ĐÁNH GIÁ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - Full 10 điểm

UBND TỈNH QUẢNG NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN -----  ----- KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: ĐÁNH GIÁ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện NGUYỄN ĐÌNH DƢƠNG MSSV: 2116100108 CHUYÊN NGÀNH: QUẢN TRỊ MẠNG KHÓA 2016 – 2020 Cán bộ hướng dẫn ThS LÊ THỊ THANH BÌNH MSCB: ……… Quảng Nam, tháng 06 năm 2020 L Ờ I C ẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường Đại học Quảng Nam , đặc biệt là các thầy cô khoa Công nghệ thông tin của trường đã tạo điều kiện cho em thực tập ở khoa để có nhiều thời gian cho khóa luận tốt nghiệp Và e m cũng xin chân thành cám ơn cô Lê Thị Thanh Bình đã nhiệt tình hướng dẫn hướng dẫn em hoàn thành tốt khóa thực tập Trong quá trình thực tập, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo thực tập, khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy, cô bỏ qua Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy, cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo tốt nghiệp s ắp tới Em xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Vi ế t t ắ t T ừ đ ầ y đ ủ Nghĩa ti ế ng Vi ệ t AODV Ad hoc On - Demand Distance - Vector Routing Chu ỗ i ch ỉ hư ớ ng theo yêu c ầ u Ad hoc ADV Advertise B ả n tin qu ả ng bá BS Bastation(Sink) Tr ạ m g ố c GAF Geographic Adaptive Fidelity Gi ả i thu ậ t chính xác theo đ ị a lý GEAR Geographic and Energy - Aware Routing Đ ị nh tuy ế n theo vùng đ ị a lý s ử d ụ ng hi ệ u qu ả năng lư ợ ng LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Giao th ứ c phân c ấ p theo c ụ m thích ứ ng năng lư ợ ng th ấ p MAC Medium Access Control Đi ề u khi ể n truy nh ậ p môi trư ờ ng REQ Request B ả n tin yêu c ầ u REQ Request B ả n tin yêu c ầ u PEGAS I S Power - Efficient Gathering in Sensor Information Systems Giao th ứ c phân c ấ p thu th ậ p thông tin trong h ệ th ố ng c ả m bi ế n SPIN Sensor Protocols or Information via Negotiation Giao th ứ c đ ị nh tuy ế n thông tin qua s ự th ỏ a thu ậ n WLAN Wireless Local Area Network M ạ ng n ộ i h ạ t vô tuy ế n WPAN Wireless Personal Area Network M ạ ng vùng cá nhân vô tuy ế n WSN Wireless Sensor Network M ạ ng c ả m bi ế n không dây MỤC LỤC Phần 1 MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục tiêu của đề tài 1 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1 4 Phƣơng pháp nghiên cứu 1 5 Cấu trúc đề tài 2 Phần 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3 Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây 3 1 1 Giới thiệu 3 1 2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 3 1 3 Kiến trúc các giao thức trong mạng cảm biến không dây 6 1 4 Phân loại các giao giao thức định tuyến trong WSN 7 1 5 Một số thách thức của mạng cảm biến không dây 9 1 6 Một số ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây 11 Chƣơng 2 Một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 15 2 1 Giao Thức Spin 15 2 2 Giao thức Directed Diffusion 17 2 3 Giao Thức LEACH 20 2 4 Giao thức Flooding 24 Chƣơng 3: Mô phỏng một số giao thức định tuyến trong mạng 25 cảm biến không dây 25 3 1 Giới thiệu về ns2 25 3 2 Mô phỏng Leach 26 3 3 Mô phỏng Flooding 30 3 4 Mô phỏng Spin 33 Phần 3 Kết Luận và Kiến Nghị 37 3 1 Kết Luận 37 3 2 Kiến nghị 37 Phần 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 1 PH Ầ N 1 M Ở ĐẦ U 1 Lý do ch ọn đề tài Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông Tuy nhiên do mạng cảm biến không dây sử dụng truyền dẫn thông tin bằng môi trường vô tuyến, nên với cách thức truyền thông này xảy ra sự mất mát dữ liệu do môi trường vô tuyến không ổn định Đây là thách thức lớn đối với quá trình truyền thông trong WSN, cũng như cần phải thiết kế được những mạng cảm biến truyền thông đa chặng và có thể giảm thiểu tối đa sự mất mát dữ liệu trong quá trình truyền thông Trong khi đó, các nghiên cứu về WSN đã chỉ ra rằng có tới trên 70% năng lượng của hệ thống mạng bị tiêu hao là do quá trình truyền thông Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng trong quá trình định tuyến cho giao thức định tuyến là bài toán đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm bởi tính khoa học và khả năng ứng dụng trong thực tiễn Nhận thấy tầm quan trọng này, em đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Đánh giá các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây” Đề tài đánh giá một số một số giao thức trong định tuyến không dây Từ đó so sánh được giao thức nào tối ưu hơn và dễ dàng chọn trong các trường hợp cụ thể khác nhau 2 M ụ c tiêu c ủa đề tài Đánh giá được các giao thức và lựa chọn được giao thức tối ưu nhất 3 Đối tƣợ ng và ph ạ m vi nghiên c ứ u Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 4 Phƣơng pháp nghiên cứ u Tìm hiểu tài liệu, mô phỏng giao thức, đánh giá 2 5 C ấu trúc đề tài Đề tài gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Chương 2: Tìm hiểu một số giao thức trong mạng cảm biến không dây Chương 3: Đánh giá một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 3 PH Ầ N 2 N Ộ I DUNG NGHIÊN C Ứ U CHƢƠNG 1: TỔ NG QUAN V Ề M Ạ NG C Ả M BI Ế N KHÔNG DÂY 1 1 Gi ớ i thi ệ u M ạ ng c ả m bi ế n không dây (Wireless Sensor Network) bao g ồ m m ộ t t ậ p h ợ p các thi ế t b ị c ả m bi ế n s ử d ụ ng các liên k ế t không dây (vô tuy ế n, h ồ ng ngo ạ i ho ặ c quang h ọ c) đ ể ph ố i h ợ p th ự c hi ệ n nhi ệ m v ụ thu th ậ p thông tin d ữ li ệ u ph ân tán v ớ i quy mô l ớ n trong b ấ t k ỳ đi ề u ki ệ n và ở b ấ t k ỳ vùng đ ị a lý nào M ạ ng c ả m bi ế n không dây có th ể liên k ế t tr ự c ti ế p v ớ i nút qu ả n lý giám sát tr ự c ti ế p hay gián ti ế p thông qua m ộ t đi ể m thu phát (Sink) và môi trư ờ ng m ạ ng công c ộ ng như Internet hay v ệ tinh Các nút c ả m bi ế n không dây có th ể đư ợ c tri ể n khai cho các m ụ c đích chuyên d ụ ng như đi ề u khi ể n giám sát và an ninh; ki ể m tra môi trư ờ ng; t ạ o ra không gian s ố ng thông minh; kh ả o sát đánh giá chính xác trong nông nghi ệ p; trong lĩnh v ự c y t ế ; L ợ i th ế ch ủ y ế u c ủ a chúng là kh ả năng tri ể n khai h ầ u như trong b ấ t kì lo ạ i hình đ ị a lý nào k ể c ả các môi trư ờ ng nguy hi ể m không th ể s ử d ụ ng m ạ ng c ả m bi ế n có dây truy ề n th ố ng Các thi ế t b ị c ả m bi ế n không dây liên k ế t thành m ộ t m ạ ng đã t ạ o ra nhi ề u kh ả năng m ớ i cho con ngư ờ i Các đ ầ u đo v ớ i b ộ vi x ử lý và các thi ế t b ị vô tuy ế n r ấ t nh ỏ g ọ n t ạ o nên m ộ t thi ế t b ị c ả m bi ế n không dây có kích thư ớ c r ấ t nh ỏ , ti ế t ki ệ m v ề không gian Chúng có th ể ho ạ t đ ộ ng trong môi trư ờ ng dày đ ặ c v ớ i kh ả năng x ử lý t ố c đ ộ cao Ngày nay, các m ạ ng c ả m bi ế n không dây đư ợ c ứ ng d ụ ng trong nhi ề u lĩnh v ự c như nghiên c ứ u vi sinh v ậ t bi ể n, giám sát vi ệ c chuyên ch ở các ch ấ t gây ô nhi ễ m, ki ể m tra giám sát h ệ sinh thái và môi trư ờ ng sinh v ậ t ph ứ c t ạ p, đi ề u khi ể n giám sát trong công nghi ệ p và trong lĩ nh v ự c quân s ự , an ninh qu ố c phòng hay các ứ ng d ụ ng trong đ ờ i s ố ng hàng ngày 1 2 Đặc điể m c ủ a m ạ ng c ả m bi ế n không dây Đ ặ c đi ể m c ủ a m ạ ng c ả m bi ế n là bao g ồ m m ộ t s ố lu ợ ng l ớ n các nút c ả m bi ế n, các nút c ả m bi ế n có gi ớ i h ạ n và ràng bu ộ c v ề tài nguyên đ ặ c bi ệ t là năng lu ợ ng r ấ t kh ắ t khe Do đó, c ấ u trúc m ạ ng m ớ i có đ ặ c đi ể m r ấ t khác v ớ i các m ạ ng truy ề n th ố ng Sau đây ta s ẽ phân tích m ộ t s ố đ ặ c đi ể m n ổ i b ậ t trong m ạ ng c ả m bi ế n nh ư sau: 4 + Kh ả năng chị u l ỗ i (fault tolerance): M ộ t s ố các nút c ả m bi ế n có th ể không ho ạ t độ ng n ữ a do thi ếu năng luợ ng, do nh ữ ng h ư h ỏ ng v ậ t lý ho ặ c do ả nh hu ở ng c ủ a môi tru ờ ng Kh ả năng chị u l ỗ i th ể hi ệ n ở vi ệ c m ạ ng v ẫ n ho ạt độ ng bình thu ờ ng, duy trì nh ữ ng ch ức năng củ a nó ngay c ả khi m ộ t s ố nút m ạ ng không ho ạt độ ng + Kh ả năng mở r ộ ng: Khi nghiên c ứ u m ộ t hi ệ n tu ợ ng, s ố lu ợ ng các nút c ả m bi ến đuợ c tri ể n khai có th ể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thu ộ c vào t ừ ng ứ ng d ụ ng con s ố này có th ể vu ợ t quá hàng tri ệu Do đó cấ u trúc m ạ ng m ớ i ph ả i có kh ả năng m ở r ộng để có th ể làm vi ệ c v ớ i s ố lu ợ ng l ớ n các nút này + Giá thành s ả n xu ấ t: Vì các m ạ ng c ả m bi ế n bao g ồ m m ộ t s ố lu ợ ng l ớ n các nút c ả m bi ế n nên chi phí c ủ a m ỗ i nút r ấ t quan tr ọ ng trong vi ệc điề u ch ỉ nh chi phí c ủ a toàn m ạ ng N ế u chi phí c ủ a toàn m ạng đắt hơn việ c tri ể n khai sensor theo ki ể u truy ề n th ố ng, nh ư v ậ y m ạ ng không có giá thành h ợ p lý Do v ậ y, chi phí c ủ a m ỗ i nút c ả m bi ế n ph ả i gi ữ ở m ứ c th ấ p + Ràng bu ộ c v ề ph ầ n c ứ ng : Vì s ố lu ợ ng các nút trong m ạ ng r ấ t nhi ề u nên các nút c ả m bi ế n c ầ n ph ả i có các ràng bu ộ c v ề ph ầ n c ứ ng nh ư sau : Kích thu ớ c ph ả i nh ỏ , tiêu th ụ năng lượ ng th ấ p, có kh ả n ằ ng ho ạt độ ng ở nh ững nơi có mật độ cao, chi phí s ả n xu ấ t th ấ p, có kh ả năng tự tr ị và ho ạt độ ng không c ần có ngườ i ki ể m soát, thích nghi v ới môi trườ ng + Môi trườ ng ho ạt độ ng: Các nút c ả m bi ến đượ c thi ế t l ập dày đặ c, r ấ t g ầ n ho ặ c tr ự c ti ế p bên trong các hi ện tượng để quan sát Vì th ế, chúng thườ ng làm vi ệ c mà không c ầ n giám sát ở nh ữ ng vùng xa xôi Chúng có th ể làm vi ệ c ở bên trong các máy móc l ớ n, ở dưới đáy biể n, ho ặ c trong nh ữ ng vùng ô nhi ễ m hóa h ọ c ho ặ c sinh h ọ c, ở gia đình hoặ c nh ữ ng tòa nhà l ớ n + Phương tiệ n truy ề n d ẫ n: Ở nh ữ ng m ạ ng c ả m bi ế n multihop, các nút đượ c k ế t n ố i b ằ ng nh ững phương tiện không dây Các đườ ng k ế t n ố i này có th ể t ạ o nên b ở i sóng vô tuy ế n, h ồ ng ngo ạ i ho ặ c nh ững phương tiệ n quang h ọc Để thi ế t l ậ p s ự ho ạ t độ ng th ố ng nh ấ t c ủ a nh ữ ng m ạng này, các phương tiệ n truy ề n d ẫ n ph ải đượ c ch ọ n ph ả i phù h ợ p trên toàn th ế gi ớ i Hi ệ n t ạ i nhi ề u ph ầ n c ứ ng c ủ a các nút c ả m bi ế n d ự a vào thi ế t k ế m ạ ch RF Nh ữ ng thi ế t b ị c ả m bi ến năng lượ ng th ấ p dùng b ộ thu phát vô tuy ế n 1 kênh RF ho ạt độ ng ở t ầ n s ố 916MHz 5 M ộ t cách khác mà các nút trong m ạ ng giao ti ế p v ớ i nhau là b ằ ng h ồ ng ngo ạ i Thi ế t k ế máy thu phát vô tuy ế n dùng h ồ ng ngo ạ i thì giá thành r ẻ và d ễ dàng hơn Cả hai lo ạ i h ồ ng ngo ại và quang đề u yêu c ầ u b ộ phát và thu n ằ m trong ph ạ m vi nhìn th ấ y, t ứ c là có th ể truy ền ánh sáng cho nhau đượ c + C ấ u hình m ạ ng c ả m bi ế n (network topology): Trong m ạ ng c ả m bi ế n, m ật độ các nút có th ể lên t ớ i 20 nút/m3 Do s ố lượ ng các nút c ả m bi ế n r ấ t l ớ n nên c ầ n ph ả i thi ế t lâp m ộ t c ấ u hình ổ n đị nh + S ự tiêu th ụ năng lượ ng (power consumption): Các nút c ả m bi ế n không dây, có th ể coi là m ộ t thi ế t b ị vi điệ n t ử ch ỉ có th ể đượ c trang b ị ngu ồn năng lượ ng gi ớ i h ạ n ( Độ ẩ m > Nhi ệ t đ ộ > S ự chuy ển độ ng c ủ a xe c ộ > Điề u ki ệ n ánh sáng > Áp su ấ t > S ự hình thành đấ t > M ứ c nhi ễ u > S ự có m ặ t hay v ắ ng m ặ t m ột đối tượng nào đó > M ứ c ứ ng su ất trên các đối tượ ng b ị g ắ n > Đặ c tính hi ệ n t ại như tốc độ , chi ều và kích thướ c c ủa đối tượ ng Các nút c ả m bi ế n có th ể đượ c s ử d ụng để c ả m bi ế n liên t ụ c ho ặ c là phát hi ệ n s ự ki ệ n, s ố nh ậ n d ạ ng s ự ki ệ n, c ả m bi ế n v ị trí và điề u khi ể n c ụ c b ộ b ộ ph ậ n phát 12 độ ng Khái ni ệ m vi c ả m bi ế n và k ế t n ố i không dây c ủ a nh ữ ng nút này h ứ a h ẹ n nhi ề u vùng ứ ng d ụ ng m ớ i Chúng ta phân lo ạ i các ứ ng d ụng này trong quân độ i, môi trườ ng, s ứ c kh ỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mạ i khác M ạ ng c ả m bi ế n không dây có th ể tích là m ộ t ph ầ n tích h ợ p trong h ệ th ống điề u khi ển quân độ i, giám sát, giao ti ế p, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi m ụ c tiêu Đặ c tính tri ể n khai nhanh, t ự t ổ ch ứ c và có th ể b ị l ỗ i c ủ a m ạ ng c ả m bi ế n làm cho chúng h ứ a h ẹ n k ỹ thu ậ t c ả m bi ế n cho h ệ th ống trong quân độ i Vì m ạ ng c ả m bi ế n d ự a trên s ự tri ển khai dày đặ c c ủ a các nút c ả m bi ế n có s ẵ n, chi phí th ấ p và s ự phá h ủ y c ủ a m ộ t vài nút b ởi quân đị ch không ảnh hưởng đế n ho ạt độ ng c ủ a quân đội cũng như sự phá h ủ y các c ả m bi ế n truy ề n th ố ng làm cho khái ni ệ m m ạ ng c ả m bi ế n là ứ ng d ụ ng t ốt đố i v ớ i chi ến trườ ng M ộ t vài ứ ng d ụng quân độ i c ủ a m ạ ng c ả m bi ế n là quan sát l ực lượ ng, hang thi ế t b ị, đạn dượ c, theo dõi chi ến trườ ng do thám đị a hình và l ực lượng quân đị ch, m ụ c tiêu, vi ệc đánh giá mức độ nguy hi ể m c ủ a chi ến trườ ng, phát hi ệ n và do thám vi ệ c t ấ n công b ằ ng hóa h ọ c, sinh h ọ c, h ạ t nhân Gi ả m sát l ực lượ ng, trang thi ế t b ị và đạn dượ c: Nh ững người lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên t ụ c tr ạ ng thái l ực lượ ng quân đội, điề u ki ệ n và s ự có s ẵ n c ủ a các thi ế t b ị và đạn dượ c trong chi ến trườ ng b ằ ng vi ệ c s ử d ụ ng m ạ ng c ả m bi ến Quân độ i, xe c ộ , trang thi ế t b ị và đạn dượ c có th ể g ắ n li ề n v ớ i các thi ế t b ị c ả m bi ế n nh ỏ để có th ể thông báo v ề tr ạ ng thái Nh ữ ng b ả n báo cáo này đượ c t ậ p h ọ p l ạ i t ạ i các nút sink để g ử i t ới lãnh đạo trong quân độ i D ữ li ệ u cũng có thể đượ c chuy ể n ti ếp đế n các c ấp cao hơn Gi ả m sát chi ến trườ ng: Đị a hình hi ể m tr ở , các tuy ến đường, đườ ng mòn và các ch ỗ eo h ẹ p có th ể nh anh chóng đượ c bao ph ủ b ở i m ạ ng c ả m bi ế n và g ần như có thể theo dõi các ho ạ t độ ng c ủa quân đị ch Khi các ho ạt động này đượ c m ở r ộ ng và k ế ho ạ ch ho ạt độ ng m ới đượ c chu ẩ n b ị m ộ t m ạ ng m ớ i có th ể đượ c tri ể n khai b ấ t c ứ th ờ i gian nào khi theo dõi chi ến trườ ng 13 Giám sát đị a hình và l ực lượng quân đị ch: M ạ ng c ả m bi ế n có th ể đượ c tri ể n khai ở nh ững đị a hình then ch ố t và m ộ t vài nơi quan họ ng, các nút c ả m bi ế n c ầ n nhanh chóng c ả m nh ậ n các d ữ li ệ u và t ậ p trung d ữ li ệ u g ử i v ề trong vài phút trước khi quân đị ch phát hi ệ n và có th ể ch ặ n l ạ i chúng Đánh giả s ự nguy hi ể m c ủ a chi ến trườ ng: Trướ c và sau khi t ấ n công m ạ ng c ả m bi ế n có th ể đượ c tri ể n khai ở nh ữ ng vùng m ục tiêu để n ắm đượ c m ức độ nguy hi ể m c ủ a chi ến trườ ng Phát hi ện và thăm dò các vụ t ấ n công b ằ ng hóa h ọ c, sinh h ọ c và h ạ t nhân: Trong các cu ộ c chi ế n tranh hóa h ọ c và sinh h ọc đang gầ n k ề , m ột điề u r ấ t quan ừọ ng là s ự phát hi ện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó Mạ ng c ả m bi ế n tri ể n khai ở nh ững vùng mà đượ c s ử d ụng như mộ t h ệ th ố ng c ả nh báo sinh h ọ c và hóa h ọ c có th ể cung c ấ p th ông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằ m tránh thương vong nghiêm trọ ng M ộ t vài ứ ng d ụng môi trườ ng c ủ a m ạ ng c ả m bi ế n bao g ồ m theo dõi s ự di cư c ủa các loài chim, các độ ng v ậ t nh ỏ , các lo ại côn trùng, theo dõi điề u ki ệ n môi trườ ng mà ảnh hưởng đế n mùa màng và v ậ t nuôi; vi ệc tướ i tiêu, các thi ế t b ị đo đạ c l ớn đố i v ớ i vi ệ c quan sát di ệ n tích l ớ n trên tr ái đấ t, s ự thăm dò các hành tinh, phát hi ệ n sinh-hóa, nông nghi ệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trườ ng vùng bi ể n và b ầ u khí quy ể n, phát hi ệ n cháy r ừ ng, nghiên c ứu khí tượ ng h ọc và đị a lý, phát hi ện lũ lụ t, s ắp đặ t s ự ph ứ c t ạ p v ề sinh h ọ c c ủa môi trườ ng và nghiên c ứ u s ự ô nhi ễ m Phát hi ệ n cháy r ừ ng: Vì các nút c ả m bi ế n có th ể đượ c tri ể n khai m ộ t cách ng ẫ u nhiên, có chi ến lượ c v ớ i m ật độ cao trong r ừ ng, các nút c ả m bi ế n s ẽ tìm ngu ồ n g ố c c ủ a l ửa để thông báo cho ngườ i s ử d ự ng bi ết trướ c khi l ử a lan r ộ ng không ki ểm soát đượ c Hàng tri ệ u các nút c ả m bi ế n có th ể đượ c tri ể n khai và tích h ợ p s ử d ụ ng h ệ th ố ng t ầ n s ố không dây ho ặ c quang h ọc Cũng vậ y, chúng có th ể đượ c trang b ị cách th ứ c s ử d ụ ng công su ấ t có hi ể u qu ả như là pin mặ t tr ờ i b ở i vì các nút c ả m bi ế n b ị b ỏ l ạ i không có ch ủ hàng tháng và hàng năm Các nút cả m bi ế n s ẽ c ộ ng tác v ới nhau để th ự c hi ệ n c ả m b ỉế n phân b ố và kh ắ c ph ục khó khăn, như các cây và đá mà ngăn trở t ầ m nhìn th ẳ ng c ủ a c ả m bi ế n có dây 14 Phát hi ện lũ lụ t: M ộ t ví d ụ đó là hệ th ống báo động đượ c tri ể n khai t ạ i M ỹ M ộ t vài lo ạ i c ả m bi ến đượ c tri ể n khai trong h ệ th ố ng c ả m bi ến lượng mưa, mức nướ c, th ờ i ti ế t Nh ữ ng con c ả m bi ế n này cung c ấp thông tin để t ậ p trung h ệ th ống cơ sở d ữ li ệu đã được định nghĩa trướ c M ộ t vài ứ ng d ụ ng v ề s ứ c kh ỏe đố i v ớ i m ạ ng c ả m bi ế n là giám sát b ệ nh nhân, các tri ệ u ch ứ ng, qu ả n lý thu ố c trong b ệ nh vi ệ n, giám sát s ự chuy ển độ ng và x ử lý bên trong c ủ a côn trùng ho ặc các độ ng v ậ t nh ỏ khác, theo dõi và ki ểm tra bác sĩ và b ệ nh nhân trong b ệ nh vi ệ n Theo dõi bác sĩ và b ệ nh nhân trong b ệ nh vi ệ n : M ỗ i b ệnh nhân đượ c g ắ n m ộ t nút c ả m bi ế n nh ỏ và nh ẹ , m ỗ i m ộ t nút c ả m bi ế n này có nhi ệ m v ụ riêng, ví d ụ có nút c ả m bi ế n xác đị nh nh ị p tim trong khi con c ả m bi ế n khác phát hi ệ n áp su ất máu, bác sĩ cũng có thể mang nút c ả m bi ến để cho các bác sĩ khác xác định đượ c v ị trí c ủ a h ọ trong b ệ nh vi ệ n Trong lĩnh vự c t ự động hóa gia đình, các nút cả m bi ến được đặ t ở các phòng để đo nhiệ t độ Không nh ữ ng th ế, chúng còn được dùng để phát hi ệ n nh ữ ng s ự d ị ch chuy ể n trong phòng và thông báo l ại thông tin này đế n thi ế t b ị báo độ ng trong trườ ng h ợ p không có ai ở nhà 15 CHƢƠNG 2 MỘ T S Ố GIAO TH ỨC ĐỊ NH TUY Ế N TRONG M Ạ NG C Ả M BI Ế N KHÔNG DÂY 2 1 Giao Th ứ c Spin SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao th ứ c phân tuy ế n thông tin d ự a trên s ự dàn x ế p d ữ li ệ u M ụ c tiêu chính c ủ a giao th ức này đó là tậ p trung vi ệc quan sát môi trườ ng có hi ệ u qu ả b ằ ng m ộ t s ố các nút c ả m bi ế n riêng bi ệ t trong toàn b ộ m ạ ng Nguyên lý c ủ a giao th ức này đó là s ự thích ứ ng v ề tài nguyên và s ắ p x ế p d ữ li ệu Ý nghĩa củ a vi ệ c dàn x ế p d ữ li ệ u (data negotiation) này là các nút trong SPIN s ẽ bi ế t v ề n ộ i dung c ủ a d ữ li ệu trướ c khi b ấ t k ỳ d ữ li ệu nào đượ c truy ề n trong m ạ ng SPIN khai thác tên d ữ li ệ u nh ờ đó mà các nút sẽ k ế t h ợ p miêu t ả d ữ li ệ u (metadata) v ớ i d ữ li ệ u mà chúng t ạ o ra và s ử d ụ ng s ự miêu t ả này để th ự c hi ệ n vi ệ c giàn x ế p d ữ li ệu trướ c khi truy ề n d ữ li ệ u th ự c t ế Nơi nhậ n d ữ li ệ u có th ể bày t ỏ m ối quan tâm đế n n ộ i dung d ữ li ệ u b ằ ng cách g ử i yêu c ầu để l ấy đượ c d ữ li ệ u qu ả ng bá Điề u này t ạ o ra s ự s ắ p x ế p d ữ li ệu để đả m b ả o r ằ ng d ữ li ệ u ch ỉ đượ c truy ền đến nút quan tâm đế n lo ạ i d ữ li ệu này Do đó mà loạ i tr ừ kh ả năng bả n tin kép và gi ả m thi ểu đáng kể vi ệ c truy ề n d ữ li ệu dư thừ a qua m ạng Hơn nữ a vi ệ c s ử d ụ ng b ộ miêu t ả d ữ li ệu cũng loạ i tr ừ kh ả năng chồ ng l ấ n vì các nút có th ể ch ỉ gi ớ i h ạ n v ề tên lo ạ i d ữ li ệu mà chúng quan tâm đế n Vi ệ c thích ứ ng tài nguyên cho phép các nút c ả m bi ế n ch ạ y SPIN có th ể thích ứ ng v ớ i tr ạ ng thái hi ệ n t ạ i c ủa tài nguyên năng lượ ng M ỗ i nút có th ể dò tìm t ớ i b ộ qu ản lý để theo dõi m ứ c tiêu th ụ năng lượ ng c ủa mình trướ c khi truy ề n ho ặ c x ử lý d ữ li ệ u Khi m ức năng lượ ng còn l ạ i th ấ p các nút này có th ể gi ả m ho ặ c lo ạ i b ỏ m ộ t s ố ho ạt động như là truyề n miêu t ả d ữ li ệ u ho ặ c các gói Chính vi ệ c thích nghi v ớ i tài nguyên làm tăng thờ i gian s ố ng c ủ a m ạ ng Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử dụng ba loại bản tin Ho ạt độ ng c ủ a SPIN g ồm 6 bước như hình sau: 16 + Bước 1: ADV để thông báo d ữ li ệ u m ớ i t ớ i các nút + Bước 2: REQ để yêu c ầ u d ữ li ệ u c ầ n quan tâm Sau khi nh ận đượ c ADV các nút quan tâm đế n d ữ li ệ u này s ẽ g ửi REQ để yêu c ầ u l ấ y d ữ li ệ u + Bướ c 3: B ả n tin DATA b ả n tin này th ự c s ự ch ứ a d ữ li ệu đượ c c ả m bi ế n và kèm theo màn đầ u miêu t ả d ữ li ệ u + Bướ c 4: Sau khi nút này nh ậ n d ữ li ệ u nó s ẽ chia s ẻ d ữ li ệ u c ủ a nó cho các nút còn l ạ i trong m ạ ng b ằ ng vi ệ c phát b ả n tin ADV ch ứ a miêu t ả d ữ li ệ u (metadata) + Bước 5: sau đó các nút xung quanh lạ i g ử i b ả n tin REQ yêu c ầ u d ữ li ệ u + Bướ c 6 là DATA l ại đượ c truy ền đế n các nút mà yêu c ầ u d ữ li ệ u này Tuy nhiên giao th ứ c SPIN cũng có hạ n ch ế khi mà nút trung gian không quan tâm đế n d ữ li ệu nào đó, khi đó dữ li ệ u không th ể đến được đích Giao th ứ c SPIN đượ c chia thành các lo ạ i : * SPIN - PP : Giao th ức này đượ c thi ế t k ế cho truy ền thông điểm điể m, gi ả s ử như 2 nút có thể giao ti ế p v ớ i nhau mà không ảnh hưở ng t ớ i truy ề n thông c ủ a các nút khác Khi nút có d ữ li ệu để g ử i nó s ẽ g ử i ADV t ớ i nút hàng xóm, n ế u nút nào mu ố n nh ận thông tin đó nó sẽ tr ả l ờ i b ằ ng b ả n tin REG Kh i đó nút vừ a g ử i b ả n tin ADV s ẽ g ử i gói d ữ li ệ u t ớ i nút v ừ a g ử i b ả n tin REG Và quá trình c ứ ti ế p di ễn như vậ y 17 * SPIN - EC : Giao th ứ c này là s ự b ổ xung thêm th ủ t ục xác định năng lượ ng so v ớ i giao th ức trướ c M ộ t nút ch ỉ tham gia quá trình n ếu như nó có th ể th ự c hi ệ n các giai đoạ n c ủ a giao th ức mà năng lượ ng không xu ống dưới ngưỡ ng cho phép * SPIN BC : Giao th ứ c này dùng cho kênh qu ảng bá, ưu điể m c ủ a giao th ứ c này là m ọi nút hàng xóm đề u nh ận đượ c b ả n tin qu ảng bá còn nhược điể m c ủ a nó là các nút s ẽ ng ừ ng truy ề n n ếu như kênh đó đã đượ c s ử d ụ ng M ột điể m khác c ủ a giao th ứ c này v ớ i các giao th ức trước đó là các nút sẽ không l ậ p t ứ c g ử i b ả n tin tr ả l ờ i REQ ngay sau khi nh ận đượ c gói tin ADV, m ỗ i nút s ẽ s ử d ụ ng m ộ i th ờ i gian tr ễ ng ẫ u nhiên r ồ i m ớ i g ử i gói ti n REQ đi 2 2 Giao th ứ c Directed Diffusion Đây là giao thứ c trung tâm d ữ li ệu đố i v ớ i vi ệ c truy ề n và phân b ổ thông tin trong m ạ ng c ả m bi ế n không dây M ụ c tiêu chính c ủa phương pháp này là tiế t ki ệ m năng lượng để tăng thờ i gian s ố ng c ủ a m ạng Để đạt đượ c m ụ c tiêu này, giao th ứ c này gi ữ tương tác giữ a các nút c ả m bi ế n, d ự a vào vi ệc trao đổ i các b ản tin, đị nh v ị trong vùng lân c ậ n m ạ ng S ử d ụ ng s ự tương tác về v ị trí nh ậ n th ấ y có t ậ p h ợ p t ố i thi ểu các đườ ng truy ề n d ẫn Đặc điể m duy nh ấ t c ủ a giao th ứ c này là s ự k ế t h ợ p v ớ i kh ả năng củ a nút có th ể t ậ p trung d ữ li ệu đáp ứ ng truy v ấ n c ủ a sink để ti ế t ki ệ m năng lượ ng Thành ph ầ n chính c ủ a giao th ứ c này g ồ m 4 thành ph ầ n: interest (các m ố i quan tâm c ủ a m ạ ng), data message (các b ả n tin d ữ li ệ u), gradient, reinforcements Directed Diffusion s ử d ụ ng mô hình publish and subscribe trong đó một ngườ i ki ể m tra (t ạ i sink) s ẽ miêu t ả m ố i quan tâm (interest) b ằ ng m ộ t c ặ p thu ộ c tính- giá tr ị B ả ng 2 2 miêu t ả c ặ p thu ộ c tính giá tr ị , các nút c ả m bi ế n có kh ả năng đáp ứ ng interest này tr ả l ờ i theo d ữ li ệu tương ứ ng V ớ i m ỗ i nhi ệ m v ụ c ả m bi ế n tích c ự c, sink s ẽ g ử i qu ả ng bá b ả n tin interest theo chu k ỳ cho các nút lân c ậ n B ả n tin này s ẽ truy ề n qua t ấ t c ả các nút trong m ạng như là mộ t s ự quan tâm đế n m ộ t d ữ li ệu nào đó Mục đích chính củ a vi ệc thăm dò này là để xem xét xem có m ộ t nút c ả m bi ến nào đó có thể tìm ki ế m d ữ li ệu tương ứ ng v ớ i interest T ấ t c ả các nút đề u duy trì m ộ t interest cache để lưu trữ các interest entry khác nhau 18 M ỗ i m ộ t m ụ c (entry) trong interest cache s ẽ lưu tr ữ m ộ t interest khác nhau Các entry cache này s ẽ s ẽ lưu tr ữ m ộ t s ố trư ờ ng sau: m ộ t nhãn th ờ i gian (timestamp), nhi ề u trư ờ ng gradient cho m ỗ i nút lân c ậ n và trư ờ ng duration Nhãn th ờ i gian s ẽ lưu tr ữ nhãn th ờ i gian c ủ a interest nh ậ n đư ợ c sau cùng M ỗ i gradient s ẽ lưu tr ữ c ả t ố c đ ộ d ữ li ệ u và chi ề u mà d ữ li ệ u đư ợ c g ử i đi Giá tr ị c ủ a t ố c đ ộ d ữ li ệ u nh ậ n đư ợ c tùy thu ộ c tính kho ả ng th ờ i gian trong b ả n tin interest Trư ờ ng duration s ẽ xác đ ị nh kho ả ng th ờ i gian t ồ n t ạ i c ủ a interest M ộ t gradient có th ể c oi như là mộ t liên k ế t ph ả n h ồ i c ủ a nút lân c ậ n khi mà nh ận đượ c b ả n tin interest Vi ệ c truy ề n b ả n tin interest trong toàn m ạ ng cùng v ớ i vi ệ c thi ế t l ậ p các gradient t ạ i m ỗ i nút cho phép vi ệ c tìm ra và thi ế t l ập các đườ ng d ẫ n gi ữ a sink mà đưa ra yêu cầ u v ề d ữ li ệu quan tâm và các nút mà đáp ứ ng m ố i quan tâm đó C ặ p thu ộ c tính - giá tr ị Miêu t ả Type = temperature Ki ể u d ữ li ệ u c ả m bi ế n Start = 01:00:00 Th ờ i gian b ắ t đ ầ u Interval =1s Báo cáo, s ự ki ệ n chu kì là 1s Duration = 10s Th ờ i gian s ố ng c ủ a interes (cho10s) Location = [24,48,36,40] ở trong mi ề n này Và d ữ li ệ u tr ả l ờ i t ừ node chi ti ế t có th ể là: Type = temperature Ki ể u d ữ li ệ u c ả m bi ế n Valus = 38 3 Giá tr ị nhi ệ t đ ộ đư ợ c đ ọ c Timestamp = 1:02:00 Nhãn th ờ i gian (t/g ngay t ạ i th ờ i đi ể m đ ọ c ) Location = [30,38] Báo cáo t ừ c ả m bi ế n trong vùng x,y B ả ng 2 2 Miêu t ả interest s ử d ụ ng các c ặ p thu ộ c tính giá tr ị 19 Khi m ộ t nút phát hi ệ n m ộ t s ự ki ệ n nó s ẽ tìm ki ế m trong cache xem có interest nào phù h ợ p không, n ế u có nó s ẽ tính toán t ốc độ s ự ki ệ n cao nh ấ t cho t ấ t c ả các gradient l ối ra Sau đó nó thiế t l ậ p m ộ t phân h ệ c ả m bi ến để l ấ y m ẫ u các s ự ki ệ n ở m ứ c t ốc độ cao này Các nút s ẽ g ử i ra ngoài miêu t ả v ề s ự ki ệ n cho các nút lân c ậ n có gradient Các nút lân c ậ n này s ẽ nh ậ n d ữ li ệ u và ki ể m tra trong cache xem có entry nào phù h ợ p không, n ế u không nó s ẽ lo ạ i b ỏ d ữ li ệ u còn n ế u phù h ợ p nó s ẽ nh ậ n d ữ li ệ u các nút này s ẽ thêm b ả n tin vào cache d ữ li ệu và sau đó gử i b ả n tin d ữ li ệ u cho các nút lân c ậ n Khi nh ận đượ c m ộ t interest các nút tìm ki ế m trong interest cache c ủ a nó xem có entr y nào phù h ợ p không, n ế u không nút s ẽ t ạ o m ộ t cache entry m ớ i Các nút s ẽ s ử d ụ ng các thông tin ch ứ a trong interest đ ể t ạ o ra các thông s ố interest trong entry Các entry này là m ộ t t ậ p h ợ p ch ứ a các trư ờ ng gradient v ớ i t ố c đ ộ và chi ề u tương ứ ng v ớ i nút lân c ậ n mà interest đư ợ c nh ậ n N ế u như interest nh ậ n đư ợ c có trong 20 cache thì nút s ẽ c ậ p nh ậ t nhãn th ời gian và trườ ng duration cho phù h ợ p v ớ i entry M ột trườ ng gradient s ẽ đượ c remove kh ỏ i entry n ế u quá h ạ n Trong pha thi ế t l ậ p gradient thì các sink s ẽ thi ế t l ậ p m ộ t t ậ p h ợp các đườ ng d ẫ n Sink có th ể s ử d ụng đườ ng d ẫ n này v ớ i s ự ki ệ n ch ất lượng cao để làm tăng tốc độ d ữ li ệ u Điều này đạt đượ c thông qua m ột đườ ng d ẫn đượ c h ỗ tr ợ x ử lý (pathreInforcement process) Các sink này có th ể s ử d ụ ng s ự h ỗ tr ợ c ủ a m ộ t s ố các nút lân c ận Để làm được điề u này sink có th ế g ử i l ạ i b ả n tin interest ngu ồ n ở t ốc độ cao thông qua các đườ ng d ẫn đượ c ch ọ n, nh ờ vi ệc tăng cườ ng các nút ngu ồ n trên đườ ng d ẫn đế g ử i d ữ li ệu thường xuyên hơn Directed Diffusion có ưu điể m n ế u m ột dườ ng d ẫn nào đó giữ a sink và m ộ t nút b ị l ỗ i, m ột đườ ng d ẫ n có d ữ li ệ u th ấ p hơn đượ c thay th ế K ỹ thu ật đị nh tuy ế n này ổn định dướ i ph ạ m vi m ạng độ ng Lo ạ i giao th ức đị nh tuy ế n này ti ế t ki ệm năng lượng đáng kể 2 3 Giao Th ứ c LEACH LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là giao th ứ c phân c ấ p theo c ụ m thích ứng năng lượ ng th ấp Đây là giao thức thu lượ m và phân phát d ữ li ệ u t ớ i các sink đặ c bi ệ t là các tr ạm cơ sở M ụ c tiêu chính c ủ a LEACH là: > M ở r ộ ng th ờ i gian s ố ng c ủ a m ạ ng > Gi ả m s ự tiêu th ụ năng lượ ng b ở i m ỗ i nút m ạ ng > S ử d ụ ng t ậ p trung d ữ li ệu để gi ả m b ả n tin truy ề n d ẫ n trong m ạ ng Để đạt đượ c nh ữ ng m ụ c tiêu này LEACH đã thông qua mô hình phân cấp để t ổ ch ứ c m ạ ng thành các c ụ m, m ỗ i c ụm đượ c qu ả n lý b ở i nút ch ủ Nút ch ủ gánh l ấ y tr ọ ng trách th ự c hi ệ n nhi ề u tác v ụ Đầu tiên là thu lượ m d ữ li ệ u theo chu k ỳ t ừ các nút thành viên, trong quá trình t ậ p trung d ữ li ệ u nút ch ủ s ẽ c ố g ắ ng t ậ p h ợ p d ữ li ệ u để gi ảm dư thừ a v ề nh ữ ng d ữ li ệu tương quan nhau Nhiệ m v ụ th ứ hai đó là nút chủ s ẽ trượ c ti ế p truy ề n d ữ li ệu đã đượ c t ậ p h ợ p l ại đế n các tr ạm cơ sở Vi ệ c truy ề n này có th ế th ự c hi ệ n theo ki ể u single sign - on Nhi ệ m v ụ th ứ ba là LEACH s ẽ t ạ o ra m ộ t mô hình ghép kênh theo th ờ i gian TDMA, m ỗ i nút trong c ụ m s ẽ đư ợ c gán m ộ t khe th ờ i gian mà có th ể s ử d ụ ng đ ể tr uy ề n tin Mô hình LEACH như hình vẽ Các nút ch ủ s ẽ qu ả ng bá mô hình TDMA cho các nút thành viên trong c ụ m c ủa nó Để gi ả m thi ể u kh ả năng xung độ t gi ữ a các nút 21 c ả m bi ế n trong và ngoài c ụ m, LEACH s ử d ụ ng mô hình truy c ập đa phân chia theo mã CDMA Quá trình ho ạt độ ng c ủ a LEACH đượ c chia thành hai pha là pha thi ế t l ậ p và pha ổn đị nh Pha thi ế t l ậ p bao g ồm hai bướ c là l ự a ch ọ n nút ch ủ và thông tin v ề c ụ m Pha ổn đị nh tr ạ ng thái g ồm thu lượ m d ữ li ệ u, t ậ p trung d ữ li ệ u và truy ề n d ữ li ệu đế n các tr ạm cơ sở Th ờ i gian c ủa bướ c ổn định kéo dài hơn so vớ i th ờ i gian c ủa bướ c thi ế t l ập để gi ả m thi ể u màn đầ u Mô hình m ạ ng LEACH Trong bướ c thi ế t l ậ p, m ộ t nút c ả m bi ế n l ự a ch ọ n m ộ t s ố ng ẫ u nhiên gi ữ a 0 và 1 N ế u s ố này nh ỏ hơn ngưỡ ng T(n) thì nút c ả m bi ế n là nút ch ủ T(n) đư ợ c tính như sau: Trong đó : p: t ỉ l ệ ph ầ n trăm nút ch ủ r: chu kì hi ệ n t ạ i G: t ậ p h ợ p các nút không đư ợ c l ự a ch ọ n làm nút ch ủ trong 1/p chu kì cu ố i C lus ter - head C lus ter C lus ter - head C lus ter Sensor Cluster - head C luster 22 Sau khi đượ c ch ọ n làm nút ch ủ , các nút ch ủ s ẽ qu ả ng bá vai trò m ớ i c ủ a chúng cho các nút còn l ạ i trong m ạ ng Các nút còn l ạ i trong m ạ ng d ự a vào b ản tin đó và cường độ tín hi ệ u nh ận được để quy ết đị nh xem có tham gia vào nhóm đó hay không Sau đó các nút này sẽ thông báo cho nút ch ủ bi ế t là mình có mong mu ố n tr ở thành thành viên c ủ a nhóm do nút ch ủ đó đả m nh ậ n Quá trình t ạ o c ụ m, các nút ch ủ s ẽ phân lu ồ ng theo khe th ờ i gian (ghép kênh TDMA) cho các nút trong c ụ m và ch ọ n l ự a m ộ t mã CDMA thông báo t ớ i t ấ t c ả các nút trong c ụ m bi ế t Sau khi pha thi ế t l ậ p hoàn thành báo hi ệ u s ự b ắt đầ u c ủ a pha ổ n đị nh tr ạ ng thái và các nút trong c ụ m s ẽ thu lượ m d ữ li ệ u và s ử d ụ ng các khe th ờ i gian để truy ề n d ữ li ệu đế n nút ch ủ D ữ li ệu được thu lượ m theo chu k ỳ 23 Nút I là nút chủ nhóm Thông báo là nút chủ Đợi bản tin tham gia nhóm Tạo kế hoạch và gửi tới các thành viên của nhóm t=0 Đợi thông báo của nút chủ nhóm Gửi bản tin tham gia nhóm tới nút chủ nhóm Đợi kế hoạch từ nút chủ nhóm Bước ổn định trong t=T round giây Bước thiết lập nhóm Nút I là nút chủ nh óm T< T round Thu số liệu từ các nút thành viên Tính toán số liệu và gửi kết quả tới nút gốc Nghỉ trong t giây T< T round Truyền số liệu tới nút chủ nhóm Nghỉ trong t giây Đúng Sai sai sai Đúng Đúng sai Đúng 24 Tuy nhiên LEACH cũng có mộ t s ố khuy ết điể m sau: Vi ệ c gi ả s ử r ằ ng t ấ t c ả các nút ch ủ trong m ạng đề u truy ền đế n tr ạm cơ sở (BS) thông qua m ột bướ c nh ả y là không th ự c t ế , và vì d ự tr ữ năng lượ ng và kh ả năng củ a các nút thay đổ i theo th ờ i gian t ừ nút này đến nút khác Hơn nữ a kho ả ng chu k ỳ ổ n đị nh tr ạ ng thái là v ấn đề then ch ốt để gi ảm năng lượ ng c ầ n thi ế t bù đắp lượ ng mào đầ u gây ra trong vi ệ c l ự a ch ọ n c ụ m Chu k ỳ ng ắ n s ẽ làm tăng lượng mào đầ u, chu k ỳ dài s ẽ nhanh chóng làm tiêu hao năng lượ ng c ủ a nút ch ủ LEACH có đặ c tính giúp ti ế t ki ệm năng lượ ng, và s ự ti ế t ki ệ m này ph ụ thu ộ c ch ủ y ế u vào h ệ s ố t ậ p trung d ữ li ệ u các nút ch ủ c ủ a c ụm Năng lượ ng trong LEACH đượ c yêu c ầ u phân b ố cho t ấ t c ả các nút trong m ạ ng vì chúng ta gi ả s ử r ằ ng vai trò nút ch ủ đượ c luân chuy ể n vòng tròn d ựa trên năng lượ ng còn l ạ i trên m ỗ i nút LEACH là thu ậ t toán phân tán hoàn toàn và không yêu c ầ u s ự điề u khi ể n b ở i tr ạ m cơ sở Vi ệ c qu ả n lý c ụ m là c ụ c b ộ và không c ầ n s ự hi ể u bi ế t v ề m ạ ng toàn c ục Hơn n ữ a vi ệ c t ậ p trung d ữ li ệ u theo c ụm cũng tiế t ki ệm năng lượng đáng kể vì các nút không yêu c ầ u g ử i tr ự c ti ế p d ữ li ệu đế n sink 2 4 Giao th ứ c Flooding Flooding là kỹ thuật chung thường được sử dụng để tìm ra đường và truyền thông tin trong mạng ad - hoc vô tuyến và hữu tuyến Chiến lược định tuyến này rất đơn giản và kh ô ng phụ thuộc vào cấu hình mạng và các giải thuật định tuyến phức tạp Flood sử dụng phương pháp Reactive nhờ đó mỗi node nhận dữ liệu hoặc điều khiển dữ liệu để gửi các gói tin tới các node lân cận Sau khi truyền, một gói sẽ được truyền trên tất cả các đường có thể Trừ khi mạng bị ngắt không thì c á c gói sẽ đến đích Hơn nữ a khi cấu hình mạng thay đổi các gói sẽ truyền theo tuyến mới giải thuật này sẽ tạo ra v ô số các bản sao của mỗi gói khi đi qua các node Giải thuật này gây ra các nhược điểm là hai gói dữ liệu giống nhau gửi đến cùng một node Và hiện tượng chồng chéo, tứ c các node cùng cảm nhận một vùng không gian và do đó tạo ra các gói tương tự nhau gửi đến các node lân cận Thuật t oán này kh ô ng quan tâm đến vấn đề năng lượng của các node, các node sẽ nhanh chóng tiêu hao năng lượng và làm giảm thời gian sống của mạng Một sự cải tiến của giao thức này là Gossiping, thuật toán này cải tiến ở chỗ mỗi node sẽ ngẫu nhiên gửi gói mà nó nhận được đến một trong các node lân cận của nó Thuật t oán này làm giảm số lượng các gói lan truyền trong mạng, tránh hiên tượng bản tin kép tuy nhiên có nhược điểm là có thể gói sẽ không bao giờ đ ế n đích 25 CHƢƠNG 3: MÔ PH Ỏ NG M Ộ T S Ố GIAO TH Ứ C Đ Ị NH TUY Ế N TRONG M Ạ NG C Ả M BI Ế N KHÔNG DÂY 3 1 Gi ớ i thi ệ u v ề ns2 NS2 là ph ầ n m ề m mô ph ỏ ng m ạng điề u khi ế n s ự ki ệ n riêng r ẽ hướng đố i tượng, đượ c phát tri ể n t ạ i uc Berkely, vi ế t b ằ ng ngôn ng ữ c ++ và Otcl Nó th ự c hi ệ n giao th ứ c m ạ ng như TCP và UDP, lưu lư ợ ng truy c ậ p mã ngu ồ n hành vi như FTP, Telnet, Web, CBR, và VBR, c ơ ch ế qu ả n lý hàng đ ợ i như Tail Drop, RED, phân tuy ế n các thu ậ t toán như Dijkstra, và nhi ề u hơn n ữ a NS r ấ t h ữ u ích cho vi ệ c mô ph ỏ ng m ạ ng di ệ n r ộ ng (WAN) và m ạ ng local (LAN) B ố n l ợ i ích l ớ n nh ấ t c ủ a NS2 ph ả i k ể đ ế n đ ầ u tiên là: + Kh ả năng kiế m tra tính ổ n đị nh c ủ a các giao th ứ c m ạng đang tồ n t ạ i + Kh ả năng đánh giá các giao thứ c m ạ ng m ới trước khi đưa vào sử d ụ ng + Kh ả năng thự c thi nh ữ ng mô hình m ạ ng l ớ n mà g ần như ta không thể th ự c thi đượ c trong th ự c t ế + Kh ả năng mô phỏ ng nhi ề u lo ạ i m ạ ng khác nhau Để s ử d ụ ng NS2, ngu ờ i dùng l ậ p trình b ằ ng ngôn ng ữ k ị ch b ả n Otcl Ngu ờ i dùng có th ể thêm các mã ngu ồ n Otcl vào NS2 b ằ ng cách vi ế t các l ớp đố i tu ợ ng m ớ i trong Otcl Nh ữ ng l ớp này khi đó sẽ đượ c biên d ị ch cùng v ớ i mã ngu ồ n g ố c K ị ch b ả n Otcl có th ế th ự c hi ệ n nh ữ ng vi ệ c sau : + Kh ở i t ạ o b ộ l ậ p l ị ch s ự ki ệ n + Thi ế t l ậ p mô hình m ạng dùng các đố i tu ợ ng thành ph ầ n m ạ ng + Báo cho ngu ồ n traffic khi nào b ắt đầ u truy ề n và ng ư ng truy ề n packet trong b ộ l ậ p l ị ch s ự ki ệ n Thu ậ t ng ữ plumbing được dùng để ch ỉ vi ệ c thi ế t l ậ p m ạ ng, vì thi ế t l ậ p m ộ t m ạng nghĩa là xây dựng các đuờ ng d ữ li ệ u gi ữa các đố i tu ợ ng m ạ ng b ằ ng cách thi ế t l ậ p con tr ỏ “neighbour” cho m ột đố i tu ợng để ch ỉ đến đị a ch ỉ c ủa đố i t ượ ng t ương ứng Mô đun plumbing Otcl trong th ự c t ế th ự c hi ệ n vi ệ c trên r ất đơn giả n Plumbing làm nên s ứ m ạ nh c ủ a NS Thành ph ầ n l ớ n khác c ủ a NS bên c ạnh các đố i tu ợ ng thành ph ầ n m ạ ng là b ộ l ậ p l ị ch s ự ki ệ n B ộ l ậ p l ị ch s ự ki ệ n trong NS2 th ự c hi ệ n nh ữ ng vi ệ c sau : 26 + T ố ch ứ c b ộ đị nh th ờ i mô ph ỏ ng + H ủ y các s ự ki ệ n tr ong hàng đợ i s ự ki ệ n + Tri ệ u g ọ i các thành ph ầ n m ạ ng trong mô ph ỏ ng Ph ụ thu ộ c vào m ục đích sử d ụ ng c ủ a ng ườ i s ử d ụng đố i v ớ i k ị ch b ả n mô ph ỏ ng Otcl mà k ế t qu ả mô ph ỏ ng có th ế đuợ c l ư u tr ữ nh ư file trace Đị nh d ạ ng file trace s ẽ đượ c t ả i vào trong các ứ ng d ụng khác đế th ự c hi ệ n phân tích : + File nam trace (file nam) đuợ c dùng cho công c ụ minh h ọ a m ạ ng NAM + File trace (file tr) đuợ c dùng cho công c ụ l ầ n v ế t và giám sát mô ph ỏ ng XGRAPH hay TRACEGRAPH + Trên m ộ t m ặ t, mô ph ỏ ng chi ti ế t c ủ a giao th ức đòi hỏ i m ộ t h ệ th ố ng l ậ p trình b ằ ng ngôn ng ữ mà có th ế thao tác m ộ t cách hi ệ u qu ả byte, gói, tiêu đề , và th ự c hi ệ n các thu ậ t toán mà ch ạ y b ộ d ữ li ệ u l ớn hơn Đố i v ớ i nh ữ ng nhi ệ m v ụ trong th ờ i gian ch ạ y t ốc độ là điề u quan tr ọ ng và kim ng ạ ch kho ả ng th ờ i gian (ch ạ y mô ph ỏ ng, tìm th ấ y l ỗ i, s ử a ch ữ a l ỗ i, recompile, ch ạ y l ạ i) là ít quan tr ọ ng + M ặ t khác, ph ầ n l ớ n m ạ ng lu ớ i nghiên c ứu hơi khác nhau hoặ c các tham s ố c ấ u hình, ho ặ c m ộ t cách nhanh chóng khai thác m ộ t s ố lu ợ ng các k ị ch b ả n Trong nh ữ ng tru ờ ng h ợ p này, th ờ i gian l ặ p l ại (thay đố i các mô hình và ch ạ y l ạ i) là quan tr ọng hơn Từ c ấ u hình ch ạ y m ộ t l ần (vào đầ u c ủ a các mô ph ỏ ng), ch ạ y trong th ờ i gian này, m ộ t ph ầ n c ủ a công vi ệ c ít quan tr ọ ng NS có đáp ứ ng cá c nhu c ầ u c ủ a c ả hai v ớ i hai ngôn ng ữ , c / c ++ và OTcl c / c ++ đ ế ch ạ y nhanh, nh ư ng ch ậ m đ ế thay đ ố i, làm cho nó thích h ợ p cho vi ệ c tri ể n khai th ự c hi ệ n chi ti ế t v ề giao th ứ c OTcl ch ạ y r ấ t ch ậ m nhung có th ế đu ợ c thay đ ố i r ấ t nhanh chóng (và l ặ p l ạ i), l àm cho nó lý tu ở ng cho các mô ph ỏ ng c ấ u hình NS (thông qua tclcl) cung c ấ p cơ c ấ u k ế t n ố i đ ế làm cho các đ ố i tu ợ ng bi ế

UBND TỈNH QUẢNG NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường Đại học Quảng Nam, đặc biệt là các thầy cô khoa Công nghệ thông tin của trường đã tạo điều kiện cho em thực tập ở khoa để có nhiều thời gian cho khóa luận tốt nghiệp Và em cũng xin chân thành cám ơn cô Lê Thị Thanh Bình đã nhiệt tình hướng dẫn hướng dẫn em hoàn thành tốt khóa thực tập

Trong quá trình thực tập, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo thực tập, khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy, cô bỏ qua Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy, cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo tốt nghiệp sắp tới

Em xin chân thành cảm ơn!

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AODV Ad hoc On - Demand Distance -

GAF Geographic Adaptive Fidelity Giải thuật chính xác theo địa lý

GEAR Geographic and Energy- Aware

PEGASIS Power-Efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Giao thức phân cấp thu thập thông tin trong hệ thống cảm biến

SPIN Sensor Protocols or Information

via Negotiation

Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt vô tuyến

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vùng cá nhân vô tuyến

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

MỤC LỤC

Phần 1 MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Cấu trúc đề tài 2

Phần 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 3

1.3 Kiến trúc các giao thức trong mạng cảm biến không dây 6

1.4 Phân loại các giao giao thức định tuyến trong WSN 7

1.5 Một số thách thức của mạng cảm biến không dây 9

1.6 Một số ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây 11

Chương 2 Một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 15

2.1 Giao Thức Spin 15

2.2 Giao thức Directed Diffusion 17

2.3 Giao Thức LEACH 20

2.4 Giao thức Flooding 24

Chương 3: Mô phỏng một số giao thức định tuyến trong mạng 25

cảm biến không dây 25

3.1 Giới thiệu về ns2 25

3.2 Mô phỏng Leach 26

3.3 Mô phỏng Flooding 30

3.4 Mô phỏng Spin 33

Phần 3 Kết Luận và Kiến Nghị 37

3.1 Kết Luận 37

3.2 Kiến nghị 37

Phần 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông Tuy nhiên do mạng cảm biến không dây sử dụng truyền dẫn thông tin bằng môi trường vô tuyến, nên với cách thức truyền thông này xảy ra sự mất mát dữ liệu

do môi trường vô tuyến không ổn định Đây là thách thức lớn đối với quá trình truyền thông trong WSN, cũng như cần phải thiết kế được những mạng cảm biến truyền thông đa chặng và có thể giảm thiểu tối đa sự mất mát dữ liệu trong quá trình truyền thông

Trong khi đó, các nghiên cứu về WSN đã chỉ ra rằng có tới trên 70% năng lượng của hệ thống mạng bị tiêu hao là do quá trình truyền thông Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng trong quá trình định tuyến cho giao thức định tuyến là bài toán đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm bởi tính khoa học và khả năng ứng dụng trong thực tiễn

Nhận thấy tầm quan trọng này, em đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Đánh giá các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây” Đề tài đánh giá một số một số giao thức trong định tuyến không dây Từ đó so sánh được giao thức nào tối

ưu hơn và dễ dàng chọn trong các trường hợp cụ thể khác nhau

2 Mục tiêu của đề tài

Đánh giá được các giao thức và lựa chọn được giao thức tối ưu nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu tài liệu, mô phỏng giao thức, đánh giá

5 Cấu trúc đề tài

Đề tài gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Tìm hiểu một số giao thức trong mạng cảm biến không dây

Chương 3: Đánh giá một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

PHẦN 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống

Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các

ứng dụng trong đời sống hàng ngày

1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số luợng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng luợng rất khắt khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:

+ Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng luợng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh huởng của môi truờng Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thuờng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động

+ Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tuợng, số luợng các nút cảm biến đuợc triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vuợt quá hàng triệu Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng

mở rộng để có thể làm việc với số luợng lớn các nút này

+ Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số luợng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp

+ Ràng buộc về phần cứng : Vì số luợng các nút trong mạng rất nhiều nên các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thuớc phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường

+ Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

+ Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz

Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được

+ Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3 Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định

+ Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không dây,

có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Do đó hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử

lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và

xử lý dữ liệu (data processing)

* ưu điểm của mạng cảm biến không dây so với mạng ad-hoc truyền thống:

Wireless ad-hoc network (mạng tùy biến không dây) là tập hợp gồm nhiều hơn một nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà không cần hỗ trợ của sự quản trị trung tâm Mỗi nút trong mạng tùy biến không dây hoạt động như một nút chủ vừa như một thiết bị định tuyến

Mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút còn mạng cảm hiến có thể lên đến hàng nghìn nút mạng

WSN có thể hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, mạng được xây dựng phụ thuộc vào ứng dụng

Thêm các dịch vụ như thông tin định vị có thể được yêu cầu trong mạng cảm biến không dây, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số lỉệu cảm biến từ nhiều nút tới một nút gốc

Các nút mạng ad-hoc truyền thống cạnh tranh tài nguyên như băng thông nhưng trong mạng cảm biến có sự hợp tác hơn

Truyền thông trong WSN diễn ra với dạng gói tin rất ngắn

1.3 Kiến trúc các giao thức trong mạng cảm biến không dây

1.3.1 Lớp vật lý

Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo tàn số sóng mạng, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ đuợc sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến

Một vài đặc điểm quan trọng của lớp vật lý trong mạng cảm nhận là:

+ Tiêu thụ năng luợng thấp

+ Truyền công suất thấp tuơng ứng với khoảng cách truyền ngắn

+ Phần cứng có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng luợng

+ Tốc độ dữ liệu thấp từ vài chục tới vài trăm kilobits trên

giây + Cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ

+ Có khả năng chịu đựng sự thay đổi của môi truờng cao

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu : lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện

các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

1.3.3 Lớp mạng

Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc

sau : Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến

1.3.4 Lớp truyền tải

Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua

mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

1.3.5 Lớp ứng dụng

Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác

nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng

1.4 Phân loại các giao giao thức định tuyến trong WSN

1.4.1 Định tuyến tĩnh

Định tuyến tĩnh là quá trình router thực hiện chuyển gói dữ liệu tới địa chỉ mạng đích dựa vào địa chỉ IP đích của gói dữ liệu Để chuyển được gói dữ liệu đến đúng đích thì router phải học thông tin về đường đi tới các mạng khác Thông tin về đường đi tới các mạng khác sẽ được người quản trị cấu hình cho router Khi cấu trúc mạng thay đổi, người quản trị mạng phải tự thay đổi bảng định tuyến của router

Kỹ thuật định tuyến tĩnh đơn giản, dễ thực hiện, ít hao tốn tài nguyên mạng và CPU xử lý trên router (do không phải trao đổi thông tin định tuyến và không phải tính toán định tuyến) Tuy nhiên kỹ thuật này không hội tụ với các thay đổi diễn ra trên mạng và không thích hợp với những mạng có quy mô lớn (khi đó số lượng route quá lớn, không thể khai báo bằng tay được)

- Ưu điểm:

+ Sử dụng ít bandwidth hơn định tuyến động

+ Không tiêu tốn tài nguyên để tính toán và phân tích gói tin định tuyến

- Nhược điểm:

+ Không có khả năng tự động cập nhật đường đi

+ Phải cấu hình thủ công khi mạng có sự thay đổi

+ Phù hợp với mạng nhỏ, rất khó triển khai trên mạng lớn

- Một số tình huống bắt buộc dùng định tuyến tĩnh:

+ Đường truyền có băng thông thấp

+ Người quản trị mạng cần kiểm soát các kết nối

+ Kết nối dùng định tuyến tĩnh là đường dự phòng cho đường kết nối dùng giao thức định tuyến động

+ Chỉ có một đường duy nhất đi ra mạng bên ngoài (mạng stub)

+ Router có ít tài nguyên và không thể chạy một giao thức định tuyến động

+ Người quản trị mạng cần kiểm soát bảng định tuyến và cho phép các giao thức classful và classless

1.4.2 Định tuyến động

Các router sẽ trao đổi thông tin định tuyến với nhau Từ thông tin nhận được, mỗi router sẽ thực hiện tính toán định tuyến từ đó xây dựng bảng định tuyến gồm các đường đi tối ưu nhất đến mọi điểm trong hệ thống mạng Với định tuyến động, các router phải chạy các giao thức định tuyến (routing protocol) Giao thức định tuyến động không chỉ thực hiện chức năng tự tìm đường và cập nhật bảng định tuyến, nó còn có thể xác định tuyến đường đi tốt nhất thay thế khi tuyến đường đi tốt nhất không thể sử dụng được Khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi mạng là lợi thế rõ rệt nhất của giao thức định tuyến động so với giao thức định tuyến tĩnh

- Ưu điểm:

+ Đơn giản trong việc cấu hình

+ Tự động tìm ra những tuyến đường thay thế khi mạng thay đổi

- Nhược điểm:

+ Yêu cầu xử lí của CPU của router cao hơn so với định tuyến tĩnh

+ Tiêu tốn một phần băng thông trên mạng để xây dựng bảng định tuyến Tất cả các giao thức định tuyến động được xây dựng dựa trên giải thuật Định tuyến động chia thành hai trường phái: các giao thức định tuyến ngoài - Exterior Gateway Protocol (EGP) và các giao thức định tuyến trong - Interior Gateway Protocol (IGP)

Các giao thức định tuyến ngoài (EGP) với giao thức tiêu biểu: BGP (Border Gateway Protocol) là loại giao thức được dùng để chạy giữa các router thuộc các

AS khác nhau, phục vụ cho việc trao đổi thông tin định tuyến giữa các AS AS - Autonomous System - tạm dịch là Hệ tự trị là tập hợp các router chung một chính sách về định tuyến

Các giao thức định tuyến trong (IGP) gồm các giao thức tiêu biểu như: RIP, OSPF, EIGRP Trong đó, RIP và OSPF là các giao thức chuẩn quốc tế, EIGRP là giao thức của Cisco, chỉ chạy trên thiết bị Cisco IGP là loại giao thức định tuyến chạy giữa các router nằm bên trong một AS

1.5 Một số thách thức của mạng cảm biến không dây

Đối với mạng cảm biến không dây, vấn đề trở nên phức tạp hơn khi quy mô của hệ thống được gia tăng Những vấn đề gặp phải với mạng Internet vẫn đúng với IoT nhưng phức tạp hơn rất nhiều Một số thách thức có thể kể đến như:

Phạm vi hoạt động của domain: Internet ngày càng thâm nhập sâu hơn vào cuộc sống con người thông qua dịch vụ của IoT, không chỉ thông qua các ứng dụng mới mà còn qua các công nghệ truyền thông (ICT) Điển hình là thẻ RFID có thể kiểm soát chuỗi giá trị đến từng mặt hàng trên toàn cầu

Mô hình kinh doanh: nền tảng Web 2.0 đã dẫn đến sự đa dạng hóa và phương thức kinh doanh mới, xu hướng này sẽ còn phát triển mạnh hơn khi IoT trở thành một phần của Internet trong tương lai

Sở hữu tài nguyên: cơ sở của Internet hiện tại là sở hữu và độc quyền sử dụng tài nguyên, tuy nhiên với IoT thì mọi thứ sẽ hoàn toàn khác Nhiều hệ thống phức tạp, ví dụ như mạng cảm biến toàn thành phố, sẽ không chỉ được sở hữu bởi một người hay nhóm người, và sự ảnh hưởng của các nhóm phi sở hữu cũng sẽ tăng lên Phạm vi đối tượng liên quan: số lượng các đối tượng được cảm nhận, theo dõi

và điều khiển thông qua mạng IoT sẽ tăng lên nhiều lần Các đối tượng có thể là các vật thể ở thế giới micro-nano như vi khuẩn, nanobots, cho tới những vật thể ở thế giới vĩ mô như các hành tinh

Thời gian và độ tin cậy: IoT sẽ được áp dụng tới các khu vực mà điều khiển thời gian thực với độ chính xác cao là bắt buộc (nhà máy, trạm không lưu, ) hay ở các ứng dụng giám sát nơi mà kết quả được thu thập cứ mỗi vài giây hay thậm chí

là vài phút Quy mô của những thách thức kể trên sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề phức tạp khác trong hệ thống IoT và điều này dẫn đến mối quan tâm và thúc đẩy sự tham gia của nhiều lĩnh vực khác nhau Những nhà thiết kế hệ thống IoT sẽ gặp phải những yêu cầu đa dạng và khắt khe từ người dùng, đồng thời sẽ có nhiều hơn một lời giải đáp cho cùng một vấn đề từ những nhóm thiết kế khác nhau Các nền tảng khác nhau sẽ khiến cho việc điều hành không đồng nhất, tăng chi phí khi liên kết giữa các khu vực với nhau Việc này ảnh hưởng rất lớn đến chi phí đầu tư và vận hành của hệ thống, ảnh hưởng xấu đến tính khả thi của việc triển khai các hệ thống

IoT Vấn đề này không thể nào tự nó giải quyết, cái ta cần là sự thống nhất về nền tảng kiến trúc và sự nâng cấp của các module hệ thống sau mỗi lần triển khai Một bản tham chiếu chuẩn và tư vấn cấp cao có lẽ sẽ giúp giải quyết vấn đề chất lượng, đồng thời tránh được khác biệt về cấu trúc giữa các mô-đun

Việc cài đặt các thiết bị cảm biến của mạng không dây sẽ tăng nhanh trong những năm tới do nhu cầu của việc giám sát toàn diện (ví dụ: quy trình trong nhà máy hay vận tải)

Theo ABI Research, trong 10 năm tới sẽ có 50 tỉ thiết bị được lắp đặt mới, và việc vận hành số thiết bị đó sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề: Lượng dữ liệu được tạo ra

từ mạng cảm biến không dây có thể tăng từ mức EiB (10246 bytes) lên mức ZiB (10247 bytes) Theo số liệu của IDC, năm 2009 lượng dữ liệu toàn cầu là 0.8 ZiB nhưng sẽ tăng lên 35 ZiB vào năm 2020 Phần lớn dữ liệu sẽ đến từ các nút cảm biến hơn là do con người Vấn đề lưu trữ, truyền tải và thời gian xử lý sẽ trở thành những vấn đề chưa từng thấy của những người làm kĩ thuật Vận hành cơ sở vật chất luôn cần đến sự an toàn, tiết kiệm năng lượng, tính hiệu quả và tiện lợi Hiện nay quyết định điều hành từ con người được đưa ra sau khi thu thập và xử lý dữ liệu Tuy nhiên, trong tương lai hình thức này sẽ không còn phù hợp nữa Khi đó, trí tuệ nhân tạo sẽ đảm nhiệm vai trò phản hồi khi có bất cứ sự thay đổi nào xảy ra Các vấn đề phải được xử lý theo thời gian thực, phản hồi được hệ thống đưa ra dựa trên dữ liệu thu thập được Việc đó yêu cầu nền tảng điều khiển phải rất tốt để đảm bảo độ an toàn và tin cậy của hệ thống Khi càng có nhiều thiết bị trong mạng, độ trễ của mỗi thiết bị khi điều khiển cũng sẽ tăng lên Với công nghệ hiện tại, việc điều khiển dưới 100 thiết bị ở lưới điện sẽ cho độ trễ dưới 2ms, nhưng khi quy mô mạng tăng lên thì yêu cầu sẽ trở nên khắt khe hơn rất nhiều Một số điểm yếu của công nghệ hiện tại có thể kể đến như sau:

Công nghệ truy cập theo thời gian, dự trữ lưu lượng, phân bổ tài nguyên, để đảm bảo độ tin cậy trong truyền thông cũng đồng thời khiến cho mạng không được

sử dụng hết khả năng

Truy cập tranh chấp đến từ nhiều nguồn khác nhau sẽ khiến cho hiệu suất của mạng giảm đi

Hai công nghệ giao tiếp mới đã được đưa ra để giải quyết các vấn đề trên, thứ nhất là giao tiếp không dây dựa trên nền tảng Bluetooth dành cho cảm biến và bộ chấp hành (WISA), thứ hai là mạng không dây dựa trên nền tảng IEEE 802.11 dành cho công nghiệp tự động

Công nghệ Bluetooth hiện nay vận hành trong khoảng 2400 MHz đến 2483.5 MHz, có 79 kênh và trao đổi dữ liệu trong khoảng cách ngắn Bluetooth có thể được

sử dụng ở lớp vật lý để đáp ứng các yêu cầu lưu lượng cao Bên cạnh đó, lớp MAC (Media Access Control) cũng được thiết kế để hỗ trợ truy cập theo phiên (TDMA), chia tần (FDM) và nhảy tần (FH) Thông qua sóng cao tần, ta còn có thể cấp năng lượng cho hệ thống

1.6 Một số ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây

Như trên ta đã đề cập đến các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến không dây Cụ thể ta sẽ xem xét kỹ một số ứng dụng như sau để hiểu rõ sự cần thiết của mạng cảm biến không dây Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến động đất, cảm biến từ trường tốc độ lấy mẫu thấp, cảm biến thị giác, cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar mà có thể quan sát vùng rộng các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm:

> Sự có mặt hay vắng mặt một đối tượng nào đó

> Mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn

> Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện

sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ bộ phận phát

động Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiều vùng ứng dụng mới Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác

Mạng cảm biến không dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể bị lỗi của mạng cảm biến làm cho chúng hứa hẹn kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân đội Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng, hang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến trường do thám địa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân

Giảm sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược:

Những 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 Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái Những bản báo cáo này được tập họp lại tại các nút sink để gửi tới lãnh đạo trong quân đội Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn

Giảm sát chiến trường:

Địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thể theo dõi các hoạt động của quân địch Khi các hoạt động này được mở rộng và kế hoạch hoạt động mới được chuẩn bị một mạng mới có thể được triển khai bất cứ thời gian nào khi theo dõi chiến trường

Giám sát địa hình và lực lượng quân địch:

Mạng cảm biến có thể được triển khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan họng, các nút cảm biến cần nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung

dữ liệu gửi về trong vài phút trước khi quân địch phát hiện và có thể chặn lại chúng

Đánh giả sự nguy hiểm của chiến trường:

Trước và sau khi tấn công mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy hiểm của chiến trường

Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân:

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

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc lớn đối với việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh-hóa, nông nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa

lý, phát hiện lũ lụt, sắp đặt sự phức tạp về sinh học của môi trường và nghiên cứu sự

ô nhiễm

Phát hiện cháy rừng:

Vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách ngẫu nhiên, có chiến lược với mật độ cao trong rừng, các nút cảm biến sẽ tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dựng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang học Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất

có hiểu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ hàng tháng và hàng năm Các nút cảm biến sẽ cộng tác với nhau để thực hiện cảm bỉến phân bố và khắc phục khó khăn, như các cây và đá mà ngăn trở tầm nhìn thẳng của cảm biến có dây

Phát hiện lũ lụt:

Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ Một vài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mức nước, thời tiết Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống cơ sở dữ liệu đã được định nghĩa trước

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân, các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện

Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện:

Mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong bệnh viện

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng

để đo nhiệt độ Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG

CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Giao Thức Spin

SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức phân tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu Mục tiêu chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng về tài nguyên

và sắp xếp dữ liệu Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) này là các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào được truyền trong mạng SPIN khai thác tên dữ liệu nhờ đó mà các nút sẽ kết hợp miêu tả

dữ liệu (metadata) với dữ liệu mà chúng tạo ra và sử dụng sự miêu tả này để thực hiện việc giàn xếp dữ liệu trước khi truyền dữ liệu thực tế Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá Điều này tạo ra sự sắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm đến loại dữ liệu này Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng Hơn nữa việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ khả năng chồng lấn vì các nút có thể chỉ giới hạn về tên loại dữ liệu mà chúng quan tâm đến

Việc thích ứng tài nguyên cho phép các nút cảm biến chạy SPIN có thể thích ứng với trạng thái hiện tại của tài nguyên năng lượng Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của mình trước khi truyền hoặc xử lý

dữ liệu Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có thể giảm hoặc loại bỏ một

số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu hoặc các gói Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của mạng

Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử dụng

ba loại bản tin

Hoạt động của SPIN gồm 6 bước như hình sau:

+ Bước 1: ADV để thông báo dữ liệu mới tới các nút

+ Bước 2: REQ để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm Sau khi nhận được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu

+ Bước 3: Bản tin DATA bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến và kèm theo màn đầu miêu tả dữ liệu

+ Bước 4: Sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu (metadata) + Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu + Bước 6 là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này

Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích

Giao thức SPIN được chia thành các loại :

* SPIN - PP : Giao thức này được thiết kế cho truyền thông điểm điểm, giả sử như 2 nút có thể giao tiếp với nhau mà không ảnh hưởng tới truyền thông của các nút khác Khi nút có dữ liệu để gửi nó sẽ gửi ADV tới nút hàng xóm, nếu nút nào muốn nhận thông tin đó nó sẽ trả lời bằng bản tin REG Khi đó nút vừa gửi bản tin ADV sẽ gửi gói dữ liệu tới nút vừa gửi bản tin REG Và quá trình cứ tiếp diễn như vậy

* SPIN - EC : Giao thức này là sự bổ xung thêm thủ tục xác định năng lượng so với giao thức trước Một nút chỉ tham gia quá trình nếu như nó có thể thực hiện các giai đoạn của giao thức mà năng lượng không xuống dưới ngưỡng cho phép

* SPIN BC : Giao thức này dùng cho kênh quảng bá, ưu điểm của giao thức này

là mọi nút hàng xóm đều nhận được bản tin quảng bá còn nhược điểm của nó là các nút sẽ ngừng truyền nếu như kênh đó đã được sử dụng Một điểm khác của giao thức này với các giao thức trước đó là các nút sẽ không lập tức gửi bản tin trả lời REQ ngay sau khi nhận được gói tin ADV, mỗi nút sẽ sử dụng mội thời gian trễ ngẫu nhiên rồi mới gửi gói tin REQ đi

2.2 Giao thức Directed Diffusion

Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính của phương pháp này là tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng Để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân cận mạng Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đường truyền dẫn Đặc điểm duy nhất của giao thức này là sự kết hợp với khả năng của nút có thể tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng

Thành phần chính của giao thức này gồm 4 thành phần: interest (các mối quan tâm của mạng), data message (các bản tin dữ liệu), gradient, reinforcements Directed Diffusion sử dụng mô hình publish and subscribe trong đó một người kiểm tra (tại

sink) sẽ miêu tả mối quan tâm (interest) bằng một cặp thuộc tính- giá trị Bảng 2.2

miêu tả cặp thuộc tính giá trị, các nút cảm biến có khả năng đáp ứng interest này trả lời theo dữ liệu tương ứng

Với mỗi nhiệm vụ cảm biến tích cực, sink sẽ gửi quảng bá bản tin interest theo chu kỳ cho các nút lân cận

Bản tin này sẽ truyền qua tất cả các nút trong mạng như là một sự quan tâm đến một

dữ liệu nào đó Mục đích chính của việc thăm dò này là để xem xét xem có một nút cảm biến nào đó có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng với interest Tất cả các nút đều duy trì một interest cache để lưu trữ các interest entry khác nhau