LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG...........................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH ..........................................................................................vii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .........................3 1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) .............................................3 1.1.1 Giới thiệu chung .........................................................................................3 1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ...................................................4 1.1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ..................................................5 1.2 Ảo hóa mạng cảm biến không dây ....................................................................8 1.2.1 Khái niệm....................................................................................................8 1.2.2 Mục tiêu của ảo hóa ...................................................................................9 1.2.3 Kiến trúc của mạng cảm biến không dây ảo hóa .....................................10 1.3 Một số lớp ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa ..........................13 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA............................................................................................18 2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ..................................................18 2.1.1 Thách thức của định tuyến trong mạng cảm biến không dây ...................18 2.1.2 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây .....................20 2.2 Giao thức EMRP .............................................................................................23 2.2.1 Pha thiết lập..............................................................................................23 2.2.2 Pha thành lập nhóm và chọn nhóm trưởng ..............................................25 2.2.3 Pha truyền tải dữ liệu ...............................................................................26 2.3 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa .......................................30 2.4 Cải tiến EMRP dùng cho mạng cảm biến không dây ảo hóa ..........................34 2.4.1 Pha khởi tạo..............................................................................................35 2.4.2 Pha thành lập nhóm..................................................................................36 iv 2.4.3 Pha truyền dữ liệu ....................................................................................36 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................38 3.1 Công cụ mô phỏng OMNeT++ .......................................................................38 3.1.1 Mô hình mô phỏng trong OMNeT++ .......................................................39 3.1.2 Xây dựng và chạy thử mô hình mô phỏng ................................................41 3.2 Kịch bản mô phỏng .........................................................................................42 3.2.1 Thiết kế kich bản mô phỏng 1 ...................................................................43 3.2.2 Thiết kế kich bản mô phỏng 2 ...................................................................43 3.3 Cài đặt mô phỏng.............................................................................................44 3.3.1 Cài đặt OMNeT++:..................................................................................44 3.3.2 Xây dựng chương trình mô phỏng ............................................................46 3.4 Thử nghiệm và đánh giá kết quả .....................................................................49 3.4.1 Mô phỏng thử nghiệm...............................................................................49 3.4.2 Phân tích kết quả mô phỏng .....................................................................51 3.4.3 Đánh giá kết quả và hướng phát triển ......................................................53 KẾT LUẬN ................................................................................................................55 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................57 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Viết đầy đủ BS Base Station CH Cluster Head EMRP Energy-Awared Meshed Routing Protocol GPS Global Positioning System HEED A hybrid, Energy-efficient, Distributed Clustering Approach for Ad-hoc Networks LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy LLNs Low power and lossy networks OEDSR Optimized Energy-Delay Sub-network Routing OMNeT++ Objective Modular Network Tested in C++ PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems SGR Sensor Gateway Router SInP Sensor Infrastructure Provider TEEN Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols VSGR Vitual Sensor Gateway Router VSN Virtual Sensor Network VITRO Virtualized dIsTributed platform of smart Object SVNSP Sensor Virtualization Network Service Provider WSN Wireless Sensor Network vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 – Thời gian sống toàn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trong kịch bản mô phỏng 1 .................................................................................................51 Bảng 3.2 – Tỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng 1 ....52 Bảng 3.3 – Thời gian sống toàn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trong kịch bản mô phỏng 2 .................................................................................................52 Bảng 3.4 – Tỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng 2 ....52 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 - Kiến trúc mạng VSN................................................................................11 Hình 1.2 - Ứng dụng bao phủ các không gian địa lý, các nút khác nhau bao phủ cùng một vùng địa lý và hợp tác với nhau để truyền dữ liệu từ nguồn (A1) về đích (S) ..............................................................................................................................13 Hình 1.3 – Sự hợp tác của các đối tượng thông minh trên các domain quản lý WSN khác nhau và các mạng phân tán về địa lý ................................................................14 Hình 1.4 – Mạng cảm biến ảo hình thành theo yêu cầu theo dõi sự phân bố không gian của một luồng hóa chất......................................................................................15 Hình 1.5 - Ứng dụng phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích với 2 mạng ảo giám sát 2 thông số khác nhau..............................................................................16 Hình 2.1 - Mô hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập ...............24 Hình 2.2 - Mô hình mạng hai mức liên kết trong EMRP..........................................27 Hình 2.3 - Lưu đồ hoạt động pha truyền tải dữ liệu của EMRP ...............................29 Hình 3.1 – Cấu trúc module NED .............................................................................40 Hình 3.2 – Start OMNet ++ ......................................................................................45 Hình 3.3 – Giao diện IDE của OMNeT++................................................................45 Hình 3.4 – Thông số cấu hình trong file omnetpp.ini ...............................................50 Hình 3.5 – Quá trình mô phỏng ................................................................................50 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, rất nhiều mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đã và đang được phát triển và chiếm vai trò rất quan trọng trong nhiều ứng dụng như: quản lý ngôi nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe và tự động hóa trong công nghiệp…. Tuy nhiên các WSN truyền thống chỉ cho phép chạy một ứng dụng trên nó và không thể kết hợp trong WSN với các bộ cảm biến không đồng nhất để thực hiện một nhiệm vụ chung. Vì vậy để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra khái niệm mới là ảo hóa mạng cảm biến không dây (VSN). Ảo hóa mạng cảm biến không dây là việc cho phép nhiều mạng cảm biến không đồng nhất có thể cùng tồn tại trên một hạ tầng vật lý, khiến cho các mạng trở nên linh hoạt, đáp ứng được mục tiêu đa dạng khác nhau của nhiều loại dịch vụ. Cho tới thời điểm hiện nay, những nghiên cứu về vấn đề ảo hóa trong mạng cảm biến không dây chưa có nhiều. Đây là một đề tài tương đối mới, nhưng lại có tầm quan trọng không hề nhỏ vì những lợi ích thiết thực mà ảo hóa có thể mang lại. Việc cho phép nhiều mạng cảm biến không đồng nhất có thể cùng tồn tại trên một hạ tầng vật lý sẽ đem lại hiệu quả về mặt tiết kiệm chi phí phần cứng, chi phí quản lý… cho các ứng dụng triển khai. Việc ảo hóa mạng cảm biến không dây còn tạo ra sự linh hoạt, đa dạng và được ứng dụng trong nhiều trường hợp tương đối phức tạp mà mạng cảm biến không dây thông thường khó có thể đáp ứng được. Vấn đề định tuyến trong ảo hóa mạng cảm biến không dây sao cho phù hợp với các yêu cầu như khả năng mở rộng, tiết kiệm năng lượng… đặt ra những thách thức không nhỏ bởi các giao thức định tuyến cần có thêm một số yêu c ầu riêng so với các giao thức định tuyến không có ảo hóa để đáp ứng được những yêu cầu mà ảo hóa đặt ra. Chính vì vậy, cần phải có những thay đổi nhất định trên các giao thức định tuyến để chúng có thể được sử dụng trong mạng cảm biến không dây ảo hóa . Do đó trong luận văn này, em sẽ dựa vào giao thức định tuyến EMRP – là giao thức 2 định đường đa kênh có tối ưu năng lượng , cải tiến nó để đáp ứng được các yêu cầu của mạng cảm biến không dây ảo hóa. Nội dung của luận văn được tổ chức như sau: CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chương này sẽ trình bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến không dây, đặc điểm của mạng cảm biến không dây và ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Trên cơ sở đó, trình bày một số lý thuyết về ảo hóa mạng cảm biến không dây, kiến trúc chung của mạng cảm biến không dây ảo hóa, mục tiêu của ảo hóa và một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa. CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA Chương này sẽ trình bày về các đặc

PHẠM MINH TUẤN

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG

DÂY ẢO HÓA

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

Mã số: 60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐẶNG VĂN CHUYẾT

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi - Phạm Minh Tuấn - cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thântôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Văn Chuyết

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Phạm Minh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nghiên cứu và cố gắng của bản thân,

em xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Đặng Văn Chuyết (Viện Công nghệ Thông tin vàTruyền thông – trường đại học Bách Khoa Hà Nội) là giáo viên trực tiếp hướng dẫn

đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em tr ong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn tới T S Ngô Quỳnh Thu (bộ môn Truyền thông vàMạng máy tính – Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông, trường đại học BáchKhoa Hà Nội) đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo của Họcviện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong su ốtquá trình học tập tại trường từ khi còn học đại học cho đến sau đại học

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo VNPT Cao Bằng, gia đình,bạn bè và những người đã luôn ở bên cổ vũ tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi cho em

để em có thể học tập tốt

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) 3

1.1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 4

1.1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 5

1.2 Ảo hóa mạng cảm biến không dây 8

1.2.1 Khái niệm 8

1.2.2 Mục tiêu của ảo hóa 9

1.2.3 Kiến trúc của mạng cảm biến không dây ảo hóa 10

1.3 Một số lớp ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa 13

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA 18

2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 18

2.1.1 Thách thức của định tuyến trong mạng cảm biến không dây 18

2.1.2 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 20

2.2 Giao thức EMRP 23

2.2.1 Pha thiết lập 23

2.2.2 Pha thành lập nhóm và chọn nhóm trưởng 25

2.2.3 Pha truyền tải dữ liệu 26

2.3 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa 30

2.4 Cải tiến EMRP dùng cho mạng cảm biến không dây ảo hóa 34

2.4.1 Pha khởi tạo 35

2.4.2 Pha thành lập nhóm 36

2.4.3 Pha truyền dữ liệu 36

CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38

3.1 Công cụ mô phỏng OMNeT++ 38

3.1.1 Mô hình mô phỏng trong OMNeT++ 39

3.1.2 Xây dựng và chạy thử mô hình mô p hỏng 41

3.2 Kịch bản mô phỏng 42

3.2.1 Thiết kế kich bản mô phỏng 1 43

3.2.2 Thiết kế kich bản mô phỏng 2 43

3.3 Cài đặt mô phỏng 44

3.3.1 Cài đặt OMNeT++: 44

3.3.2 Xây dựng chương trình mô phỏng 46

3.4 Thử nghiệm và đánh giá kết quả 49

3.4.1 Mô phỏng thử nghiệm 49

3.4.2 Phân tích kết quả mô phỏng 51

3.4.3 Đánh giá kết quả và hướng phát triển 53

KẾT LUẬN 55

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Viết đầy đủ

BS Base Station

CH Cluster Head

EMRP Energy-Awared Meshed Routing Protocol

GPS Global Positioning System

HEED A hybrid, Energy-efficient, Distributed Clustering Approach

for Ad-hoc NetworksLEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

LLNs Low power and lossy networks

OEDSR Optimized Energy-Delay Sub-network Routing

OMNeT++ Objective Modular Network Tested in C++

PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information SystemsSGR Sensor Gateway Router

SInP Sensor Infrastructure Provider

TEEN Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols

VSGR Vitual Sensor Gateway Router

VSN Virtual Sensor Network

VITRO Virtualized dIsTributed platform of smart Object

SVNSP Sensor Virtualization Network Service Provider

WSN Wireless Sensor Network

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 – Thời gian sống toàn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trongkịch bản mô phỏng 1 51Bảng 3.2 – Tỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng 1 52Bảng 3.3 – Thời gian sống toàn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trongkịch bản mô phỏng 2 52Bảng 3.4 – Tỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng 2 52

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 - Kiến trúc mạng VSN 11

Hình 1.2 - Ứng dụng bao phủ các không gian địa lý, các nút khác nhau bao phủ cùng một vùng địa lý và hợp tác với nhau để truyền dữ liệu từ nguồn (A1) về đích (S) 13

Hình 1.3 – Sự hợp tác của các đối tượng thông minh trên các domain quản lý WSN khác nhau và các mạng phân tán về địa lý 14

Hình 1.4 – Mạng cảm biến ảo hình thành theo yêu cầu theo dõi sự phân bố không gian của một luồng hóa chất 15

Hình 1.5 - Ứng dụng phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích với 2 mạng ảo giám sát 2 thông số khác nhau 16

Hình 2.1 - Mô hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập 24

Hình 2.2 - Mô hình mạng hai mức liên kết trong EMRP 27

Hình 2.3 - Lưu đồ hoạt động pha truyền tải dữ liệu của EMRP 29

Hình 3.1 – Cấu trúc module NED 40

Hình 3.2 – Start OMNet ++ 45

Hình 3.3 – Giao diện IDE của OMNeT++ 45

Hình 3.4 – Thông số cấu hình trong file omnetpp.ini 50

Hình 3.5 – Quá trình mô phỏng 50

MỞ ĐẦU

Hiện nay, rất nhiều mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network WSN) đã và đang được phát triển và chiếm vai trò rất quan trọng trong nhiều ứngdụng như: quản lý ngôi nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe và tự động hóa trongcông nghiệp…

-Tuy nhiên các WSN truyền thống chỉ cho phép chạy một ứng dụng trên nó

và không thể kết hợp trong WSN với các bộ cảm biến không đồng nhất để thực hiệnmột nhiệm vụ chung Vì vậy để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra kháiniệm mới là ảo hóa mạng cảm biến không dây (VSN)

Ảo hóa mạng cảm biến không dây là việc cho phép nhiề u mạng cảm biếnkhông đồng nhất có thể cùng tồn tại trên một hạ tầng vật lý, khiến cho các mạng trởnên linh hoạt, đáp ứng được mục tiêu đa dạng khác nhau của nhiều loại dịch vụ.Cho tới thời điểm hiện nay, những nghiên cứu về vấn đề ảo hóa trong mạng cảmbiến không dây chưa có nhiều Đây là một đề tài tương đối mới, nhưng lại có tầmquan trọng không hề nhỏ vì những lợi ích thiết thực mà ảo hóa có thể mang lại Việccho phép nhiều mạng cảm biến không đồng nhất có thể cùng tồn tại trên một hạtầng vật lý sẽ đem lại hiệu quả về mặt tiết kiệm chi phí phần cứng , chi phí quảnlý… cho các ứng dụng triển khai Việc ảo hóa mạng cảm biến không dây còn tạo ra

sự linh hoạt, đa dạng và được ứng dụng trong nhiều trường hợp tương đối phức tạp

mà mạng cảm biến không dây thông thường khó có thể đáp ứng được

Vấn đề định tuyến trong ảo hóa mạng cảm biến không dây sao cho phù hợpvới các yêu cầu như khả năng mở rộng, tiết kiệm năng lượng… đặt ra những tháchthức không nhỏ bởi các giao thức định tuyến cần có thêm một số yêu c ầu riêng sovới các giao thức định tuyến không có ảo hóa để đáp ứng được những yêu cầu mà

ảo hóa đặt ra Chính vì vậy, cần phải có những thay đổi nhất định trên các giao thứcđịnh tuyến để chúng có thể được sử dụng trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

Do đó trong luận văn này, em sẽ dựa vào giao thức định tuyến EMRP – là giao thức

định đường đa kênh có tối ưu năng lượng , cải tiến nó để đáp ứng được các yêu cầucủa mạng cảm biến không dây ảo hóa.

Nội dung của luận văn được tổ chức như sau:

CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chương này sẽ trình bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến khôngdây, đặc điểm của mạng cảm biến không dây và ứng dụng của mạng cảm biếnkhông dây Trên cơ sở đó, trình bày một số lý thuyết về ảo hóa mạng cảm biếnkhông dây, kiến trúc chung của mạng cảm biến không dây ảo hóa, mục tiêu của ảohóa và một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢMBIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA

Chương này sẽ trình bày về các đặc điểm khác biệt c ủa yêu cầu định tuyếntrong mạng cảm biến không dây so với định tuyến trong các mạng thông thường.Trình bày các yêu cầu định tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa Giớithiệu về giao thức định tuyến EMRP và cải tiến EMRP dùng cho ảo hóa

CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Thiết kế các kịch bản mô phỏng, thiết lập mạng, thông số định tuyến và xâydựng các hàm mục tiêu cho các kịch bản mô phỏng Lựa chọn công cụ mô phỏngcài đặt thử nghiệm và đánh giá kết quả

Do thời gian thực hiện có hạn, đề tài nghiên cứu về một vấn đề tương đốimới do đó chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót cần được sửa chữa và bổ sung Em rấtmong nhận được sự giúp đỡ cùng những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô

và bạn bè để em có thể tiếp tục hoàn thiện đề tài này

CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN)

1.1.1 Giới thiệu chung

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một mạngbao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp,tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác quacác kết nối không dây nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các xử

lý, quyết định về môi trường quan sát

Các nút cảm biến là các cảm biến có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu thập

dữ liệu, thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu là qua kênh vô tuyến Cácthành phần của nút cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộphận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn năng lượng Kích thước của cácnút cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng Mỗi nút cảm biến có khảnăng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến trạm gốc Trạm gốc (Base Station- BS)

có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Trạm gốc là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu Trạm gốc có thể làthực thể bên trọng mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoàimạng có thể là một thiết bị ví dụ như máy tính xách tay có thể tương tác với mạngcảm biến, hoặc cũng có thể đơn thuần chỉ là một cầu nối để nối với mạng khác lớnhơn như mạng Internet nơi mà có các yêu cầu thực sự đối với thông tin lấy từ cácnút cảm biến trong mạng

Lưu lượng dữ liệu thông qua WSN là thấp và không liên tục Do vậy để tiếtkiệm năng lượng, các nút cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động và trạngthái nghỉ khác nhau Thông thường thời gian một nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ởtrạng thái hoạt động rất nhiều

Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến không dây

và một mạng không dây khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt

động, cấu hình mạng, lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trongtrạng thái hoạt động.

WSN ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi trường, khí hậu, pháthiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sựhỏng hóc của máy móc thiết bị… để từ đó phân tích, xử lý và đưa ra các phương ánphù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự pháttriển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robot, thiết bị thông minh, môitrường, y tế… WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệpdân dụng

Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ranhững cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ nănglượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút cảm biến, các nút này cótài nguyên hạn chế kết nối với nhau qua giao tiếp vô tuyến thực hiện nhiệm vụ theodõi và thu thập dữ liệu về trung tâm

Trạm gốc là nơi nhậ n dữ liệu gửi về từ các cảm biến, xử lý và phân tích dữliệu để đưa ra thông tin và phản ứng thích hợp với môi trường Ví dụ như điềukhiển thiết bị nhiệt độ, cảnh báo động đất hay thống kê dữ liệu về môi trường

Cấu trúc mạng cảm biến không dây có đặc điểm rấ t khác với mạng truyềnthống Sau đây là một số đặc điểm nổi bật cần chú ý của mạng cảm biến không dây:

- Môi trường hoạt động: mạng cảm biến thường là khu vực đặc biệt nhưkhu vực địa hình hiểm trở, khu vực ô nhiễm, tiếp xúc trực tiếp với môitrường….do đó lỗi vật lý hay việc hết năng lượng có khả năng xuất hiệntrên các nút mạng

- Số lượng các nút cảm biến : mạng cảm biến có số lượng các nút là rất lớn

có thể tới hàng trăm, hàng nghìn nút triển khai với mật độ cao, thuật toán

định tuyến cần có khả năng làm việc với số lượng lớn các nút mạng phân

bổ trên diện tích rộng

- Năng lượng của các nút cảm biến: trong mạng cảm biến các nút thườngđược cung cấp năng lượng bằng pin và được triển khai trong môi trườngkhắc nhiệt, những nơi rất khó để thay thế hoặc nạp lại pin

- Các hạn chế khắc khe về năng lượng, khả năng tính toán và lưu trữ: cácnút cảm biến có kích thước nhỏ, khả năng tính toán và lưu trữ hạn chế, sửdụng pin nên năng lượng hoạt động hạn chế

- Khả năng tự cấu hình: vì các nút cảm biến thường được triển khai mộtcách ngẫu nhiên và chúng tự hình thành một mạng truyền thông

- Dư thừa dữ liệu: trong đa số ứng dụng, các nút cảm biến được triển khaidày đặc trong một vùng quan tâm, cộng tác với nhau để hoàn thành nhiệm

vụ cảm biến dữ liệu Do đó, dữ liệu được gửi từ nhiều nút có mức độtương quan, dư thừa nhất định

- Phụ thuộc ứng dụng: một mạng cảm biến không dây thường được thiết kế

và triển khai cho một ứng dụng cụ thể Các yêu cầu thiết kế của mạngcảm biến thay đổi tùy theo ứng dụng của nó

- Kiểu lưu lượng nhiều – một: hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến,

dữ liệu cảm biến được truyền theo luồng từ nhiều nút cảm biến đổ về mộttrung tâm nào đó, hình thành nên kiểu lưu lượng nhiều – một

- Topo thay đổi thường xuyên: Topo mạng có thể thay đổi thường xuyên

do nút bị lỗi, hỏng, hết năng lượng, được thêm vào, bỏ bớt đi…

- Giao tiếp không dây: giao tiếp trong mạng cảm biến là giao tiếp khôngdây do đó các vấn đề về truyền dẫn cần lưu tâm đến là khoảng cáchtruyền, độ suy hao tín hiệu, năng lượng truyền dẫn…

1.1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:Ứng dụng trong môi trường, ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, ứng dụng trong gia

đình, ứng dụng trong công nghiệp, ứng dụng trong nông nghiệp, ứng dụng tro ngquân đội….Cụ thể như:

1.1.3.1 Ứng dụng trong môi trường

Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động củachim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ,

độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửaphun trào, cháy rừng, lũ lụt… Một số ứng dụng quan trọng như:

Phát hiện cháy rừng: bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một

mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiềuthông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thậpđược truyền qua các nút tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, pháthiện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng

Cảnh báo lũ lụt: hệ thống này bao gồm các nú t cảm biến về lượng mưa, mực

nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnhbáo lụt sớm

Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn : các cảm biến về độ rung đặt

rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xả y ra động đất, hay gần cácnúi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào

1.1.3.2 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sátbệnh nhân: mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảmbiến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi cảmbiến khác phát hiện áp suất máu…

1.1.3.3 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các p hòng để

đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tinnày đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

1.1.3.4 Ứng dụng trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản và lưu giữhàng hóa Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời

kì lưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạngbản tin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để thông báo các đặc điểmcủa chúng Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn cóthể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút Cảm biến còn cóthể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độchống trộm Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, cảm biến sẽ hoạt động và ra hiệucho thiết bị cảnh báo Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trongnhững tòa nhà lớn

Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý cáccontainer ở cảng Mỗi một container sẽ có một nút mạng trong mạng cảm biến và cóthể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực Việc liên lạc qua khoảng cách xahơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác.Thông tin về tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậyluôn luôn nhất quán Nhờ đó tàu chứa các conteiner có thể dễ dàng xác định đượcchính xác kiện hàng của nó và container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu cócontainer lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (globaldatabase)

1.1.3.5 Ứng dụng trong nông nghiệp

Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm,

ánh sáng ở nhiều điểm trên các thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được vềtrung tâm để người nông d ân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp

Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị

các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát

1.1.3.6 Ứng dụng trong quân đội

Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược : các người lãnh đạo, sĩ quan

sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các

thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến Quânđội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược được gắn với các thiết bị cảm biến nhỏ để cóthể thông báo về trạng thái Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các nút đích

để gửi tới lãnh đạo trong quân đội Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến cáccấp cao hơn

Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường và giám sát lực lượng quân địch:

mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu và một vài nơi quantrọng có địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn , các chỗ eo hẹp để có thểgiám sát đánh giá sự mức độ nguy hiểm của chiến trường, theo dõi các hoạt độngcủa quân địch Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạtnhân

Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rấtquan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó Mạng cảm biếntriển khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóahọc có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránhthương vong nghiêm trọng

1.2 Ảo hóa mạng cảm biến không dây

1.2.1 Khái niệm

Ảo hóa mạng cảm biến là một phương pháp tiếp cận mới cho phép các tậphợp con các nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện một nhiệm vụ nhất địnhtrong một khoảng thời gian nhất định Do đó, nhiều mạng cảm biến ảo (VirtualSensor Network - VSN) có thể tồn tại đồng thời trên một mạng cảm biến k hông dâyvật lý, và các thành phần của VSN có thể th ay đổi theo thời gian

Một mạng cảm biến ảo (VSN) được hình thành bởi một tập hợp con của cácnút cảm biến của mạng cảm biến không dây WSN Tập hợp con này là dành riêngcho một nhiệm vụ nhất định hoặc một ứng dụng tại một thời điểm nhất định Trongmạng cảm biến không dây thông thường, tất cả các nút trong mạng cộng tác vớinhau như những đối tác bình đẳng để đạt được một kết quả chung Khác với mạngcảm biến không dây thông thường, tập hợp con của các nú t thuộc một mạng cảm

biến ảo VSN cộng tác với nhau để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Ngoài việc cộngtác giữa các nút trong cùng một mạng ảo, các mạng ảo cũng phải hợp tác với nhau

để hỗ trợ nhau trong các ứng dụng, tạo nên một thể thống nhất giữa các nút trongmạng Vì vậy, một mạng cảm biến ảo cũng phụ thuộc vào các nút còn lại trong cácmạng cảm biến ảo khác để cung cấp chức năng hỗ trợ hoạt động nó, giúp tạo ra vàduy trì hoạt động của toàn mạng Trong đó, nhiều mạng cảm biến ảo có thể tồn tạiđồng thời trên một mạng cảm biến không dây vật lý, và các thành viên của mỗimạng ảo có thể thay đổi theo thời gian Khi các nút trong các mạng ảo được phântán qua cùng mạng vật lý, chúng có thể không có khả năng giao tiếp trực tiếp vớinhau

1.2.2 Mục tiêu của ảo hóa

Các mục tiêu của ảo hóa trong mạng cảm biến không dây bao gồm:

+ Sử dụng các thiết bị, dịch vụ không đồng nhất:

Ảo hóa tài nguyên (Resource Virtualisation): Tài nguyên của mạng và nút

đóng một vai trò quan trọng ở tất cả các lớp của một mạng cảm biến không dâyVSN Giả sử một VSN sẽ bao gồm các thiết bị không đồng nhất với khả năng và tàinguyên kết nối khác nhau:

- Các tài nguyên kết nối: Khi có các thiết bị không đồng nhất thì hệ thốngcũng có thể khác nhau về khả năng giao tiếp, để tối ưu hóa hiệu su ất hệthống, định tuyến có thể tận dụng các khả năng của hàng xóm khôngđồng nhất Như vậy, phạm vi truyền tải cảm biến hoặc các giao diệnkhông dây hỗ trợ sẽ được xem xét như một thuộc tính được tính đến khiquyết định định tuyến được thực hiện

- Điều khiển tài nguyên động: Các thiết bị (không đồng nhất) trong mộtVSN tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào một số thông số hoạt động,chúng có thể được điều chỉnh tự động để kéo dài tuổi thọ mạng

Ảo hóa các dịch vụ bảo mật (Security services Virtualisation): mức độ bảo

mật khác nhau phải được hỗ trợ để cải thiện khả năng tiếp cận các điểm đến chocác thông báo mục đích đặc biệt Các thông điệp này có thể bao gồm các tin nhắn

báo động liên quan đến dịch vụ, thông điệp phát hiện trong đó có ưu tiên cao hơn,quan trọng hơn Phân biệt mức độ bảo mật khác nhau có nghĩa là các ứng dụng chạytrong VSN phải được phân loại các mức hỗ trợ Tăng cường an ninh, một chươngtrình quản lý đáng tin cậy, phù hợp sẽ được thiết kế và xác nhận.

+ Tăng khả năng trao đổi tin cậy (Trust exchange): Các khía cạnh khác

nhau của nút không đồng nhất sẽ được theo dõi để đánh giá sự tin cậy của các nútliên quan đến một tập hợp các chức năng

+ Quản lý mức năng lượng/ Trạng thái nút ( Energy level/ Node status): Để

cải thiện độ tin cậy mạng, các yêu cầu các nút báo cáo tình trạng của chúng và mứcnăng lượng được thực thi Thông tin này cũng có giá trị cho các giao thức địnhtuyến, vì có tính đế n mức độ năng lượng của nút hàng xóm

+ Khả năng mở rộng và tính d i động (Scalability and mobility): Nhờ lợi ích

của VSN, tất cả các nút tham gia vào VSN phải hợp tác để xây dựng sự tin cậy vàmục đích định tuyến Mặc dù mục tiêu ảo hóa là giảm số lượng thiết bị được cài đặttrong một khu vực bằng cách khai thác các thiết bị cảm biến đã được cài đặt, sốlượng các nút trong vùng có thể dao động trong môi trường không kiểm soát được

Vì vậy, các giao thức bắt buộc phải hỗ trợ cả khả năng mở rộng và tính di động

1.2.3 Kiến trúc của mạng cảm biến không dây ảo hóa

Kiến trúc của mạng cảm biến không dây ảo hóa bao gồm lớp hạ tầng vật lý,lớp quản lý dịch vụ và lớp người sử dụng ứng dụng được mô tả như trong hình 1.1

Hình 1.1 - Kiến trúc mạng VSN

Trong WSN, nhà cung cấp cơ sở hạ tầng và cung cấp dịch vụ là cùng mộtthực thể Nhưng do nhu cầu gia tăng của các WSN dẫn đến cần phân biệt giữa vaitrò của các nhà cung cấp cơ sở hạ tầng WSN và các nhà cung cấp dịch vụ Mục đíchchính là để giảm thiểu các chi phí thành lập và chi phí quản lý…

Sự khác biệt chính giữa những người tham gia trong mô hình mạng cảm biến

ảo và mô hình truyền thống là sự hiện diện của hai vai trò khác nhau: SInP- nhàcung cấp cơ sở hạ tầng cảm biến và SVNSP – nhà cung cấp dịch vụ cảm biến.Trong kiến trúc mạng cảm biến ảo đã được đề xuất, môi trường VSN là một tập hợpnhiều mạng cảm biến phức tạp từ những SInPs khác nhau Mỗi SVNSP thuê tàinguyên từ một hoặc nhiều SInPs để tạo thành VSN, và triển khai giao thức và dịch

vụ tùy biến hơn các nguồn tài nguyên VSN được thuê Các modun riêng biệt củakiến trúc đề xuất được thể hiện trong hình 1.1

Nhà cung cấp cơ sở hạ tầng cảm biến (Sensor Infrastructure Provider – SInP): triển khai và quản lý các mạng cảm biến trong lớp hạ tầng vật lý Những

mạng này bao gồm các loại cảm biến khác nhau Giữa các nút cảm biến có một bộđịnh tuyến cổng cảm biến (SGR – Sensor Gateway Router) hoạt động như nút gốc.Tất cả các SGR được cung cấp đầy đủ năng lượng, có khả năng tính toán và đượckết nối thông qua mạng không dây tốc độ cao SGR có thể lưu trữ bộ định tuyếncổng cảm biến ảo (VSGR – Vitual Sensor Gateway Router) khác nhau Chúng cungcấp tài nguyên của chúng thông qua các giao diện lập trình tới SVNSP khác nhau.SInP được phân biệt thông qua các loại dịch vụ mà họ cung cấp SInP có thể triểnkhai các nút cảm biến để làm cơ sở hạ tầng riêng của họ hoặc có thể cho các nhàcung cấp dịch vụ ảo hóa khác thuê để chạy ứng dụng cá nhân của họ Điều đó giúptăng hiệu quả sử dụng của các nút cảm biến vật lý trong một mạng cảm biến liên kếtquy mô lớn Trong hình 1.1 các nút cảm biến khác nhau được triển khai ở các khuvực khác nhau để tạo ra một mạng cảm biến liên kết Tuy nhiên, người sử dụng cóthể yêu cầu các loại dịch vụ cụ thể Dịch vụ cụ thể này có thể có sẵn cho người sửdụng thông qua bộ định tuyến cổng cảm biến ảo

Nhà cung cấp dịch vụ mạng cảm biến ảo (Sensor Virtualization Network Service Provider – SVNSP): thuê nguồn tài nguyên như bộ xử lý, bộ nhớ và băng

thông từ nhiều nhà cung cấp hạ tầng SInP để triển khai VSN trong lớp quản lý dịch

vụ Trong hình 1.1 có 2 SVNSP là : SVNSP-1 và SVNSP-2, cả hai nhà cung cấpdịch vụ SVNSP đều bao gồm các tài nguyên thuê từ SInP Cả hai SVNSP cung cấpcác loại dịch vụ mạng ảo khác nhau đến người sử dụng dịch vụ trong chế độngtrong suốt với người sử dụng Các liên kết ảo giữa hai VSGR cũng là liên kết khôngdây thuê từ SInP Một SVNSP có thể cung cấp các dịch vụ mạng tới nhiều SVNSPkhác

Người sử dụng ứng dụng (Application Level User - ALU): trong kiến trúc

VSN tương tự như những WSN hiện có, ngoại trừ sự tồn tại của nhiều SVNSP cungcấp từ SInP cung cấp một loạt các lựa chọn Bất kỳ người dùng nào cũng có thể kết

nối với nhiều VSN từ những SInP khác nhau cho nhiều ứng dụng VSN giấu sựphức tạp của SInP với người sử dụng dịch vụ

1.3 Một số lớp ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa

Có 4 lớp ứng dụng cơ bản của mạng cảm biế n không dây ảo hóa:

Lớp ứng dụng 1- Các ứng dụng chồng chéo địa lý: Hai hoặc nhiều mạng

cùng bao phủ một không gian địa lý với các nút cảm biến không đồng nhất đượctriển khai và đem lại lợi ích nhất định từ sự cộng tác của các nút mạng chủ yếutrong việc giảm số lượng các nút cảm biến của từng loại mà không làm mất đi độchính xác hoặc làm giảm chức năng của người dùng yêu cầu Cách tiếp cận này gópphần vào làm giảm chi phí một cách hiệu quả với việc sử dụng khéo léo các mạngcảm biến triển khai trước đây và giúp phát triển và bổ sung thêm những loại mớicủa các nút cảm biến trong tương lai mà không cần phải triển khai một mạng cảmbiến đầy đủ từ đầu

Hình 1.2 - Ứng dụng bao phủ các không gian địa lý, các nút khác nhau bao phủ cùng một vùng địa lý và hợ p tác với nhau để truyền dữ liệu từ nguồn (A1) về đích (S)

Lớp ứng dụng 2 – Kết nối các mạng cảm biến phân tán về địa lý: các ứng

dụng hoạt động trên các mạng địa lý phân tán tương tác với nhau như thể chúng là

một mạng rộng lớn cung cấp dịch vụ một cách thống nhất (theo dõi nhiều tòa nhàhoặc các vị trí trong các thành phố, tiểu bang, theo dõi vận chuyển hàng hóa…) Nó

có thể đáp ứng cho các ứng dụng này yêu cầu sự hợp tác của các đối tượng thôngminh không đồng nhất về loai, các nền tảng và công nghệ, di động hoặc tĩnh, cảmbiến, thiết bị truyền động hoặc bộ xử lý nhúng được điều khiển bởi nhiều nhà quản

lý khác nhau

Hình 1.3 – Sự hợp tác của các đối tượng thông minh trên các domain quản lý WSN

khác nhau và các mạng phân tán về địa lý

Lớp ứng dụng 3- Ứng dụng với các kết nối mạng vật lý biến đổi theo thời gian: Một tình huống rất ít khi sảy ra, những nơi có sự thay đổi về không gian theo

thời gian là một trường hợp của ứng dụng VSN này Một ví dụ là một luồng cácchất hóa học chảy dưới lòng đất có thể được coi như một hiện tượng diễn ra trongthời gian ngắn được phân bố theo không gian và thời gian Trong trường hợp nàymột VSN triển khai có thể được chia làm hai theo thời gian hoặc ngược lại hailuồng có thể hợp nhất thành một tùy theo dòng chảy của lu ồng hóa chất Ở đây cóthể hình thành một VSN có thể thay đổi hoặc dự đoán sự di chuyển của luồng hóa

chất Ví dụ, trong hình 1.4 các nút cảm biến với các mũi tên màu trắng tạo thànhmột mạng cảm biến không dây biến đổi theo thời gian với sự tham gia của các nútthuộc luồng Các thành viên trong VSN hoàn toàn tự động tính toán các thông sốkhác nhau tồn tại trong kết nối của lớp vật lý, cái mà có thể thay đổi theo thời gian.

Hình 1.4 – Mạng cảm biến ảo hình thành theo yêu cầu theo dõi sự phân bố không

gian của một luồng hóa chất

Lớp ứng dụng 4- Phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích: Trong

trường hợp này cùng một nút vật lý được sử dụng trong hai hoặc nhiều mạng khácnhau do các yêu cầu ứng dụng khác nhau Một cách để sử dung chung các mạngVSN là sự phân tách của các nút cảm biến nhiều yếu tố khác nhau trong các mạngcảm biến khác nhau, các nút này chịu trách nhiệm theo dõi các thông số cảm biếnkhác nhau trong một thời điểm nhất định Sử dụng phương pháp này các nút sẽđược quản lý một cách tốt hơn và khả năng sử dụng của các nút được tăng cường, từ

đó số lượng người dùng cuối tiếp cận các dịch vụ sẽ được tăng lên và dễ dàng điềukhiển các thông tin cảm biến phụ thuộc nhu cầu người dùng

Hình 1.5 - Ứng dụng phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích với 2 mạng ảo

giám sát 2 thông số khác nhau

Kết luận

Chương 1 này đã giới thiệu cơ bản về mạng cảm biến không dây, các đặcđiểm của mạng cảm biến không dây, một số ví dụ về ứng dụng của mạng cảm biếnkhông dây Tuy nhiên các mạng cảm biến không dây truyền thống chỉ cho phépchạy một ứng dụng trên nó và không thể kết hợp trong WSN với các bộ cảm biếnkhông đồng nhất để thực hiện một nhiệm vụ chung Vì vậy để khắc phục nhượcđiểm này người ta đưa ra khái niệm mới là ảo hóa mạng cảm biến không dây Cáckhái niệm, mục tiêu của ảo hóa mạng cảm biến không dây cũng như kiến trúc củamạng cảm biến không dây ảo hóa, các ứng dụng của mạng cảm biến được trình bày

cụ thể trong chương này

Một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không dây chính là vấn đề địnhtuyến do các giới hạn về năng lượng, giới hạn về tài nguyên, yêu cầu mởrộng Ngoài ra, do các yêu cầu của các dịch vụ rất đa dạng, phức tạp và khác nhau

đối với mỗi dịch vụ, kéo theo đó cơ chế định tuyến cho mỗi mạng ảo cũng khácnhau Vì thế định tuyến có vai trò vô cùng quan trọng và then chốt trong trong việc

ảo hóa mạng cảm biến không dây Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến khôngdây vào trong việc ảo hóa mạng cảm biến không dây sẽ được trình bày cụ thể trongchương 2

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA

2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

2.1.1 Thách thức của định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Mục tiêu chính trong việc thiết kế mạng cảm biến không dây là truyền tải dữliệu trong khi vẫn duy trì năng lượng hoạt động của hệ thống mạng và ngăn chặn sựsụt giảm kết nối bằng cách sử dụng phương pháp quản lý năng lượng linh hoạt.Kiến trúc của giao thức định tuyến trong mạng WSN chịu ảnh hưởng từ nhiều yêucầu đặt ra Các thách thức này cần phải được vượt qua trước khi có thể đạt đượcmột phương pháp truyền thông hiệu quả trong mạng WSN Dưới đây là một sốthách thức và vấn đề có thể ảnh hưởng quá trình định tuyến trong mạng WSN

- Giới hạn về năng lượng : do các nút cảm biến sử dụng pin nên chúng có

những giới hạn về năng lượng Năng lượng đặt ra một thách thức lớn chothiết kế mạng trong môi trường khắc nghiệt Hơn nữa khi năng lượng củamột nút cảm biến xuống đến một mức nào đó, nút cảm biến có thể trở nênbất ổn, không thể thực hiện chính xác chức năng của mình làm ảnh hưởngđến hiệu năng của mạng Do đó, các giao thức định tuyến thiết kế chomạng cảm biến nên tiết kiệm năng lượng để nâng cao tuổi thọ mạng trongkhi đảm bảo hoạt động của mạng

- Vị trí nút cảm biến: Một thách thức khác phải đối mặt của thiết kế giao

thức định tuyến là quản lý vị trí của các cảm biến Đa số các giao thức giả

sử dựa vào các thiết bị GPS để biết được vị trí của nút cảm biến

- Giới hạn về tài nguyên phần cứng : Bên cạnh giới hạn năng lượng, các nút

cảm biến còn hạn chế về khả năng xử lý và lưu trữ, và do đó nó chỉ thựchiện các chức năng tính toán hạn chế Các ràng buộc về phần cứng đặt ranhiều thách thức trong phát triển phần mềm và thiết kế giao thức định

tuyến cho mạng cảm biến Chúng ta phải xem xét không chỉ hạn chế vềnăng lượng mà còn cả khả năng xử lý và lưu trữ của các nút cảm biến.

- Sự phân bố các nút cảm biến: Các nút cảm biến triển khai trong mạng

cảm biến không dây tùy thuộc vào ứng dụng , có thể là thủ công hay ngẫunhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của giao thức định tuyến Tronghầu hết các ứng dụng, các nút cảm biến được dải ngẫu nhiên trong mộtphạm vi quan tâm Nếu kết quả triển khai nút không đồng đều, việc phâncụm tối ưu là cần thiết để cho phép kết nối và sử dụng hiệu quả nănglượng

- Các đặc tính mạng và môi trường không tin cậy : Một mạng cảm biến

thường hoạt động trong môi trường động và không tin cậy Topo mạngđược hình thành từ các nút cảm biến và liên kết truyền giữa cảm biến thayđổi thường xuyên do cảm biến được thêm vào, lo ại ra, hết năng lượng,lỗi…Hơn nữa, cá nút cảm biến được liên kết với nhau bởi môi trườngkhông dây năng lượng thấp với nhiễu, khả năng lỗi cao Vì thế, địnhtuyến nên được coi như topo mạng động do giới hạn về năng lượng vàtính di động của cảm biến cũng như tăng kích thước của mạng để duy trìcác yêu cầu cụ thể của ứng dụng về tính kết nối và phạm vi bao phủ

- Tổng hợp dữ liệu: Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các

thông tin giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp số lượng

dữ liệu cần truyền có thể giảm xuống Tổng hợp dữ liệu là việc kết hợp

dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dựa trên hàm gộp nhất định VD: lược

bỏ trùng, cực tiểu, cực đại hay trung bình Kỹ thuật này được sử dụng đểtận dụng hiệu quả năng lượng và tinh chỉnh v iệc truyền tải dữ liệu trongmột số các giao thức định tuyến

- Các yêu cầu đa dạng của các ứng dụng cảm biến: Mạng cảm biến có

nhiều ứng dụng đa dạng Không giao thức nào có thể đáp ứng được cácyêu cầu của tất cả các ứng dụng

- Khả năng mở rộng: Giao thức định tuyến nên có khả năng mở rộng kích

thước mạng Hơn nữa, các cảm biến có thể không nhất thiết có khả năng

về năng lượng, xử lý, cảm biến và truyền thông giống nhau Do đó liênkết truyền thông giữa các cảm biến có thể không đối xứng, một cặp cảmbiến có thể không truyền được theo cả hai hướng Điều này nên đượcquan tâm trong giao thức định tuyến

Từ những đặc điểm của mạng cảm biến không dây và các thách thức trênmột giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đạt được các yêucầu cơ bản như đơn giản, tiết kiệm năng lượng, cân bằng năng lượng tiêu hao trêncác nút để tăng tuổi thọ mạng, có khả năng thích nghi với các thay đổi của mạng, cókhả năng mở rộng với số lượng nút cảm biến và phạm vi khác nhau

2.1.2 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Đinh tuyến trong mạng cảm biến không dây có một số khác biệt so với địnhtuyến trong mạng cố định Liên kết không dây là không tin cậy, nút cảm biến có thể

bị lỗi, và giao thức định tuyến phải đ ối mặt với yêu cầu nghiêm ngặt về tiết k iệmnăng lượng Có nhiều giao thức định tuyến được phát triển cho mạng cảm biếnkhông dây và có thể phân thành bốn loại: định tuyến dựa trên vị trí, định tuyếnphẳng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa trên QoS

Định tuyến phẳng: trong định tuyến phẳng mỗi nút cảm biến thực hiện gửi

dữ liệu của nó về trung tâm độc lập với tất cả các nút khác Tuy nhiên, trong cácgiao thức định tuyến phẳng, khi các nút nguồn gửi dữ liệu của nó về trung tâm,những nút trung gian có thể thực hiện một số dạng tổng hợp dữ liệu từ nhiều nguồn

và gửi dữ liệu tổng hợp về trung tâm Quá trình này có thể giúp tiết kiệm nănglượng do yêu cầu ít phiên truyền hơn để gửi dữ liệu từ các nguồn về trung tâm Cácgiao thức SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation), EAR (EnergyAware Routing), Direct Diffusion, Rumor Routing… được xếp vào loại giao thứcnày Với cấu trúc mạng đơn giản của định tuyến phẳng, họ giao thức này cho thấymột số ưu điểm như là giảm số bản tin điều khiển sử dụng Ưu điểm là đơn giản, dễdàng triển khai cho nhiều loại ứng dụng, số lượng bản tin ít Nhược điểm là dữ liệu

sinh ra không được quản lý, mức độ dư thừa dữ liệu lớn dẫn đến tiêu hao nănglượng nhiều để truyền dữ liệu về trung tâm.

Định tuyến dựa trên vị trí : là họ giao thức sử dụng vị trí chính xác của nút

cảm biến để chọn tuyên đường Vị trí địa lý của nút cảm biến có thể được lấy trựctiếp sử dụng thiết bị định vị GPS hoặc gián tiếp thông qua trao đổi dữ liệu về cường

độ tín hiệu nhận được ở mỗi nút Tuy nhiên do việc định vị đòi hỏi thiết bị phầncứng chuyên biệt và làm tăng chi phí tính toán cho nút cảm biến, cách tiếp cận nàythực sự không dễ dàng thực hiện do giới hạn về tài ngu yên trong mạng cảm biến.GEAR (Geographic an Energy Aware Routing) và GAF (Geographic AdaptiveFidelity) là hai giao thức định tuyến sử dụng vị trí điển hình Ưu điểm là có thể tìmđược tuyến đường tối ưu Nhược điểm là khả năng ứng dụng thực tế với quy mô lớn

là không cao do chi phí của thiết bị định vị cùng với vấn đề năng lượng tiêu hao chothực hiện định vị

Định tuyến phân cấp: được đưa ra với mục tiêu tăng cường khả năng thích

nghi và tiết kiệm năng lượng cho mạng thông qua việc phân nhóm các nút cảmbiến Trong nhóm giao thức này, các nút sẽ được phân thành các nhóm và một nútvới nhiều tài nguyên trong mỗi nhóm sẽ giữ vai trò làm nhóm trưởng Mỗi nhómtrưởng chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu nhận được từ các thành viên trong nhóm, giaotiếp với các nhóm trưởng khác và với điểm thu thập dữ liệu Ngược lại, tất cả cácnút thành viên trong nhóm cùng thực hiện cảm biến môi trường và chuyển dữ liệuthu thập được tới nhóm trưởng Các tiếp cận này tuy tăng khả năng thích nghi chomạng tuy nhiên hoạt động phân nhóm và thay thế nhóm trưởng (với mục tiêu phânphối đều năng lượng) làm tăng số lượng bản tin điều khiển phải sử d ụng Có 2hướng tiếp cận khác nhau trong nhóm các giao thức phân cấp để thu thập dữ liệu là:liên tục theo thời gian và theo sự kiện Có nhiều giao thức phân cấp sử dụng cáchthu thập liên tục theo thời gian đã được giới thiệu như: LEACH, TEEN, HEED,PEGASIS Trong phương pháp thu thập dữ liệu liên tục theo thời gian, dữ liệu cảmbiến được định kỳ gửi về trạm gốc, trái lại trong phương pháp thu thập dữ liệu liêntục theo sự kiện, dữ liệu cảm biến được gửi về BS mỗi khi có sự kiện được phát

hiện Các giao thức sử dụng phương pháp hướng sự kiện như OEDSR, APPEES.Phương pháp theo sự kiện tỏ ra hiệu quả hơn trong việc tiết kiệm năng lượng, cânbằng năng lượng và tuổi thọ mạng do chỉ hoạt động khi có sự kiện sảy ra, nếukhông có sự kiện thì các nút ở trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng Ưu điểm làtiết kiệm năng lượng, khả năng mở rộng cao, giảm dư thừa dữ liệu Nhược điểm:khá phức tạp, lượng bản tin điều khiển nhiều.

Định tuyến theo QoS: bên cạnh yêu cầu tối thiểu hóa năng lượng tiêu hao,

một yếu tố quan trọng khác cần phải quan tâm là yêu cầu về chất lượng dịch vụ như

độ trễ, độ tin cậy, tính chịu lỗi trong định tuyến trong mạng cảm biến không dâyWSN SAR (Sequential Assignment Routing), SPEED, Energy Aware QoS RoutingProtocol là những giao thức trong nhóm này, chúng được thiết kế để đạt được sựcân bằng giữa năng lượng tiêu hao và các yêu cầu về QoS Ưu điểm là quan tâm đápứng yêu cầu của ứng dụng Nhược điểm là cần cân bằng giữa yếu tố năng lượng vàchất lượng dịch vụ

Từ các kết quả nghiên cứu thử nghiệ m cho thấy định tuyến phân cấp theo sựkiện có khả năng ứng dụng thực tế cao, phù hợp với nhiều loại ứng dụng cảm biến,đáp ứng tốt các yêu cầu của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây.Các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây cũng tập trungnhiều vào định tuyến phân cấp hướng sự kiện Tuy nhiên các giao thức phân cấphướng sự kiện đã được giới thiệu chưa quan tâm đến yêu cầu về độ trễ của lantruyền dữ liệu và chưa có giao thức nào đánh giá đến mức độ xung đột của môitrường không dây trong mạng cảm biến không dây và ảnh hưởng của nó đến hiệunăng mạng Mạng cảm biến không dây thường được triển khai với số lượng lớn, bộthu phát của cảm biến hoạt động trên băng thông giới hạn và năng lượng truyềnthông thường nhỏ, do đó nhiễu và độ tranh chấp môi trường là yếu tố ảnh hưởng lớnđến hiệu năng của mạng và độ trễ lan truyền dữ liệu Phương pháp truyền đa kênh

đã được nghiên cứu là phương pháp hiệu quả để giảm nhiễu, tranh chấp môi trườnggiúp tăng hiệu suất và giảm trễ

2.2 Giao thức EMRP

Giao thức Energy-Awared Meshed Routing Protocol (EMRP) là kết quảnghiên cứu của tác giả Trần Vĩnh Thụy và TS.Ngô Quỳnh Thu (2012) được sử dụngđịnh tuyến trong mạng cảm biến (tài liệu tham khảo [12] ) Vì giao thức EMRP làgiao thức định tuyến đa đường, có khả năng dự trữ tuyến đường và nhận biết nănglượng nên tỏ ra vượt trội hơn hẳn so với các giao thức định tuyến khác về mặt hiệuquả sử dụng năng lượng, phân bố năng lượng, thời gian sống, tỉ lệ lỗi liên kết và khảnăng thích nghi

Hoạt động của EMRP được chia thành các vòng, mỗi vòng lại bao gồm haipha: pha thành lập nhóm và lựa chọn nhóm trưởng, sau đó là pha tìm tuyến đường

và truyền dữ liệu đến trạm gốc

2.2.1 Pha thiết lập

Trong pha thiết lập mạng, mỗi nút sẽ quảng bá bản tin RELAY_REQUEST

tới tất cả các nút hàng xóm để lấy về thông tin mức năng lượng cũng như vị trí củacác nút lân cận từ đó chọn ra nút chuyển tiếp và nút dự trữ

Hàm đánh giá Relay_node sử dụng cho việc lựa chọn nút chuyển tiếp và nút

dự trữ được xây dựng như sau:

BackupNode j

SecondMaxF

layNode j

MaxF

BS j d j E j F

Y j RN

Y j RN

j s

Re )

(

cos ) , (

1 )

( )

) , ( ) , ( 2

) , ( - ) , ( + ) , (

= cos

2 2

2

BS CH d BS j d

BS j d BS CH d j CH d

α j

Trong đó:

F RN (j): Hàm đánh giá để lựa chọn nút chuyển tiếp và nút dự trữ

E Res (j): Năng lượng còn lại của nút ứng cử j

d(j,BS), d(CH,j) và d(CH,BS) : Khoảng cách từ j tới trạm gốc, từ CH tới j và từ

CH tới BS

 là giá trị góc giới hạn tạo bởi nút j, nhóm trưởng và trạm gốc

Y: tập các ứng cử viên để lựa chọn nút chuyển tiếp trong phạm vi tín hiệu của

nhóm trưởng

Sau pha thiết lập, ta có được mô hình mạng cảm biến với các liên kết dạnglưới Mỗi nút sẽ có liên kết tới nút chuyển tiếp và nút dự trữ ở mức dưới nó Ngoạitrừ trường hợp các nút có khoảng cách tới gốc nhỏ hơn giới hạn truyền tải của nó,các nút này không tìm kiếm hai nút chuyển tiếp và nút dự trữ mà truyền gói tin dữliệu trực tiếp tới trạm gốc

Hình 2.1 - Mô hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập

2.2.2 Pha thành lập nhóm và chọn nhóm trưởng

Khi một sự kiện sảy ra trong mạng, mỗi nút cảm biến trong vùng sự kiện sẽtiến hành đo đạc thông số cảm biến Nếu thông số cảm bi ến vượt ngưỡng, bộ phậnthu phát tín hiệu của nút cảm biến sẽ được kích hoạt và quảng bá bản tin

EVENT_NOTIFY đến các nút hàng xóm để xác định tập hợp các nút ở trong vùng

sự kiện từ đó thành lập nhóm và bầu chọn nhóm trưởng

Ban đầu, tất cả các nút mạng ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng Khimột sự kiện được phát hiện trong mạng, các nút gần vị trí xảy ra sự kiện được kíchhoạt và sẽ tiến hành đo đạc thuộc tính đã được chỉ định cảm biến Nếu giá trị nhân

tố cảm biến cao hơn mức ngưỡng định trước, c ác nút đó sẽ thực thi thuật toán để

phân nhóm và chọn nhóm trưởng Các nút quảng bá gói tin STATUS_INFO tới tất

cả các nút hàng xóm Bản tin này bao gồm ID của nút, mức năng lượng còn lại vàthông tin mô tả dữ liệu cảm biến sự kiện

Sau đó các nút sẽ đặt bộ đếm thời gian tới t1 Trong khoảng thời gian t1, mỗi

nút sẽ nhận bản tin STATUS_INFO từ tất cả các nút trong nhóm và thực thi hàm

chọn nhóm trưởng - Cluster Head (CH) như sau:

d ClusterHea j

MaxF

j I j j

X j RN

s

RN E F

) ( ) ( )

(

Re

Trong đó X là tập các nút được kích hoạt bởi sự kiện

E Res (j): Mức năng lượng còn lại của nút j I(j): Mô tả dữ liệu cảm biến của nút j Khi khoảng thời gian t1 kết thúc, nút có giá trị F RN (j) lớn nhất sẽ tự bầu nó

làm nhóm trưởng Nhóm trưởng sẽ lưu trữ ID của tất cả các nút trong tập các nútđược kích hoạt X, và lập 1 lịch để sắp xếp cho từng nút lần lượt gửi dữ liệu tớinhóm trưởng Các nút còn lại tự đặt mình làm nút thành viên và chờ đợi để nhậnlịch từ nhóm trưởng Với lịch đã được sắp xếp, các nút có thể tắt các thành phần thunhận tín hiệu ngoại trừ trong khoảng thời gian truyền tải dữ liệu

Thuật toán ở đây đảm bảo nút với mức năng lượng còn lại lớn nhất và gầnnhất với sự kiện xảy ra được lựa chọn làm nhóm trưởng Thêm nữa Giao thức