Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng

12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network Bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết

Trang 1

1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HOÀNG TIẾN LONG

PHÂN CỤM NÚT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ ỨNG DỤNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN, THÁNG 10 NĂM 2015

Trang 2

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và

ứng dụng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự giúp đỡ và hướng dẫn

tận tình của thầy giáo PGS TS Lê Bá Dũng

Trong thời gian làm luận văn này, tôi đã nhận được sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo, chính vì sự nhiệt tình đó của thầy đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này

Các số liệu và kết quả trong luận văn của tôi bao gồm các công thức và hình ảnh mô tả các quá trình phân chia, năng lượng còn lại và thời gian sống hay sự tồn tại của mạng (cảm biến không dây) Đây là kết quả một quá trình làm việc nhiệt tình nghiêm túc của thầy và trò tạo cơ sở thực tiễn

Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015

Hoàng Tiến Long

Trang 3

và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, ngành khoa học máy tính trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn Thầy giáo: PGS TS Lê Bá Dũng, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo động viên, đôn đốc và tạo điều kện thuận lợi cho tôi, trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các anh, chị và các bạn đi trước, đã nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, nhờ đó mà tôi đã có được thông tin bổ sung hữu ích cần thiết trong công việc của mình

Lời cảm ơn sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, lãnh đạo cơ quan, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm việc để hoàn thành chương trình Thạc sĩ của tôi

Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015

Hoàng Tiến Long

Trang 4

4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 8

Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN 14

1.1: Khái quát về mạng cảm biến không dây 14

1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây 15

1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 15

1.1.2.1: Cấu trúc một nút mạng cảm biến không dây 15

1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 17

1.1.3: Mô hình mạng cảm biến không dây 19

1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây 20

1.1.4.1: Ưu điểm của mạng cảm biến không dây 20

1.1.4.2: Nhược điểm của mạng cảm biến không dây 23

1.1.5: Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây 24

1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây 25

1.2.1: Bài toán 25

1.2.2: Công thức 25

Chương 2: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 26

2.1: Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây 26

2.1.1: Kỹ thuật mạng kiến trúc mạng phẳng 26

2.1.2: Kỹ thuật mạng tiết kiệm năng lượng 27

2.1.3: kỹ thuật phương pháp phân bổ 27

Trang 5

5

2.1.4: Kỹ thuật nút cảm biến không dây 28

2.1.5: kỹ thuật báo cáo số liệu 29

2.1.6: Kỹ thuật tập trung và hợp nhất dữ liệu 29

2.2: Giao thức trong mạng cảm biến không dây … 34

2.2.1: Giao thức mặt phẳng quản lý 34

2.2.2: Giao thức yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 36

2.3: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 39

2.3.1: Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ nhất (Minimum Battery Cost Routing) 39

2.3.2: Giao thức định tuyến nhận thức về năng lượng EAR (Energy Aware Routing) 40

2.3.3: Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree Aigorithm) 40 2.3.4: Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng và cân bằng tải 41

2.3.5: Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routing Extensisons) 41

2.3.6: Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol) 41

2.3.7: Giao thức định tuyến ICTP (Improved Collection Tree Protocol) 42

2.3.8: Giao thức định tuyến tải cân bằng năng lượng (Load-balanced Energy aware routing) 43

2.3.9: Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 44

2.3.10: Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) 47

Chương 3: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH 48

3.1: Khảo sát mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình 48

3.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nhà máy thủy điện Hòa Bình 51

3.2.1: Nút mạng cảm biến không dây 51

3.2.2: Nút quản lý vùng (Field Managemnent Nodes) 52

3.2.3: Xây dựng mạng cảm biến không dây ứng dụng cho nhà máy thủy điện Hòa Bình 52

Trang 6

6

3.3: Mô phỏng quá trình thu nhập của mạng cảm biến không dây cho xử lý số liệu nhà máy thủy điện trên cơ sở phân cấp, phân cụm, các nút mạng với quá trình giảm thiểu năng lượng tiêu hao trong mạng 53 3.4: Phân cụm trong mạng cảm biến không dây 54 3.4.1: Phân tích năng lượng tiêu thụ trên mạng 54 3.4.2: Phân cụm phân cấp các nút mạng cảm biến với năng lượng tiêu thụ nhỏ 56 3.5: Mô phỏng quá trình phân cụm và trọn cụm chủ 60 Kết luận và hướng phát triển 67 Tài liệu tham khảo 68

Trang 8

8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các thành phần của nút cảm ứng 16

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 18

Hình 1.3: Mô hình mạng infrastructure 19

Hình 1.4: Mô hình vật lý hệ thống mạng 20

Hình 2.1: Mô hình định tuyến điểm điểm 30

Hình 2.2: Mô hình định tuyến điểmđa điểm 30

Hình 2.3: Mô hìnhđịnh tuyến đa điểm điểm 32

Hình 2.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 34

Hình 2.5: Phân chia kênh vô tuyến 35

Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH 45

Hình 3.1: Toàn cảnh công trình thủy điện Hòa Bình 48

Hình 3.2: Hồ chứa nước và cửa nhận nước 49

Hình 3.3: Giàn máy gồm 8 tổ máy 49

Hình 3.4: Trạm phân phối ngoài trời 220/110/35kv 50

Hình 3.5: Minh họa trạm điện 500kv 51

Hình 3.6: Minh họa mô hình tổng thể của hệ thống 52

Hình 3.7: Minh họa mô hình giao thức định tuyến phân theo cụm 53

Hình 3.8: Minh họa nút mạng theo một hàng 55

Hình 3.9a: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t) 56

Hình 3.9b: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t+1) 56

Hình 3.10: Minh họa sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp 58

Hình 3.11: Minh họa sơ đồ chọn nút chủ trong cụm 59

Hình 3.12: Minh họa mô hình các nút mạng được lắp đặt trong hầm turbin theo hình vẽ 60

Trang 9

9

Hình 3.13a: Minh họa mô hình các nút mạng cảm biến trong hầm turbin không phân cụm 61 Hình 3.13b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng qua 300 vòng thiết lập cụm 62 Hình 3.13c: Minh họa mô hình năng lƣợng còn lại trung bình trên mạng 62

Hình 3.14a: Các nút mạng cảm biến trong hầm turbin đƣợc chia thành 2 cụm 63

Hình 3.14b: Minh họa mô hình thời gian sống của mạng 63 Hình 3.14c: Minh họa mô hình năng lƣợng còn lại của các nút mạng 64

Hình 3.15a: Minh họa mô hình mạng cảm biến trong hầm chia thành 3 cụm 64 Hình 3.15b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng 65

Hình 3.15c: Minh họa mô hình năng lƣợng các nút mạng và giá trị trung bình của các nút mạng 65

Trang 10

10

CHỮ VIẾT TẮT

WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây

IoT Internet of Things Tập hợp các thiết bị có khả

năng kết nối với nhau

IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers

Chuẩn IEEE

PAN Personal Area Network Mạng cá nhân

MAC Media Access Control Điều khiển truy cập kênh

truyền FFDs Full Functional Dependencien Chức năng đầy đủ

RFDs Reduced-function Devices Thiết bị có chức năng hạn

chế SEA Spokesman Election Algorithm Thuật toán

MIC Melage Integrity Code Mã của gói tin

RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu

nhiên

WPANs Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân WLANs Wireless Local Area Network Mạng không dây nội bộ MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng tùy biến di động

Trang 11

11

ADC Analog Digital Converter Chuyển đổi tương tự - số LFS Location Filding System Hệ thống định vị

DSSS Direct-Sequence Spresd Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo

thời gian MTPR Minimum Total Power Rauting Giao thức định tuyến tổng

năng lượng tối thiểu MBRC Minimum Battery Cost Routing Giao thức định tuyến với

chi phí nguồn nhỏ nhất

thức về năng lượng E-SPAN Energy-Aware Spanning Tree

Ailgorithm

Giao thức định tuyến Span

E-BRE Bursty Routing Extensisons Giao thức định tuyến BRE BCTP Balanced Collection Tree Protocol Giao thức định tuyến BCTP ICTP Improved Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ

liệu cải tiến ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ

liệu LEACH Low Energy Adaptive Clustering

Heararchy

Kiến trúc phân cụm thích ứng năng lượng thấp

Trang 12

12

MỞ ĐẦU

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 như (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 nó, hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát nút (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, quân sự Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kỳ 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 Vậy mạng không dây

có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn, trong đó định tuyến là rất quan trọng, nó

Trang 13

13

đảm bảo được nhiều tiêu chí: Phân cụm, phân cụm phân cấp, tính năng lượng còn lại của các nút và thời gian sống của các nút mạng Vì vậy mạng cả biến không dây rất là quan trọng trong lĩnh vực thu thập thông số trong nhà máy thủy điện Hòa Bình có tính năng ưu việt hơn các hệ thống mạng khác Vì thế em chọn

đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng” Trong đó Luận văn của em chủ yếu tập trung mô phỏng hóa vào “Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng không dây”, áp dụng vào nhà máy thủy điện Hòa Bình, làm những công việc sau: Cảm nhận mực nước hồ chứa nước, các cửa sả và nhận nước, cảm biến nhiệt độ độ ẩm môi trường trong phòng lắp đặt thiết bị xả, nhiệt độ turbin, giá đỡ turbin Báo động hỏa hoạn, khói, cháy, quá tải dòng điện, quá tải

hồ chứa nước

Mạng cảm biến không dây (Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và ngày càng được ứng dụng và phát triển rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xã hội như: Quốc phòng, an ninh, nông lâm nghiệp, công nghiệp, y tế và dân dụng

Tuy nhiên, với đặc điểm truyền thông không dây đa chặng, nên những vấn

đề như mất tín hiệu truyền thông, nhiễu đường truyền và sự di động của nút sẻ dẫn đến mất dữ liệu trong khi truyền tín hiệu, gây ảnh hưởng đến hiệu năng của quá trình truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là chất lượng truyền Tức là, ta xác định được chất lượng truyền dữ liệu trước khi thực hiện truyền thông trong mạng cảm biến không dây, thi sẽ được cải thiện chất lượng Bởi vậy, việc xác định chất lượng truyền thông là công việc rất quan trọng trong việc truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây

Chính vì thế, chủ đề nghiên cứu của em về lĩnh vực chất lượng truyền tín hiệu thông qua sự phân cụm nút mạng và sự tồn tại lâu dài của dàn mạng cảm

Trang 14

14

biến không dây, cũng gống như ta đi xây dựng kỹ thuật để xác định chất lượng truyền tối ưu

Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không

dây và ứng dụng” không chỉ có mục tiêu nghiên cứu mà còn đánh giá sự tồn tại

lâu dài của của hệ thống mạng Kết quả của luận văn sẽ làm nền tảng cho hướng nghiên cứu tiếp theo về chủ đề phân cụm trong mạng cảm biến không dây Bố cục của luận văn gồm các nội dung sau:

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN

Trình bày khái quát, cấu trúc, mô hình và bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 2 CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trình bày các kỹ thuật định tuyến và giao thức trong mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 3 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH

Trình bày chi tiết mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình, khảo sát nhà máy, ứng dụng mạng cảm biến vào nhà máy thủy điện và xây dựng hệ thống mạng cảm biến gồm 50 nút

Trang 15

15

Trang 16

16

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN 1.1: Khái quát mạng cảm biến không dây

Trong những năm qua, với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ thông tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông đã tạo thuận lợi và xu thế hội

tụ công nghệ, trong các hệ thống hiện đại với nhiều khả năng, và thông minh hơn

Dựa vào những thông tin được thiết bị cảm biến mà hệ thống đưa ra những đáp ứng phù hợp Bởi vậy, việc phát triển công nghệ cảm biến sẽ đem lại nhiều khả năng và phạm vi ứng dụng cho các hệ thống hiện đại đó

Bên cạnh đó, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things)

đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu Chính điều này đã đặt ra yêu cầu cần phải liên kết các nút cảm biến với nhau để tạo ra mạng cảm biến không dây WSNs (Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa dữ liệu, nâng cao khả năng tính kinh tế trong quá trình triển khai hệ thống Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là sự liên kết và kết nối giữa các nút cảm biến với nhau, nhằm để trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu cầu người dùng Mỗi nút cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến Mạng cảm biến không dây sẽ liên kết các nút trong đó các nút cảm biến trao đổi với nhau thông qua giao tiếp không dây và các nút trong mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có một phạm vi hoạt động lớn có thể liên kết với các mạng khác để tạo ra mạng cảm biến có phạm vi rộng lớn hơn Các nút cảm biến có thể

sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), nên có giới hạn về thời gian hoạt động Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tín hiệu, thu thập, hoặc đáp ứng yêu cầu của người dùng, như theo dõi, chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết

bị điện, hay ở chế độ ngủ

Trang 17

17

1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các nút mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp , và có số lượng lớn, được phân bổ một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế là (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 nút (node) mạng thường có chức năng 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 nút (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 mạng cảm biến không dây là thấp và không 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 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều

1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.1.2.1: Cấu trúc 1 nút mạng cảm biến không dây

Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ,

và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở (Hình 1.1), bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit)

Trang 18

18

và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.1: Các thành phần của một nút cảm ứng

Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến được chuyển sang tín hiệu

số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn

Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi và nhận các

dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn

có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí, vì vậy cần phải có các bộ định vị Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực

Trang 19

19

hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào

1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do đó các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây

Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông

số một cách tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị)

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng

Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

Trang 20

20

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận

Các nút cảm ứng được phân bố trong một môi trường mạng cảm biến không dây như (Hình 1.2) Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu

và định tuyến lại đến các sink Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

+ Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như sau

Đơn vị cảm biển (sensing unit)

Đơn vị xử lý (Processing unit)

Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

Bộ nguồn (power unit)

Trang 21

21

Là bộ xử lý có khả năng lưu trữ, xử lý dữ liệu cũng như việc chấp hành yêu cầu của mạng theo ngữ cảnh khác nhau

+ Đơn vị truyền dẫn

Là phần thu phát vô tuyến thực hiện việc thu phát tín hiệu qua môi trường không dây giữa các nút cảm biến, thông thường chuẩn truyền thông trong mạng cảm biến như Zigbee

+ Bộ nguồn

Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động của nút cảm biến Tùy thuộc vào nút cảm biển khác nhau, mà nguồn có thể được bổ sung từ năng lượng bên ngoài như sóng điện từ, năng lượng mặt trời

Ngoài ra nút có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location filding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

1.1.3: Mô hình mạng cảm biến không dây

+ Mô hình mạng AD-HOC

Khái niệm

- Là mạng gồm hai hay nhiều máy tính có trang bị card không dây

- Tương tự mô hình peer to peer trong mạng có dây

- Các máy tính có vai trò ngang nhau

- Khoảng cách liên lạc từ 30m đến 100m

- Sử dụng thuật toán Spokesman Election Algorithm (SEA)

+ Mô hình vật lý

Trang 22

- AP đóng vai trò truy cập cho các Client (Station) trao đổi dữ liệu với nhau

và truy xuất tài nguyên của server

- Mỗi AP có thể làm điểm truy cập cho 10 đến 15 client (tùy sản phẩm và hãng sản xuất) đồng thời tại một thời điểm

- Mô hình vật lý

Hình 1.4: Mô hình vật lý 1.1.4: Đánh giá ƣu nhƣợc điểm của mạng cảm biến không dây

1.1.4.1: Ƣu điểm của mạng cảm biến không dây

Trang 23

23

Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường Nó cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai (nhà hay văn phòng) Với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay (laptop), đó là một điều rất thuận lợi

Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng, người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu Chẳng hạn ở các quán Cafe, người dùng có thể truy cập Internet không dây miễn phí

Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi khác

Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 access point Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà

Đơn giản về mặt tính toán, dễ thực hiện, và lắp đặt trên mọi địa hình, giả thiết một tín hiệu chạy trong mạng nhờ có cách phân bổ các nút trong toàn mạng cảm biến mà vẫn đảm bảo sự hội tụ do đó có thể triển khai và phát triển ứng dụng này trên hệ thống mạng có quy mô lớn, giảm chi phí truyền thông, cho độ chính xác cao hơn, lượng tiêu thu năng lượng trong mạng ít, vì vậy tuổi thọ trong dàn mạng lâu hơn… Mặc dù không tránh khỏi những hạn chế tất yếu trong việc chấp nhận sai số nhỏ (dần theo sự gia tăng số cảm biến), phương pháp này vẫn được coi là có tính khả thi cao nhờ những ưu điểm vượt trội do mạng cảm biến không dây mang lại

+ Tiêu thụ điện năng thấp

Những ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu tiêu thụ điện trung bình thấp hơn mạng không dây hiện thời khác do đa phần các phần tử cảm nhận trong mạng được nuôi bằng pin do vậy năng lượng rất giới hạn Một cách để giải quyết vấn đề này, trong những ứng dụng nhất định không thể sử dụng một nguồn pin duy nhất, những nút mạng trong những ứng dụng này phải có năng

Trang 24

24

lượng của nó và bằng khai thác hoặc lấy năng lượng từ môi trường Ví dụ: về vấn đề này là cảm biến nhiệt độ môi trường các nút cảm biến không dây thu được năng lượng từ năng lượng xung quanh

+ Giá thành thấp

Giá thành sử dụng có một vai trò quan trọng trong những ứng dụng kết nối không dây Các nút mạng trong mạng cảm biến không dây cần được thiết kế đặc biệt với giá thành thấp để có thể vứt bỏ được sau khi hết năng lượng Những ứng dụng của mạng cảm biến không dây yêu cầu những mối liên kết không dây

ít phức tạp, giá thành thấp cho toàn bộ giá sản phẩm

+ Các kiểu mạng

Mô hình mạng hình sao truyền thống sử dụng một nút chủ (server) và một hoặc nhiều hơn thiết bị slave có thể thỏa mãn nhiều ứng dụng Vì năng lực truyền của những thiết bị mạng có hạn bởi thiết kế kỹ thuật và nguồn pin, tuy nhiên những giới hạn thiết kế mạng này là vùng vật lý mà một dàn mạng có thể phục vụ trong phạm vi của một thiết bị chủ (server) Khi cần tăng phạm vi sử dụng thì những kiểu mạng hỗ trợ lộ trình đa mức multi - hop hoặc những mạng kiểu này phải được sử dụng, bộ nhớ và năng lực tính toán cũng như chi phí cho những lộ trình hoặc những giải thuật, sự bảo trì mạng phải được hỗ trợ không để

có giá thành quá cao và mức tiêu thụ điện năng quá mức

Trang 25

25

+ An toàn bảo mật

Do sử dụng môi trường truyền là sóng radio, nên có khả năng bị nhiễu … Do

đó, sự an toàn bảo mật của những mạng cảm biến không dây có hai khía cạnh quan trọng như nhau là:

- Mạng thật sự an toàn như thế nào và việc mạng được lĩnh hội cho những người dùng đặc biệt là những người dùng tiềm năng

- Việc mã hóa thông tin để đảm bảo tính an toàn trong mạng, cần bảo đảm cho bất kỳ người nhận được thông báo từ người gửi không bị sửa đổi thông tin bên trong bằng bất kỳ cách nào

+ Lưu lượng dữ liệu

Những mạng cảm biến không dây có yêu cầu lưu lượng dữ liệu thấp hơn

so với các mạng không dây như: Bluetooth (IEEE 802.15.1), WPANs và WLANs khác Tuỳ vào mục đích thiết kế tốc độ dữ liệu cực đại có thể là 512b/s (64bytes/s) mặc dù tốc độ dữ liệu thường dưới tốc độ này ở khoảng 1b/s hoặc thấp hơn trong một vài ứng dụng

+ Tiềm ẩn thông báo

Những mạng cảm biến không dây có chất lượng dịch vụ (QoS) bởi vì trong chúng không hỗ trợ truyền thông đồng thời hoặc trùng hợp Yêu cầu tiềm

ẩn thông báo cho những mạng cảm biến không dây được giảm nhẹ khi so sánh với WPANs khác Trong nhiều ứng dụng sự tiềm ẩn thông báo có khi đến cỡ vài giây hoặc vài phút thì có thể chấp nhận được

+ Khả năng di động

Những ứng dụng mạng cảm nhận không dây không yêu cầu sự lưu động cao vì mạng giải quyết việc xác định những tuyến đường truyền thông mở,

Trang 26

26

những mạng cảm nhận không dây chịu ít sự điều khiển truyền thông hơn những mạng di động đặc biệt (ví dụ như MANET)

+ Khả năng mở rộng

Mạng cảm biến không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng người dùng Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp

1.1.4.2: Nhược điểm của mạng cảm biến không dây

+ Bảo mật: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn

công của người dùng là rất cao

- Phạm vi: Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét Nó phù hợp trong 1 căn nhà, nhưng với một tòa nhà lớn thì không đáp ứng được nhu cầu Để đáp ứng cần phải mua thêm Repeater hay access point, dẫn đến chi phí gia tăng

- Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác (lò vi sóng,….) là không tránh khỏi Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng

- Tốc độ: Tốc độ của mạng cảm biến không dây (1- 125 Mbps) rất chậm so với mạng sử dụng cáp (100Mbps đến hàng Gbps)

1.1.5: Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây

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 Mạng cảm biến không dây ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng

Một số ứng dụng cơ bản của cảm biến không dây:

 Cảm biến môi trường:

 Quân sự: Phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…

 Công nghiệp: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…

 Dân dụng: Hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…

Trang 27

27

 Điều khiển:

 Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…

 Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…

 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 giao thông,…

 Gia đình: nhà thông 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, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…)

1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây

1.2.1: Về một toán học khi truyền K bít của một thông điệp qua khoảng cách d

Trang 28

28

CHƯƠNG 2 CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1: Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa

ra để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng Chương này trình bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến,

đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location-based protocol) Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng adhoc

có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng

adhoc có dây và không dây Thiết kế giao thức định tuyến của mạng cảm biến

không dây phải xem xét đến công suất và tài nguyên hạn chế của các nút mạng, đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền vô tuyến và khả năng trễ hay mất gói tin Vì thế nhiều giao thức định tuyến đã đưa ra

2.1.1: Kỹ thuật mạng kiến trúc mạng phẳng

Kiến trúc mặt phẳng trong đó tất cả các nút xem như cùng cấp Kiến trúc

có nhiều lợi ích như tối thiểu overhead để xây dựng hạ tầng mạng và có khả năng tìm ra nhiều đường liên lạc giữa các nut với sai số cho phép Mạng cảm

ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm ứng, nút sink và các sự kiện cần

giám sát Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút cảm ứng di động, còn lại hầu hết 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 Khi đó các bản tin chọn đường được lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút di động sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ

Trang 29

29

rộng băng Các sự kiện cảm nhận có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các

ứng dụng

2.1.2: Kỹ thuật mạng tiết kiệm năng lượng

Ổn định và khả năng mổ rộng, trong dạng này các nút được sắp xếp vào các cluster, trong đó có một nút có năng lượng lớn nhất có vai trò cluster head Cluster head có trách nhiệm phối hợp các hoạt động giữa các nút trong cluster

và truyền thông tin giữa các cluster Việc phân hoạch giảm năng lượng kéo dài thời gian sống của mạng Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến

bị ảnh hưởng mạnh bởi năng lượng Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến

là một hàm suy hao theo khoảng cách và đặc biệt suy giảm mạnh trong trường hợp có nhiều vật cản, định tuyến đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một

số lượng lớn các tiêu đề (overhead) để điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền Định tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất cả các

nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các trường hợp các nút đều được rải

ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn 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

2.1.3: Kỹ thuật phương pháp phân bổ

Dùng phương pháp data-centri để phân bổ yêu cầu trong mạng Phương pháp dựa trên thuộc tính, ở đó có một nút nguồn truy vấn đến một thuộc tính của một hiện tượng nào đó hơn là một nút cảm biến riêng biệt Việc phân tán yêu cầu thực hiện bằng cách phân nhiệm vụ cho các nút cảm biến và định rõ thuộc tính riêng biệt cho các nút Các kiểu thông tin có thể dùng như broadcasting, attribute-based multicasting, geo-casting và anycasting Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được xác định trước hoặc tự phân bố

Trang 30

30

Trong trường hợp được xác định trước, các nút được đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định Tuy nhiên trong các hệ thống tự

tổ chức, các nút cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một cấu trúc theo kiểu

ad hoc Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các nút chủ cũng góp

phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt động của mạng Trong hầu hết các cấu hình mạng, 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

2.1.4: Kỹ thuật nút cảm biến không dây

Định tuyến dựa trên vị trí rất hữu ích cho các ứng dụng mà vị trí của các nút trong một vùng địa lý có thể được hỏi bởi các nút nguồn yêu cầu như thế có thể định rõ vùng nào đó mà các hiện tượng quan tâm có thể xảy ra hay lân cận với điểm đặc biệt nào đó trong vùng hoạt động của mạng Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là có khả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau Tuy nhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện các chức năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chức năng trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút đó Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kỹ thuật liên quan đến định tuyến Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp nhiều cảm biến để kiểm tra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịch chuyển thông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh của các vật chuyển động Tốc độ đọc của các cảm biến này có thể khác nhau, vì thế với những môi trường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn 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

Trang 31

31

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

2.1.5: Phương pháp báo cáo số liệu

Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu trong WSN có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc ghép lại các 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 Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo số liệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa năng lượng và sự

ổn định tuyến

2.1.6: Tập trung và hợp nhất dữ liệu

Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm

số lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tập trung lại Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau

bằng việc dùng các chức năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy trung bình (average) Các chức năng trên có thể được thực hiện

một phần hoặc toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng Việc tinh toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với giao tiếp, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng kể Kỹ thuật này được sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến Trong một số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ

Trang 32

32

liệu được chỉ định cho các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng Tập trung dữ liệu cũng khả thi trong kỹ thuật xử lý tín hiệu

+ Mô hình định tuyến truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể được chia thành ba loại: (Điểm - Điểm), (Điểm - Đa điểm) và (Đa điểm - Điểm) Mỗi một

mô hình truyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông kiểu này

Ví dụ:

+ Mô hình định tuyến truyền thông (Điểm - Điểm)

Hình 2.1: Mô hình định tuyến Điểm - Điểm của mạng cảm biến không dây

Với mô hình truyền thông (Điểm - Điểm) sẽ diễn ra một nút mạng cảm biến không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác Tuy nhiên, việc truyền thông này có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác Trong hình phía dưới, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau, nhưng có hai nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm cuối của quá trình truyền thông

+ Mô hình định tuyến truyền thông (Điểm - Đa điểm)

Mô hình truyền thông (Điểm - Đa điểm) được minh họa như ở (Hình 1.3) Mô hình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả các nút khác trong mạng Mô hình truyền thông này có thể được sử dụng

để gửi một lệnh thiết lập tới các nút trong mạng

Trang 33

33

Hình 2.2: Mô hìnhđịnh tuyến Điểm - Đa điểm của mạng cảm biến không dây

Có rất nhiều hình thức truyền thông trong mạng, mô hình (Điểm - Đa điểm) Tùy thuộc vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau Nếu yêu cầu độ tin cậy cao, thì giao thức truyền thông có thể phải truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận thành công gói tin Nếu độ tin cậy không yêu cầu quá khắt khe, thì giao thức truyền thông có thể không cần phải truyền lại bất kỳ bản tin nào Giao thức truyền thông hy vọng rằng, kênh truyền thông đủ độ tin cậy để các bản tin có thể đến được các nút nhận Nhiều cơ chế và giao thức đã được thiết kế để thực hiện truyền thông (Điểm - Đa điểm) trong mạng cảm biến không dây Dạng đơn giản của truyền thông (Điểm - Đa điểm) là mạng tràn lan Điều này được thực hiện bằng cách từng nút quảng bá tin được gửi đi Khi một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá được phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất

cả các nút khác xung quanh nó Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại các bản tin Hiệu quả của

cơ chế này là bản tin cũng được gửi đến tất cả các nút khác trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc xung đột vô tuyến Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợp nhưng nó không phải là cơ chế đáng tin cậy Các bản tin bị nhiễu hoặc xung đột cần được truyền lại Để đạt được độ tin cậy trong truyền thông (Điểm - Đa điểm) thì giao thức truyền thông phải phát hiện được các bản tin bị mất và phát lại

+ Mô hình định tuyến truyền thông (Đa điểm - Điểm)

Trang 34

34

Mô hình truyền thông (Đa điểm - Điểm) thường được sử dụng để thu thập

dữ liệu từ các nút trong môi trường cảm biến Với mô hình truyền thông (Đa điểm - Điểm), một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút Nút này thường được gọi là Sink như (Hình 2.2) minh họa mô hình truyền thông (Đa điểm - Điểm)

Hình 2.3: Mô hìnhđịnh tuyến Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây

Truyền thông (Đa điểm - Điểm) có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cảm biến chẳng hạn như nhiệt độ từ các nút trong mạng, nhưng nó cũng được sử dụng truyền thông tin trạng thái các nút trong mạng Các nút gửi các báo cáo trạng thái định kỳ tới Sink Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ hiệu năng của mạng tới quan sát bên ngoài

Trong truyền thông (Đa điểm - Điểm), có thể có nhiều hơn một Sink trong mạng Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu nó có thể được gửi tới, thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi Điều này cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả hơn

Để thiết lập truyền thông (Đa điểm - Điểm) thì các nút xây dựng một cấu trúc cây với gốc của nó ở nút Sink Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bước nhảy

Trang 35

35

bằng không, tính từ nút Sink Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại các bản tin để thông báo chúng có bước nhảy là một tính từ nút Sink Lần lượt, các nút hàng xóm của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bước nhảy là hai tính từ nút Sink Với phương thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng

sẽ biết có bao nhiêu bước nhảy chúng phải trải qua được, tính từ nút Sink và biết được các nút lân cận gần Sink hơn Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần Sink hơn Mặc dù phương thức xây dựng tuyến đường định tuyến dựa trên việc đếm số bước nhảy là đơn giản nhưng nó cũng có một số vấn đề cần được quan tâm Một nút với số bước nhảy rất ngắn đến Sink có thể nằm ở vị trí phủ sóng rất kém, trong khi một nút với nhiều bước nhảy tới Sink

có thể ở vị trí phủ sóng rất tốt Để gửi gói tin đến được Sink, có thể sẽ tốt hơn khi gửi gói tin đó tới nút có vùng phủ sóng tốt mặc dù có nhiều bước nhảy tới Sink hơn, bởi vì gói tin có cơ hội nhận được cao hơn mà không phải truyền lại gói tin

+ Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây

IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công suất thấp, tốc độ dữ liệu thấp Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho mạng

cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong (Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE)) IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa 1mW Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, đã làm cho IEEE 802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:

+ Lớp vật lý

Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền vô tuyến vật lý như thế nào Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau Kênh 0 được quy định chỉ ở Châu Âu và nằm trên băng tần 868 NHz

Trang 36

36

Kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902 - 982 MHz, khoảng cách kênh là 2 MHz Kênh 11-26 quy định trên băng tần 2,4GHz, khoảng cách các kênh là 5MHz

+ Lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC)

Mục đích của lớp MAC là để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý sẽ được giải quyết như thế nào Chuẩn IEEE 802.15.4 Xác định hai loại thiết bị là Thiết bị có chức năng đầy đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs) Các (FFDs) có nhiều khả năng hơn (RFDs) và có thể đóng vai trò như một điều phối viên các mạng PAN (RFDs) là các thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành rẻ hơn (RFDs) chỉ có thể truyền thông với (FFDs) Và các (FFDs) có thể truyền thông được với cả (RFDs) và (FFDs)

2.2: Giao thức trong mạng không dây

+Kiến trúc mạng WSNs bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các

mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến không dây Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng thành phần của kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	1,87 MB