Đồ án tốt nghiệp - Phân tích thiết kế hệ thống - TÌM HIỂU VỀ MẠNG CẢM BIẾN potx

Thứ hai, khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nguồn tới một nút gốc.. Kiến trúc giao thức này kết hợp gi

ĐỒ ÁN:

TÌM HIỂU VỀ MẠNG CẢM BIẾN

Lời nói đầu

Kính gửi đến quý thầy Bài tập lớn của nhóm chúng em, với đề tài được

chọn là “ Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến “ Trong đề tài gồm 4 Chương:

- Chương I: Sự phát tiển của Mạng Cảm Biến

- Chương II: Cấu trúc & Kiến trúc giao thức

- Chương III: Chọn đường tron WSN

- Chương IV: Các kỷ thuật phân nhóm trong các mạng cảm biến vô tuyến

Vì đề tài em được chọn là đề tài em đang theo học theo tiến trình học ở lớp nên em chưa thể đi sâu, những kiến thức tìm hiểu được, chưa được chi tiết Vậy khi

em gửi đề tài này đến thầy kính mong Cô xem xét, hướng dẫn thêm cho em!

Với đề tài “ Tìm hiểu về Mạng Cảm Biến “ em muốn hiểu rõ và sâu hơn

về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của Mạng Cảm Biến

Đây là một phần rất quan trọng trong môn Truyền Số Liệu vì nó được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình hướng dẫn của Cô Lê Nguyễn Mai Duyên, chính những điều đó đã giúp em được thuận lợi hơn trong quá trình làm đề tài Sau khi thực hiện đề tài em đã thu được rất nhiều kiến thức bổ ích, thiết thực, góp phần rất lớn cho quá trình học và công việc của bản thân em sau này

Tuy nhiên, vì đây là đề tài mang tính chất tìm hiểu, kinh nghiệm trình bày một vấn đề, một đề tài chưa có nên chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót Vậy em kính mong quý cô xem xét và góp ý cho em để em có thể hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Nhóm Sinh Viên thực hiện

Chương 1 :

SỰ PHÁT TRIỂN CÙA MẠNG CẢM BIẾN

Khái niệm Wireless Sensor Network (WSN) tương đối còn lạ lẫm đối với nhiều người làm việc trong lãnh vực Telecom Thread này được sử dụng để giới thiệu tổng quan về hệ thống WSN và những ứng dụng của WSN (trong quân sự, công nghiệp

và cuộc sống hằng ngày)

1 Giới thiệu

2 Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến

3 Môt số chuẩn mạng cảm biến

4 Ứng dụng của mạng cảm biến

I GIỚI THIỆU :

Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc,

ô nhiễm, nhiệt độ )

Các node mạng thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như;nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động Các node giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop

Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và ko liên tục (không hẳn với tracking và localization aplication) Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau Thông thường thời gian 1 node ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều

Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt 1 mạng cảm biến và 1 mạng wireless khác chính là giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode)

II ĐẶC TRƯNG VÀ CẤU HÌNH MẠNG CẢM BIẾN :

Một node trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor) hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver) Do số lượng node trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1 node mạng là giá thành thấp (10 - 50 usd) và kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2)

Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin ), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến:

- Lớp vật lý (physical layer) tương đối đơn giản, gọn nhẹ do ràng buộc về kích thước và khả năng tính toán của node Kỹ thuật điều chế tín hiệu số : O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất bộ khuếch đại công suất Các kỹ thuật mã hóa sữa sai phức tạp như Turbo Codes, LDPC không được sử dụng, kỹ thuật trãi phổ được sử dụng để cải thiện SNR ở thiết bị thu và giảm tác động của fading của kênh truyền

- Lớp MAC: kỹ thuật đa trua cập TDMA hoặc CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm năng lượng tiêu thụ

- Routing layer: "power aware" Routing Protocol, geography routing

WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn

và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng do vậy WSN đò hỏi 1 sơ đồ mạng (topology) linh động (ad-hoc, mesh, star .) và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình (auto-reconfigurable)

Trong một số WSN thông dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ) địa chỉ ID các node chính là vị trí địa lý và giải thuật routing dựa vào vị trí địa lý này gọi là Geography routing protocol (GRT) Đối với mạng với số lượng lớn các node, sơ đồ mạng không ổn định GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu bảng routing (routing table) lưu trữ tại các node GRT phù hợp với các WSN cố định, tuy nhiên đối với các node di động (địa chỉ ID node thay đổi) giao thức routing trở nên phức tạp và không ổn định

Cluster hoá: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành các clusters để ổn định topology của mạng, đơn giản hóa giải thuật routing, giảm đụng độ (collission) khi truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm được năng lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng node mạng (theo cluster)

Do giới hạn khả năng tính toán của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các base station (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng)

III MÔT SỐ CHUẨN MẠNG CẢM BIẾN :

Do phạm vi ứng dụng cua WSN rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation .) phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên thị trường Một số chuẩn WSN được biết đến:

ALOHA system (U of Hawaii)

PRNET system (U.S Defense)

WINS (U of California)

PicoRadio (U of California)

MicroAMPS (M.I.T)

MANET (Mobile ad-hoc Network)

Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4

IV ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN :

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi

trường, y tế WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng Một số ứng dụng cơ bản của WSN:

- Cảm biến môi trường (quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phònh cháy, chống rò rỉ dân dụng:

hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng )

- Điều khiển (quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot )

- Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi sự dịch chuyển thiết bị, quân đội )

- Môi trường (giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa phát hiện ô nhiễm, chất thải )

- Y tế (định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp )

- Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thông

- Gia đình (nhà thônh minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh )

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người và giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet )

Chương 2 :

CẤU TRÚC & KIẾN TRÚC GIAO THỨC

Tóm tắt: Những tiến bộ gần đây trong thông tin vô tuyến và điện tử đã cho

phép phát triển các mạng cảm biến giá thành thấp Mạng cảm biến có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như chăm sóc sức khoẻ, trong quân sự hoặc sử dụng trong gia đình Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) bao gồm các nút nhỏ có khả năng cảm biến, tính toán và trao đổi thông tin vô tuyến Một số giao thức chọn đường, quản

lý công suất và trao đổi số liệu đã được thiết kế cho WSN với yêu cầu quan trọng nhất

là tiết kiệm được năng lượng Các giao thức chọn đường trong WSN có thể khác nhau tuỳ theo ứng dụng và cấu trúc mạng Bài báo này sẽ trình bày về cấu trúc mạng và phương pháp chọn đường trong WSN Nói chung, các giao thức chọn đường được chia thành 3 loại dựa vào cấu trúc mạng: ngang hàng, phân cấp hoặc dựa vào vị trí Ngoài

ra, những giao thức này có thể được phân loại dựa theo đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, QoS và liên kết tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động Bài báo cũng đánh giá chỉ tiêu về mức tiêu thụ công suất và ảnh hưởng của phân bố nút cho giao thức chọn đường LEACH của WSN (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp)

I GIỚI THIỆU :

Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng Vị trí của các nút cảm biến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước Điều này cho phép phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp hoặc các hoạt động trợ giúp thảm hoạ Mặt khác, cũng có nghĩa là các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng tự tổ chức Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong Thay vì gửi đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiện các tính toán đơn giản

và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu

Chọn đường trong WSN rất khó khăn do các đặc tính riêng phân biệt những mạng này với các mạng vô tuyến khác như các mạng ad-hoc hoặc các mạng tế bào Trước hết, do số lượng nút cảm biến là khá lớn nên không thể xây dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai vì phần điều khiển cho việc thiết lập ID là cao Vì vậy, các giao thức dựa trên IP truyền thống có thể không áp dụng được cho WSN Thứ hai, khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nguồn tới một nút gốc Thứ ba, các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và dung lượng nhớ Thứ tư, trong hầu hết các ứng dụng, các nút trong WSN thường có vị trí cố định Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, các nút cảm biến có thể được phép di chuyển và thay đổi vị trí (mặc dù với độ di chuyển rất thấp) Thứ năm, các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng Thứ sáu, vị trí của các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng vì việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí Hiện nay chưa thích hợp cho việc sử dụng các phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cho mục đích này Các phương pháp xác định vị trí của các nút

cảm biến thường dựa vào cường độ tín hiệu từ một số điểm xác định Cuối cùng, số liệu được lựa chọn bởi các nút cảm biến trong WSN thường dựa vào hiện tượng chung, do

đó sẽ có độ dư thừa Các giao thức chọn đường phải khắc phục được độ dư thừa này để

sử dụng hiệu quả băng thông Tóm lại, phương pháp chọn đường trong WSN cần phải quan tâm đến các đặc tính riêng của WSN cùng với các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc

II CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN :

Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến như hình 1

Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút

gốc Việc chọn đường tới nút gốc theo đa bước nhảy được minh hoạ trong hình 1 Nút

gốc có thể liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh Việc thiết

kế mạng cảm biến như mô tả trong hình 1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất

Hình 1: Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến

III KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG :

Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến ở hình 1 được trình bày trong hình 2 Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ Lớp vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, phát và thu 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 Lớp mạng quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu 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 Ngoài ra, các phần quản lý công suất, di chuyển và nhiệm

vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút

cảm biến Những phần này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ công suất tổng thể thấp hơn

Hình 2: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến

Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau Cũng vậy, khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo

nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút cảm biến lân cận Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện Phần quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động

và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến

Chương 3:

CHỌN ĐƯỜNG TRONG WSN

I Thách thức đối với phương pháp chọn đường trong WSN :

Mặc dù các ứng dụng của mạng WSN là rất lớn, tuy nhiên những mạng này có một số hạn chế như giới hạn về nguồn công suất, khả năng tính toán và độ rộng băng thông Một trong những mục tiêu thiết kế chính của WSN là kéo dài thời gian sống của mạng và tránh suy giảm kết nối nhờ các kỹ thuật quản lý năng lượng Việc thiết kế các giao thức chọn đường trong WSN bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố Vấn đề này phải được giải quyết triệt để thì mới đạt được hiệu quả truyền tin trong WSN Dưới đây sẽ tóm tắt một số khó khăn trong vấn đề chọn đường và thiết kế trong mạng WSN

Phân bố nút: Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể

được thực hiện bằng tay hoặc phân bố ngẫu nhiên Khi phân bố bằng tay, số liệu được chọn đường thông qua các đường xác định trước Tuy nhiên khi phân bố các nút ngẫu nhiên sẽ tạo ra một cấu trúc chọn đường đặc biệt (ad-hoc) Liên lạc giữa các nút cảm biến thường có cự ly ngắn do các hạn chế về năng lượng và băng thông Do đó việc chọn đường sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy

Tiêu thụ năng lượng không được làm mất độ chính xác: Các nút cảm biến

có thể sử dụng quá các giới hạn về công suất để thực hiện tính toán và truyền tin trong môi trường vô tuyến Thời gian sống của nút cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào thời gian sử dụng của pin [1] Trong WSN đa bước nhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền

số liệu và chọn đường Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng

Phương pháp báo cáo số liệu: Việc báo cáo số liệu trong WSN phụ thuộc vào

ứng dụng và có thể được chia thành báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc lai ghép những phương pháp này Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp

với các ứng dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ

phận cảm biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xác định Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo

ra bởi nút gốc hay các nút khác trong mạng Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thời gian Cũng có thể sử dụng kết hợp các phương pháp trên Giao thức chọn đường chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo số liệu về vấn đề sử dụng năng lượng và chọn đường

Tính không đồng nhất của nút/tuyến: Trong nhiều nghiên cứu, tất cả các nút

cảm biến được giả thiết là đồng nhất (nghĩa là có khả năng tính toán, khả năng truyền tin và có công suất như nhau) Tuy nhiên, tuỳ theo ứng dụng mà nút cảm có thể có vai trò hoặc khả năng khác nhau Các nút cảm biến không đồng nhất tạo ra một số vấn đề

kỹ thuật liên quan đến chọn đường Ví dụ, một số ứng dụng có thể cần kết hợp các bộ

cảm biến để giám sát nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của môi trường, phát hiện chuyển động nhờ âm thanh, chụp ảnh hoặc ghi hình các vật chuyển động Ngoài ra, việc đọc hoặc báo cáo số liệu từ những bộ cảm biến này có thể có tốc độ khác nhau tuỳ theo QoS và

có thể thuộc nhiều mô hình báo cáo số liệu khác nhau Ví dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biến bình thường khác Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút cảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất, băng thông và bộ nhớ Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập trung bởi một nhóm các nút chủ nhóm

Khả năng chống lỗi: Một số nút cảm biến có thể bị lỗi hoặc bị ngắt do thiếu

công suất, hỏng phần cứng hoặc bị nhiễu môi trường Sự cố của các nút cảm biến không được ảnh hưởng tới nhiệm vụ của toàn mạng cảm biến Nếu có nhiều nút bị lỗi, các giao thức chọn đường hoặc điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải thành cập các tuyến mới tới nút gốc Việc này có thể cần thiết phải điều chỉnh công suất phát và tốc độ tín hiệu trên các tuyến hiện tại để giảm sự tiêu thụ năng lượng hoặc là các gói

phải chọn đường lại qua các vùng mạng có công suất khả dụng lớn hơn

Khả năng định cỡ: số lượng nút cảm biến có thể là hàng trăm, hàng nghìn

hoặc nhiều hơn Bất kỳ phương pháp chọn đường nào cũng phải có khả năng làm việc với một số lượng lớn các nút cảm biến như vậy

Tính động của mạng: Trong nhiều nghiên cứu, các nút cảm biến được giả

thiết là cố định Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển [2] Khi đó các bản tin chọn đường từ hoặc tới các nút di chuyển sẽ gặp phải các vấn đề như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng Tuy nhiên, đối tượng thì có thể di chuyển (ví dụ ứng dụng dò tìm/theo dõi mục tiêu) Các sự kiện cố định thì cho phép mạng làm việc ở chế độ phản ứng (tạo lưu lượng khi cần báo cáo) trong khi các sự kiện chuyển động thì trong hầu hết các ứng dụng đều yêu cầu phải

báo cáo định kỳ cho nút gốc

Môi trường truyền dẫn: Trong mạng cảm biến đa bước nhảy, các nút thông

tin được kết nối qua môi trường vô tuyến Các đặc tính của kênh vô tuyến như pha đinh, tỷ lệ lỗi cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của mạng cảm biến Nói chung, độ rộng băng yêu cầu của số liệu cảm biến là thấp, khoảng từ 1-100 kb/s Liên quan đến môi trường truyền dẫn là việc thiết kế MAC Một phương pháp thiết kế MAC cho các mạng cảm biến là sử dụng các giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

sẽ tiết kiệm năng lượng hơn so với các giao thức đa truy nhập khác như đa truy nhập theo sóng mang (CSMA) (ví dụ IEEE 802.11) Công nghệ Bluetooth [3] cũng có thể được sử dụng

Khả năng giám sát: Trong WSN, mỗi nút cảm biến giám sát một vùng xác

định Vùng giám sát môi trường của nút cảm biến bị giới hạn bởi cự ly và độ chính xác,

nó có thể chỉ giám sát một phạm vi rất nhỏ Do đó, vùng giám sát cũng là một tham số

thiết kế quan trọng trong WSN

Kết hợp số liệu: Vì các nút cảm biến có thể tạo ra số liệu dư thừa nên các gói

tương tự nhau từ nhiều nút có thể được kết hợp lại để giảm số lượng truyền dẫn Việc kết hợp số liệu là từ nhiều nguồn khác nhau theo một hàm kết hợp xác định Kỹ thuật

này được sử dụng để đạt hiệu quả về năng lượng và tối ưu hoá việc truyền số liệu trong một số giao thức chọn đường

Chất lượng dịch vụ: Trong một số ứng dụng, số liệu có thể được phân phối

trong một khoảng thời gian xác định ngay khi nó cảm nhận được hiện tượng nếu không

số liệu sẽ trở nên vô dụng Vì vậy, giới hạn trễ của việc phân phối số liệu là một chỉ tiêu khác trong các ứng dụng phụ thuộc thời gian Tuy nhiên trong một số ứng dụng khác thì việc tiêu thụ công suất (ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian sống của mạng) lại quan trọng hơn Khi năng lượng gần hết, mạng có thể yêu cầu giảm chất lượng các kết quả

để giảm mức tiêu thụ năng lượng của nút và kéo dài thời gian sống của toàn mạng

II.Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN

Nói chung, việc chọn đường trong WSN có thể được chia thành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựa theo vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng Trong chọn đường ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng như nhau Trong chọn đường phân cấp, các nút sẽ đóng vai trò khác nhau trong mạng Trong chọn đường dựa theo vị trí thì vị trí của các nút cảm biến được sử dụng để chọn đường số liệu Một giao thức chọn đường được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lượng khả dụng Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thức chọn đường đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức Ngoài ra, các giao thức chọn đường có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu cầu Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên Khi các nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức chọn đường theo bảng hơn là với các giao thức tương tác Một lượng công suất đáng kể được sử dụng để tìm đường và thiết lập các giao thức tương tác Một số giao thức khác dựa vào định thời và thông tin vị trí Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn chọn đường) Việc phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN được chỉ ra trong hình 3 và bảng 1

Hình 3: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN

Bảng 1: Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong mạng cảm biến vô tuyến

III Đánh giá chỉ tiêu giao thức chọn đường LEACH

Giao thức chọn đường LEACH

Heinzelman [1] đã giới thiệu một giao thức phân cấp theo nhóm cho phép tiết

kiệm năng lượng trong mạng cảm biến được gọi là phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp (LEACH) Mục đích của LEACH là lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các nút chủ, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với nút gốc được trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai bước là bước thiết lập và bước ổn định Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn so với thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển

Trong bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và

1 Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ T(n) được tính như sau:

(1)

trong đó P là tỷ lệ phần trăm nút chủ, r chu kỳ hiện thời, và G là tập các nút không được lựa chọn là nút chủ trong 1/P chu kỳ cuối cùng Sau khi các nút chủ được lựa chọn, những nút này sẽ thông báo tới tất cả các nút cảm biến trong mạng rằng chúng là các nút chủ mới Khi các nút cảm biến thu được thông báo, chúng xác định nhóm mà chúng sẽ tham gia dựa theo cường độ tín hiệu của thông báo từ các nút chủ tới các nút cảm biến Những nút cảm biến này sẽ khai báo với nút chủ thích hợp rằng chúng sẽ là thành viên của nhóm Sau đó các nút chủ ấn định thời gian cho các nút cảm biến gửi số liệu tới các nút chủ theo phương pháp TDMA

Trong bước ổn định, các nút cảm biến có thể bắt đầu truyền số liệu tới các nút chủ Các nút chủ cũng tập hợp số liệu từ các nút trong nhóm của nó trước khi gửi những số liệu này tới nút gốc Sau một thời gian quy định cho bước ổn định, mạng lại tiếp tục bước thiết lập và bước sang một chu kỳ khác trong việc lựa chọn nút chủ

Mô hình hoá

Việc mô phỏng giao thức LEACH được thực hiện bằng phần mềm Visual C++

vì đây là một ngôn ngữ lập trình mạnh Thuật toán mô phỏng dựa vào cơ chế hoạt động của giao thức phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp (LEACH) là sử dụng bước phân nhóm trước khi truyền số liệu Một nút cảm biến được chọn làm nút chủ nhóm và sẽ truyền tất cả số liệu của các nút cảm biến thuộc nhóm đó tới nút gốc Đây là điểm khác biệt so với các phương pháp thông thường mà mỗi nút cảm biến sẽ truyền trực tiếp tới nút gốc Giao thức LEACH giúp kéo dài thời gian sống của mạng bằng cách tối thiểu hoá năng lượng sử dụng của mỗi nút cảm biến nhờ vào việc kết hợp số liệu

Lưu đồ quá trình thiết lập như sau:

Lưu đồ quá trình ổn định như sau:

Kết quả và đánh giá

Đánh giá về mức tiêu thụ công suất

Hình 4 là kết quả mô phỏng là cho trường hợp mạng WSN gồm 160 nút phân

bố đều, công suất ban đầu của nút là 3,0, sử dụng giao thức LEACH và Truyền trực tiếp tới nút gốc Từ đó có thể thấy rằng số nút truyền tin kết thúc sau khoảng 470 chu kỳ thời gian đối với trường hợp truyền trực tiếp và sau khoảng 685 chu kỳ thời gian đối với trường hợp sử dụng giao thức LEACH Do đó có thể rút ra nhận xét là sử dụng giao thức LEACH sẽ tiết kiệm công suất hơn so với truyền trực tiếp đến nút gốc