TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 G iới thiệ u công nghệ mạng cảm biến không dây
Mạng cảm ứng không dây là hệ thống bao gồm cảm ứng, tính toán và giao tiếp trong các thiết bị nhỏ Nhờ vào các giao thức mạng lưới tiên tiến, các thiết bị trong một khu vực kết nối có khả năng mở rộng cảm ứng không gian điện từ đến thế giới vật lý Ví dụ, khi nước tràn vào các phòng trên một con thuyền chìm, mạng lưới sẽ tìm kiếm con đường giao tiếp khả thi bằng cách truyền dữ liệu giữa các điểm để xác định đích đến Mặc dù khả năng của từng thiết bị là hạn chế, nhưng sự kết hợp của hàng trăm thiết bị có thể tạo ra một công nghệ mạnh mẽ mới.
Mạng cảm ứng không dây sở hữu khả năng mở rộng với nhiều điểm nhỏ có thể kết hợp và cấu hình linh hoạt, phục vụ cho các ứng dụng như dò tìm thời gian thực, quản lý điều kiện môi trường và tình trạng thiết bị Công nghệ này cho phép điều khiển tự động hóa từ không gian bên ngoài vào thế giới vật lý, với ứng dụng đơn giản nhất là giám sát từ xa các môi trường có dữ liệu xuất hiện thấp Ví dụ, trong một dự án hóa học, hàng trăm cảm biến tự động có thể tạo thành mạng không dây, báo cáo ngay lập tức khi phát hiện sự rò rỉ hóa chất So với các hệ thống có dây truyền thống, mạng cảm ứng không dây có chi phí triển khai thấp hơn, giúp tiết kiệm đáng kể.
KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chương 2 sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các chức năng và nhiệm vụ của node cảm biến, môi trường hoạt động, xu hướng phát triển, cùng với cấu tạo của chúng Nội dung này giúp người đọc hiểu rõ hơn về kỹ thuật cảm biến không dây.
2.1 Khái quát về NODE cảm biến:
Mạng cảm biến không dây (WSNs) bao gồm nhiều cảm biến được phân bố rộng rãi để bao phủ một khu vực địa lý Các nút cảm biến (sensor nodes hay WNs) có khả năng giao tiếp vô tuyến với các nút lân cận và thực hiện các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và thiết lập kết nối với các nút xung quanh để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm Chức năng của các nút trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, với một số chức năng chính nổi bật.
- Xác định ược giá trị các thông số tại nơi lắp ặt Như có thể trả về nhiệt ộ, áp suất, đ đ đ cường độ ánh sáng… tại nơi khảo sát
Phát hiện các sự kiện quan trọng và ước lượng thông số liên quan là nhiệm vụ thiết yếu trong mạng cảm biến không dây (WSN) được ứng dụng trong giám sát giao thông Cảm biến cần nhận diện sự di chuyển của phương tiện, đồng thời đo lường tốc độ và hướng di chuyển của xe cộ trên đường.
- Phân biệt các đối tượng Ví dụ phương tiện lưu thông mà cảm biến nhận biết được là gì xe con, xe tải, hay xe buýt,…
Trong mạng cảm biến không dây (WSN) quân sự, việc theo dõi vị trí của các phương tiện đối phương là rất quan trọng Điều này giúp cập nhật thông tin về sự di chuyển của chúng trong khu vực bao phủ của mạng, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và khả năng ứng phó.
Các hệ thống có thể áp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo yêu cầu và mục đ đích của thông tin cần thu thập.
KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY
Các công nghệ truyền dẫn không dây hiện nay rất đa dạng và phù hợp với nhiều loại địa hình và cấu trúc khác nhau Trong mạng WSNs, có thể sử dụng các công nghệ truyền dẫn không dây đã được thiết kế sẵn như Bluetooth, mạng cá nhân (PANs), ZigBee, mạng LAN không dây (WLAN) và các điểm truy cập (hotspots), cũng như các giải pháp truy cập không dây băng thông rộng (BWA) như Wimax và 3G.
Trong mạng WSN, truyền sóng radio thường diễn ra dưới dạng trực tiếp hoặc không gian tự do Sóng phát ra từ nguồn, lan tỏa theo mọi hướng theo đường thẳng, và năng lượng giảm theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (1/(distance)²) Suy hao tín hiệu xảy ra khi sóng đi qua các môi trường không phải không gian tự do, như cáp đồng trục, vật liệu xây dựng, tòa nhà và các vật cản khác.
Hình 3-1 Mô hình truyền sóng
Có thể chia làm 3 thông sốảnh hưởng đến quá trình truyền sóng :
GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP TRONG MẠNG WIRELESS SENSOR
Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cảm biến được phân bố trên một khu vực địa lý cụ thể Những thiết bị cảm biến (node) này thường bị hạn chế về nguồn cung cấp năng lượng, dẫn đến khả năng xử lý và truyền tải thông tin cũng bị giới hạn.
Việc khai thác hiệu quả lợi ích tiềm năng của mạng WSNs yêu cầu khả năng tự tổ chức và kết hợp cao giữa các node cảm biến Do đó, thiết kế giao thức mạng và liên lạc hiệu quả cho WSNs trở nên quan trọng để đảm bảo hoạt động thành công của mạng Xây dựng phần cứng cho mạng không dây liên kết đa đường nhằm truyền dữ liệu đòi hỏi sự giao tiếp giữa các node lân cận Khác với thông tin trong mạng có dây, mạng không dây dựa vào truyền sóng điện từ qua môi trường không khí, tuân theo các đặc tính truyền sóng Để đạt được các mục tiêu này, việc sử dụng giao thức điều khiển truy cập môi trường MAC (Medium Access Control) là cần thiết.
Một số giao thức MAC đ đã ược ề nghị cho mạng WNSs, lựa chọn giao thức do ặc đ đ tính của mạng quyết định
4.1 Mô hình giao thức cho WSNs: Đặc iểm kênh truyền chỉ cho phép một node truyền thông iệp tại một thời iểm xác đ đ đ định Việc ia sẻ truy cập kênh truyền cần phải xây dựng giao thức MAC cho các node ch trong mạng Từ mô hình tham khảo OSI (Open Systems Interconnection Reference Model_OSIRM), giao thức MAC ược xây dựng ở lớp thấp của lớp liên kết dữ liệu đ(Data Link Layer_DDL) Lớp cao của DDL được xem như lớp iều khiển lođ gic (LLC).
PHẦN MỀM CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng WSN có giới hạn về năng lượng, băng thông, khả năng tính toán và thông tin, với cấu hình đa dạng do tính di động của các node, suy giảm năng lượng, và khả năng chuyển đổi giữa trạng thái ngủ và tích cực Mạng này cần cung cấp nhiều ứng dụng tức thời, vì vậy nó được xem là một mạng không dây/di động với tài nguyên hạn chế và ứng dụng rộng lớn Một thách thức lớn trong môi trường mạng WSN là thiết kế phần mềm có khả năng thích nghi giữa ứng dụng và các giao thức mạng, với phần mềm thường nằm dưới lớp ứng dụng và trên hệ điều hành cùng giao thức mạng.
5.1 Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN:
Theo kiến trúc mạng, các giao thức và lớp ứng dụng cần có khả năng thích ứng để đáp ứng yêu cầu đặc thù của mạng cảm biến không dây (WSN) và tính đa dạng ứng dụng của nó Chức năng thích nghi này giúp cải thiện chất lượng dịch vụ trong điều kiện tài nguyên hạn chế của mạng WSN, đồng thời kéo dài thời gian sống của mạng Phần mềm trung gian (Middleware) là một giải pháp hiệu quả để đáp ứng yêu cầu thích nghi này.
Các chức năng phần mềm cơ bản cho WSN:
Hệ thống cung cấp ứng dụng đadạng ể xây dựng các ứng dụng một cách dễ dàng, đ middleware cần cung cấp hệ thống dịchvụ được tiêu chuẩn hóa
Một môi trường phối hợp và cung cấp đaứng dụng
Các kỹ thuật tối ưu hóa giúp cải thiện khả năng thích ứng và sử dụng hiệu quả tài nguyên hệ thống Những kỹ thuật này cung cấp các thuật toán động nhằm quản lý tài nguyên mạng hạn chế của mạng cảm biến không dây (WSN).
Tín hiệu quả và chất lượng dịch vụ (QoS) có mối tương quan chặt chẽ, trong đó middleware đóng vai trò quan trọng trong việc hiệu chỉnh và tối ưu hóa tài nguyên mạng Để thực hiện các nhiệm vụ hiệu quả, middleware cần nắm rõ các đặc điểm cụ thể của hệ thống.
QUẢN LÝ MẠNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng thông tin máy tính bao gồm ba thành phần chính: thiết bị vật lý (có thể là kết nối có dây hoặc không dây), các node mạng (như hub, bridge, switch, router) và các thiết bị đầu cuối cùng server; giao thức; và thông tin được truyền tải, bao gồm cả ứng dụng Các giao thức đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển giao thông tin một cách hiệu quả, chính xác, an toàn và tin cậy, thông qua phần mềm trên các thiết bị vật lý Sự kết hợp giữa thiết bị vật lý và giao thức mạng tạo ra các ứng dụng hữu ích Tuy nhiên, để đảm bảo hoạt động hiệu quả của mạng thông tin, cần có thêm các kỹ thuật và công cụ quản lý mạng (NM) nhằm hỗ trợ dịch vụ mạng và phối hợp với các đối tượng trong mạng.
Quản lý mạng bao gồm các chức năng giám sát trạng thái mạng, phát hiện hư hỏng và sự bất thường, cũng như quản lý, điều khiển và cấu hình các thành phần mạng Mục tiêu của quản lý mạng là duy trì hoạt động bình thường, cải thiện hiệu quả làm việc và chất lượng ứng dụng Để thực hiện các nhiệm vụ này, thông tin thời gian thực từ các thiết bị mạng cần được thu thập, phân tích và điều khiển Thông tin thường được tổ chức dưới dạng cơ sở thông tin quản lý (MIB) trên mỗi thiết bị, với một trung gian trên mỗi thiết bị để thu thập và báo cáo thông tin về trung tâm quản lý mạng, cho phép quản lý mạng hoạt động như một ứng dụng hiệu quả.
6.1 Các kiểu quản lý mạng truyền thống:
Giao thức quản lý mạng đơn giản (SNMP) là một công cụ phổ biến trong quản lý mạng, bao gồm ba thành phần chính: hệ thống quản lý mạng (NMS), các thiết bị được quản lý và các phần trung gian.
HỆ ĐIỀU HÀNH CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Hệ điều hành truyền thống đóng vai trò trung gian giữa phần mềm ứng dụng và phần cứng, thường được tối ưu hóa cho trạm làm việc và máy tính cá nhân với nguồn tài nguyên phong phú.
Các hệ điều hành truyền thống là phần mềm hệ thống bao gồm chương trình quản lý tài nguyên, điều khiển thiết bị ngoại vi và cung cấp tương tác cho phần mềm ứng dụng Chúng thực hiện các chức năng như quản lý xử lý, bộ nhớ, CPU, file hệ thống và thiết bị Tuy nhiên, các hệ điều hành này không phù hợp với mạng cảm biến không dây (WSN) do WSN có tài nguyên hạn chế, ứng dụng đa dạng và cấu hình phong phú.
Hệ điều hành mới cho mạng cảm biến không dây (WSN) là cần thiết để đáp ứng các đặc điểm riêng biệt của mạng này Khi thiết kế hệ điều hành cho WSN, cần xem xét nhiều vấn đề quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và khả năng tương tác của mạng.
- Hệ điều hành cần quản lý và lên kế hoạch cho việc xử lý
- Vấn đề quản lý bộ nhớ
- Kiểu chế độ nhân (kernel)
- Giao tiếp chương trình ứng dụng (API)
- Cập nhật mã và lập trình lại
- Node không có bộ lưu trữ ngoài, do đó hệ điều hành cho WSN không thể có file hệ thống
Hệ điều hành cho cảm biến nên cung cấp các chức năng sau:
- Kích thước nén và nhỏ vì node cảm biến có dung lượng bộ nhớ rất nhỏ
- Cung cấp theo thời gian thực vì các ứng dụng là thời gian thực
- Kỹ thuật quản lý tài nguyên hiệu quả để phân thời gian cho vi xử lý và hạn chế bộ nhớ.
QUẢN LÝ SỰ VẬN HÀNH VÀ LƯU LƯỢNG THÔNG TIN
Chương 8 tập trung vào thiết kế mạng cảm biến không dây, bao gồm các giao thức quan trọng như giao thức MAC, giao thức định tuyến và giao thức chuyển vận Ngoài ra, chương này còn trình bày về mô hình hóa hoạt động của mạng cảm biến không dây và thực hiện các tính toán liên quan đến thời gian sống của hệ thống.
8.1 Vấn đề thiết kế cho WSN
Các giao thức MAC đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của quá trình truyền dữ liệu theo mô hình hop-by-hop Hiện nay, các giao thức MAC đang được áp dụng theo tiêu chuẩn IEEE, góp phần nâng cao chất lượng truyền tải thông tin.
Giao thức 802 có thể không phù hợp với mạng WSN do hiệu suất sử dụng năng lượng kém Các giao thức MAC tổng quát có thể dẫn đến tình trạng tiêu hao năng lượng do nhiều nguyên nhân khác nhau.
Kênh truyền vô tuyến trong mô hình mạng phân bố thường gặp tình trạng ùn ứ gói dữ liệu, điều này là không thể tránh khỏi Sự ùn ứ này yêu cầu phải truyền lại các gói dữ liệu, dẫn đến lãng phí năng lượng đáng kể.
- Các giao thức MAC phân bố yêu cầu thông điệp iều khiển cho truyền dữ liệu (các đ gói RTS, CTS) Thông điệp điều khiển cũng tiêu thụ năng lượng
- Overhearing và idle listening có thể gây lãng phí năng lượng
Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây được thiết kế để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng Để đánh giá chất lượng của các giao thức này, các thông số quan trọng thường được xem xét bao gồm xác suất xung đột, overhead cho điều khiển, độ trễ và lưu lượng.
Chương 8 Quản lý sự vận hành và lưu lượng thông tin
Các giao thức định tuyến truyền thống dựa trên địa chỉ không phù hợp với mạng WSN, trong khi định tuyến dựa trên dữ liệu lại tối ưu hơn nhờ vào khả năng thiết lập dễ dàng và tiết kiệm năng lượng thông qua tập hợp dữ liệu Việc thiết kế các giao thức định tuyến hiệu quả có thể dựa trên kiểu lưu lượng và đặc điểm hệ thống Để tiết kiệm năng lượng, hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng WSN áp dụng các kỹ thuật riêng nhằm giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng.
Trong thiết kế các giao thức giao vận, cần xem xét cẩn thận các yếu tố như kỹ thuật điều khiển nghẽn và độ tin cậy Mặc dù giao thức MAC có khả năng khôi phục gói bị mất từ các bit lỗi, nhưng nó không thể kiểm soát việc mất gói do tràn bộ đệm Do đó, các giao thức chuyển vận cần tích hợp kỹ thuật khôi phục lỗi để đảm bảo độ tin cậy, trong đó các kỹ thuật như ACK và selective ACK được áp dụng trong TCP rất hữu ích Độ tin cậy trong mạng cảm biến không dây (WSN) có ý nghĩa khác so với các mạng truyền thống, nơi việc truyền đúng mọi gói là rất quan trọng Kỹ thuật hop-by-hop có thể giúp giảm yêu cầu bộ đệm tại các nút trung gian.
Chương 8 Quản lý sự vận hành và lưu lượng thông tin
Các giao thức chuyển vận cho mạng cảm biến không dây (WSN) cần tránh tình trạng mất gói tin, vì điều này sẽ dẫn đến lãng phí năng lượng Hơn nữa, các giao thức này cũng phải đảm bảo tính công bằng, giúp các nút trong mạng có thể đạt được lưu lượng truyền tải tương đương nhau.
8.2 Mô hình hóa sự vận hành của WSN:
Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông tin truyền thống do đó nhiều thông số khác cần được đánh giá:
Thời gian sống của hệ thống có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau, bao gồm thời gian cho đến khi một số node mất hết năng lượng, khoảng thời gian mà chất lượng dịch vụ (QoS) của ứng dụng không còn được đảm bảo, hoặc thời gian cho đến khi mạng bị tách rời.
Hiệu suất sử dụng năng lượng được xác định bởi số lượng gói có thể được truyền thành công với một đơn vị năng lượng Việc sử dụng gói tại lớp MAC, overhead cho định tuyến, mất gói, và việc truyền lại các gói đều ảnh hưởng đến hiệu suất này, dẫn đến giảm khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả.
Độ tin cậy trong mạng cảm biến không dây (WSN) là chỉ số quan trọng để đánh giá tính chính xác của các sự kiện được cảm nhận và báo cáo về trạm gốc Nó được định nghĩa là tỷ lệ giữa số gói tin nhận thành công và tổng số gói tin đã phát.
Độ bao phủ trong một mạng cảm biến đề cập đến tỷ lệ không gian được giám sát bởi các node cảm biến Khi một node cảm biến ngừng hoạt động do suy giảm năng lượng, khu vực đó sẽ không còn được giám sát nữa Do đó, độ bao phủ được xác định là tỷ số giữa không gian được giám sát và không gian gốc.
Khả năng liên kết trong mạng cảm biến không dây (WSN) rất quan trọng, vì mạng có thể bị tách rời khi một số node không hoạt động Khả năng liên kết được sử dụng để đánh giá mức độ kết nối của mạng và xác định số lượng node bị cách ly.
- QoS: một vài ứng dụng trong WSN có đặc tính thời gian thực Các ứng dụng này có
Chương 8 Quản lý sự vận hành và lưu lượng thông tin
119 thể có yêu cầu QoS như trễ, tỉ lệ mất và băng thông
8.2.2 Các mô hình cơ bản:
Trong mạng cảm biến không dây (WSN), các ứng dụng và đặc tính lưu lượng có sự khác biệt rõ rệt so với các mạng truyền thống Điều này dẫn đến sự thay đổi trong mô hình lưu lượng và phân phát dữ liệu Có bốn mô hình lưu lượng chính được sử dụng trong WSN, bao gồm: phân phát dựa trên sự kiện, phân phát liên tục, phân phát dựa trên truy vấn và phân phát hỗn hợp Mô hình lưu lượng này ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế giao thức và quá trình thực thi trong mạng.
Các node cảm biến giám sát sự kiện một cách thụ động và liên tục Khi sự kiện xảy ra, node sẽ tường trình sự kiện đến trạm gốc Dữ liệu về sự kiện được phân phát đến trạm gốc thông qua giao thức định tuyến tìm đường đến trạm gốc, gọi là định tuyến theo nhu cầu Nếu sự kiện xảy ra thường xuyên tại một node hoặc nhóm node, việc định tuyến sẽ được thực hiện thường xuyên, dẫn đến tiêu thụ năng lượng cao hơn Một giải pháp thay thế là thiết lập tuyến cố định cho các liên kết này Do đó, hiệu quả định tuyến trong mô hình phân phối phụ thuộc nhiều vào tần suất xuất hiện của sự kiện Giao thức định tuyến thích ứng có thể được yêu cầu để thiết lập tuyến cố định nếu các sự kiện xảy ra thường xuyên, ngược lại sẽ sử dụng định tuyến theo nhu cầu.
Dữ liệu thu thập bởi các node cần ược tường trìn thường xuyên, liên tục hay theo chu đ kỳ
Chương 8 Quản lý sự vận hành và lưu lượng thông tin