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

Cấu trúc của mạng cảm biến phải đảm bảo các yêu cầu sau: • Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến • Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng• Truyền năng lượng hiệu quả trong các phư

NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

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

NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

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

LỜ I NÓI Đ ẦU

luận văn này là mạng cảm biến không dây, tôi đã lựa chọn và tìm hiểu phương pháp

cảm biến không dây

TÓM TẮT LUẬN VĂN

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

bao gồm 2 chương:

Chương 5: Các giao thức đa kênh và truy n thông thời gian thực ề

chương:

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU - 1 -

TÓM TẮT LUẬN VĂN - 2 -

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ - 6 -

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT - 8 -

Phần I : MẠNG CẢM BIẾN - 10 -

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

1.1 Giới thiệu - 10 -

1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến - 12 -

1.3 Các tham số của mạng cảm biến - 14 -

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

2.1 Lớp vật lí - 17 -

2.2 Lớp liên kết dữ liệu - 17 -

2.2.1 Điều khiển truy nhập môi trường - 17 -

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

2.3 Tầng mạng - 19 -

2.3.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu - 20 -

2.3.2 Internetworking - 21 -

2.3.3 Flooding and gossiping - 21 -

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

2.3.5 Directed diffusion - 24 -

2.4 Lớp vận chuyển - 24 -

2.5 Lớp ứng dụng - 25 -

2.5.1 Giao thức quản lí cảm biến - 25 -

2.5.2 Giao thức quảng cáo dữ liệu - 26 -

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

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

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

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

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

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

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

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

3.2.1.2 Giao thức MAC nhiều đường đi - 33 -

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

3.2.1.4 Encounter-Based MAC Protocols - 35 -

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

3.2.2 Các giao thức MAC theo lịch trình - 39 -

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

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

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

3.2.2.4 Các giao thức TDMA MAC - 46 -

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

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

Chương 4: QoS trong mạng WSN - 50 -

4.1 Các mô hình QoS trong mạng WSN - 50 -

4.1.1 Mô hình dịch vụ tích hợp - 51 -

4.1.2 Mô hình dịch vụ phân biệt - 52 -

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

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

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

5.1.1 Cơ chế cảm nhận ảo - 57 -

5.1.2 Chi tiết của phương pháp - 58 -

5.1.3 Chu kì hoạt động trong cluster - 62 -

5.2 Giao thức đa kênh cây cơ sở - 63 -

5.3 Giao thức đa kênh luồng cơ sở - 67 -

5.3.1 Phân kênh luồng cơ sở - 69 -

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

5.3.2.1 Chuyển tiếp thời gian thực - 71 -

5.3.2.2 Quản lí lân cận - 72 -

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

Chương 6: Phần mềm mô phỏng NS2 - 74 -

6.1 Giới thiệu chung - 74 -

6.2 Kiến trúc của NS2 - 74 -

6.3 C++ và OTcl - 76 -

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

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

7.1 Thuật toán - 79 -

7.2 Mô phỏng và đánh giá kết quả - 82 -

7.2.1 Kịch bản mô phỏng - 82 -

7.2.2 Mô tả kịch bản chi tiết - 84 -

7.2.3 Kết quả mô phỏng và phân tích - 85 -

7.2.3.1 Kết quả mô phỏng bằng NAM - 85 -

7.2.3.2 Kịch bản 1 - 87 -

7.2.3.3 Kịch bản 2 - 91 -

7.2.3.4 Kịch bản 3 - 97 -

7.3 Kết luận - 103 -

KẾT LUẬN - 105 -

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Giám sát chiến trường - 12

-Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến - 12

-Hình 1.3: Kiến trúc của một nút cảm biến - 13

-Hình 2.1: Ngăn xếp giao thức cho mạng WSN - 16

-Hình 2.2: Sơ đồ phân lớp MAC - 18

-Hình 2.3: Định tuyến trung tâm dữ liệu - 20

-Hình 2.4: Truyền gói trong Flooding - 21

-Hình 2.5: Hoạt động của SPIN - 23

-Hình 3.1: Truyền tải dữ liệu trong PAMAS - 33

-Hình 3.2: Truyền tải dữ liệu trong B-MAC - 36

-Hình 3.3: Truyền tải dữ liệu trong WiseMAC - 36

-Hình 3.4: Truyền tải dữ liệu trong CSMA-MPS - 37

-Hình 3.5: Định dạng frame TRAMA - 41

-Hình 3.6: Định dạng frame PMAC - 41

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

-Hình 3.8: Group TDMA Receiver Based Grouping- - 44

-Hình 3.9: Định dạng frame của S MAC và các biến thể- - 46

-Hình 3.10: Định dạng frame trong EMACS and LMAC - 47

-Hình 4.1: Chuyển tiếp gói tin - 52

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

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

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

-Hình 5.3: Giao thức đa kênh cây cơ sở - 65

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

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

-Hình 7.1: Hàng đợi PriQ - 81

-Hình 7.2: Hàng đợi Multiserv - 82

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

-DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

SQTL Sensor query and tasking language

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

1.1 Giới thiệu

trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học,

mạng cảm biến không dây

nhiệm vụ ả c m nhận, đo đạc, tính toán nhằm mụ c đích thu th p, tập trung dữ ệ ậ li u v ề nơi

giám sát

trọng và then chốt đó là thời gian sống của các nút cảm biến hay chính là sự giới hạn

cung cấp Do đó, trong khi m ng truy n thôạ ề ng tập trung vào đ t đư c các dịch vụ chất ạ ợ

suất

Mạng cảm biến đòi hỏi công nghệ kết nối mạng add hoc không dây Mặc dù

-thống nhưng chúng không phù hợp với các đặc tính riêng và các ứng dụng yêu cầu trong mạng cảm biến Có vài điểm khác biệt giữa mạng cảm biến và mạng add-hoc không dây:

lớn hơn là trong mạng add-hoc không dây

các cảm biến là lớn

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

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

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

1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến

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

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến

Các sink có th giao tiể ếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng

động (mobilizer)

Các đơn vị ả c m bi n ế (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ huyển đổ c i tương t -s ự ố

thường đư c kết hợợ p v i b ớ ộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyế ịt đ nh các t t c làm cho hủ ụ

1.3 Các tham số của mạng cảm biến

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

Các giao thức và các thuật toán có thể được thiết kế để giải quyết các mức độ chịu

triển khai vào trong chiến trường để giám sát và phát hiện thì tính chịu lỗi phải có mức

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

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

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

dụng mà trong đó các cảm biến được triển khai

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

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

chung của mạng Việc bổ sung một nút mới vào mạng cần phải tổ chức lại mạng Sao chép thường xuyên sự thay đổi của topology trong một mạng add-

giao thức định tuyến đặc biệt

Chương 2: Kiến trúc của mạng cảm biến

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

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

Hình 2.1: Ngăn xếp giao thức cho mạng WSN

Ngăn xếp này kết hợp năng lượng và nhận thức định tuyến (routing awareness), tích hợp dữ liệu với các giao thức mạng, truyền thông năng lượng hiệu quả qua môi trường

phẳng quản lí năng lượng (power management plane), mặt phẳng quản lí di động (mobile management plane), và mặt phẳng quản lí tác vụ (task management layer plane) Phụ thuộc vào nhiệm vụ cảm nhận, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp vận chuyển trợ giúp việc bảo trì luồng dữ liệu nếu các ứng dụng trong mạng yêu cầu nó Lớp mạng quan tâm tới vấn đề

định tuyến dữ liệu cung cấp bởi lớp vận chuyển Trong môi trường nhiễu và các nút cảm biến có thể di động, giao thức lớp MAC phải nhận thức về năng lượng và có khả

những yêu cầu của việc điều chế, kĩ thuật truyền tải và tiếp nhận Ngoài ra, năng lượng, tính di động và các mặt phẳng quản lí tác vụ giám sát năng lượng, sự di chuyển và

phối hợp các tác vụ và giảm tổng thể sự tiêu thụ năng lượng trong mạng

2.1 Lớp vật lí

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

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

2.2 Lớp liên kết dữ liệu

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

dữ liệu, truy nhập môi trường và điều khiển lỗi

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

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

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

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

Các giao thức wireless MAC

Các giao thức MAC phân tán

Truy nhập ngẫu nhiên

Truy nhập ngẫu nhiên

Truy nhập bảo đảm Truy nhập lai

Các giao thức MAC tập trung

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

Giao thức SMACS thực hiện khởi tạo mạng và tổ chức lớp liên kết và thuật toán

một mạng cảm biến SMACS là giao thức xây dựng trên cơ sở hạ tầng phân tán mà cho phép các nút phát hiện các nút lân cận của chúng và thiết lập các lịch trình truyền

nào Trong giao thức này, phát hiện nút lân cận và các pha phân chia kênh là được kết

chế độ lựa chọn ngẫu nhiên nhưng cố định tần số (hoặc tần số nhảy liên tiếp) Phương pháp này tận dụng được dải thông sẵn có trong mạng, tránh được sự đồng bộ mạng trên diện rộng mặc dù truyền thông giữa các nút trong tập con vẫn cần đồng bộ hóa Sử

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

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

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

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

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

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

truyền đến sink

lưu trữ

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

thường dựa trên vị trí

hiện tượng chung

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

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

sử dụng để phổ biến mối quan tâm đó là:

tâm (hình 2.3 b)

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

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

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

từ nhiều nút cảm biến được tập hợp như là cùng một thuộc tính của hiện tượng khi

coi như là một tập các phương pháp tự động kết hợp dữ liệu đến từ nhiều nút cảm biến vào trong một tập các thông tin có ý nghĩa

Một trong những chức năng quan trọng của lớp mạng là cung cấp sự kết nối mạng với các mạng bên ngoài như là các mạng cảm biến khác, các hệ thống điều khiển

một gateway để kết nối tới các mạng khác Một tùy chọn khác là tạo một xương sống bằng cách kết nối các sink với nhau và xương sống này kết nối với các mạng khác thông qua gateway

Giải thu t này có 3 như c đ ểậ ợ i m lớn như sau:

nút

sát, chúng có thể cảm nhận sự kích thích giống nhau ở cùng một thời điểm và vì

đơn giản để thực hiện như cơ chế flooding và nó mất thời gian lâu hơn để truyền các

này tạo ra s sự ắp x p dế ữ ệ để đả li u m b o r ng d li u ch đư c truy n n nút quan tâm ả ằ ữ ệ ỉ ợ ề đế

- Bước 1: ADV để thông báo dữ ệ li u mớ ới t i các nút

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

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

(metadata)

- Bước 5: sau đó các nút xung quanh lạ ử ải g i b n tin REQ yêu cầu dữ liệu,

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

2.4 Lớp vận chuyển

Lớp vận chuyển đặc biệt cần thiết khi truy nhập vào hệ thống được lên kế hoạch qua mạng Internet hoặc các mạng khác bên ngoài TCP với cơ chế cửa sổ truyền tải hiện hành của nó không phù hợp với các đặc điểm đặc biệt của môi trường mạng cảm biến Bakre và Badrinath đưa ra hướng tiếp cận gọi là tách TCP (TCP splitting) làm cho mạng cảm biến tương tác với các mạng khác như là Internet Trong hướng tiếp cận

thông giữa user và nút sink là UDP hoặc là TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh

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

Các mạng cảm biến có nhiều lĩnh vực ứng dụng và truy nhập chúng qua các

điểm Nó làm cho phần cứng và phần mềm của các lớp thấp hơn trở nên trong suốt trong các ứng dụng quản lí mạng cảm biến Hệ thống quản trị tương tác với các mạng cảm biến sử dụng giao thức quản lí cảm biến (Sensor Management Protocol - SMP) Không giống như nhiều mạng khác, các mạng cảm biến bao gồm các nút mà không có định danh toàn cục ID (như là IP của internet) và chúng thường không có hạ tầng Vì

-SMP là một giao thức quản lí mà cung cấp phần mềm cần thiết để thực hiện các nhiệm

vụ quản trị sau:

2.5.2 Giao thức quảng cáo dữ liệu

Phân công nhiệm vụ và giao thức quảng cáo dữ liệu (Task Assignment and Data Advertisement Protocol - TADAP) điều khiển việc phổ biến mối quan tâm trong mạng

nút hoặc là toàn mạng Mối quan tâm này có thể về một thuộc tính nhất định của hiện tượng hoặc là kích hoạt một sự kiện Một hướng tiếp cận khác là quảng cáo dữ liệu sẵn

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

Truy vấn cảm biến và giao thức phổ biến dữ liệu (sensor query and data dissemination protocol - SQDDP) cung cấp cho các ứng dụng người dùng với giao diện gửi truy vấn, phản hồi truy vấn và kết hợp các gói tin reply Chú ý rằng các truy

hàng đang bán ở dưới ngưỡng và nên được cung cấp lại” là một truy vấn dựa trên thuộc tính Tương tự “kích thước kho hàng đang bán ở một nút A” là một ví dụ cho định danh dựa vào vị trí

Truy vấn cảm biến và ngôn ngữ nhiệm vụ (Sensor query and tasking language SQTL) được đề xuất như là một ứng dụng mà cung cấp thậm chí một số lượng lớn các dịch vụ SQTL hỗ trợ 3 loại sự kiện mà được định nghĩa bởi các từ khóa: receive,

nhận được một thông điệp Từ khóa every định nghĩa các sự kiện xảy ra định kì vì một timer time-out và từ khóa expire định nghĩa các sự kiện xảy ra khi một timer là kết

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

Chương 3: Điều khiển truy nhập môi trường

Như đã trình bày trong các chương trước giới hạn năng lượng, tính toán, và tài nguyên truyền thông làm phức tạp giao thức thiết kế trong mạng cảm biến và ngăn chặn ứng dụng của nhiều công nghệ đã được sử dụng trong các mạng khác Mặt khác trong các mạng cảm biến vấn đề bảo tồn năng lượng để kéo dài thời gian sống của mạng luôn luôn là mối quan tâm hàng đầu Các giao thức truy nhập môi trường cung cấp ảnh hưởng lớn nhất qua các cơ chế truyền thông và ảnh hưởng trực tiếp lên hoạt

hầu hết các cảm biến Vì vậy chúng ta thảo luận khái niệm điều khiển truy nhập môi

cho truyền thông giữa các thiết bị

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

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

diễn trong frame phân phát qua lớp cao hơn

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

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

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

biến thường có kích thước nhỏ hơn nhiều khi so sánh với các mạng không dây truyền thống Kích thước thông điệp nhỏ hơn chỉ ra rằng chi phí giao thức từ các thông điệp header tăng và các giao thức MAC không cần dự trữ thời gian dài cho việc truyền các thông điệp thông thường

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

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

Các thiết kế cho giao thức MAC cũng phải đấu tranh với các chức năng được cung cấp bởi các bộ thu phát được chọn cho các cảm biến Các thiết kế thông thường xem xét sự tiêu thụ năng lượng với các chế độ khác nhau của hoạt động nhưng các đặc điểm khác có thể có tầm quan trọng như nhau Hầu hết các bộ thu phát mạng cảm biến

thông điệp hoặc chỉ nhận được nhiễu Một bộ thu phát mà có thể nghe trên kênh với năng lượng rất thấp có thể tiết kiệm được rất nhiều năng lượng tiêu thụ trong chế độ nghe nhàn rỗi

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

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

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

hỗ hàng trăm tới hàng nghìn nút cảm biến

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

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

thái, một giao thức MAC không theo lịch trình có thể tiêu thụ ít tài nguyên xử lí hơn,

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

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

nghi dễ dàng hơn với sự thay đổi của điều kiện lưu lượng vì đặt trước kênh có thể xảy

nguyên bởi vì độ trễ giữa các tài nguyên dành riêng và tài nguyên sử dụng Tính công bằng sẽ trở thành một vấn đề trong các giao thức MAC không theo lịch trình bởi vì không có cơ chế ngầm tồn tại mà cân bằng sử dụng kênh không giống với giao thức MAC theo lịch trình

3.2.1.1 Các giao thức MAC nhiều bộ thu phát

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

thông hiệu năng cao hơn và khả năng của các processor cao hơn là các hệ thống chỉ có

gồm một nguồn năng lượng mà cung cấp đủ cho tất cả các thiết bị phần cứng hoạt động cùng nhau Để thực hiện nhiều bộ thu phát các giao thức MAC khả thi, giao thức và thiết bị thiết kế phải vượt qua được mất mát năng lượng trong các bộ thu phát mà phát sinh độc lập khi sử dụng và đấu tranh với việc thêm vào các nút cảm biến phức tạp và chi phí

PAMAS

khiển Bằng cách tách thông điệp chuyển qua các thiết bị có thể tránh được các xung

truyền lại hoặc là nghe trộm

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

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

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

trễ nhất định, loại bỏ các điều khiển thông điệp và nhận biết sóng mang giúp giảm chi phí liên quan tới các hoạt động đó Tuy nhiên để tăng xác suất phân phát thông điệp nhiều bản sao của mỗi thông điệp có thể được quảng bá qua mạng Cơ chế đợi gửi tin

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

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

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

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

min ( max min)

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

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

mở rộng bằng cách chuyển tiếp lưu lượng

-sở tương quan cố gắng bảo tồn năng lượng trong khi thực hiện các yêu cầu ứng dụng

tương quan

-thành phần mà lọc các phép đo nút cảm biến để giảm lưu lượng và Network MAC MAC) thành phần chuyển tiếp các phép đo đã được lọc tới sink của mạng

(N-3.2.1.4 Encounter-Based MAC Protocols

Các giao thức MAC đặc biệt là các giao thức không theo lịch trình đối mặt với

trong thời gian chúng bắt đầu truyền thông điệp Tiết kiệm năng lượng được cung cấp

cận khi cần thiết và chỉ trong thời gian truyền tải

truyền tải thông điệp

WiseMAC

Một giao thức tương tự WiseMAC được phát triển cùng thời gian với B-MAC,

sử dụng các kĩ thuật tương tự nhưng cố gắng giảm năng lượng tiêu thụ bằng cách các nút cảm biến ghi nhớ các độ lệch lấy mẫu của các lân cận Một trường mở rộng trong

khi kênh tiếp theo của chúng lấy mẫu

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

phiên truyền các thông điệp điều khiển nhỏ và lắng nghe một phản ứng từ nút nhận rất

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

sự đơn giản để giảm thiểu tài nguyên sử dụng trong một nút cảm biến Tuy nhiên

thông một vấn đề tiềm ẩn được giải quyết trong các giao thức MAC theo lịch trình trở thành chức năng chủ yếu của các giao thức không theo lịch trình Những người dùng cuối mà yêu cầu rất đơn giản các giao thức MAC vì ràng buộc tài nguyên hoặc chỉ yêu cầu giới hạn chức năng có thể tìm một giao thức MAC không lịch trình là một sự lựa chọn tốt nhất

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

Chi phí phần cứng

và tài nguyên năng lượng

Nhiều đường đi Chuyển tiếp các thông

thông điệp được chuyển tiếp nhiều lần

trên yêu cầu của ứng dụng

thiết

Nhiều hoặc các

khiển dài được gửi trên một thông điệp

dữ liệu