung gian nguyên tắc nút nằm gần đích đến MH (nút nằm MH đích) đƣợc chọn 161 Hình 4.21 Các chiến lƣợc chuyển tiếp gói tin Chiến lƣợc MFR (Most – forward – within – R) chọn nút nằm xa số nút nằm vùng bao phủ R Theo đó, bƣớc đƣợc chọn MH để chuyển tiếp liệu nút MFR Chiến lƣợc NFP (Nearest – forward – Progress) lựa chọn nút gần Nút NFP đƣợc chọn để nhận liệu từ nút MH, nút gần tính từ MH Chiến lƣợc CMP (Compassing routing) chọn nút có góc nhỏ tạo đƣờng thẳng nối MH – đích đƣờng thẳng nối MH – nút đƣợc chọn Chiến lƣợc LEF (Low – Energy – Forward) chọn nút yêu cầu tối thiểu lƣợng Hình 4.22 Định tuyến khơng hiệu Mặc dù đơn giản, định tuyến theo vị trí nút khơng tìm đƣợc tuyến hay định tuyến khơng hiệu Hình 4.22 minh họa trƣờng hợp Nút S1 cần chuyển gói liệu cho D Theo đó, nút S1 phải chọn nút lân cận gần đến đích bƣớc Tuy nhiên, S2 S3 nằm cách xa nút đích nút S1 162 Trong môi trƣờng mạng cảm biến không dây, cảm biến thƣờng đƣợc nhúng vào vùng khó tiếp cận đƣợc, dễ xảy tƣợng vùng trống (void area) Để phá vỡ vùng trống này, quy tắc tay phải (right – hand rule) đƣợc đề xuất Khi gói đến nút Ni từ nút Nj, bƣớc mà gói tin qua nút ngƣợc chiều kim đồng hồ tính từ đƣờng thẳng nối (Ni,Nj) Trong trƣờng hợp đƣờng giao (ví dụ đồ thị khơng phẳng), quy tắc tay phải khơng tối ƣu Để loại bỏ đƣờng giao mà chia nhỏ đồ thị, đồ thị đƣợc biến đổi thành đồ thị dạng phẳng, tất đƣờng giao đƣợc loại bỏ Sau đó, sử dụng đƣờng nối biên, gói tin đƣợc định tuyến dọc theo biên vùng trống Biện pháp đƣợc gọi face traversal Nếu tuyến đƣợc chọn theo quy tắc tay phải giao với đƣờng thẳng nối NiNj tuyến đƣợc chọn thay tuyến ngƣợc chiều kim đồng hồ tuyến đƣợc chọn ban đầu (theo quy tắc tay phải) Hình 4.23 minh họa cho trình cải thiện chất lƣợng định tuyến áp dụng quy tắc tay phải face traversal Giả sử nút S1 cần chuyển liệu đến đích nút S8 Tuyến (1) từ S1 đến S2 Kế quy tắc tay phải, chọn tuyến (2) đến S3 Tuy nhiên, tuyến giao với đƣờng thẳng nối nguồn đích Nếu giữ nguyên làm giảm hiệu việc định tuyến Vì thế, tuyến cần đƣợc thay tuyến (4) tuyến sau tuyến (2) ngƣợc chiều kim đồng hồ Quá trình định tuyến tiếp tục tìm đƣợc đƣờng đến đích Hình 4.23 Cải thiện chất lƣợng định tuyến áp dụng quy tắc tay phải Định tuyến theo vị trí phù hợp cho mạng cảm biến khơng dây u cầu thơng tin cho điều khiển tƣơng tác cục nút Tuy nhiên, liên kết bất đối xứng đƣờng giao làm tăng độ phức tạp giao thức 163 b Giao thức GAF Giao thức GAF (Geographical Adaptive Fidelity - độ xác thích nghi theo vị trí địa lý) dự trữ lƣợng cách tắt nút không cần thiết mạng mà khơng ảnh hƣởng đến mức độ xác định tuyến Nó tạo lƣới ảo cho vùng bao phủ Mỗi nút dùng hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Poisitioning System) nó, xác định vị trí để kết hợp với điểm lƣới (đƣợc gọi tƣơng đƣơng) tính đến việc định tuyến gói, để giữ lại nút định vị vùng lƣới xác định trạng thái nghỉ để tiết kiệm lƣợng Vì vậy, GAF tăng đáng kể thời gian sống mạng cảm biến số lƣợng nút tăng lên Nhƣ minh họa hình 4.24, nút truyền đến nút số nút 2,3,4 nút 2,3,4 truyền tới nút Do nút 2,3,4 tƣơng đƣơng, hai số ba nút trạng thái nghỉ Hình 4.24 Lƣới ảo GAF Các nút chuyển trạng thái (từ nghỉ sang hoạt động) cách lần lƣợt để cân lƣợng nút Có ba trạng thái đƣợc định nghĩa GAF, là: phát (discovery) – xác định nút lân cận lƣới; hoạt động (active) – thể tham gia vào trình định tuyến; nghỉ (sleep) – thu phát đƣợc tắt Sự chuyển trạng thái GAF đƣợc minh họa hình 4.25 Để điều khiển độ di động, nút lƣới dự đoán thời gian rời khỏi lƣới gửi thơng tin đến nút lân cận Các nút không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ chúng cho phù hợp để nhận đƣợc thông tin từ nút lân cận, để định tuyến đƣợc xác Trƣớc thời gian rời khỏi lƣới nút hoạt động hạn, nút nghỉ khỏi trạng thái đó, số nút hoạt động trở lại GAF đƣợc triển khai cho mạng bao gồm nút không di động (GAF bản) mạng gồm nút di động (GAF thích ứng di động) GAF giữ mạng hoạt động cách giữ cho nút đại diện chế độ hoạt động vùng lƣới ảo Mặc dù GAF giao thức dựa vị trí, đƣợc coi nhƣ giao thức phân cấp, mà cụm dựa vị trí Đối với vùng lƣới xác định, nút đại diện cho nút chủ để truyền liệu đến nút khác Tuy nhiên, nút chủ không thực nhiệm vụ hợp hay tập trung liệu nhƣ giao thức phân cấp thông thƣờng 164 Hình 4.25 Sự chuyển trạng thái GAF c Giao thức GEAR Giao thức GEAR (Geographic and Energy - Aware Routing – định tuyến theo địa lý có nhận biết lƣợng) dùng nhận biết lƣợng phƣơng pháp thông báo thông tin địa lý tới nút lân cận Việc định tuyến thông tin theo vùng địa lý có ích hệ thống xác định vị trí, đặc biệt WSN Ý tƣởng hạn chế số lƣợng yêu cầu truyền tin trực tiếp cách quan tâm đến vùng xác định gửi yêu cầu đến toàn mạng GEAR cải tiến giao thức truyền tin trực tiếp điểm này, dự trữ đƣợc nhiều lƣợng Trong giao thức GEAR, nút giữ chi phí dự đốn (estímate cost) chi phí học (learned cost) q trình đến đích qua nút lân cận Chi phí dự đốn kết hợp lƣợng cịn dƣ khoảng cách đến đích Chi phí học cải tiến chi phí dự đốn, giải thích cho việc định tuyến xung quanh hốc mạng Hốc xảy nút khơng có nút lân cận gần đích so với Trong trƣờng hợp khơng có hốc chi phí dự đốn chi phí học Chi phí học đƣợc truyền ngƣợc lại bƣớc có gói tin đến đích, để điều chỉnh việc định tuyến cho gói Giải thuật gồm hai giai đoạn: - Chuyển tiếp gói tin đến vùng đích: GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựa nhận biết lƣợng vị trí địa lý để định tuyến gói đến vùng đích Sau nhận đƣợc gói tin, nút kiểm tra nút lân cận xem có có nút gần vùng đích khơng Có hai trƣờng hợp cần quan tâm: + Khi tồn nhiều nút lân cận gần đích hơn: GEAR chọn bƣớc nút lân cận gần đích số nút + Khi tất nút xa đích (nghĩa có vùng trống): trƣờng hợp này, GEAR chọn số nút lân cận để chuyển tiếp gói tin dựa chi phí học Lựa chọn sau đƣợc cập nhật theo tổng chi phí học q trình truyền gói tin - Chuyển tiếp gói tin bên vùng đích: Nếu gói tin đƣợc chuyển đến vùng đích, đƣợc truyền vùng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy flooding 165 có giới hạn Khi mật độ cảm biến khơng cao, sử dụng flooding có giới hạn phù hợp Trong mạng có mật độ cảm biến cao, chuyển tiếp địa lý đệ quy hiệu flooding có giới hạn Vùng đích đƣợc chia thành vùng nhỏ tạo copy gói tin Quá trình chuyển tiếp chia nhỏ đƣợc tiếp tục vùng nút (hình 4.26) Hình 4.26 Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR Để thỏa mãn điều kiện, sử dụng giải thuật chuyển tiếp địa lý đệ quy để truyền gói tin vùng Tuy nhiên, với vùng mật độ thấp, chuyển tiếp địa lý đệ quy đơi khơng hồn thành, định tuyến vơ tác dụng vùng đích rỗng trƣớc số bƣớc nhảy mà gói qua vƣợt giới hạn 4.4 Kết chƣơng Định tuyến mạng cảm biến không dây nhiệm vụ khó khăn, phải tìm đƣợc phƣơng pháp định tuyến phù hợp với đặc tính cố hữu WSN Các giao thức định tuyến WSN có mục đích chung kéo dài thời gian sống mạng Nhìn chung, kỹ thuật định tuyến đƣợc phân loại dựa cấu trúc mạng thành ba dạng: giao thức định tuyến ngang hàng, giao thức định tuyến phân cấp giao thức định tuyến theo vị trí Tùy thuộc vào hoạt động giao thức, giao thức lại đƣợc chia thành dạng nhƣ: định tuyến đa đƣờng, định tuyến theo yêu cầu, định tuyến dựa thỏa thuận định tuyến dựa chất lƣợng dịch vụ Để lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp, cần dung hòa vấn đề tiết kiệm lƣợng tiết kiệm chi phí truyền thơng với ƣu nhƣợc điểm chế định tuyến Các giao thức định tuyến cho WSN cần tiếp tục đƣợc nghiên cứu phát triển để cải thiện thời gian hoạt động mạng nhƣ chất lƣợng hoạt động 166 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG Nêu cách sử dụng địa tên mạng cảm biến? Nêu nhiệm vụ quản lý địa chỉ? Trình bày vấn đề phân phối ấn định địa chỉ? Trình bày cách quản lý tên địa WSN? Trình bày cách thức đánh địa theo địa nội dung theo địa lý? Nêu thách thức cho vấn đề định tuyến WSN? Nêu chiến lƣợc định tuyến WSN? So sánh định tuyến ngang hàng định tuyến phân cấp? Trình bày số giao thức định tuyến ngang hàng? 10 Trình bày số giao thức định tuyến phân cấp? 11 Trình bày số giao thức định tuyến theo vị trí? 167 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] Holger Karl Andreas Willig, Các giao thức kiến trúc cho mạng cảm biến không dây, NXB Wiley, ISBN: 978-0-470-09510-2, 6/2005 Nirupama Bulusu Sanjay Jha, Wireless Sensor Networks, xêri Artech House MEMS, 2005 Maggie Xiaoyan Cheng Deying Li (Eds.), Advances in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, Springer, 2008 KS Phạm Bảo Sơn, Mạng cảm biến vô tuyến đánh giá tiêu giao thức chọn đường LEACH, tạp chí Bƣu viễn thơng, 11/2006 Holger Karl, Slide “Ad hoc and Sensor Networks” Leonardo Leiria Fernandes, Slide “MAC Layer Protocols for Sensor Networks” Satya Sanket Sahoo, Slide “Sensor Networks”, Tham khảo: MOBICOM 2002 Tutorial T5 Các mạng cảm biến không dây (CSCI 6760) H Dai R Han Đồng thời gian: Một dịch vụ đồng thời gian hai hƣớng trọng số nhẹ mạng cảm biến khơng dây Tạp chí truyền thơng tính toán di động ACM SIGMOBILE, 8(1): 125–139, 2004 B Das V Bharghavan Định tuyến mạng Ad-Hoc sử dụng tập hợp chi phối đƣợc kết nối nhỏ Trong Các kỷ yếu Hội nghị quốc tế truyền thông (ICC), Montreal, Canada, 6/1997 L Doherty, L El Ghaoui, K S J Pister Ƣớc lƣợng vị trí lồi mạng cảm biến khơng dây Trong Các kỷ yếu IEEE INFOCOM, trang 1655–1663, Anchorage, AK, 4/2001 J Elson, L Girod, D Estrin Đồng thời gian mạng tinh – thô sử dụng quảng bá tham chiếu Trong Các kỷ yếu Hội nghị chuyên đề lần thứ năm Thiết kế Thực hệ điều hành (OSDI 2002), Boston, MA, 12/2002 J Wu H Li Về tính tốn tập hợp chi phối đƣợc kết nối cho việc định tuyến hiệu mạng không dây Ad Hoc Trong Các kỷ yếu Hội thảo quốc tế lần thứ thuật toán rời rạc phương pháp cho truyền thơng tính tốn di động, Boston, MA, 11/8/ 2000 S Ganeriwal, R Kumar, M B Srivastava Giao thức đồng định thời cho mạng cảm biến Trong Các kỷ yếu Hội nghị quốc tế ACM lần thứ hệ thống cảm biến nối mạng nhúng, trang 138–149, Los Angeles, CA, 11/2003 S Guha S Khuller Các thuật toán xấp xỉ cho Tập hợp chi phối đƣợc kết nối Algorithmica, 20: 374–387, 1998 J Heidemann, F Silva, C Intanagonwiwat, R Govindan, D Estrin, D Ganesan Xây dựng mạng cảm biến không dây hiệu với việc đặt tên mức thấp Trong Các kỷ yếu Hội nghị chuyên đề quy tắc hệ điều hành (SOSP 2001), trang 146– 159, Lake Louise, Banff, Canada, 10/2001 S M Kay Các nguyên tắc xử lý tín hiệu thống kê: Lý thuyết ước lượng Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 1993 L Kleinrock J Silvester Bán kính truyền dẫn tối ƣu cho mạng vơ tuyến gói số sáu số kỳ diệu Trong Các kỷ yếu Hội nghị viễn thông quốc gia, Birmingham, AL, 12/1978 168 [19] B Krishnamachari, S Wicker, R Bejar, M Pearlman Các tiến lý thuyết thơng tin mã hóa, chƣơng Các ngƣỡng mật độ tới hạn Các mạng không dây phân tán Kluwer [20] E Lloyd, R Liu, M V Marathe, R Ramanathan, S S Ravi Các khía cạnh thuật tốn vấn đề điều khiển cấu trúc liên kết mạng cho mạng Ad Hoc Trong Các kỷ yếu Hội nghị quốc tế chuyên đề ACM lần thứ ba Kết nối mạng tính tốn mạng di động Ad Hoc (MobiHoc), Lausanne, Switzerland, 2002 [21] S Nesargi R Prakash Hội thảo MANET: Cấu hình trạm chủ mạng di động Ad Hoc Trong Các kỷ yếu IEEE INFOCOM 2002, trang 1587–1596, New York, 6/2002 [22] D Niculescu B Nath Hệ thống định vị Ad Hoc (APS) Trong Các kỷ yếu IEEE GlobeCom, San Antonio, AZ, 11/2001 [23] M D Penrose Trên k-Kết nối sơ đồ ngẫu nhiên hình học Các cấu trúc thuật ngữ ngẫu nhiên Wiley, 15(2): 145–164, 1999 [24] R Rajaraman Cấu trúc điều khiển liên kết mạng định tuyến mạng Ad Hoc: Một khảo sát Tin tức ACM SIGACT, 33(2): 60–73, 2002 [25] V Ramadurai M L Sichitiu Sự định vị mạng cảm biến không dây: Một phƣơng pháp tiếp cận thống kê Trong Các kỷ yếu Hội nghị quốc tế 2003 mạng không dây (ICWN 2003), trang 300–305, Las Vegas, NV, 6/2003 [26] P Santi D M Blough Phạm vi truyền dẫn tới hạn việc kết nối mạng Ad Hoc không dây thƣa thớt Kỷ yếu hội nghị IEEE tính tốn di động, 2: 25– 39, 2003 [27] C Savarese, J Rabay, K Langendoen Các thuật tốn xác định vị trí mạnh cho mạng cảm biến không dây Ad-Hoc phân tán Trong Các kỷ yếu Hội nghị kỹ thuật USENIX thường niên, Monterey, CA, 2002 [28] Y Shang, W Ruml, Y Zhang, M Fromherz Định vị từ kết nối nhỏ Trong Các kỷ yếu Hội nghị chuyên đề quốc tế ACM lần thứ tính tốn mạng Ad Hoc di động (MobiHoc), Annapolis, MD, 2003 169 ... MHz 26 .957 – 27 .28 3 MHz 40.66 – 40.70 MHz 433 – 464 MHz Châu Âu 9 02 – 928 MHz Chỉ dùng Mỹ 2. 4 – 2. 5 GHz Chỉ sử dụng công nghệ WLAN/WPAN 5. 725 – 5.875 GHz Chỉ sử dụng công nghệ WLAN 24 – 24 .25 ... wi,1, wi ,2, …,wi,n) • Chúng đƣợc xếp thành ma trận m n Ví dụ với n = 6, m = 4, từ mã thành công đƣợc xếp thành hàng sau: w1,1 w1 ,2 w1,3 w1,4 w1,5 w1,6 w2,1 w2 ,2 w2,3 w2,4 w2,5 w2,6 w3,1 w3 ,2 w3,3... vụ IEEE 8 02. 15.4 thêm vào cấu trúc mạng (các mạng hình sao, mạng ngang hàng/mesh, mạng hình cây), tính bảo mật, dịch vụ ứng dụng… IEEE 8 02. 15.4 đƣợc dùng WSN, tự động hố ngơi nhà, mạng gia đình,