_ PHẠM VIỆT BÌNH (Chủ biên)
VU CHIEN THANG, NGÔ THỊ VINH, PHAM QUOC THINH
MANG CAM BIEN KHONG DAY
TREN NEN KIEN TRUC IP
NHA XUAT BAN KHOA HOC VA KY THUAT
Trang 5LOI NOI DAU
Cuộc cách mạng kỹ thuật số của thế kỳ XXI đã và dang dién ra với tốc
độ và quy mô lớn hơn nhiều so với các cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây Trong suốt thế kỳ XX, thế giới đã được chứng kiến hai cuộc cách mạng
kỹ thuật số chính đó là: Các máy tính đã được phát triển và được ứng dụng
rộng rãi trong: các văn phòng và hộ gia đình; mạng Internet ra đời và phát triên đã kết nối các máy tinh lại với nhau và đã làm thay đổi cơ bản cách thức mà con người tương tác với thế giới số
Hiện nay, chúng ta đang đứng trước một cuộc cách mạng kỹ thuật số
của thế kỳ XXI đó là các đối tượng thông minh kết nối thế giới số với thế
giới vật lý, từ đó hình thành nên một kiến trúc mạng Internet mới Irong
tương lai: Kiến trúc Internet of Things (IoT) Người ta đã dự đoán rằng số lượng các đối tượng thông mình sẽ tăng lên tới hàng tỷ thiết bị trong mười năm tới và sẽ có những thay đồi cơ bản trong cách thức để con người tương tác với cả thế giới số và thế giới vật lý
Mạng cảm biến không dây là một dạng của mạng các đối tượng thông
mình Trong đó, môi nút cam biến không dây bao gồm một bộ thu phảt vô
tuyến, một bộ vi xử lý và các cảm biến ding dé đo lường và cảm nhận về thé giới vat lý hoặc một thiết bị truyền động dé lam thay đổi thế giới vat ly Mạng cảm biến không dây có rất nhiều ứng dụng tiêm năng như giám sát
môi trường, tự động hóa lòa nhà, ngôi nhà thông mình, tự động hỏa trong
sản xuất nông nghiệp và công nghiệp, giám sái tình trạng sức khỏe bệnh
nhân, ứng dụng trong quân sự
Trong suốt một thập kỳ qua, mọi nghiên cứu tập trung vào mạng cảm
biến không dây đều cho rằng kiến trúc IP là không phù hợp đối với các ứng
dụng của mạng cảm biến không dây Nhiều nhà nghiên cứu đã lập luận
rằng các giao thức IP là không phù hợp với các thiết bị có tài nguyên hạn
Trang 6cho các mạng càm biến không dây Tuy nhiên, các mạng càm biến nay can
phai thông qua m6t Gateway dé c6 thé giao tiép được với mạng Internet và cdc mang IP khac Cac Gateway lop tng dung la rat phitc tap đê thiết kẻ và
quan lý Đây là một trong những nhược điêm chính đối với các mang cam biến không dây được phát triển không dựa trên nên kiến trúc IP
Tô chức tiêu chuẩn hóa quốc tế IETF da rat nỗ lực trong việc chudn
hóa 1Pv6 cho các mạng cả nhân không dây công suất thấp (6LoWPAN) nói chung và các mạng cảm biến không dây nói riêng Chuẩn mới này cho phép sử dụng IPv6 trong các mạng cảm biến không dây trên nền chuẩn truyền thông vat ly IEEE 802.15.4 Cùng với đó, một nhóm làm việc khác cua IETF
(RoLL) làm việc về vấn đề định tuyến qua các mạng này Nhóm làm việc
này đã thiết kế và xác định một giao thức định tuyến IP mới được gọi là
giao thức định tuyến 1Pv6 cho các mạng ton hao công suất tháp (RPL) Một
trong những lợi ích chính của kiến trúc IP đó là các mạng cảm biến không
day có thê kết nỗi trực tiếp với Internet và sử dụng chuẩn kiến trúc dịch vụ Web cho các mạng này mà không cân đến các Gateway lớp ứng dụng
Cuốn sách này giới thiệu về mạng cảm biến không dây dựa trên nền
kiến trúc IP Thông qua cuốn sách, bạn đọc có thể hiểu được cách thức để
các mang cảm biến không dây trên nên kiến trúc IPv6 có thể tương tác
được với nhau và kết nối được với các mang IP khác Cï tốn sách này được
chia làm 7 chương như sau:
Chương I: Giới thiệu về mạng cảm biến không dây Chương 2: Kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây
Chương 3: Các giao thức lớp giao vận
Chương 4: IPv6 cho mạng cảm biến không dây: Chương 3: Lớp thích ứng 6LoWPAN
Chương 6: Giao thức định tuyén RPL
Chương 7: Giao thức lớp ứng dụng CoAP
Các tác giả hy vọng rằng cuốn sách này sẽ có ích cho nhiều bạn đọc,
nhất là sinh viên các ngành Điện từ truyền thông Đo lường, Điễu khién và
Trang 7Mác dù đã được rà soát kỹ lưỡng nhưng không tránh khỏi các thiếu sót nhỏ Các tác giả rất mong nhận được những hôi âm góp ý từ phía bạn đọc
đê cuốn sách được hoàn thiện hơn trong các lần xuất bản tiếp theo Moi the từ gop Jy xin gut vé Khoa Công nghệ Điên tứ và Truyên thông - Trường Đại
học Công nghệ thông tin và Truyên thông Thái Nguyên - xã Quyết Thắng - thành phó Thái Nguyên
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
Trang 8MỤC LỤC
Trang
Lời nói đẫu cccsccccccrirrtrsrrrrrrree
Chương †1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIÉN KHÔN
1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây 5 22211221 2e 15 1.2 Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây 17 1.2.1 Những thách thức ở cắp độ nút 22 2 22222222222 17 1.2.2 Những thách thức ở cấp độ mạng .- - con sec, e TỔ 1.2.3 Sự chuẩn hóa ¿- - S22 221 111111117111 11 1111111711101 10 E121.0 Hưng 21 1.2.4 Khả năng cộng tác 23 1.3 Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây 24 1.3.1 Lớp vật lý 26 1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu 1.3.3 Lớp mạng 1.3.4 Lớp giao vận 1.3.5 Lớp ứng dụng
1.4 Các cơ chế truyền thông trong mạng cảm biến không dâ 1.4.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây
1.4.1.1 Mô hình truyền thông Điểm-Điểm 1.4.1.2 Mô hình truyền thông Điểm-Đa điểm 1.4.1.3 Mô hình truyền thông Đa điểm-Điểm
1.4.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm bi
1.4.2.1 Định đạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15
1.4.2.2 Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4
1.4.2.3 Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15 4
1.4.2.4 Cầu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4
1.5 Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây co non
Trang 91 ‡;1; Thiết B[lfyễn HONG) ous cies, Hà Cang TING40ÄS6itQi088I8X0SGHGiagtg88 46
Z1 6n ốốố ẽ ẻố.ẻẽ 47
1.t 3 Cảm biến
1.t.4 Nguồn cung cấp
1.6 Phan mềm của nút cảm biến không dây - nhe 50
1.€.1 Giới thiệu về phần mềm của nút cảm biến không dây .: SỮ 1.£.2 Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây -oo 5occcccvs+ 51
1.3 Vấn đề quản lý bộ nhớ -
1.7 Var dé quan ly nang lượng trong mạng cảm biên không dây 55
1 71 Cơ chế quản lý công suất vô tuyến - +56 ctisEkiitrrrririrtirrrrirrie 57 1.72 Chu kỳ công suất không đồng bộ -.-. -55c 2 2222tctEtkrrtrrrrrrrrrrrrrree 60 1:73 Chủ kỹ công suất đồng DỘ:eaoocauinadiidgiiiiiiciaLidasrdiidasasasasaaaaanasao BỘ TONG Ket HƯỚNG Ticpoag s05: 880GB iauGSSÄ4S@duiltdlsostglioslitdfsdtogissdaug 64 Chương 2: KIỀN TRÚC IP CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 65 2.1 Giớ thiệu về kiến trúc IP
2.2 Những ưu điểm của mạng cảm biến không dây trên nèn kiến tric IP
2.21 KAA NENG CONG ĐẬC socssose Báo a 00 20 8632 1nss4ss808880s5u32asassas,'08
2.22 Một kiến trúc phát triển và linh hoạtt -. -52-552-22222z222E22Srccvzrvrsrrrrr 71
2.23 Tinh ồn định và sự phổ biến của kiến trúC -. 222©22222+22222£2xtzezxccrxez 72
9:21 Khả nãnG mỞ TÔI s.cscccccccknnc 02 há cg14656164104441661301 630116111858 56 0550146013 161401668 73
2:25: Cau hInh Va quan IY HE bsusgosusgdttotiegBstssGidGGHgayvgassaaussasnss3
22› Kích thước nhỏ gọn
2.2" Sự dễ dàng trong việc kết nối với các mạng IP khác - -5 -: 75
2.3 Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây bởi IETF Tổ 2.3 Giới thiêu về tổ chức IETF cc 222 t2 teeerrrrrirriee 76
2.3.1 Các nhóm làm việc của IETF liên quan đến kiến trúc IP
CIO Mang CAM biến không dây . - 2+2 2 2221112222211 ccrrtrer 77
23.2.1 NhOm lam viEC GLOWPAN voces esessenereesseseseseeeassesesnenescaesecaneesseeneesenes 78
23.2 2 Nhóm làm viée ROLL h
2.4 Các nô hình kết nói IP cho mạng cảm biến không dây 8T
Trang 102.4.2 Mô hình mạng cảm biến không dây kết nỗi với Internet -Ö B1 Tổng kết chương 2 82 Chương 3: CÁC GIAO THỨC LỚP GIAO VẬN 002000 SỈ nhu Hơn 84 3.1 Giao thức UDP ccSehehhhho nhớ ¬—— ——— 3.1.1 Chuyển phát dữ liệu với nỗ lực tốt nhất cuc crree 85 3.1.2 Tiêu dé UDP 3.2 Giao thức TCP 3.2.1 Vân chuyển dòng dữ liệu dang tin cay 3.2.2 Tiêu đề TCP 3.2.3 Các tủy chọn TCP 3.2.4 Ước lượng khoảng thời gian gửi gói tin và nhận được gói tín
AC NAN (ROuNA=Trip2 VMS) !aceecscssnccessseonecremeemnaniermner senesevensansavereronecanasemaeenas 93
3i2:8: Điều khiễn DONG scsi xcavecscssuesssereniseceiscoreasavsctisisveensearsneceeicceeecaan sees Me 93 3.2.6 Điều khiển tắc nghẽn
3.3 Giao thức UDP cho mạng cảm biến không dây co co 2 coi 94
3.4 Giao thức TCP cho mạng cảm biến không dây oooocc — 95
Tổng kết chương 3
Chương 4: IPv6 CHO MẠNG CẢM BIÉN LGi9iciT 98
Ä:1 Giới thiệu VỀ |PWÕ taxi khá Ho Hồi 0ágQ La H9 4H Giàn GÁ540191-1L410481614.300.43200840 98
4.2 Các tiêu đề gói ti /]PV 5s 600605006GGG0GLA0 0508868 0322gJ9ã124 D304 giagosat 99
4.2 1 Tiêu đề IPv6 cỗ định (IPv6 Fixed Header) .c càcccccc 2tr rở 99 4.2.2 Tiêu đề mở rộng (Extended Header)
4.2.3 Tiêu đề tủy chọn từng bước nhảy (Hop-by-Hop Option Header) 102
4.2.4 Tiêu đề định tuyến (Routing Header) - ca 103
4.2.5 Tiêu đề phân mảnh (Fragment Header) - - sete csteecreereeenenetes eee 104
4.2.6 Tiêu đề tủy chọn đích (Destination Option Header) T06
4.2.7 Tiêu đề nhận thực và tiêu đề đóng gói bảo mật ‹- - - 106 4.2.8 Tiêu đề kết thúc (No Next Header) -sctnrhrHr rờ 107 4.3 Kiến trúc địa chỉ IPv6
4.3.1 Khái niệm về Unicast, Anycast và Multicast c si 107 4.3.2 Biểu diễn các địa chỉ IPV6 :- 25222222 2tr 107
Trang 1143 3 Các địa chỉ IPv6 Unicast eo 109 4.33 1 Dia chi IPv6 Unicast toan cau (Global Unicast IPv6 Addresses) 109
4332 Dia chi |Pv6 Unicast cuc bé (Local Unicast IPv6 Addresses) «110
43.4 Các địa chỉ IPv6 Anycast -.112 435 Các địa chỉ IPv6 Multicast c c:c+cct tri 112
4.4 Giao thức ICMP cho IPv6 S3, 1489613013808464EE9946886150103100/801981010891Á0195600011008 114
4:4.1 Bản lin:thông báo lỗi: CMPN aseeiebaiBiisaiilAEiAdAlGiE510 a1 36005180256 115 4:4:2: Bãn 1initiöfig,tfÄIGMPVĐ ae beotglitifGGNGUGIROEABRHSSDBRRGSNBbisgge 116 4.5 Giao thức khám phá láng giềng 117 4.5.1 Bản tin yêu cau láng giềng (Neighbor Solicitation Message) 118 119 120 122 4.5 2 Bản tin thông báo láng giềng (Neighbor Advertisement Message) 4.5.3 Bản tin thông báo bé dinh tuyén (Router Advertisement Message)
4.5.3.1 Các tiền tố tùy chọn được thông báo trong các bản tin RA 4.5.3.2 Tùy chọn máy chủ hệ thóng tên miền đệ quy được thông báo
trong các bản tin RA :-ccS ch HH1 221 h2 0g về 123
4.5 4 Bản tin yêu cầu bộ định tuyến (Router Solicitation Message) 2 124
4.5 5 Bản tin chuyén huvéng (Redirect Message) 125
4.5 6 Cơ chế phát hiện không thể kết nối được láng giềng - - 125 4.6 Can Bang talis -.-.-:-onserenesntee SUS Gee cE 126
4.7 Tự động cấu hình IPv6 126
4.7.1 Xây dựng địa chỉ liên kết cục bộ 127 4.7.2 Quá trình tự động cầu hình phi trạng tháii 0t 22c 128
4.7.2.1 Xây dựng các địa chỉ IPv6 Ủnicasl .cccccseee 128
4 7.2.2 Quá trình phát hiện địa chỉ trùng lặp DAD
Trang 12S:1.:\ COC tHhUat NWP a csscsssccscsvestnsnnnsarearssnoneedsnentccsnasnetesssessenmnedeacoconsnnancinenneionaneecnngnieetneviss 134
5.2 Lớp thích ứng 6LoWPAN ch HH anh H86 z0E 136 5:2:1/Tiêu đề địa Ghỉ TríaD lƯỚiiesginnaBiiabEES 00510810134 00g0) 304014060464 25800251801 & «139
6.22): Sr phan Manh cnccermareones aa eR ROR ERED 142
5.2 3 Nén tiêu đề 6LoWPAN ào Heo ee auth 143
5.2 3 1 Nén tiêu đề sử dụng LOWPAN_HC1 - 000cc Si 143
5.2.3.2 Nén tiêu đề sử dụng HC_UDP (HC2) Street 145 5.2.3.3 Kỹ thuật nén cải tiền 6LoWPAN và nén dựa trên chia sé
ngữ cảnh trạng thái -. - series " 148 6:2:4:4 Nhận:dạng ri GẮN cossosoasiiiisindiEDAkiEGiIOL16g 08100669880 08503016.0H3AE 152
5.2.3.5 Nên tiêu đề IPv6 kế tiếp
5.2.3.6 Nén tiêu đề UDP sử dụng LOWPAN_NHC 5.2.3.7 Nén tiêu đề của địa chỉ Multicast - :-cc2ccczccccrerrrrcrrrrrree 156 Tổng kếttGHƯỚTNH'5coaasennnniiniddininnA1nitl4LiDi000201103011000110860160001145161058l610006130014030101641 158 Chương 6: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN RPL 0 2 2222222 222122212211 222 rre 159 6.1 Giới thiệu
6.2 Khái niệm về các mạng tồn hao và công suất thấp
6.3 Các yêu cầu đối với giao thức định tuyến trong mạng cảm biến
không dây 161
6.4 Các thước đo định tuyên trong mạng cảm biên không dây . 164
6 4.1 Cac thước do định tuyến tổng hợp và các thước do định tuyến
ĐH giiÍllÍ:,› 20g 00 GGGGIGNGRIGSNGALxĂ306sayGIGSUIRQRSSĐSuS8Bitiga 166 64.2 Các thước đo toàn cục vả các thước đo cục bộ 166 6.4.3 Tiêu đề chung cho các thước đo và ràng buộc định tuyến - 168
6.4.4 Đối tượng thuộc tính và trạng thái của nút “an 167 6.4.5 Đối tượng năng lượng của nút - - cà se Hiehe tee „B7 6.4.6 Đối tượng số bước nhảy
6.4 7 Đồi tượng thông lượng
6.4.8 Đối tượng độ trễ
6.4.9 Đối tượng độ tin cậy của liên kết - 5-22 22t 12 22212 reo 169
6.4.10 Thuộc tinh mầu liên kết ¿2-1 2t22222211221221211211212112222122121 tr cớ 170
Trang 13170 172 6.5 Hàm mục tiêu 6.6 Giao thức định tuyên RPL
B'B”'T; ME SỐ thiết HHỮicuonngont1018568101108 0000001803 [601 i52508301440081X60106.044 001001402008 172
6.6.2 Giới thiêu về giao thức RPL 175
§ 6.3 Sử dung nhiều DODAG và khái niêm về RPL Instanee - -5-+ 178
6.6.4 Các bản tin điều khiển RPL 52-2222 22212222222212211.2E1 <1 rtrrrrrrrrree 179
GOA 1 CAGHWONG DAOINAt RP bevescssvccuccsrscusesrevsncesonsversasosnstesusessecevamsaecsveresesave 182
6:6:4:2: Cáo bảntnTDIStocsesnesessoigotdigtlioiosttis4t8538016480568:0-t80541814ãS18000008188433% 183
6.6.4.3 CAC DAN HIN 184
6;6›4:4., Gác: BAN TIA DAO iesscesssenvenersecreonnseevnoncoasaneasnaronpnesencconansensicanesannenuneseciene 186 6.6.4.5 Các bản tin DAO-ACK 187 6.6.4.6 Các tủy chọn trong bản tin điều khién RPL 189 DI 1e j0 nJn"“ 202 6 6.6 Quá trình xây đựng RPL DODAG 202 6.6.7 Sự dich chuyển của một nút trong một DODAG và giữa các DODAG 6.6.8 Điền các bảng định tuyến dọc theo DODAG sử dụng bản tin DAO 6 6.9 Cơ chế tránh và phát hiện vòng lặp trong RPL .- 5-5 ccccccccexeree 6.6.9 1 Tránh vòng lặp .- - St H.1212121122 2c ee1440111 x2 211 6 6.9.2 Cơ chế phát hiện vỏng lặp RPL 2t 2tr 213
B;6:10 Sửa Chữa toàn:Cúc Vài CÚC ĐỖ cessseasseiskiissiiiiáAiA60 05-101 035042088 008801 606448880 213
66.11 Đinh tuyến liễn kể với RPL cc nung 1e, 218 6.6.12 Quan ly bé định thời RPL ce ee 219 Téng két chuong 6
Chương 7: GIAO THỨC LỚP ỨNG DỤNG CoAP .ccsiccccev 222 7.1 Giới thiệu Siêu Ga (On GIONEEENGIIGISINRAEESSiOtaxasgrund 222
7.2 Giao thức CoAP
7.2.1 Các yêu cầu và đặc điểm đối với giao thức CoAP
#:0:2 Mô hình:hoạt động Của 'GGAP: sácoassiioisiitaddiktliii18/414//2141406061616/64488 224
7.2 3 Định dạng bản tin CoAP
Trang 147.2.4.1 Bản tin yêu cầu báo nhận (CON) sò 228
7.2.4.2 Bản tin không yêu cầu báo nhận (NON ) 022cc 228
7:2:4.8) Bail tit’ ba TREN (ACK) scrnccgsscn camara Bee 228
†22:4:4: Bàn UWIEP18p 8I/(RST)Iisssideitggtdolliisidssnboglsisqetgia tagze 229 7.2.5 Định nghĩa các phương thức trong giao thức CoAP _¬ -
7 2.5.1 Phương thức GET cọ nọ nhanh 229
?/2,58:2 Phương thức POST wissncssevssrcesnersssvernsnsssiencssvonseanesxonnensnnas centvenenssoeneraniennne 229 7:2:5.3: Phương thức PUT :‹cccsniaiiniedang dữ G gu ác 0141001152540 014115 88g 03236 229
72:5:4: Phương thức DELETE-:sxccccc02000216 500000 No gà SE gã u81 01350096 230
7.2.6 Ánh xạ giữa CoAP và HTTP - 2 tren 230
7.2.6.1 Ánh xạ từ CoAP sang HTTP óccccccsstsetierrserrrrrreerc., co 230 T:2:6:2 Ảnh Xe từ HTTTP sang COÁP txeeiondngha Hà hang An cu 04 34850445606188 wv B31
7.3 Một số đánh giá hiệu năng của giao thức CoAP cho
14
mạng cảm biến không dây
7.3.3 Thời gian đáp ứng
Tổng kết chương 7
Tài liệu tham khảo
7.3.1 Số byte được chuyển giao trong mỗi giao dịch client-server + 233
Trang 15Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ - MANG CAM BIEN KHONG DAY
Trong chương này, chúng ta cùng tìm hiểu khái niệm về mạng cảm biến
không dây và những thách thức đặt ra cho các mạng cảm biến không dây hiện nay Các cơ chế truyền thông cơ bản cho mạng cảm biến không dây cũng được giới thiệu Các nút cảm biến không dây truyền thông với nhau qua chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4 Đây là một chuẩn truyền
thông không dây có tốc độ dữ liệu thấp và phù hợp với các ứng dụng của
mạng cảm biến không dây hiện nay
Những đặc điểm về cấu trúc phần cứng, phần mềm của nút cảm biến không dây cũng như vấn đề tiêu thụ năng lượng của một nút cảm biến
không dây cũng được thảo luận chỉ tiết tại chương này Phần cứng và phần
mềm của nút cảm biến không dây phải cộng tác với nhau như thế nào để có
thể tiết kiệm được năng lượng Trong một nút cảm biến không dây, bộ thu
phát vô tuyến là thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất Phần cuối
chương sẽ giới thiệu một số cơ chế nhằm quản lý công suất bộ thu phát vô
tuyến của nút cảm biến không dây nhằm tiết kiệm năng lượng và kéo dài khoảng thời gian tồn tại của mạng
1.1 KHAJ NIEM VE MANG CAM BIEN KHONG DAY
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) la một kết cấu hạ
tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền
thông nhằm cung cấp cho người quản tri khả năng đo đạc, quan sát và tác
Trang 16động lại với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường xác định Các
ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng Các nút mạng
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường được phân bó trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến
vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi
trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao, )
Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được
minh họa ở hình I.1 Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến
dữ liệu đến một Sink/Gateway và người dùng cuối Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật
truyền đa chặng Sink có thể truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tính hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX ) hoặc không cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối Lưu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều người đùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình 1.1 Internet & Task Manager| Node User
Sensor Field ~~ Sensor Nodes
Hình 1.1: Mang cảm biên không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến
Trang 17Trong các mạng cảm biến không dây các nút cảm biến có cả hai chức năng đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu Do vậy,
vi(e truyền thông có thế được thục hiện bởi hai chức năng đó là:
e_ Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và
thực hiện truyền thông đề gửi dữ liệu của chúng đến Sink
© Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc
chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế
tiếp trong tuyến đường đa chặng đến Sink
1.2 NHUNG THACH THUC DOI VOI MANG CAM BIEN KHONG DAY
1.2.1 Những thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng cảm biến không dây những thách thức chính ở cấp độ nút cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành Công suất tiêu thụ là một yếu tố quan trong đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguôn năng lượng thấp bên ngoài Kích thước vật lý cũng rat quan trọng bởi vì các yếu tố kích thước và hình thức quyết định đến các ứng dụng tiềm năng (cho mạng cảm biến không dây, các nút mạng cám biến không dây phải có kích thước nhỏ gọn Giá thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cám biến không dây bởi vì mạng cảm biến không dây thường được triển
khai với quy mô lớn Với việc triển khai hàng ngàn các nút mạng cảm biến thì việc tiết kiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phép tiết kiệm
được một khoản tiền đáng kể
H:ạn chế nghiêm trọng trong vấn để tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến vitệc thiết kế phần cứng, phân mềm giao thức mạng và thậm chí cả kiến
trúc mạng Dối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các
linh kiiện phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò
cũng; mhư hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng Phần mềm chạy
trên c:ác nút cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng
khômg; sử dụng và đặt các thành phần phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều
Trang 18biến có thể chạy hệ điều hành và nó cung cấp các cơ chế hoạt động công suất thấp giúp tiết kiệm năng lượng
Van dé hiệu quả năng lượng ảnh hưởng dáng kể đến kiến trúc mạng cũng như việc thiết kế các giao thức mạng Bởi vì quá trình truyền thông tiêu tốn nhiều năng lượng nên điều quan trọng là định hướng các kiểu truyền thông để chúng sử dụng hiệu quả tài nguyên sẵn có Dé giúp các giao
thức mạng làm được điều này, phần cúng và phần mềm cần biết được thông
tin về sự tiêu hao năng lượng và cung cấp thông tin này dén các tầng mạng
Ngoài ra, để tiết kiệm năng lượng người thiết kế hệ thống cần phải đặt các thiết bị phần cứng ở ché độ ngủ càng nhiều càng tốt Tuy nhiên, chế độ ngủ cũng ảnh hưởng đến trễ truyền thông của hệ thống theo những cách khác
nhau mà rất khó có thể dự đoán trước được
Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà
thiết kế phần cứng lẫn phần mềm Đối với các nhà thiết kế phần cứng
thì ảnh hưởng ở đây là các phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn,
số lượng các linh kiện cần phải ít, mỗi linh kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền Những ảnh hưởng đối với các nhà thiết kế phần mềm là
it rd rệt hơn Với chi phí thấp, kích thước vật lý nhỏ, công suất tiêu thụ thấp thì các bộ vi xử lý mà trên đó các phần mềm hoạt động trở nên nhỏ gọn hơn, tốc độ tính toán và kích thước bộ nhớ của các bộ vi xử lý cũng
bị giảm bớt Các nhà thiết kế phần mềm cho một hệ thông mang cam bién không dây thưởng chỉ có vài ngàn Byte bộ nhớ để làm việc so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte bộ nhớ trong các hệ thống máy tính thông dụng Do đó, phần mêm cho các nút mạng cảm biến không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải có khả năng chạy trong một môi trường hạn chế nghiêm ngặt vẻ tài nguyên
Những hạn chế về nguồn tài nguyên đó ảnh hướng lớn đến cấp độ nút
cũng như cấp độ mạng Với những hạn chế vẻ bộ nhớ trong mỗi nút mạng
Trang 191.2.2 Những thách thức ở cấp độ mạng
Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức
ở cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biến
không dây
Mạng càm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các nút tham gia vào hệ thong và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút Trong
nhiều trường hợp, các nút cảm biến không đây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều điểm thu thập riêng biệt Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến
Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Định tuyến là quá trình mạng xác định
những tuyến đường nên đi để truyền bản tin qua mạng Định tuyến có thể được thực hiện hoặc là tập trung hoặc là phân tán Với định tuyên tập trung
thì một máy chủ tính toán bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, còn với định tuyến phân tán thì mỗi nút thực hiện tự quyết định lựa chọn tuyến
đường đề gửi mỗi bản tin
Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng
đến cả hiệu năng mạng xét về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc độ dữ liệu để có thê vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng và hơn hết là khoảng thời gian tồn tại của mạng được đảm bảo Trong mạng
cảm biến không dây, việc truyền thông tin đòi hỏi năng lượng Các nút thực
hiện truyền thông tin nhiều sẽ mất năng lượng nhanh hơn so với các nút
khác thường ở chế độ ngủ Vì vậy giao thức định tuyến phải lựa chọn dầy
dủ thông tin khi lập kế hoạch vận chuyên bản tin qua mạng
Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn thông tin định tuyến thì nó yêu cầu các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất Thông tin này đòi hỏi cần phải có bộ nhớ Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế Vì vậy giao thức định tuyến phải
lựa chọn một cách kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút
lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác
Trang 20Trong kênh truyền thông vô tuyến công suất thấp thì không chắc chắn rang
nêu một bản tin đã được gửi đi bởi một nút thi bản tin đó sẽ nhận được bởi
một nút đích được dự kiến trước trong mạng Ban tin nay có thể bị gián đoạn
hoặc có thể bị chặn hoàn toàn bởi một vật lớn bằng kim loại vừa được đặt
giữa phía gửi và phía nhận Ngay cả khi bản tin khơng hồn tồn bị chặn thì các bit của nó có thê bị thay đổi trên đường truyền
Tính chất không đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là
"tổn hao" Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng
cảm biến không dây Ngay cả khi các nút mạng cảm biến sử dụng công
nghệ thông tin liên lạc khác có ít tốn hao hơn thì cũng cần phải chuẩn bị cho tình huống xấu nhất để mạng có thể hoạt động ôn định trong tat cả các
trường hợp đó là mạng có tôn hao và mạng không có tổn hao
Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là một thách thức đối
với các giao thức định tuyến Các giao thức định tuyến phải tính toán vấn đề
tổn hao khi quyết định tuyến đường dé truyền các bản tin và có thể bản tin
cần phải được gửi lại Các bản tin sẽ được định tuyến sao cho những nguy
co bj mat mat ban tin là thấp nhất Nhưng nếu một bản tin được truyền qua
một tuyến đường xảy ra việc mất dữ liệu thì bản tin cần được gửi lại một vài
lẫn trong trường hợp bản tin không thể gửi được qua mạng trong lần thử
đầu tiên
Tổn hao là một thuộc tính khó xác định, đặc biệt là trong các mạng
không dây Tổn hao bị ảnh hưởng bởi các yếu tổ môi trường như nhiệt độ
và độ ẩm của không khí cũng như môi trường vật lý xung quanh của các
mạng cảm biến không dây Ví dụ, nếu một lò vỉ sóng được bật lên, các
trường điện từ mà nó tạo ra có thé can thiệp vào băng tần truyền không dây
2.4GHz Tuong tự như vậy, một mạng máy tính WiFi có thê ảnh hướng tới
một mạng cảm biến không dây, do đó các mạng cảm biến không dây thường
bị mất dữ liệu nhiều hơn vào ban ngày, khi mà mọi người đang sử dụng mang WiFi hơn là vào ban đêm Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây cần phải được chuân bị trước cho những vấn đề này
Tính chất quy mô lớn của các mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêm việc định địa chỉ các nút Trong một mạng quy mô lớn, mỗi nút phải
có địa chỉ riêng để các bản tin có thể được gửi tới nó Các địa chỉ cần có độ
Trang 21riêng biệt Và thậm chí nều mạng có quy mô nho thì nó có thể tương tác với các nút khác bên ngoài Trong trường hợp này, địa chỉ của các nút trong hai
mạng phái là duy nhất
Vì số lượng các mạng cảm biến không dây có thể tương tác với các mạng khác bên ngoài ngày tăng, nên chúng ta cần phải chuẩn bị cho quy mô phat trién theo cấp số nhân Do đó cơ chế định địa chỉ cho các mạng cảm
biến không dây phải xác định duy nhất vài triệu, thậm chí vài tỷ các nút
mạng riêng biệt
Việc quản lý mạng déi với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là
một thách thức vô cùng khó khăn Với mạng cảm biến không dây có thể bao
gồm hàng ngàn nút thì việc thực hiện quản lý mạng theo cách truyền thông không thể áp dụng ngay được Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi sự điều chỉnh cơ sở hạ tang mang thủ công bởi một quản trị viên hệ thống, Với các mạng cảm biến không dây ở dang Ad-hoc, mang phải được chuẩn bị để
tự quản lý chính nó mà không có bat ky sy điều hành mạng nào của con người Ngoài ra, trong mạng máy tính truyền thống, mỗi máy tính kết nối mạng có thể yêu cầu cấu hình thủ công hoặc bán thủ công Ví dụ như người dùng ở các máy tính có thể cần phải nhập mật khẩu để truy cập mạng Đối với mạng cảm biến không dây thì điều đó là không khả thi khi cho một người nhập mật khấu vào từng nút mạng cảm biến tại các thời điểm khi cần truy cập mạng
Cuối cùng, một mạng cảm biến không dây phải cung cấp các cơ chế truy cập từ bên ngoài Có những trường hợp mà một mạng cảm biến không
đây được sứ dụng cô lập, nhưng thông thường các dữ liệu tạo ra bởi các mạng cảm biến không dây cần phải được lấy ra để xử lý hoặc được lưu trữ ở
một nơi khác Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây cần phải được cấu
hình lại hoặc thay đổi trong quá trình hoạt động Trong cả hai trường hợp,
các mạng cảm biên không dây phải cho phép truy cập được từ bên ngoài
1.2.3 Sự chuẩn hóa
Tiêu chuẩn là một yếu tô then chốt đối với sự thành công của các mạng
cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi số lượng lớn các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn được biết đến
Trang 22cùng quan tâm đóng góp về mặt công nghệ Các công nghệ sản xuất khác
nhau có những tiêu chuẩn khác nhau Một nhà sản xuất thiết bị cảm biến
chuyên về cảm biến độ âm chính xác cao có thể không quan tâm đến các hệ
thống công nghệ thông tin Tuy nhiên, ca hai phải làm việc cùng nhau trong hệ thống tòa nhà tự động, ở đó các cảm biến độ âm tạo ra đâu vào cho việc kiểm sốt mơi trường trong tồ nhà Hệ thống kiểm soát môi trường được điều khiển bởi một hệ thống công nghệ thông tin tiên tiễn, chúng tiếp nhận
đầu vào từ các cảm biến độ âm
Nếu không có sự chuẩn hóa thì các nhà sản xuất thiết bị và các nhà tích hợp hệ thống cần phải xây dựng toàn bộ hệ thông đối với mọi hệ
thống mới được cài đặt Ngoài ra, nhà sản xuất và nhà tích hợp sẽ sử
dụng một công nghệ độc quyền từ một nhà cung cấp riêng lẻ Công nghệ
độc quyền này có thể cung cấp các lợi ích trong thời gian ngăn, nhưng
nó làm cho nhà sản xuất và nhà tích hợp đều gặp khó khăn trong việc
phát triển hệ thống của họ vượt ra ngồi cơng nghệ độc quyền bởi các
nhà cung cấp Ngoài ra, khi công nghệ này là độc quyên thì các nhà cung câp công nghệ sẽ điều khiển tương lai của công nghệ chứ không
phải là các nhà sản xuất và các nhà tích hợp
Với việc chuẩn hóa công nghệ thì công nghệ là độc lập với nhà cung cấp nhà sản xuất và người dùng Bất kỳ nhà cung cấp nào đều có thể lựa
chọn để cung cấp các hệ thống dựa trên công nghệ Các nhà sản xuất thiết
bị các nhà tích hợp hệ thống có thể lựa chọn đề xây dựng hệ thống của họ
dựa trên công nghệ từ bất kỳ nhà cung cấp nào
Tiêu chuẩn hóa công nghệ có một ưu điểm lớn đó là việc chấp nhận các điều khoản Khi công nghệ được chuẩn hóa thì các nhà cung cấp, nhà sản xuất và các nhà tích hợp hệ thống có thé dé dang chon các công nghệ mà không có rủi ro từ các nhà cung cấp chính nữa
Vấn để chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách
thức không chí về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công
nghệ tử công nghệ truyền thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định
Trang 23Đối với các nút cảm bién không đây khi bat kỳ công nghệ mới nảo xuất
hiện thì một số tiêu chuẩn và các chị dẫn kỹ thuật phi tiêu chuẩn cũng được tạo ra Các chỉ dẫn kỹ thuật này bao gồm từ những chỉ dẫn kỹ thuật cho các
giao thức vô tuyến công suất thấp đến các họ giao thức đầy đủ Mặc dù các
chị dẫn kỹ thuật này cung cấp một giải pháp kỹ thuật khả thi cho nhiéu ứng dụng cụ thê nhưng tỉnh trạng phi tiêu chuân hoặc độc quyền của chúng vẫn
là một vấn đề cần quan tâm dối với nhiều nhà cung cấp và nhà sản xuất, 1.2.4 Khả năng cộng tác
Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung
cấp khác nhau có thể hoạt động cùng nhau Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữa các nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ
sở hạ tầng mạng hiện có
Khí được chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộng tác ở nhiều mặt Các nút cảm biến phải tương thích với nhau từ lớp vật lý
cho đến lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị từ các hãng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau Ở cấp độ vật lý, các nút cảm biến không dây phải thong nhất trên các vấn đề như là tần số vô tuyến để thực hiện truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu được truyền Ở cấp độ mạng, các nút phải thống nhất vẻ định
đạng thông tin được gửi và nhận trên các kênh vật lý cũng như các nút
mạng được đánh địa chỉ như thế nào, các ban tin sẽ được vận chuyền qua
mạng bằng cách nào Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút cảm biến phải chia sẻ một quan điểm chung là cách thức để đữ liệu được gửi vào hoặc lấy ra từ mạng cảm biến không dây, cũng như làm thế nào để nút cảm biến có thê được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài
Những thách thức về khả năng cộng tác còn ở trong những quy định kỹ
thuật đối với các nút cám biến không đây cũng như trong việc chuân hóa,
thực thi và kiểm tra Để đạt được khả năng cộng tác, bắt buộc các kiến trúc kỹ thuật của mạng cám biến không dây cần được xác định để sao cho khả
năng cộng tác được dễ dàng Nếu các kiến trúc kỹ thuật không cho phép khả năng cộng tác hoặc khiến khả năng cộng tác phức tạp thì sẽ rất khó khăn để
Trang 24thực hiện chuẩn hóa phải là một mối quan tâm chính Sau khi việc chuẩn hóa hoàn thành, cân kiểm tra và chứng nhận sự đảm bảo khả năng cộng tác
giữa các thiết bị và các nhà cung cấp khác nhau
Cũng như sự chuẩn hóa thì khả năng cộng tác đặt ra một số thách thức
cho mạng cảm biến không dây Thứ nhất là kiến trúc kỹ thuật cho mang cam
biến không dây vẫn còn là một van đề mở Trong cuốn sách này, chúng ta
chọn kiến trúc kỹ thuật cho mạng cảm biến không dây là kiến trúc IP Thứ
hai là mặc dù một số tiêu chuẩn cho mạng cảm biến không dây vẫn đang được phát triển nhưng các tiêu chuẩn đã tồn tại vẫn có thể được sử dụng lại
1.3 KIÊN TRÚC NGĂN XÉP GIAO THỨC CỦA MẠNG CẢM BIEN KHÔNG DÂY
Kiến trúc ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi Sink và các nút cảm
biến được minh họa ở hình 1.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kết
hợp giữa vấn đề năng lượng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng
lượng, các giao thức tổng hợp dữ liệu và truyền thông hiệu quả năng lượng qua môi trường không dây Kiến trúc ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp ứng dụng, cũng như các mặt phăng đồng bộ, mặt phăng định vị, mặt phẳng quản lý cấu trúc liên
kết mạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di động và mặt
phẳng quản lý nhiệm vụ Lớp vật lý xác định các yêu cầu cần thiết đó là các
kỹ thuật điều chế, truyền dẫn, tiếp nhận dữ liệu Bởi vì môi trường có nhiễu
và các nút cảm biến có thể di động, nên lớp liên kết có trách nhiệm đảm bảo
việc truyền thông tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiển lỗi và quản lý truy
nhập kênh thông tin thông qua lớp MAC dé han chế tối đa xung đột với các
bản tin quảng bá của nút lân cận Tùy thuộc vảo các nhiệm vụ cảm biến thì
các chương trình ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và được sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu từ lớp giao vận Lớp giao vận giúp duy trì dòng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Thêm vào đó là các mặt phẳng quản lý năng lượng, di
Trang 25các nút cảm biến phối hợp với nhau trong việc cảm nhận môi trường và giảm tổng năng lượng tiêu thụ
upolagy Management Plane | Localization Plane Application Layer a * š Transport Laver =; 3 a's E¬—— — 3 š Network Laver 3 ' = x.ã Ậ x Data Link Layer Juv /q Mawasouvp 12-2 J Physical Laver
Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xép giao thức mạng cảm biển không dây
Mặt phẳng quản lý năng lượng quan lý việc sử dụng năng lượng của một
nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhận được một bản tin từ một nút lân cận Việc này nhằm tránh việc nhận được các bản tin
trùng lặp Ngoài ra, khi mức năng lượng của một nút cảm biến xuống thấp thì
nút cảm biến sẽ thông báo quảng bá đến các nút lân cận để các nút lân cận biết
rằng năng lượng của nó đang ở mức thấp và nó không thẻ tham gia vào việc định tuyến các bản tin Năng lượng còn lại chỉ dé dành riêng cho việc cảm
nhận và truyền dữ liệu của riêng nút đó Mặt phẳng quản lý di động phát hiện
và đăng ký sự di chuyển của các nút cảm biến, do đó một tuyến đường đến người dùng cuối luôn luôn được duy trì và các nút cảm biến có thể theo dõi các
nút lân cận của chúng Bằng việc nhận biết các nút lán cận thì các nút cảm biến
có thể cân bằng giữa việc sử dụng năng lượng và nhiệm vụ của chúng Mặt
phẳng quản lý nhiệm vụ cân bằng và lập lịch các nhiệm vụ cảm nhận cho một
khu vực cụ thẻ Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đó được yêu
cầu thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm Kết quả là, một số nút cảm biến thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn các nút khác, tùy thuộc vào mức năng
Trang 26lượng của chúng Những mặt phẳng quán lý này là cần thiết dễ các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau sao cho chúng đạt được hiệu quả cao nhất về
năng lượng, về định tuyến dữ liệu trong mang cảm biến và chia sẻ tải nguyên
giữa các nút cảm biến Nếu không có các mặt phẳng quản lý này thì mỗi nút
cảm biên chỉ có thể làm việc riêng lẻ Từ góc độ toàn mạng thì sẽ hiệu quả hơn
nếu các nút cảm biến có thể cộng tác với nhau nhờ đó thời gian tồn tại của
mạng có thể được kéo dải
1.3.1 Lớp vật lý
Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tân số, tạo tần số sóng mạng, phát hiện tín hiệu và điều chê dữ liệu
1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép các dòng dữ liệu, phát hiện
khung đữ liệu, điều khiển lỗi và điều khiển truy nhập kênh truyền Nó đảm
bảo sự tin cậy của các kết nỗi điểm - điểm và điểm-đa điểm trong mạng 1.3.2.1 Điều khiển truy nhập kênh truy én
Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đa chặng và tự tổ chức cần phải đạt được hai mục tiêu Mục tiêu thứ nhất là
tạo cơ sở hạ tầng mạng Bởi vi hang trăm nút cảm biến có thé năm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm biến, nên cơ chế MAC cần phải thiết lập các liên kết truyền thông đề truyền dữ liệu Điều này tạo thành
cơ sở hạ tầng mạng cân thiết cho việc truyền thông không dây đa chặng
và cung cấp khả năng tự tổ chức Mục tiêu thứ hai là chia sẻ hiệu quả các tài nguyên truyền thông giữa các nút cảm biến Những tải nguyên này bao gồm thời gian năng lượng và tần số Trong suốt một thập kỷ qua một số giao thức MAC da duoc phat triển cho các mạng cảm biên không dây để giải quyết những yêu cầu này
Với bất kể một cơ chế truy nhập kênh truyền nào thi van dé hiệu quả
năng lượng là vô cùng quan trọng Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trợ các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến Việc bảo
Trang 27phương pháp tiết kiệm năng lượng này dường như có lợi đáng kể cho việc
tiết kiệm năng lượng nhưng nó có thê cán trở việc kết nối mạng Sau khi bộ
thu phát tắt thì nút cảm biến không thể nhận được bắt kỳ gói tin nào từ các
nút lân cận bới vì nó bị ngắt kết nối mạng Ngoài ra, việc bật và tắt bộ thu
phát vô tuyến đều có một chỉ phí về năng lượng tiêu thụ do các thủ tục khởi động và tắt bộ thu phát vô tuyến đều yêu cầu cả về phần cứng và phần mềm Có một số chế độ hoạt động hữu ích khác cho nút cảm biến không dây tùy
thuộc vào số lượng các trạng thái của bộ vi xử lý bộ nhớ, bộ chuyển đổi A/D và bộ thu phát Mỗi chế độ này được đặc trưng bởi năng lượng tiêu thụ,
thời gian trễ đẻ chuyền đổi giữa các chế độ năng lượng đó
1.3.2.2 Điều khiển lỗi
Một chức năng quan trọng của lớp liên kết dữ liệu là điều khiển lỗi
(Error Control - EC) Hai chế độ quan trọng của phương thức điều khiển lỗi trong các mạng truyền thông là sửa lỗi trước (Forward Error Control - FEC), yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request - ARQ) và ARQ
lai Lợi ích của ARQ trong các ứng dụng mạng cảm biến bị hạn chế do việc
tôn hao năng lượng khi truyền lại và việc giải mã cũng phức tạp hơn ở FEC, cũng như các khả năng sửa lỗi cần phải được xây dựng Do đó, các mã điều
khién lỗi đơn giản với việc mã hóa và giải mã ít phức tạp có thể là các giải
pháp hiện tại tốt nhất cho các mạng cảm biến Để thiết kế một cơ chế như vậy thì điều quan trọng là phải hiểu rõ về các đặc tính kênh truyền và các kỹ
thuật thực hiện
1.3.3 Lớp mạng
Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm
biến có thể ở gần hoặc ngay trong hiện trường như được chỉ ra trong hình
1.1 Thông tin thu thập được liên quan đến hiện trường được truyền đến Sink có thể được đặt xa so với trường cảm biến Tuy nhiên, phạm vi truyền
thông của các nút cảm biến bị hạn chế đã không cho phép việc truyền thông
trực tiếp giữa mỗi nút cảm biến với Sink Điều này đòi hỏi các giao thức
Trang 28đụng các nút cảm biến trung gian để thực hiện chuyển tiếp Các kỹ thuật
định tuyến hiện có đã được phát triển cho các mạng Ad-hoc không dây
thường không phù hợp với các yêu cầu của mạng cảm biến Lớp mạng của các mạng cảm biến thường được thiết kế theo quy tắc sau đây:
e _ Vấn để hiệu quả năng lượng luôn là vấn đề được quan tâm nhất
e Các mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
© _ Ngồi việc định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp các dữ liệu từ các nút lân cận thông qua việc xử lý cục bộ
© _ Do số lượng lớn các nút trong một mạng cảm biến không dây nên có thể các nút không có nhận dạng duy nhất và chúng có thê cần phải được
đánh địa chỉ dựa trên dữ liệu và vị trí của chúng
Một vấn đề quan trọng đối với việc định tuyến trong các mạng cảm biến
không dây là việc định tuyến có thẻ dựa trên các truy vấn tập trung dữ liệu
Dựa trên các thông tin được yêu cầu bởi người dùng, các giao thức định tuyến sẽ xác định các nút khác nhau trong mạng để cung cấp thông tin yêu cầu Cụ thể là người dùng quan tâm nhiều hơn đến truy vấn một thuộc tính của hiện trường chứ không phải là truy vấn một nút riêng lẻ Ví dụ "các khu
vực có nhiệt độ trên 21°C" là một truy vấn phỏ biến hơn so với "nhiệt độ
đọc bởi nút số #47",
Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp kết nỗi liên mạng với các mạng bên ngoài chẳng hạn như các mạng cảm biến khác, các hệ thống chỉ huy, điều khiển và mạng Internet Các nút Sink có thể được sử dụng như một Gateway kết nối với các mạng khác, trong khi ở một trường
hợp khác chúng tạo ra một đường trục kết nối các nút Sink với nhau và kết
nối đường trục với các mạng khác thông qua một Gateway
1.3.4 Lớp giao vận
Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi mạng được truy cập qua Internet
hoặc các mạng khác bên ngoài Giao thức TCP với các cơ chế cửa số
Trang 29cảm hiến không dựa trên việc đánh địa chỉ toàn cầu Những cơ chế này
quan tâm đến việc đánh địa chị dựa trên dữ liệu hoặc vị trí được dùng dé xác định những điểm đến của các gói đữ liệu Các yếu tổ như năng lượng
tiêu thụ khả năng mở rộng và các đặc điểm như định tuyến tập trung dữ
liệu đặt ra yêu câu cần phải xử lý riêng ở lớp giao vận trong các mạng cảm biến Vì vậy những yêu cầu này đòi hói cân thiết phải có các kiểu giao thức lớp giao vận mới
Sự phát triển của các giao thức lớp giao vận là một nhiệm vụ đầy thách thức bởi vì các nút cảm biến bị ảnh hưởng bởi những hạn chế về phần cứng
như là năng lượng và bộ nhớ hạn chế Do đó, mỗi nút cảm biến không thể
lưu trữ một lượng lớn dữ liệu như một máy chủ trên mạng Internet
Để thực hiện việc truyền thông trong mạng cảm biến không đây thì các giao thức lớp giao vận yêu cầu hai chức năng chính đó là: Đảm bảo độ tin cậy và điều khiển tắc nghẽn Do tài nguyên hạn chế và chi phí cao về năng lượng đã ảnh hưởng đến độ tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối
đến điểm cuối được sử dụng trong các mạng cảm biến không dây Do vậy
cần thiết phải có các cơ chế đáng tin cậy Ngoài ra, tắc nghẽn có thể xuất
hiện bởi lưu lượng lớn dữ liệu được tạo ra trong suốt quá trình xảy ra các sự
kiện trong trường cảm biến Tắc nghẽn cần được giảm thiểu bởi các giao
thức lớp giao vận
1.3.5 Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng chính cũng như một số chức năng quản lý Ngoài các chương trình ứng dụng cụ thể cho mỗi ứng dụng thì các
chức năng quan lý và xử lý truy vận cũng nằm ơ lớp này
Kiến trúc ngăn xếp phân lớp ban đầu đã được thông qua đề xây dựng và phát triển các mạng cảm biến không dây do sự thành công của nó với Internet Tuy nhiên, những triển khai quy mô lớn trong các ứng dụng mạng
cảm biên không dây đã cho thây rằng kênh vô tuyến có tác động nhiều đến các giao thức lớp cao hơn Ngoài ra với tài nguyên hạn chế và tùy tính chất
từng ứng dụng cụ thể của mô hình mạng cam biến không dây dẫn đến các
giải pháp xuyên lớp nhằm kết hợp các lớp trong kiến trúc ngăn xếp giao thức
Trang 30Ngoài các chức năng truyền thông trong ngăn xếp phân lớp thì các mạng cảm biến không đây cũng được trang bị các chức năng đề hỗ trợ
hoạt động cho các giải pháp được để xuất Trong một mạng cảm biến
không dây, mỗi thiết bị cảm biến được trang bị một đồng hồ cục bộ Mỗi
sự kiện có liên quan đến sự hoạt động của thiết bị cảm biến bao gồm cảm nhận xử lý và truyền thông được kết hợp với thông tin định thời được điều khiển thông qua các đồng hỗ cục bộ Vì người dùng quan tâm đến
thông tin phối hợp từ nhiều cảm biến, nên thông tin định thời có liên
quan đến dữ liệu ở mỗi thiết bị cảm biến cần phải được thông nhất
Ngoài ra, mạng cảm biến không dây có thể sắp xếp thứ tự chính xác các
sự kiện được cảm nhận bởi các cảm biến phân tán từ đó mô hình hóa chính xác môi trường vật lý Những yêu cầu đồng bộ này đã dẫn đến sự phát triển các giao thức đồng bộ thời gian trong các mạng cảm biến không dây
Sự tương tác chặt chẽ với các hiện tượng vật lý đòi hỏi phải có các thông tin vị trí có liên quan Các mạng cảm biến không dây kết hợp chặt chẽ với các hiện tượng vật lý ở môi trường xung quanh Thông tin thu thập được cần phải được kết hợp với vị trí của các nút cảm biến để cung cấp cái nhìn chính xác về trường cảm biến Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng để theo dõi các đối tượng nhất định trong các ứng dụng giám sát Các ứng dụng này đòi hỏi thông tin vị trí để đưa vào các thuật toán theo dõi Ngoài ra, các dịch vụ dựa trên vị trí và các giao thức truyền thông cũng yêu cầu thông tin vị trí Do đó, các giao thức định vị đã được đưa vào ngăn xếp
tr uyén thông
Cuối cùng, một số giải pháp quản lý cấu trúc liên kết cũng cần phải có dễ
duy trì kết nối và vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây Các thuật toán quản ly cấu trúc liên kết cung cấp các phương thức hiệu quả cho việc triển khai mạng nhằm kéo dài thời gian tổn tại của mạng và phủ sóng thông tin một cách hiệu quả Ngoài ra, các giao thức điều khiển cấu trúc liên kết giúp xác định các mức công suất truyền cũng như thời gian hoạt động của các
Trang 31thành các cụm nhằm cải thiện khả năng mở rộng và cải thiện thời gian ton tại
của mạng
Bán chất sự phụ thuộc vào từng ứng dụng của các mạng cảm biến
không dây đã xác định một só thuộc tính đặc trưng riêng so với các giải pháp mạng truyền thông Mặc dù những nghiên cứu và triển khai ban đầu của các mạng cảm biến không dây tập trung chủ yếu vào việc truyền dữ liệu trong môi trường không dây nhưng một vài lĩnh vực ứng dụng mới
của mạng cám biến không dây cũng đã xuất hiện Chúng bao gồm các
mạng cảm biến và điều khiển không dây trong đó mỗi nút cảm biến có
thêm các thiết bị truyền động để chuyển đổi thông tin cảm nhận được
thành các hành động để tác động dến môi trường và các mạng cảm biến
đa phương tiện không dây hỗ trợ lưu lượng đa phương tiện bao gồm các thông tin âm thanh và hình ảnh Ngoài ra, hiện trường mạng cảm biến không đây gần đây đã được áp dụng vào trong các môi trường hạn chế
như thiết lập mạng dưới nước trong lòng đất và tạo ra các mạng cảm
biến không dây dưới nước và trong lòng đất Những lĩnh vực nghiên cứu mới này đặt ra những thách thức mới bỏ sung mà chưa được quan tâm xem xét bởi một số giải pháp đã được phát triển cho các mạng cảm biến không dây truyền thống
Sự linh hoạt khả năng chịu lỗi cảm nhận độ trung thực cao, chi phí thấp và một số đặc điểm triển khai nhanh chóng của các mạng cảm biến không dây đã tạo ra nhiều lĩnh vực ứng dụng mới cho việc cảm nhận từ xa
Trong tương lai một loạt các lĩnh vực ứng dụng này sẽ làm cho các mạng cảm biến trở thành một phan không thé thiểu trong cuộc sống của chủng ta
Tuy nhiên, việc thực hiện các mạng cảm biến này cần phải đáp ứng được
các yếu tố như khả năng chống lỗi kha năng mở rộng chỉ phí phần cứng, sự thay đổi cấu trúc liên kết mạng môi trường và năng lượng tiêu thụ Bởi
vì những ràng buộc này rất nghiêm ngặt và đặc thù cho các mạng cám biến nên các kỹ thuật mạng Ad-hoc không dây mới là rất cần thiết Nhiều nhà
nghiên cứu hiện đang tham gia vào việc phát triển các công nghệ cần thiết cho các lớp khác nhau của ngăn xếp giao thức mạng cảm biến
Trang 321.4 CÁC CƠ CHE TRUYEN THONG TRONG MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY
1.4.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây
Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thẻ được chia thành ba loại: Điểm - Điểm Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm
Mỗi mô hình truyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau
Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông này
Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây dựa trên ứng dụng của chúng Mạng cảm biến không dây được sử dụng dé đo các số
liệu cơ thể của các bệnh nhân khác nhiều so với một mạng cảm biến không
dây trong công nghiệp được sử dụng để giám sát độ rung của các Robot công nghiệp Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu các mô hình truyền thông này
1.4.1.1 Mô hình truy ên thông Điểm-Điểm
Mô hình truyền thông Điểm - Điểm diễn ra khi một nút mạng cảm biến
không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác Tuy nhiên, việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến
khác Trong hình 1.3, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau nhưng có hai nút mạng cám biến khác liên quan đến quá trình truyền thông,
bởi vì chúng chuyền tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền thông O O O O O Oo O oO
Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm
Trang 331.4.1.2 Mô hình truy ên thông Điểm - Đa điểm
Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm được minh họa như ở hình 1.4 Mô hình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và
có thể là tất cá các nút khác trong mạng Mô hình truyền thông này có thé
được sử dụng đề gửi một lệnh thiết lập đến các nút trong mạng
O ©
5 eo
© Oo Oo
Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm
trong mạng cảm biên không dây
Có nhiều hình thức truyền thông trong mô hình Điểm - Đa điểm Tùy
thuộc vào tình huồng khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là
khác nhau Nếu yêu cầu độ tin cậy cao thì giao thức truyền thông có thể
phải truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành
công được gói tin Nếu độ tin cậy không yêu cầu quá khát khe thì giao thức
truyền thông có thể không cần phải truyền lại bất kỳ bản tin nào và giao
thức truyền thông hy vọng rằng kênh truyền thông đủ độ tin cậy đê các bản tin có thể đến được các nút nhận
Nhiều cơ chế và giao thức đã được thiết kế đề thực hiện truyền thông Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không dây Dạng đơn giản của truyền
thông Diễm - Đa điểm là mạng tràn lan Điều này được thực hiện bằng cách
từng nút quảng bá bản tin được gửi đi Khi một nút lắng nghe được một bản
tin quảng bá được phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin
tới tắt cả các nút khác xung quanh nó Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại các bản
tin Hiệu quả của cơ chế này là bản tin cũng đến tat cả các nút trong mạng,
trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến
Trang 34Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợp
nhưng nó không phải là cơ chế đáng tin cậy Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc
xung đột cần được truyền lại Để đạt được độ tin cay trong truyền thông Điểm -
Đa điểm thì giao thức truyền thông phải phát hiện được các bản tin bị mat va phat lai chúng
Trickle là một cơ chế truyền thông Điểm - Đa điểm đáng tin cậy được thiết kế cho các mạng vô tuyến công suất thấp Nó sử dụng việc truyền lại định kỳ để đảm bảo các bán tin bị mat được phát lại Đề tránh việc quá tải
do có quá nhiều sự truyền dẫn trong mạng thì giao thức đã bỏ sung cơ chế để giảm số các bản tin được gửi Bằng việc gán cho mỗi ban tin một số thứ
tự, giao thức biết các nút nào đã nhận được bản tin Nếu một nút đang lắng
nghe một bản tin với số thứ tự cũ thì nút bắt kỳ xung quanh nó có thẻ phát
lại bản tin đó và đảm bảo ban tin nay đến được tất cả các nút
Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm cũng được sử dụng trong giao
thức định tuyến đề thiết lập một tuyến đường truyền thông Điểm - Điểm Ví
du, giao thức định tuyến AODV Điểm - Điểm sử dụng mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm đề tìm một đường dẫn đến đích
1.4.1.3 Mô hình truy ên thông Đa điểm - Điểm
Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm thường được sử dụng để thu
Trang 35Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể được sử dụng dé thu thập dữ liệu
cảm biến chăng hạn như nhiệt độ từ các nút trong mạng nhưng nó cũng được sử dụng truyền thông tin trạng thái các nút trong mạng Các nút gửi
các báo cáo trạng thái định kỳ tới Sink Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ
hiệu năng của mạng tới người quan sát bên ngồi
Trong truyền thơng Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink
trong mạng Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để đữ liệu có thể được gửi tới thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút
gửi Điều này cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao hơn
Đề thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc cây với gốc của nó ở nút Sink Sink thông báo sự có mặt của nó bởi
việc gửi lặp lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này
có bước nhảy bằng không tính từ nút Sink Các nút bàng xóm lắng nghe
kênh truyền và truyền lại các bản tin để thông báo chúng có bước nhảy là một tính từ nút Sink Lần lượt, các nút hàng xóm của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bước nhảy là hai tính từ nút Sink Với phương thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuôi cùng sẽ biết có bao nhiêu bước nhảy chúng phải trài qua được tính tử nút Sink và biết được các nút lân cận gần Sink hơn Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần
Sink hơn
Mặc dù phương thức xây dựng tuyến đường định tuyến dựa trên việc
đếm số bước nhảy là đơn giản nhưng nó cũng có một số vấn đề cần được
quan tâm Một nút với số bước nhảy rất ngắn đến Sink có thê nằm ở vị trí
phủ sóng rất kém trong khi một nút với nhiều bước nhảy tới Sink có thể ớ
vị trí phủ sóng rất tốt Dé gửi gói tin đến được Sink có thé sẽ tốt hơn khi
gửi gói tin đó tới nút có vùng phủ sóng tốt mặc dù có nhiều bước nhày tới
Sink hơn bởi vì gói tin có cơ hội nhận được cao hơn mà không phải truyền lại gói tin
Để tính toán chất lượng kênh truyền bên cạnh việc đếm số bước nhảy thì có một vài thước đo chỉ phí cho việc định tuyến Đa điểm - Điểm Woo đã khảo sát một vài thước đo và nhận thấy rằng thước đo dựa trên số lần
truyền kỷ vọng là sự lựa chọn tốt nhất Theo thước đo này, ETX (Expccted
Trang 36Transmissions) tính toán ước lượng số lần truyền và số lần truyền lại cần thiệt đề truyên gói tin tới Sink cho một tuyên đường Khi gửi một gói tin,
nút sẽ lựa chọn tuyến với số ETX nhỏ nhất ay 34 Se x Na nope TK Pa N84 Ag ee te c 19 e 5 19 3 hops ETX 43 Hình 1.6: ETX trong mạng có 5 nút
Ý tưởng của ETX được minh họa ở ví dụ sau Hình 1.6 minh họa một
mạng với 5 nút Nút A muốn gửi bản tin đến nút E
Con đường A-B-E có hai bước nhảy và con đường A-C-D-E có ba bước
nhảy Nếu nút A sử dụng số bước nhảy làm căn cứ như là thước đo cho việc định tuyến thì con đường A-B-E sẽ được lựa chọn Một thước đo dựa trên
ETX sẽ tính toán ETX của mỗi tuyến đường Số lần truyền kỳ vọng phụ thuộc vào chất lượng đường truyền giữa hai nút lân cận và có thể được ước lượng bởi việc gửi các gói tin thăm dò giữa các nút lân cận và đếm số lần
truyền gói tin Ở ví dụ trên, giả sử ETX cho mỗi cặp nút lân cận hoàn toàn
đã được đánh giá Giao thức định tuyến tính toán tổng số ETX cho các
tuyến đường tới đích Trong ví dụ này, tuyến A-B-E có ETX là 5,3; điều đó có nghĩa là trung bình một gói được gửi trên tuyến đường này yêu câu 5.3 lần truyền đề nó đến được đích Mặt khác, tuyến A-C-D-E có ETX là 4,3 ít hơn tuyên đường A-B-E Do vậy giao thức định tuyến lựa chọn tuyến A-C- D-E có ETX nhỏ hơn, ngay cả khi nó có số bước nhảy nhiều hơn
1.4.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các
Trang 37phát triển cho mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật
điện và điện tử (IEEE) Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ đữ liệu tối đa là
250.000 bit/s va công suất đầu ra tối đa ImW Các thiết bị IEEE 802.15.4
có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét Điểm chính trong các đặc
điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu phát chỉ phí
thấp và ít phúc tạp, điều này đã làm cho chuẩn IEEE 802.15.4 phổ biến với
mạng cảm biến không dây Nhiễu công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo
chuẩn IEEE 802 5.4
Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn IEEE 802.15.4 và sự sẵn có của các bộ thụ phat vô tuyến tương thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiều ngăn xêp vô tuyến công suất thấp đã được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 nhu la: WirelessHART, ISA100a, IPv6 va ZigBee
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
e_ Lớp vật lý: Chi rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh
truyền vô tuyến vật lý như thế nào
« Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý sẽ được xử lý như thé nao
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 đã xác định rõ một vài cơ chế ở lớp vật lý
và lớp MAC nhưng không phải tất cả mọi chỉ dẫn đều được sử dụng rộng rãi Ví dụ chuẩn WirelessHART sử dụng các chỉ dẫn lớp vật lý và định
dạng tiêu để gói tin ở lớp MAC nhưng không phải tất cả các quy định ở lớp
MAC được sử dụng
Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte Các
gói tỉn có kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các
thiết bị với tốc độ dữ liệu tháp Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các
gói tỉn nên lượng dữ liệu dành sẵn cho giao thức lớp trên hoặc lớp ứng dụng, vào khoáng từ 86 đến 116 byte Do vậy các giao thức ở lớp trên thường
thêm vào các cơ chế phân mảnh các phần dữ liệu lớn hơn thành nhiều
khung theo chuẩn 802 15.4
Các mạng IEEE 802.15.4 được chia thành các mạng PAN như hình 1.7 Mỗi mạng PAN có một điều phối viên PAN và một tập các thành viên mạng
PAN Các gói tin được truyền qua mạng PAN mang 16 bit nhận dang cho
mạng PAN để xác định mạng PAN nào mà gói được gửi đến Một thiết bị
Trang 38có thê tham gia vào một mạng PAN như là một điều phối viên PAN và cũng
đồng thời tham gia là thành viên mạng PAN trong một mạng PAN khác
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: Thiết bị có chức năng
đầy đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs) Các FFDs có nhiều
khả năng hơn RFDs và có thể đóng vai trò như một điều phối viên PAN
RFDs là các thiết bi đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế
tạo với giá thành rẻ hơn RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs Các FFDs
có thể truyền thông được với ca RFDs va FFDs
Hình 1.7: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chắm đen và
các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai
mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen Mạng PAN bên phải bao gồm hai FFDs nhưng chỉ môt FFD là điều phối viên PAN
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba loại cau trúc mạng được hỗ
trợ là hình sao, mạng mắt lưới và hình cây nhưng hầu hết các giao thức hoạt động ở lớp trên không sử dụng các cầu hình mạng của 802.15.4 Thay vào đó chúng xây dựng những cấu trúc liên kết mạng của riêng mình ở phía trên lớp MAC 802.15.4 Vì lý do đó chúng ta không đi vào chỉ tiết các cấu trúc liên kết mạng được định nghĩa bởi chuân IEEE 802.15.4
1.4.2.1 Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mỗi nút trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 có một địa chi 64 bit
Trang 39IEEE 802.15.4, nên độ dài 64 bit địa chi là không khả thi Do đó, chuẩn
IEEE 802.15.4 cho phép các nút sử dụng địa chỉ với độ dài 16 bit Cac dia
chỉ ngắn được gán bởi điều phối viên PAN và chỉ có giá trị trong khuôn khổ của một PAN Các nút có thể lựa chọn để gửi gói tin bằng cách sử dụng cả
hai định dạng địa chỉ
Địa chỉ được viết dưới đạng hệ thập lục phân (Hexa) phân cách nhau bằng dấu hai chấm Một ví dụ về độ dài một địa chí 802.15.4 là 00:12:75:00:11:6 e:cd: fb Hinh 1.8 là một ví dụ về hai địa chỉ IEEE
802.15.4 là một địa chỉ dài và một địa chỉ ngắn TT T T T T T T T T T TTT T 0,0,1,2,7,5,0,0,1,1,6,9,c,jd,f,b (00:12:75:00:11:6e:cdfb 6¡a,f,b Sa®
Hình 1.8: Hai đỉnh dạng địa chỉ hỗ trơ IEEE 802.15.4
la dia chi dai (64 bit) và địa chỉ ngắn (16 bit)
Các dia chi dài là duy nhất trên thế giới và mỗi thiết bị IEEE 802.15.4 được gán một địa chỉ khi được sản xuất Mỗi nhà sản xuất yêu cầu 24 bit
nhận dạng duy nhất OUI cla nha san xuất (Organizational Unique
Identifier) lấy từ tổ chức IEEE Đề có địa chỉ duy nhất này, yêu cầu tổ chức
trả một khoản phí 1.650$ cho IEEE Cac OUI duoc sur dung nhu Ia 24 bit dia chi đầu tiên của thiết bị Còn lại 40 bit được gán bởi nhà sản xuất va
phải là duy nhất cho mỗi thiết bị
Các địa chỉ ngắn được gán bởi các điều phối viên mạng PAN Một địa
chỉ ngắn chỉ có hiệu lực trong phạm vi mạng PAN đó Tuy nhiên, một thiết bị với một địa chí ngắn có thể truyền thông với các thiết bị bên ngoài mạng PAN bằng cách mang thêm 16 bịt định danh mạng PAN của nó và mạng
PAN của thiết bị đích trong mỗi bản tin được gửi đi Tiêu chuẩn IEEE
Trang 40802.15.4 không chi định bất kỳ thuật toán cụ thể nào sẽ được sử dụng bởi một điều phôi viên PAN khi gán các địa chỉ ngắn trong phạm vi mạng PAN 1.4.2.2 Lớp vật lý theo chudn IEEE 802.15.4
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóa
tín hiệu Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được
cấp phép miễn phí Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên
tần số được cấp phép ở các nước trên thế giới cũng khác nhau Tại Hoa Kỳ,
chuan IEEE 802.15.4 str dung bang tần 902-982MHz Tai châu Âu, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 868-868.8MHz Các nước còn lại thế giới,
chuẩn IEEE 802.1 5.4 sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz
Chuan IEEE 802.15.4 dinh nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau Trong
mỗi băng tần có quy định một số kênh như được chỉ ra trong hình 1.9
Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu và nằm trên băng tần 868MHz Các
kênh từ I-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902-982MHz
Khoảng cách giữa các kênh là ^MHz Các kênh từ 11-26 được quy định trên
băng tần 2,4 GHz Khoảng cách giữa các kênh là SMHz 1 HHÌữIH 868-888 8 MHz Chanae! 0 Channets 1-10 902-082 MHz SMHE ~M le 2400-2483 S MHtz Channels 11-26
Hinh 1.9: Chuan IEEE 802.15.4 quy dinh 26 kênh vô tuyến vat ly
Chuan IEEE 802.15.4 sử dung hai loai điều chế vô tuyến tùy thuộc vào tần số kênh Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK),