Các giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Các nút mạng cảm biến này thu thập thông tin từ môi trường, trao đổi dữ liệuvới nhau thông qua các giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây.Việc tìm hiểu, nghiên cứu các giao

MỤC LỤC

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

WSN: wireless sensor network ( mạng cảm biến không dây )

MAC: medium access control ( Điêu khiển truy cập kênh truyền ) ARQ: automatic repeat request ( yêu cầu lặp lại tự động )

ETX: expected transmissions ( Dự kiến truyền )

TDMA: time division multi access ( Truy cập phân chia theo thời gian ) SFD: start of frame delimiter ( Bắt đầu giới hạn khung )

MIC: message integrity cheek ( trường kiểm tra tính toàn vẹn bản tin ) FCS: frame cheek sequence ( chuỗi kiểm tra khung )

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuậtcùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện chomột thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless SensorNetwork-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 sâurộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môitrường, giao thông

Trong một tương lai gần, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm biến đượctích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần khôngthể thiếu trong xã hội hiện đại nhằm mang lại sự tiện nghi và những ứng dụngthiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người

Điểm mạnh nổi bật của mạng cảm biến không dây đến từ số lượng nútmạng cảm biến rất nhiều, được gắn trong các môi trường thu thập theo dõi giámsát Các nút mạng cảm biến này thu thập thông tin từ môi trường, trao đổi dữ liệuvới nhau thông qua các giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây.Việc tìm hiểu, nghiên cứu các giao thức truyền thông trong mạng cảm biếnkhông dây là rất cần thiết và phù hợp với xu thế phát triển của mạng cảm biến

không dây hiện nay Vì thế đồ án của em tập trung đi vào đề tài “Tìm hiểu các giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây”

Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Chương 3 Đánh giá một số thuật toán thu thập dữ liệu trong mạng cảm biếnkhông dây

Trong thời gian làm đồ án, em đã hết sức cố gắng để hoàn thành đề tài

những thiếu xót Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và bạnbè cho đồ án được hoàn thiện hơn

Thái nguyên, tháng 3 năm 2014

Hà Thiêm Quảng

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Trong chương này, chúng ta cùng tìm hiểu về khái niệm mạng cảm biếnkhông dây và những thách thức đặt ra cho mạng cảm biến không dây Các cơ chếtruyền thông cơ bản cho mạng cảm biến không dây cũng được trình bày Các nútcảm biến không dây truyền thông với nhau qua chuẩn truyền thông không dâyIEEE 802.15.4 Đây là một chuẩn truyền thông không dây tốc độ dữ liệu thấp.Chuẩn truyền thông này phù hợp với các ứng dụng của mạng cảm biến khôngdây hiện nay

Những đặc điểm về cấu trúc phần cứng, phần mềm của nút cảm biến khôngdây cũng như vấn đề tiêu thụ năng lượng của một nút cảm biến không dây cũngđược thảo luận chi tiết tại chương này Phần cứng và phần mềm của nút cảm biếnkhông dây phải cộng tác với nhau như thế nào để có thể tiết kiệm được nănglượng Trong một nút cảm biến không dây, bộ thu phát vô tuyến là thành phầntiêu thụ năng lượng nhiều nhất Phần cuối chương sẽ giới thiệu một số cơ chếnhằm quản lý công suất bộ thu phát vô tuyến của nút cảm biến không dây nhằmtiết kiệm năng lượng và kéo dài khoảng thời gian tồn tại của mạng

1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầngbao gồm các thành phần cảm nhận tính toán, và truyền thông nhằm cung cấp chongười quản trị khả năng đo đạc, quan sát, và tác động lại với các sự kiện, hiệntượng trong một môi trường xác định Các ứng dụng điển hình của mạng cảmbiến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát, và y học…

Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng Các nút mạngthường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thườngđược phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế, cóthời gian hoạt động lâu dài và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt(như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao, …)

Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minhhọa ở hình 1.1 Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đếnmột Sink/Gateway và người dùng cuối Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô

tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng Sink cóthể truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệtinh hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặckhông cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với ngườidùng cuối Lưu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuốitrong kiến trúc thể hiện ở hình 1.1.

Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng

đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu Do vậy, việc truyềnthông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:

thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink

• Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việcchuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếptrong tuyến đường đa chặng đến Sink

Hình 1 1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong

hình thức quyết định các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, cácnút mạng cảm biến không dây phải có kích thước nhỏ gọn Giá thành cũng quantrọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi mạng cảm biến không dâythường được triển khai với quy mô lớn Với việc triển khai hàng ngàn các nútmạng cảm biến thì việc tiết kiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phéptiết kiệm được một khoản tiền đáng kể.

Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đếnviệc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng, và thậm chí cả kiến trúcmạng Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiệnphần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò cũng như hỗtrợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng Phần mềm chạy trên các nút cảm

thành phần phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt Nhờ sự hỗ trợ của cácnhà phát triển phần mềm, các nút mạng cảm biến có thể chạy hệ điều hành và nócung cấp các cơ chế hoạt động công suất thấp giúp tiết kiệm năng lượng

Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạng cũng nhưviệc thiết kế các giao thức mạng Bởi vì quá trình truyền thông tiêu tốn nhiềunăng lượng nên điều quan trọng là định hướng các kiểu truyền thông để chúng sửdụng hiệu quả tài nguyên sẵn có Để giúp các giao thức mạng làm được điều này,phần cứng và phần mềm cần nắm được sự tiêu hao năng lượng và cung cấp thôngtin này đến các tầng mạng Ngoài ra, để tiết kiệm năng lượng, người thiết kế hệthống cần phải đặt các thiết bị phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt Tuynhiên, chế độ ngủ cũng ảnh hưởng đến trễ truyền thông của hệ thống theo nhữngcách khác nhau mà rất khó có thể dự đoán trước được

Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phầncứng lẫn phần mềm Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì ảnh hưởng ở đây làcác phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít,mỗi linh kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền Những ảnh hưởng đối vớicác nhà thiết kế phần mềm là ít rõ rệt hơn Với chi phí thấp, kích thước vật lýnhỏ, công suất tiêu thụ thấp, thì các bộ vi xử lý mà trên đó các phần mềm chạy

trở nên nhỏ gọn hơn, tốc độ tính toán và kích thước bộ nhớ của chúng cũng bị giảmbớt Các nhà thiết kế phần mềm cho một hệ thống mạng cảm biến không dâythường chỉ có vài ngàn Byte bộ nhớ để làm việc so sánh với hàng triệu hoặc hàng tỉByte bộ nhớ trong các hệ thống máy tính thông dụng Do đó, phần mềm cho cáccác nút mạng cảm biến không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải

có khả năng chạy trong một môi trường hạn chế nghiêm ngặt về tài nguyên

Những hạn chế về nguồn tài nguyên đó ảnh hưởng lớn đến cấp độ nút cũngnhư cấp độ mạng Với những hạn chế về lượng bộ nhớ trong mỗi nút mạng cảmbiến không dây, thì các giao thức mạng phải được thiết kế để chúng hạn chế sốlượng thông tin mà mỗi nút cần phải lưu về mạng và các nút khác trong mạng

1.2.2 Những thách thức ở cấp độ mạng

Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết

là vấn đề quy mô nhỏ của nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ởcấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biến khôngdây

Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng cácnút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút Trong nhiềutrường hợp, các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiềuđiểm thu thập riêng biệt Nhiều mạng riêng biệt bao gồm hàng ngàn các nút cảmbiến không dây

Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến bản tintrong mạng cảm biến không dây Định tuyến là quá trình mạng xác định nhữngtuyến đường nên đi để truyền bản tin qua mạng Định tuyến có thể được thựchiện hoặc là tập trung hoặc là phân tán Với định tuyến tập trung thì một máy chủtính toán bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, còn với định tuyến phân tán thìmỗi nút thực hiện tự quyết định về tuyến đường để gửi mỗi bản tin

Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến

cả hiệu năng mạng xét về số lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc

độ dữ liệu có thể được vận chuyển thành công qua mạng, và hơn hết là Khoảngthời gian tồn tại của mạng được đảm bảo Trong mạng cảm biến không dây, việc

truyền thông tin đòi hỏi năng lượng Các nút thực truyền thông tin nhiều sẽ mấtnăng lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ Vì vậy, giaothức định tuyến phải chọn lựa thông tin một cách đầy đủ khi lập kế hoạch vậnchuyển bản tin qua mạng

Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn đầy đủ thông tin định tuyến thì nó yêucầu các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất Thôngtin này yêu cầu bộ nhớ Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, mỗi nút có một số lượng

bộ nhớ hạn chế Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lưỡng đểgiữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua nhữngthông tin không cần thiết khác

Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền khôngđáng tin cậy, điều này càng làm cho vấn đề trở nên xấu hơn Trong kênh truyềnthông vô tuyến công suất thấp, thì không chắc chắn rằng nếu một bản tin đã đượcgửi đi bởi một nút sẽ được nhận bởi một nút khác được dự kiến trước trongmạng Bản tin này có thể bị gián đoạn hoặc có thể bị chặn hoàn toàn bởi một vậtlớn bằng kim loại vừa được đặt giữa phía gửi và phía nhận Ngay cả khi bản tinkhông hoàn toàn bị chặn, các bit của nó có thể đã bị thay đổi trên đường truyền.Tính chất không đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là "tổnhao" Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biếnkhông dây Ngay cả khi các nút mạng cảm biến sử dụng công nghệ thông tin liênlạc khác có ít tổn hao hơn, thì cũng cần phải chuẩn bị cho tình huống xấu nhất đểmạng có thể hoạt động ổn định trong tất cả các trường hợp mạng có tổn hao vàkhông có tổn hao

Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là một thách thức đối với cácgiao thức định tuyến Các giao thức định tuyến phải tính toán vấn đề tổn hao khiquyết định tuyến đường để truyền các bản tin và có thể bản tin cần phải được gửilại Các bản tin sẽ được định tuyến sao cho các nguy cơ bị mất bản tin là thấpnhất Nhưng nếu một bản tin được truyền qua một tuyến đường xảy ra việc bịmất dữ liệu, thì bản tin cần được gửi lại một vài lần, trong trường hợp nó khôngthể gửi được qua mạng trong lần thử đầu tiên

Tổn hao là một thuộc tính khó xác định, đặc biệt là trong các mạng khôngdây Tổn hao bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm củakhông khí cũng như môi trường vật lý xung quanh của các mạng cảm biến khôngdây Ví dụ, nếu một lò vi sóng được bật lên, các trường điện từ nó tạo ra có thểcan thiệp vào băng tần truyền không dây 2.4GHz Tương tự như vậy, một mạngmáy tính WiFi có thể ảnh hưởng tới một mạng cảm biến không dây, do đó cácmạng cảm biến không dây thường bị mất dữ liệu nhiều hơn vào ban ngày, khi màmọi người đang sử dụng mạng WiFi, hơn là vào ban đêm Các giao thức địnhtuyến cho mạng cảm biến không dây cần phải được chuẩn bị trước cho nhữngvấn đề này

Tính chất quy mô lớn của các mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêmviệc định địa chỉ các nút Trong một mạng quy mô lớn, mỗi nút riêng lẻ phải cóđịa chỉ để các bản tin có thể được gửi đến nó Các địa chỉ cần có độ dài đủ lớnsao cho mỗi nút trong các mạng lớn phải có một địa chỉ riêng biệt Và thậm chínếu mạng có quy mô nhỏ, thì nó có thể tương tác với các nút khác bên ngoài.Trong trường hợp này, địa chỉ của các nút trong hai mạng phải là duy nhất

Vì số lượng các mạng cảm biến không dây có thể tương tác với các mạngkhác bên ngoài ngày tăng, nên chúng ta cần phải chuẩn bị cho quy mô phát triểntheo cấp số nhân Do đó, cơ chế định địa chỉ cho các mạng cảm biến không dâyđược lựa chọn phải xác định duy nhất vài triệu, thậm chí vài tỷ các nút riêng biệt.Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là mộtthách thức vô cùng khó khăn Với mạng cảm biến không dây có thể bao gồmhàng ngàn nút, thì việc thực hiện quản lý mạng theo cách truyền thống không thể

áp dụng ngay được Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi sự điều chỉnh cơ sở

hạ tầng mạng thủ công bởi một quản trị viên hệ thống Với các mạng cảm biếnkhông dây ở dạng Ad-hoc, mạng phải được chuẩn bị để tự quản lý chính nó màkhông có bất kỳ sự điều hành mạng nào của con người Hơn nữa, trong mạngmáy tính truyền thống, mỗi máy tính kết nối mạng có thể yêu cầu cấu hình thủcông hoặc bán thủ công Ví dụ như người dùng ở các máy tính có thể cần phảinhập mật khẩu để truy cập mạng Đối với mạng cảm biến không dây, thì điều đó

là không khả thi khi cho một người nhập mật khẩu vào từng nút mạng cảm biếntại các thời điểm khi cần truy cập mạng.

Cuối cùng, một mạng cảm biến không dây phải cung cấp các cơ chế truy cập

từ bên ngoài Có những trường hợp mà một mạng cảm biến không dây được sửdụng cô lập, nhưng thường là các dữ liệu tạo ra bởi các mạng cảm biến khôngdây cần phải được lấy ra để chúng có thể được xử lý hoặc được lưu trữ ở một nơikhác Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây cần phải được cấu hình lại hoặcthay đổi trong quá trình hoạt động Trong cả hai trường hợp, các mạng cảm biếnkhông dây phải có thể được truy cập từ bên ngoài

1.2.3 Sự chuẩn hóa

Tiêu chuẩn là một yếu tố thành công then chốt đối với các mạng cảm biếnkhông dây Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi số lượng lớncác nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn bởi một số lượng đáng kể các tiêuchuẩn khác nhau, các nhà sản xuất và công ty khác nhau quan tâm đóng góp chocông nghệ Các công nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau.Một nhà sản xuất thiết bị cảm biến mà chuyên về cảm biến độ ẩm chính xác cao

có thể không được quan tâm đến các hệ thống công nghệ thông tin Tuy nhiên, cảhai phải làm việc cùng nhau trong hệ thống tòa nhà tự động, ở đó các cảm biến

độ ẩm tạo ra đầu vào có giá trị cho việc kiểm soát môi trường trong toà nhà Hệthống kiểm soát môi trường được điều khiển bởi một hệ thống công nghệ thôngtin tiên tiến, chúng tiếp nhận đầu vào từ các cảm biến độ ẩm

Nếu không có sự chuẩn hóa, thì các nhà sản xuất thiết bị và các nhà tích hợp

hệ thống cần phải xây dựng các hệ thống mới từ dưới lên trên với mọi hệ thốngđược cài đặt Ngoài ra, nhà sản xuất và nhà tích hợp sẽ sử dụng một công nghệđộc quyền từ một nhà cung cấp riêng lẻ Công nghệ độc quyền này có thể cungcấp các lợi ích trong thời gian ngắn, nhưng nó làm cho nhà sản xuất và nhà tíchhợp đều gặp khó khăn trong việc phát triển hệ thống của họ vượt ra ngoài côngnghệ độc quyền bởi các nhà cung cấp Hơn nữa, khi công nghệ này là độc quyềnthì các nhà cung cấp công nghệ sẽ điều khiển tương lai của công nghệ chứ khôngphải là các nhà sản xuất và các nhà tích hợp

Với việc chuẩn hóa công nghệ, công nghệ là độc lập với nhà cung cấp, cácnhà sản xuất và người dùng Bất kỳ nhà cung cấp nào có thể chọn để cung cấpcác hệ thống dựa trên công nghệ, và các nhà sản xuất thiết bị, các nhà tích hợp hệthống có thể lựa chọn nền tảng hệ thống của họ trên công nghệ từ bất kỳ nhàcung cấp nào

Tiêu chuẩn hóa công nghệ có một ưu điểm lớn ở việc chấp nhận các điềukhoản Khi công nghệ được chuẩn hóa, các nhà cung cấp, nhà sản xuất, và cácnhà tích hợp hệ thống có thể dễ dàng chọn các công nghệ mà không có rủi ro từcác nhà cung cấp chính nữa

Chuẩn hóa của công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức khôngchỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức Các mạng cảmbiến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ, từ công nghệtruyền thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định tuyến, truy cập mức ứngdụng và tích hợp hệ thống công nghệ thông tin Mỗi cấp độ có những thách thức

kỹ thuật riêng, nhưng quan trọng hơn, việc chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản

lý bởi các nhóm khác nhau

Đối với các nút cảm biến không dây, với bất kỳ công nghệ mới nào xuất hiện,thì một số tiêu chuẩn và các chỉ dẫn kỹ thuật phi tiêu chuẩn cũng được tạo ra.Các chỉ dẫn kỹ thuật này bao gồm từ những chỉ dẫn kỹ thuật cho các giao thức vôtuyến công suất thấp đến các họ giao thức đầy đủ Mặc dù các chỉ dẫn kỹ thuậtnày cung cấp một giải pháp kỹ thuật khả thi cho các ứng dụng cụ thể, nhưng tình

đối với nhiều nhà cung cấp và nhà sản xuất

1.2.4 Khả năng cộng tác

Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung cấpkhác nhau có thể hoạt động cùng nhau Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữacác nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở hạtầng mạng hiện có

Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộng tácphải ở nhiều mặt Các nút cảm biến phải tương thích với nhau từ lớp vật lý cho

đến lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khicác thiết bị từ các hãng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau Ở cấp độ vật lý,các nút cảm biến không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số vôtuyến để thực hiện truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu, và tốc độ được truyền.

Ở cấp độ mạng, các nút phải đồng ý về định dạng của thông tin được gửi vànhận được trên các kênh vật lý và làm thế nào nút này được đánh địa chỉ, cũngnhư làm thế nào bản tin sẽ được vận chuyển qua mạng

Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút cảm biến phải chia sẻ một quan điểmchung là làm thế nào để dữ liệu được đưa vào hoặc lấy ra từ mạng cảm biếnkhông dây, cũng như làm thế nào để nút cảm biến có thể được truy cập tới từ các

hệ thống bên ngoài Những thách thức về khả năng cộng tác ở trong định nghĩa

kỹ thuật của các nút cảm biến không dây cũng như trong việc chuẩn hóa, việcthực hiện và kiểm tra Để đạt được khả năng cộng tác, bắt buộc các kiến trúc kỹthuật của mạng cảm biến không dây cần được xác định để sao cho khả năng cộngtác được dễ dàng Nếu các kiến trúc kỹ thuật không cho phép khả năng cộng táchoặc khiến khả năng cộng tác phức tạp, thì sẽ rất khó khăn để đạt được khả năngcộng tác sau này Để đảm bảo khả năng cộng tác thì việc thực hiện chuẩn hóaphải là một mối quan tâm chính Sau khi việc chuẩn hóa hoàn thành, cần kiểm tra

và chứng nhận sự đảm bảo khả năng cộng tác giữa các thiết bị và các nhà cungcấp khác nhau

Cũng như sự chuẩn hóa thì khả năng cộng tác đặt ra một số thách thức chomạng cảm biến không dây Thứ nhất là kiến trúc kỹ thuật cho mạng cảm biếnkhông dây vẫn còn là một vấn đề mở Trong cuốn sách này, chúng ta chọn kiếntrúc kỹ thuật cho mạng cảm biến không dây là kiến trúc IP Thứ hai là mặc dùmột số tiêu chuẩn cho mạng cảm biến không dây vẫn đang được phát triển,nhưng các tiêu chuẩn đã tồn tại vẫn có thể được sử dụng lại

1.3 Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây

Kiến trúc ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi Sink và các nút cảm biếnđược minh họa ở hình 1.2 Kiến trúc ngăn xếp giao thức này kết hợp giữa vấn đề

năng lượng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng lượng, các giao thức tổnghợp dữ liệu và truyền thông hiệu quả năng lượng qua môi trường không dây Kiến trúc ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng,lớp truyền tải và lớp ứng dụng, cũng như các mặt phẳng đồng bộ, mặt phẳng định vị,mặt phẳng quản lý cấu trúc liên kết mạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳngquản lý di động, và mặt phẳng quản lý nhiệm vụ Lớp vật lý xác định các yêu cầucần thiết đó là các kỹ thuật điều chế, truyền dẫn, tiếp nhận dữ liệu

Bởi vì môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động, nên lớp liênkết có trách nhiệm đảm bảo việc truyền thông tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiểnlỗi và quản lý truy cập kênh thông tin thông qua lớp MAC để hạn chế tối đa xungđột với các bản tin quảng bá của nút lân cận

Tùy thuộc vào các nhiệm vụ cảm biến, thì các phần mềm ứng dụng khác nhau

có thể được xây dựng và được sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp mạng quan tâmđến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp giao vận Lớp truyền tải giúpduy trì dòng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu

Thêm vào đó là các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động, và quản lý nhiệm

vụ giám sát năng lượng tiêu thụ, sự di chuyển, và sự phân phối nhiệm vụ giữacác nút cảm biến Những mặt phẳng này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm

vụ cảm nhận và giảm tổng năng lượng tiêu thụ

Hình 1 2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây

Mặt phẳng quản lý năng lượng quản lý việc sử dụng năng lượng của một nút cảmbiến như thế nào Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhận được mộtbản tin từ một trong số các nút lân cận của mình Điều này để tránh việc nhận đượccác bản tin trùng lặp Ngoài ra, khi mức năng lượng của một nút cảm biến xuống thấp,thì nút cảm biến quảng bá đến các nút lân cận rằng năng lượng của nó đang ở mứcthấp và nó không thể tham gia vào việc định tuyến các bản tin

Năng lượng còn lại chỉ để dành riêng cho việc cảm nhận và truyền dữ liệu củariêng nút đó Mặt phẳng quản lý di động phát hiện và đăng ký sự di chuyển của

duy trì, và các nút cảm biến có thể theo dõi các nút lân cận của chúng Bằng việcnhận biết các nút lân cận thì các nút cảm biến có thể cân bằng giữa việc sử dụngnăng lượng và nhiệm vụ của chúng

một khu vực cụ thể Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đó đượcyêu cầu thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm Kết quả là, một sốnút cảm biến thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn các nút khác, tùy thuộc vào mứcnăng lượng của chúng Những mặt phẳng quản lý này là cần thiết để các nút cảmbiến có thể làm việc cùng nhau sao cho chúng đạt được hiệu quả cao nhất vềnăng lượng, về định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến, và chia sẻ tài nguyêngiữa các nút cảm biến

Nếu không có các mặt phẳng quản lý này thì mỗi nút cảm biến chỉ có thể làmviệc riêng lẻ Từ góc độ toàn mạng thì sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến cóthể cộng tác với nhau, nhờ đó thời gian tồn tại của mạng có thể được kéo dài

1.3.1 Lớp vật lý

Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mang, phát hiện tínhiệu, điều chế dữ liệu

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép các dòng dữ liệu, phát hiện khung

dữ liệu, điều khiển lỗi và điều khiển truy cập kênh truyền Nó đảm bảo sự tin cậycủa các kết nối điểm-điểm và điểm-đa điểm trong mạng

a. Điều khiển truy cập kênh truyền (MAC)

Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đa chặng và

tự tổ chức cần phải đạt được hai mục tiêu Mục tiêu thứ nhất là tạo cơ sở hạ tầngmạng Bởi vì hàng trăm nút cảm biến có thể nằm rải rác với mật độ cao trong mộttrường cảm biến, nên cơ chế MAC cần phải thiết lập các liên kết truyền thông đểtruyền dữ liệu Điều này tạo thành cơ sở hạ tầng cơ bản cần thiết cho truyềnthông không dây đa chặng và cung cấp khả năng tự tổ chức Mục tiêu thứ hai làchia sẻ hiệu quả các tài nguyên truyền thông giữa các nút cảm biến Những tàinguyên này bao gồm thời gian, năng lượng và tần số Trong suốt một thập kỷqua, một số giao thức MAC đã được phát triển cho các mạng cảm biến khôngdây để giải quyết những yêu cầu này

Với bất kể một cơ chế truy cập kênh truyền nào thì vấn đề hiệu quả nănglượng là vô cùng quan trọng Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trơ các chế

độ hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến Việc bảo tồn năng lượng rõràng nhất là tắt bộ thu phát khi không cần thiết Mặc dù phương pháp tiết kiệmnăng lượng này dường như có lợi đáng kể cho việc tiết kiệm năng lượng nhưng

nó có thể cản trở các kết nối mạng Sau khi bộ thu phát tắt thì nút cảm biếnkhông thể nhận được bất kỳ gói tin nào từ các nút lân cận nó, bởi vì nó bị ngắtkết nối mạng Hơn nữa, việc bật và tắt bộ thu phát vô tuyến đều có một chi phí vềnăng lượng tiêu thụ do các thủ tục khởi động và tắt bộ vô tuyến đều yêu cầu cả

về phần cứng và phần mềm Có một số chế độ hoạt động hữu ích khác cho nútcảm biến không dây tùy thuộc vào số lượng các trạng thái của bộ vi xử lý, bộnhớ, bộ chuyển đổi A/D, và bộ thu phát Mỗi chế độ này được đặc trưng bởi nănglượng tiêu thụ, thời gian trễ để chuyển đổi giữa các chế độ năng lượng đó.

b. Điều khiển lỗi (Error Control)

Một chức năng quan trọng của lớp liên kết dữ liệu là điều khiển lỗi Hai chế

độ quan trọng của phương thức điều khiển lỗi trong các mạng truyền thông là sửalỗi trước , yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request - ARQ), và ARQlai Lợi ích của ARQ trong các ứng dụng mạng cảm biến bị hạn chế do việc thêmchi phí truyền lại Mặt khác, việc giải mã phức tạp hơn ở FEC, cũng như các khả

năng sửa lỗi cần phải được xây dựng Do đó, các mã điều khiển lỗi đơn giản vớiviệc mã hóa và giải mã ít phức tạp có thể là các giải pháp hiện tại tốt nhất cho cácmạng cảm biến Để thiết kế một cơ chế như vậy thì điều quan trọng là phải hiểu

rõ về các đặc tính kênh truyền và các kỹ thuật thực hiện

1.3.3 Lớp mạng

Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm biến, cóthể ở gần hoặc ngay trong hiện trường như được chỉ ra trong hình 1.1 Thông tinthu thập được liên quan đến hiện trường được truyền đến Sink có thể được đặt xa

so với trường cảm biến Tuy nhiên, phạm vi truyền thông của các nút cảm biến bịhạn chế đã ngăn cản việc truyền thông trực tiếp giữa mỗi nút cảm biến với Sink.Điều này đòi hỏi các giao thức định tuyến không dây đa chặng giữa các nút cảmbiến và Sink bằng việc sử dụng các nút cảm biến trung gian để chuyển tiếp Các

kỹ thuật định tuyến hiện có đã được phát triển cho các mạng Ad-hoc không dâythường không phù hợp với các yêu cầu của mạng cảm biến Lớp mạng của cácmạng cảm biến thường được thiết kế theo quy tắc sau đây:

• Các mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

• Ngoài việc định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp các dữ liệu từcác nút lân cận thông qua việc xử lý cục bộ

các nút không có nhận dạng duy nhất và chúng có thể cần phải được đánhđịa chỉ dựa trên dữ liệu và vị trí của chúng

Một vấn đề quan trọng đối với việc định tuyến trong các mạng cảm biếnkhông dây là việc định tuyến có thể dựa trên các truy vấn tập trung dữ liệu Dựatrên các thông tin được yêu cầu bởi người dùng, thì các giao thức định tuyến sẽxác định các nút khác nhau mà chúng cung cấp thông tin yêu cầu Cụ thể hơn,người dùng quan tâm nhiều hơn đến truy vấn một thuộc tính của hiện trường chứkhông phải là truy vấn một nút riêng lẻ Ví dụ “các khu vực có nhiệt độ trên

21oC” là một truy vấn phổ biến hơn so với “nhiệt độ đọc bởi nút số #47”

Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp kết nối liên mạngvới các mạng bên ngoài chẳng hạn như các các mạng cảm biến khác, các hệthống chỉ huy, điều khiển và mạng Internet Các nút Sink có thể được sử dụngnhư một Gateway kết nối với các mạng khác, trong khi ở một trường hợp khácchúng tạo ra một đường trục kết nối các nút Sink với nhau và kết nối đường trụcvới các mạng khác thông qua một Gateway.

1.3.4 Lớp giao vận

Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi mạng được truy cập qua Internet hoặc cácmạng khác bên ngoài Giao thức TCP với các cơ chế cửa sổ truyền dẫn, nó khônggiải quyết được những thách thức riêng được đặt ra bởi môi trường mạng cảmbiến không dây Không giống như giao thức TCP, các cơ chế truyền thông điểmcuối đến điểm cuối trong các mạng cảm biến không dựa trên việc đánh địa chỉtoàn cầu Những cơ chế này quan tâm đến việc đánh địa chỉ dựa trên dữ liệu hoặc

vị trí được dùng để xác định những điểm đến của các gói dữ liệu Các yếu tố nhưnăng lượng tiêu thụ, khả năng mở rộng, và các đặc điểm như định tuyến tập trung

dữ liệu đặt ra yêu cầu cần phải xử lý khác biệt ở lớp giao vận trong các mạngcảm biến Vì vậy, những yêu cầu này đòi hỏi cần thiết phải có các kiểu giao thứclớp giao vận mới

Sự phát triển của các giao thức lớp giao vận là một nhiệm vụ đầy thách thứcbởi vì các nút cảm biến bị ảnh hưởng bởi những hạn chế về phần cứng như lànăng lượng và bộ nhớ hạn chế Do đó, mỗi nút cảm biến không thể lưu trữ mộtlượng lớn dữ liệu như một máy chủ trên mạng Internet

Để thực hiện truyền thông trong mạng một mạng cảm biến không dây, thì cácgiao thức lớp giao vận yêu cầu hai chức năng chính đó là: Độ tin cậy và điềukhiển tắc nghẽn Do tài nguyên hạn chế và chi phí cao về năng lượng đã ảnhhưởng đến độ tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối đến điểm cuối được

sử dụng trong các mạng cảm biến không dây Do vậy cần thiết phải có các cơ chếđáng tin cậy Hơn nữa, tắc nghẽn có thể xuất hiện bởi lưu lượng dữ liệu cao trongsuốt các sự kiện xảy ra trong trường cảm biến Tắc nghẽn cần được giảm thiểubởi các giao thức lớp giao vận

1.3.5 Lớp ứng dụng

Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng chính cũng như một số chức năng quản

lý Ngoài các mã ứng dụng cụ thể cho mỗi ứng dụng thì các chức năng quản lý

và xử lý truy vấn cũng nằm ở lớp này

Ngăn xếp kiến trúc phân lớp bước đầu đã được thông qua trong sự phát triểncủa các mạng cảm biến không dây do sự thành công của nó với Internet Tuynhiên, những triển khai quy mô lớn trong các ứng dụng mạng cảm biến khôngdây cho thấy rằng kênh vô tuyến có tác động nhiều đến các giao thức lớp caohơn Hơn nữa, với tài nguyên hạn chế và tính chất ứng dụng cụ thể của mô hìnhmạng cảm biến không dây dẫn đến các giải pháp xuyên lớp nhằm kết hợp chặtchẽ ngăn xếp giao thức phân lớp

Ngoài các chức năng truyền thông trong ngăn xếp phân lớp, thì các mạng cảmbiến không dây cũng được trang bị các chức năng hỗ trợ hoạt động cho các giảipháp được đề xuất Trong một mạng cảm biến không dây, mỗi thiết bị cảm biếnđược trang bị một đồng hồ cục bộ Mỗi sự kiện có liên quan đến sự hoạt độngcủa thiết bị cảm biến bao gồm cảm nhận, xử lý và truyền thông được kết hợp vớithông tin định thời được điều khiển thông qua các đồng hồ cục bộ Vì ngườidùng quan tâm đến thông tin phối hợp từ nhiều cảm biến, nên thông tin định thời

có liên quan đến dữ liệu ở mỗi thiết bị cảm biến cần phải được thống nhất Hơnnữa, mạng cảm biến không dây có thể sắp xếp thứ tự chính xác các sự kiện đượccảm nhận bởi các cảm biến phân tán để mô hình hóa chính xác môi trường vật lý.Những yêu cầu đồng bộ này đã dẫn đến sự phát triển các giao thức đồng bộ thờigian trong các mạng cảm biến không dây

Sự tương tác chặt chẽ với các hiện tượng vật lý đòi hỏi phải có các thông tin

vị trí có liên quan Các mạng cảm biến không dây kết hợp chặt chẽ với các cáchiện tượng vật lý ở môi trường xung quanh Thông tin thu thập được cần phảiđược kết hợp với vị trí của các nút cảm biến để cung cấp cái nhìn chính xác vềtrường cảm biến được quan sát Hơn nữa, các mạng cảm biến không dây có thểđược sử dụng để theo dõi các đối tượng nhất định cho các ứng dụng giám sát,cũng đòi hỏi thông tin vị trí được đưa vào các thuật toán theo dõi Hơn nữa, các

dịch vụ dựa trên vị trí và các giao thức truyền thông cũng yêu cầu thông tin vị trí.

Do đó, các giao thức định vị đã được đưa vào ngăn xếp truyền thông

Cuối cùng, một số giải pháp quản lý cấu trúc liên kết cũng cần phải có để duytrì kết nối và vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây Các thuật toán quản

lý cấu trúc liên kết cung cấp các phương thức hiệu quả cho việc triển khai mạng

để kéo dài thời gian tồn tại của mạng và phủ sóng thông tin hiệu quả Hơn nữa,các giao thức điều khiển cấu trúc liên kết giúp xác định các mức công suất truyềncũng như thời gian hoạt động của các nút cảm biến để tối thiểu năng lượng tiêuthụ trong khi vẫn đảm bảo kết nối mạng Cuối cùng, các giao thức phân nhómđược sử dụng để tổ chức mạng thành các cụm để cải thiện khả năng mở rộng vàcải thiện thời gian tồn tại của mạng

Bản chất phụ thuộc vào ứng dụng của các mạng cảm biến không dây đã xácđịnh một số thuộc tính duy nhất so với các giải pháp mạng truyền thống Mặc dùnhững nghiên cứu và triển khai ban đầu của các mạng cảm biến không dây tậptrung vào việc truyền dữ liệu trong các thiết lập không dây nhưng một vài lĩnhvực ứng dụng mới của mạng cảm biến không dây cũng đã xuất hiện Chúng baogồm các mạng tác động và cảm biến không dây, trong đó bao gồm các thiết bịtruyền động được thêm vào nút cảm biến để chuyển đổi thông tin cảm nhận đượcthành các hành động để tác động đến môi trường, và các mạng cảm biến đaphương tiện không dây hỗ trợ lưu lượng đa phương tiện bao gồm các thông tin

âm thanh và hình ảnh Hơn nữa, hiện trường mạng cảm biến không dây gần đây

đã được áp dụng vào trong các môi trường hạn chế như thiết lập mạng dướinước, trong lòng đất và tạo ra các mạng cảm biến không dây dưới nước và tronglòng đất Những lĩnh vực nghiên cứu mới này đặt ra những thách thức bổ sung

mà chưa được quan tâm xem xét bởi một số giải pháp đã được phát triển cho cácmạng cảm biến không dây truyền thống

Sự linh hoạt, khả năng chịu lỗi, cảm nhận độ trung thực cao, chi phí thấp, vàmột số đặc điểm triển khai nhanh chóng của của các mạng cảm biến không dâytạo ra nhiều lĩnh vực ứng dụng mới mẻ cho việc cảm nhận từ xa Trong tương lai,một loạt các lĩnh vực ứng dụng này sẽ làm cho các mạng cảm biến trở thành một

phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta Tuy nhiên, việc thực hiện cácmạng cảm biến này cần phải đáp ứng được các các yếu tố như khả năng chống lỗi,khả năng mở rộng, chi phí, phần cứng, sự thay đổi cấu trúc liên kết mạng, môitrường và năng lượng tiêu thụ Bởi vì những ràng buộc này rất nghiêm ngặt và đặcthù cho các mạng cảm biến, các kỹ thuật mạng Ad-hoc không dây mới là rất cầnthiết Nhiều nhà nghiên cứu hiện đang tham gia vào việc phát triển các công nghệcần thiết cho các lớp khác nhau của ngăn xếp giao thức mạng cảm biến.

1.4 Các cơ chế truyền thông trong mạng cảm biến không dây

1.4.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể được chiathành ba loại: Điểm – Điểm, Điểm – Đa điểm và Đa điểm – Điểm Mỗi mô hìnhtruyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau Nhiều ứng dụng sửdụng kết hợp các mô hình truyền thông này

Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây dựa trên ứngdụng của chúng Mạng cảm biến không dây được sử dụng để đo các số liệu cơthể của các bệnh nhân khác biệt nhiều so với một mạng cảm biến không dâytrong công nghiệp được sử dụng để giám sát độ rung của các Robot công nghiệp.Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu các mô hình truyền thông này

Mô hình truyền thông Điểm – Điểm diễn ra khi một nút mạng cảm biếnkhông dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác Tuy nhiên,việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác Tronghình 1.3, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau, nhưng có hai nútmạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì chúng chuyểntiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền thông

Hình 1 3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.

Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm được minh họa như ở hình 1.4 Môhình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể làtất cả các nút khác trong mạng Mô hình truyền thông này có thể được sử dụng

để gửi một lệnh thiết lập các nút trong mạng

Hình 1 4: Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm trong mạng cảm biến không

dây

Có nhiều hình thức truyền thông trong mô hình Điểm – Đa điểm Tùy thuộcvào 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 cácbản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành công được gói tin Nếu độtin cậy không yêu cầu quá khắt khe, thì giao thức truyền thông có thể không cầnphải truyền lại bất kỳ bản tin nào: Giao thức truyền thông hy vọng rằng kênhtruyền 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 bản tin được gửi đi Khi một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá đượcphát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin này tới tất cả các nútkhác xung quanh nó Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi mộtkhoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại các bản tin Hiệu quả của cơ chếnày là bản tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu

vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến

Mặc dù một mạng lan tràn có thể làm việc tốt trong một số trường hợp, nhưng

nó không phải là cơ chế đáng tin cậy Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc xung độtcần 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

chúng Trickle là một cơ chế truyền thông Điểm – Đa điểm đáng tin cậy được

thiết kế cho các mạng vô tuyến công suất thấp Nó sử dụng việc truyền lại định

kỳ để đảm bảo các bản tin bị mất được phát lại Để tránh việc quá tải do có quá

bản tin được gửi Bằng việc gán cho mỗi bản tin một số thứ tự, giao thức biết cácnút nào đã nhận được bản tin Nếu một nút đang lắng nghe một số thứ tự cũ, thìnút bất kỳ xung quanh nó có thể phát lại bản tin cuối với số thứ tự cũ đó và đảmbảo bản tin này đến được tất cả các nút

Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm cũng được sử dụng trong giao thứcđịnh tuyến để thiết lập một tuyến đường truyền thông Điểm – Điểm

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

liệu từ các nút trong 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 làSink Hình 1.5 minh họa mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm

Hình 1 5: Mô hình truyền thông Đa điểm – Điểm trong mạng cảm biến không

dây

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

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

Để thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm, thì các nút xây dựng một cấu trúccây với gốc của nó ở nút Sink Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp lạicác bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bước nhảy bằngkhông tính từ nút Sink Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại cácbản tin xác định chúng có bước nhảy là một từ nút Sink Lần lượt, các nút hàngxóm của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bước nhảy là hai từ nút Sink Vớiphương thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết có bao nhiêubước nhảy chúng phải trải qua từ nút Sink và biết được các nút lân cận gần hơn.Khi gửi một gói tin, một nút chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần hơn tới Sink Mặc dù phương thức xây dựng tuyến đường định tuyến dựa trên việc đếm sốbước nhảy là đơn giản, nhưng nó cũng có một số vấn đề Một nút với số bướcnhảy rất ngắn đến Sink có thể nằm ở vị trí phủ sóng rất kém, trong khi một nútvới 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 tới nút có vùng phủ sóng tốt với nhiều bướcnhảy tới Sink, bởi vì gói tin có cơ hội nhận được cao hơn mà không phải truyềnlại gói tin.

Nhằm tính toán chất lượng kênh truyền để bổ sung cho việc đếm số bước nhảy,thì có một vài thước đo chi phí cho định tuyến Đa điểm - Điểm đã khảo sát mộtvài thước đo và nhận thấy rằng thước đo dựa trên số lần truyền kỳ vọng là sự lựa

chọn tốt nhất Theo thước đo này, ETX (Expected Transmissions) tính toán ước

lượng số lần truyền và số lần truyền lại cần thiết để truyền gói tin tới Sink cho mộttuyến đường Khi gửi một gói tin, nút sẽ lựa chọn tuyến với số ETX nhỏ nhất

Hình 1 6: ETX trong mạng có 5 nút

Ý tưởng của ETX được minh họa ở ví dụ sau Hình 1.6 minh họa một mạng

với 5 nút Nút A muốn gửi bản tin đến nút E

Con đường A-B-E là hai bước nhảy, và con đường A-C-D-E là ba bước nhảy.Nếu nút A sử dụng số bước nhảy là căn cứ như là thước đo cho việc định tuyếnthì con đường A-B-E sẽ được lựa chọn Một thước đo dựa trên ETX sẽ tính toánETX của mỗi tuyến đường Số lần truyền kỳ vọng phụ thuộc vào chất lượngđường truyền giữa hai nút lân cận và có thể được ước lượng bởi việc gửi các góitin thăm dò giữa các nút lân cận và đếm số lần truyền gói tin Ở ví dụ trên, ETXcho mỗi cặp nút lân cận trên các tuyến đường hoàn toàn đã được đánh giá Giaothức định tuyến tính toán tổng số ETX cho các tuyến đường tới đích Trongtrường hợp này, tuyến A-B-E có ETX là 5,3; điều đó có nghĩa là trung bình mộtgói được gửi trên tuyến đường này yêu cầu 5,3 lần truyền để nó đến được đích.Mặt khác, tuyến A-C-D-E có ETX là 4,3 ít hơn tuyến A-B-E Do vậy, giao thức

định tuyến lựa chọn tuyến A-C-D-E có ETX nhỏ hơn, ngay cả khi có số bướcnhảy nhiều hơn.

1.4.2 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 côngsuất thấp, tốc độ dữ liệu thấp Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho mạng cánhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE) IEEE802.15.4 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 phépcác bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho IEEE 802.15.4phổ biến với mạng cảm biến không dây Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuânthủ theo chuẩn IEEE 802.15.4

Bởi sự hiện diện khắp nơi của IEEE 802.15.4 và sự sẵn có của các bộ thu phát

vô tuyến tương thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiều ngăn xếp vô tuyếncông suất thấp đã được xây dựng trên IEEE 802.15.4 như là: WirelessHART,ISA100a, IPv6, và ZigBee.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

• Lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin đến từ

các lớp vật lý sẽ được giải quyết như thế nào.Mặc dù chuẩn IEEE802.15.4 đã chỉ rõ một vài cơ chế ở lớp vật lý và lớp MAC nhưng khôngphải tất cả mọi chỉ dẫn đều được sử dụng rộng rãi Ví dụ như, chuẩnWirelessHART sử dụng các chỉ dẫn lớp vật lý và định dạng tiêu đề gói tin

ở lớp MAC, nhưng không phải tất cả hành vi lớp MAC được dùng

Kích thước tối đa gói tin trong 802.15.4 là 127 byte Các gói tin có kíchthước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các thiết bị với tốc

độ dữ liệu thấp Bởi vì lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các gói tin, nênlượng dữ liệu dành sẵn cho giao thức lớp trên hoặc lớp ứng dụng vào khoảng

từ 86 đến 116 byte Do vậy, các giao thức ở lớp trên thường thêm vào các cơ

chế phân mảnh các phần dữ liệu lớn hơn thành nhiều khung theo chuẩn802.15.4

.Các mạng IEEE 802.15.4 được chia thành các mạng PAN như hình 1.7 Mỗimạng PAN có một điều phối viên PAN và một tập các thành viên mạng PAN.Các gói tin được truyền qua mạng PAN mang 16 bit nhận dạng cho mạngPAN để xác định mạng PAN nào mà gói được được đến Một thiết bị có thểtham gia vào một mạng PAN như là một điều phối viên PAN và cũng đồngthời tham gia là thành viên mạng PAN trong một mạng PAN khác

Hình 1 7: Một mạng IEEE 802.15.4

với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và các nút RFDs hiển thị như các

chấm trắng Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai mạng PAN, thể hiện bởinhững vòng tròn đen Mạng PAN bên phải bao gồm hai FFDs, nhưng chỉ một là

điều phối viên PAN

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 Các FFDs có nhiều khả năng hơnRFDs, và có thể đóng vai trò như một điều phối viên PAN RFDs là các thiết bịđơn 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

Các FFDs có thể truyền thông được với cả RFDs và FFDs.Mặc dù chuẩn802.15.4 định nghĩa ba loại cấu trúc mạng được hỗ trợ là hình sao, mạng mắtlưới, và hình cây, nhưng hầu hết các giao thức hoạt động ở lớp trên không sửdụng các cấu hình mạng của 802.15.4 Thay vào đó, chúng xây dựng những cấu

trúc liên kết mạng của riêng mình ở phía trên lớp MAC 802.15.4 Vì lý do đó,chúng ta không đi vào chi tiết các cấu trúc liên kết mạng được định nghĩa bởi802.15.4.

Mỗi nút trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 có một địa chỉ 64-bit nhậndạng thiết bị duy nhất Do kích thước gói tin bị giới hạn bởi 802.15.4, nên độ dàicủa 64-bit địa chỉ là không khả thi Do đó, 802.15.4 cho phép các nút sử dụng địachỉ với độ dài 16-bit Các địa chỉ ngắn được gán bởi điều phối viên PAN và chỉ

có giá trị trong khuôn khổ của một PAN Các nút có thể lựa chọn để gửi gói tinbằng cách sử dụng cả hai định dạng địa chỉ

Địa chỉ được viết dưới dạng hệ thập lục phân (Hexa) phân cách nhau bằngdấu hai chấm Một ví dụ về độ dài một địa chỉ 802.15.4 là 00:12:75:00:11:6 e:cd:

fb Hình 1.8 là một ví dụ về hai địa chỉ 802.15.4, một dài và một ngắn

Hình 1 8: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4: địa chỉ dài (64-bit) và địa

chỉ ngắn (16-bit)

Các địa chỉ dài là duy nhất trên thế giới và mỗi thiết bị 802.15.4 được gánmột địa chỉ khi được sản xuất Mỗi nhà sản xuất yêu cầu 24-bit nhận dạng duynhất OUI của nhà sản xuất (Organizational Unique Identifier) lấy từ tổ chứcIEEE Để có địa chỉ duy nhất này, yêu cầu tổ chức trả một khoản phí 1.650$ choIEEE Các OUI được sử dụng như là 24-bit địa chỉ đầu tiên của của thiết bị Cònlại 40-bit được gán bởi nhà sản xuất và phải là duy nhất cho mỗi thiết bị.Các địachỉ ngắn được gán bởi các điều phối viên PAN Một địa chỉ ngắn chỉ có hiệu lựctrong phạm vi mạng PAN đó Tuy nhiên, một thiết bị với một địa chỉ ngắn có thể

16-bit định danh mạng PAN của nó và mạng PAN của thiết bị đích trong mỗi bản

tin gửi đi Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 không chỉ định bất kỳ thuật toán cụ thể nào

sẽ được cho việc sử dụng bởi một điều phối viên PAN khi gán các địa chỉ ngắntrong phạm vi mạng PAN

Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóa của tínhiệu Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phépmiễn phí Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên tần số được cấpphép ở các nước trên thế giới cũng khác nhau Tại Hoa Kỳ, chuẩn IEEE 802.15.4

sử dụng băng tần 902-928MHz Tại châu Âu, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băngtần 868-868.8MHz Các nước còn lại thế giới, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụngbăng tần 2400-2483.5MHz.Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh khác nhauhoạt động Trong mỗi băng tần có quy định một số kênh như được chỉ ra tronghình 1.9 Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng tần868MHz Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902-982MHz Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz Các kênh từ 11-26 được quyđịnh trên băng tần 2,4 GHz Khoảng cách giữa các kênh là 5MHz

Hình 1 9: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý

Chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần

số kênh Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đócác kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK) Trên tất cả cáckênh, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp(DSSS).Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến

Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là

40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s Các kênh vô tuyếnIEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng vớichuẩn IEEE 802.11 (WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11 Bởi vìchuẩn IEEE 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nên lưu lượng theo chuẩn802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4 Hình 1.10 cho thấy sự chồnglấn giữa chuẩn 802.15.4 và chuẩn 802.11 Tất cả kênh theo chuẩn 802.15.4 ngoạitrừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh theo chuẩn 802.11 Khi các kênh 1,

6 và 11 của chuẩn 802.11 được sử dụng, thì có 2 kênh của chuẩn 802.15.4 (làkênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng của chuẩn 802.11

Hình 1 10: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11.Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và

11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởngbởi 802.11.Lớp vật lý cũng cung cấp các cơ chế để đo công suất vô tuyến củamột kênh cho trước Kết quả của phép đo này được sử dụng để lớp MAC biếtmột nút nào đó có thể đang truyền dữ liệu trên một kênh cụ thể và để điều phốiviên MAC quét các kênh có sẵn trong mạng Cơ chế phát hiện công suất vô tuyếncũng được sử dụng để hỗ trợ cơ chế đánh giá kênh trống Ở đó, lớp vật lý có thểđánh giá để biết được một nút nào đó hiện đang truyền dẫn qua kênh vô tuyến.Điều này được thực hiện bằng một trong ba cách sau: Thứ nhất là đo công suất

vô tuyến và so sánh nó với một mức công suất ngưỡng được xác định trước Thứhai là thực hiện giải điều chế tín hiệu vô tuyến đến để xem nó có phải là một tínhiệu theo chuẩn 802.15.4 hợp lệ Thứ ba là sự kết hợp của phương pháp phát hiệncông suất vô tuyến và phương pháp điều chế tín hiệu Cơ chế CCA được sử dụngbởi lớp MAC để kiểm soát sự truy cập kênh truyền vô tuyến

c. Lớp điều khiển truy cập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4

Mục đích của lớp MAC là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vôtuyến Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nútnhận trong một khu vực lân cận với nhau nên lớp MAC cung cấp cơ chế để cácnút xác định khi nào kênh nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.Lớp802.15.4 MAC cung cấp cơ chế quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ cáckhung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấpcác cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truycập kênh truyền nơi mà điều phối viên PAN chỉ định các khe thời gian cho thiết

bị trong mạng PAN và thực hiện việc lập lịch trình thông qua sự truyền tải cácbản tin báo hiệu Đây là chế độ báo hiệu, tuy nhiên, không được sử dụng rộng rãibởi các giao thức chạy trên chuẩn 802.15.4 Việc quản lý truy cập kênh truyềnthực hiện theo cơ chế CCA và được hỗ trợ bởi lớp vật lý Trước khi gửi một góitin, lớp MAC đề nghị lớp vật lý thực hiện một kiểm tra CCA Nếu CCA nhậnthấy rằng một nút khác hiện đang sử dụng kênh truyền thì lớp MAC sẽ khôngthực hiện việc truyền gói tin của nó

Thay vào đó, lớp MAC sẽ đợi một thời gian nhất định và thử gửi lại gói tinmột lần nữa.Lớp MAC thực hiện xác nhận sự hợp lệ các khung đến bằng việctính toán kiểm tra dư vòng 16-bit (CRC) của toàn bộ khung CRC được sử dụng

để kiểm tra các lỗi truyền trong khung và được tính toán bởi nút gửi khung đi Nóđược thêm vào các gói tin được truyền đi Nếu CRC được tính toán bởi nút nhậnkhông khớp CRC ở cuối khung, thì nút nhận sẽ loại bỏ khung.Lớp MAC cungcấp một cơ chế để tự động xác nhận các khung nhận được Nếu một khung đến

có thiết lập bit xác nhận thì lớp MAC sẽ gửi đi một khung xác nhận Khung xácnhận chỉ được gửi đi khi địa chỉ đích của khung đến là giống như là địa chỉ củathiết bị, và nếu CRC của khung đến là hợp lệ Khung xác nhận không được địnhđịa chỉ rõ ràng đến nút gửi khung dữ liệu, mà được quảng bá đến tất cả các cácnút Chính điều này dẫn đến việc nhiều giao thức lớp trên chạy trên chuẩn802.15.4 thực hiện các cơ chế xác nhận của riêng chúng

Các giao thức truyền thông xác định một định dạng gói tin chung sao cho tất

cả các nút biết cách để xây dựng và phân tích các gói tin từ những nút khác Địnhdạng gói tin bao gồm ba phần: Một phần tiêu đề, một phần dữ liệu và phần kếtthúc khung Phần tiêu đề bao gồm dữ liệu điều khiển như các địa chỉ, các số thứ

tự và các cờ Phần dữ liệu là dữ liệu của lớp phía trên Do đó, cấu trúc của phần

dữ liệu thông thường không xác định, nhưng được chuyển đến các giao thức lớptrên để xác định rõ Phần kết thúc khung nếu được định rõ, thường chứa phầnkiểm tra tổng hoặc các chữ ký mật mã Dữ liệu này có thể thường được tính toántrong khi gói tin được truyền đi Phần kết thúc này sẽ được gửi đi sau khi phầncòn lại của gói tin đã được gửi.Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một định dạnggói tin chung cho tất cả các gói tin được truyền đi Định dạng gói bao gồm cảmột phần lớp vật lý và một phần lớp MAC Lớp vật lý bổ sung phần tiêu đề đồng

bộ hóa và lớp MAC bổ sung một phần tiêu đề và phần kết thúc khung Định dạngphần tiêu đề được minh họa trong hình 1.11 Phần tiêu đề được thêm vào bởi lớpvật lý bao gồm một phần mở đầu (Preamble), một bắt đầu giới hạn khung SFD(Start of Frame Delimiter) và một trường độ dài Phần mở đầu được sử dụng đểđồng bộ hóa nút gửi và nút nhận để nút nhận có thể nhận chính xác gói tin sau

đó SFD chỉ ra cho nút nhận thấy dấu hiệu kết thúc phần mở đầu và bắt đầukhung Trường độ dài 1 byte báo cho nút nhận biết có bao nhiêu byte ở phía sau.Chiều dài tối đa của gói tin là 127 byte

Hình 1 11: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC.Phần tiêu đề lớp MAC gán trực tiếp ngay sau phần tiêu đề lớp vật lý Phầntiêu đề lớp MAC có hai byte điều khiển, được gọi là điều khiển khung, nó chứacác cờ để báo cho nút nhận biết cách để hiểu được phần còn lại của tiêu đề cũngnhư các cờ để cho biết các khung có cần phải được xác nhận hay không Sau các

byte điều khiển khung là một byte số thứ tự Số thứ tự được sử dụng để kết hợpvới các gói tin xác nhận Gói tin xác nhận mang cùng số thứ tự với gói tin dữliệu.Sau các byte số thứ tự và điều khiển khung là các trường địa chỉ

Chúng chứa địa chỉ của nút gửi gói tin và nút nhận gói tin cũng như các nhậndạng mạng PAN gửi và nhận Tất cả các trường địa chỉ này là tùy chọn Sự cómặt của chúng được chỉ ra bởi các cờ trong trường điều khiển khung Các trườngđịa chỉ được sử dụng bởi phía thu để xác định xem một gói tin nhận được có phảidành cho nó hay không Theo sau các trường địa chỉ là trường bảo mật tùy chọnchứa dữ liệu cho quá trình xử lý bảo mật, chẳng hạn như trường kiểm tra tínhtoàn vẹn bản tin bằng mật mã MIC (Message Integrity Check) Dữ liệu theo sauphần mào đầu lớp MAC và có thể dài từ 86 đến 116 byte Độ dài của phần dữliệu phụ thuộc vào các trường tùy chọn trong lớp MAC được sử dụng Cấu trúcphần dữ liệu trong khung 802.15.4 không được xác định bởi chuẩn IEEE802.15.4, nhưng được xác định bởi các giao thức hoặc các ứng dụng chạy trênchuẩn 802.15.4.Ở cuối của gói 802.15.4 là chuỗi kiểm tra khung (FCS – FrameCheck Sequence), nó chứa CRC mà lớp MAC sử dụng để kiểm tra nếu như cácgói tin đến cần được loại bỏ khi có các bit lỗi