Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LỜI CÁM ƠN

Để luận văn này đạt kết quả tốt đẹp, tôi đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ của nhiều

cơ quan, tổ chức, cá nhân Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép tôi được bày tỏ

lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả các cá nhân và cơ quan đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá

trình học tập và nghiên cứu đề tài

Trước hết tôi xin gởi tới các thầy cô khoa Công nghệ Thông tin - Học viện Công

nghệ Bưu chính Viễn thông lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn sâu sắc

Với sự quan tâm, dạy dỗ, chỉ bảo tận tình chu đáo của thầy cô, đến nay tôi đã có thể hoàn

thành luận văn, đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập

dữ liệu từ xa”

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo– TS Vũ Văn Thỏa đã

quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này trong thời gian qua

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn

thông, Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau Đại học, các Phòng ban chức năng đã trực tiếp và

gián tiếp giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài luận văn

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một học viên, luận

văn này không thể tránh được những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng

góp ý kiến của các thầy cô để tôi có điều kiện bổ sung, hoàn thiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 1 năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những vấn

đề được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất

cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật cho lời cảm đoan của mình

Hà Nội, ngày 20 tháng 1 năm 2017

Học viên

Dư Minh Sáng

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC BẢNG xi

MỞ ĐẦU xii

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1

1.1 Mạng cảm biến không dây và các vấn đề liên quan 1

1.1.1Nền tảng công nghệ của mạng không dây 1

1.1.2 Các thành phần chính trong mạng WSN 3

1.1.3 Công nghệ cảm biến 4

1.2 Mô hình giao thức của mạng WSN 5

1.2.1 Các lớp chức năng 5

1.2.2 Các thành phần quản lý 6

1.3 Các ứng dụng của mạng WSN 6

1.3.1 Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng 6

1.3.2 Ứng dụng trong giám sát môi trường 7

1.3.3 Ứng dụng trong y tế 8

1.3.4 Ứng dụng trong gia đình 9

1.3.5 Ứng dụng trong ngành công nghiệp 9

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế mạng WSN 10

1.4.1 Hạn chế về phần cứng 10

1.4.2 Khả năng chống chịu lỗi 11

1.4.3 Khả năng mở rộng 11

1.4.4 Chi phí sản xuất 11

1.4.5 Kiến trúc mạng WSN 12

1.4.6 Môi trường truyền dữ liệu 12

1.4.7 Công suất tiêu thụ năng lượng 12

1.5 Kết luận chương 1 12

CHƯƠNG 2 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13

2.1 Giới thiệu chung 13

2.1.1 Những khó khăn và các vấn đề trong thiết kế giao thức định tuyến 13

2.1.2 Phân loại các giao thức định tuyến 14

2.2 Các giao thức kiến trúc phẳng và tập trung dữ liệu 16

2.2.1 Giao thức Flooding 16

2.2.2 Giao thức Gossiping 18

2.2.3 Giao thức SPIN 18

2.2.4 Directed Difusion (Khuếch tán trực tiếp) 21

2.2.5 Đánh giá chất lượng các giao thức phẳng và tập trung dữ liệu 24

2.3 Các giao thức phân bậc 24

2.3.1 Giao thức LEACH 25

2.3.2 Static-cluster (Phân nhóm tĩnh) 27

2.3.3 Giao thức PEGASIS 28

2.3.4 Giao thức TEEN và APTEEN 30

2.3.5 Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến phân bậc 32

2.4 Các giao thức định tuyến theo địa lý 32

2.4.1 Giao thức MECN và Small MECN 33

2.4.2 Các giao thức chuyển tiếp theo địa lý (Geographical Forwarding) 34

2.4.3 Giao thức PRADA 36

2.4.4 Giao thức GAF 38

2.4.5 Giao thức GEAR 39

2.4.6 Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến theo địa lý 40

2.5 Các giao thức dựa trên chất lượng dịch vụ 40

2.5.1 Giao thức SAR 41

2.5.2 Giao thức MCPF 41

2.5.3 Giao thức SPEED 43

2.5.4 Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến theo chất lượngdịch vụ 45

2.6 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG III -ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG THU THẬP SỐ LIỆU MÔI TRƯỜNG NƯỚC SỬ DỤNG CHIP LORA SX1278 46

3.1 Đặt bài toán 46

3.2 Thiết kế hệ thống 47

3.3 Thiết kế phần cứng và phần mềm cho các Nodes Giám sát dữ liệu 48

3.4 Thiết kế phần cứng cho các Node Giám sát dữ liệu 49

3.4.1 Thiết kế của mô đun thu thập số liệu 49

3.4.2 Thiết kế module xử lý 50

3.4.3 Thiết kế mô đun nguồn 51

3.5 Module LORA 51

3.5.1 Độ nhạy thu 52

3.5.2 SNR và các yếu tố phổ rộng 52

3.5.3.BW và chip Rate 53

3.6 Nâng cao thông số thiết kế Lora 54

3.6.1 Sửa lỗi truyền 54

3.6.2 Thực hiện phần cứng 55

3.6.3 chế độ tối ưu hóa thấp Data Rate & chế độ ban đầu 56

3.6.4 Định dạng gói tin LORA và thời gian truyền 56

3.6.5.Tính toán Lora 57

3.6.6 Năng lượng tiêu thụ 58

3.6.7 Thiết kế mạch thu phát LORA 60

3.7 Đánh giá 61

3.8 Kết luận chương 3 61

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Tiếng Việt 63

Tiếng Anh 63

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi tương tự

sang số

APTEEN Adaptive Threshold-sensitive

Energy-Efficient sensor Network

Giới hạn điều chỉnh nhạy cảm Năng lượng-hiệu quả Mạng cảm

GFSLL Geographical Forwarding Schemes

for Lossy Link

phương án chuyển tiếp địa lý cho liên kết lossy

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị địa

cầu

GUI Graphical User Interface Giao diện người dùng

đồ họa H-PEGASIS Hierarchical - PEGASIS Cấu trúc PEGASIS

LEACH Low-Energy Adaptive Clustering

Hierarchy

Thích ứng hệ thống phân cấp phân nhóm năng lượng thấp

trung bình

MCPF Minimum Cost Path Forwarding Giá trị tối thiểu đường

phản hồi

MECN Minimum Energy Communication

Network

Mạng liên lạc năng lượng thấp MEMS MicroElectro-Mechanical Systems Vi điện hệ thống cơ khí

NEMS NanoElectro-Mechanical Systems Nano điện hệ thống cơ

PEGASIS Power-Efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Thu thập năng hiệu quả trong hệ thống thông tin cảm biến

vi kiến thức điều chỉnh

PTKF Partial Topology Knowledge

Forwarding

Cấu trúc liên kết từng

phần

Communication Network lượng thấp nhất

SPIN-PP SPIN for Point to Point Network SPIN cho mạng điểm

điểm SPIN-RL SPIN with Reliability SPIN với độ khả dụng

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia

theo thời gian

TEEN Threshold-sensitive

Energy-Efficient sensor Network

Ngưỡng nhạy hiệu quả mạng cảm biến

Cảm biến không dây Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không

dây XML EXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở

rộng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Cấu trúc mạng cảm biến 3

Hình 2 Sự tiến triển của công nghệ cảm biến theo thời gian 4

Hình 3 Mô hình giao thức của mạng WSN 5

Hình 4 Ứng dụng của mạng WSN trong an ninh, quốc phòng 6

Hình 5 Ứng dụng của mạng WSN theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã 7

Hình 6 Ứng dụng của mạng WSN trong cảnh báo cháy rừng 8

Hình 7 Ứng dụng của WSN trong theo dõi sức khỏe con người 8

Hình 8 Ứng dụng của mạng WSN trong gia đình 9

Hình 9 Ứng dụng của mạng WSN trong công nghiệp 10

Hình 10 Cấu tạo của nút cảm biến 10

Hình 11 Tổng quan về các giao thức định tuyến của mạng WSN 15

Hình 12 Flooding 16

Hình 13 Các vấn đề chính trong Flooding 17

Hình 14 Gossiping 18

Hình 15 Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN 19

Hình 16 Các hoạt động chính của SPIN-BC 20

Hình 17 Hoạt động của giao thức Khuếch tán trực tiếp 21

Hình 18 Từ chối củng cố đường đi trong khếch tán trực tiếp 23

Hình 19 Kiến trúc mạng phân bậc trong mạng WSN 24

Hình 20 Cấu trúc chuỗi của PEGASIS 28

Hình 21 Xây dựng chuỗi trong H-PEGASIS 29

Hình 22 Truyền dữ liệu dư thừa trong PEGASIS 30

Hình 23 C-PEGASIS (PEGASIS phân nhóm theo vòng tròn đồng tâm) 30

Hình 24 Kiến trúc phân cấp của TEEN và APTEEN 31

Hình 25 Hình thành đồ thị con trong MECN 33

Hình 26 Khái niệm vùng chuyển tiếp trong MECN 33

Hình 27 Vùng khả thi trong định tuyến theo địa lý 34

Hình 28 Các thuật toán chuyển tiếp theo địa lý 35

Hình 29 Ảnh hưởng của phạm vi kiến thức trong định tuyến địa 36

Hình 30 Ví dụ về mạng lưới ảo trong GAF 39

Hình 31 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR 40

Hình 32 Thủ tục thiết lập trường chi phí của MSPF 42

Hình 33 Hoạt động của SNGF 44

Hình 34 Mô hình hệ thống giám sát quan trắc môi trường nước 47

Hình 35 Hệ thống kiến trúc của một nút theo dõi dữ liệu 48

Hình 36 Mô đung thu thập số liệu 49

Hình 37 Mô đun xử lý 50

Hình 38 Mô đun nguồn 51

Hình 39 Băng thông SX1272 53

Hình 40 Tỷ lệ mã hóa 55

Hình 41 Sơ đồ thiết kế anten thu phát 55

Hình 42 Cấu trúc gói tin LORA 56

Hình 43 Tính toán thông số cho module LORA 57

Hình 44 Quá trình truyền tin 60

Hình 45 Sơ đồ thiết kế module LORA 60

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Phân loại cảm biến 4

Bảng 2 Tỷ lệ tối thiểu của công suất theo loại Module 52

Bảng 3 Độ nhạy và thời gian truyền theo số lượng chip LORA 53

Bảng 4 Độ nhạy và thời gian truyền 54

Bảng 5 Sự gia tăng mã hóa theo thời gian 55

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống thông tin di động được phát triển mạnh mẽ Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Networks) đã và đang thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, viện nghiên cứu, tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh và kinh tế khác nhau trên thế giới Trong các mô hình mạng đã tồn tại, mạng MANET và WSN có nhiều đặc điểm giống nhau Ví

dụ như kiến trúc mạng là không cố định, các nút trong mạng được kết nối với nút khác bằng các liên kết không dây và năng lượng là một vấn đề quan trọng Tuy nhiên các giao thức và kỹ thuật được phát triển cho mạng MANET không thể ứng dụng trực tiếp cho mạng cảm biến do hai mạng này còn nhiều khía cạnh khác nhau

Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây đã trở nên rất quan trọng trong đời sống hàng ngày Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trong quân đội, giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh hay điều khiển giao thông Với sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu… đã tạo ra những thiết bị cảm biến rất nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khả năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Hiện nay mạng cảm biến không dây đang được ứng dụng rất rộng rãi các quốc gia

có nền khoa học phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu Mạng cảm biến không dây là một công nghệ mới, đã được các nước có nền khoa học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng rãi và đã thu được nhiều thành tựu Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ này chỉ đang được nghiên cứu và triển khai trong những lĩnh vực và quy mô nhỏ, song với những ưu điểm và khả năng tương thích cao nên trong tương lai, công nghệ mạng cảm biến không dây sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống

Vì vậy, Với mục đích đưa những tiến bộ công nghệ vào phục vụ cho cuộc sống,

học viên chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa”

Mục đích của luận văn là nghiên cứu công nghệ LORA kết hợp với việc đưa ra các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu quả làm việc của chúng, so sánh chúng và đưa ra các khuyến nghị về sử dụng.Các mục tiêu cụ thể của luận văn bao gồm:

• Nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến không dây

• Trình bày tầm quan trọng của giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

và khảo sát một số giao thức định tuyến phổ biến đã được áp dụng

• Nghiên cứu và đánh giá công nghệ LORA

• Thiết lập kịch bản mô phỏng và mô phỏng

Để thực hiện được các mục tiêu trên, bố cục luận văn được tổ chức thành 3 chương chính:

• Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây: sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng WSN, nền tảng công nghệ của mạng WSN, các ứng dụng của mạng WSN và các yếu tố cần quan tâm khi thiết kế, xây dựng mạng WSN

• Chương 2: Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây: Giới thiệu về định tuyến trong mạng WSN, đồng thời nêu ra các khó khăn và các vấn đề trong định tuyến mạng WSN

• Chương 3:Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong thu thập số liệu môi trường nước sử dụng chip lora sx1278

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trong chương này luận văn sẽ trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây và các vấn đề liên quan:

Khái niệm mạng cảm biến không dây

Mô hình giao thức của mạng cảm biến không dây

Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.1 Mạng cảm biến không dây và các vấn đề liên quan

Các nội dung trình bày trong mục này được tham khảo từ các tài liệu [3], [4]

1.1.1Nền tảng công nghệ của mạng không dây [3, tr.2 – 4]

Mạng cảm biến là một lĩnh vực liên ngành, nó liên quan tới nhiều khía cạnh như: sóng vô tuyến và kết nối mạng, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo, quản lý cơ sở dữ liệu, tối

ưu hóa nguồn tài nguyên, các thuật toán quản lý năng lượng, nền tảng công nghệ phần cứng, phần mềm hay các hệ điều hành Các ứng dụng, các nguyên tắc kết nối mạng, và các giao thức cho các hệ thống này chỉ mới bắt đầu được phát triển Các cảm biến được kết nối với nhau thông qua một chuỗi các liên kết không dây (multi-hop) năng lượng thấp trong khoảng cách ngắn Chúng thường sử dụng Internet thay một số mạng khác để chuyển tiếp dữ liệu trên các tuyến đường dài tới điểm tập hợp và phân tích dữ liệu cuối cùng Nhìn chung, trong lĩnh vực cảm biến, mạng cảm biến không dây sử dụng các kỹ thuật truyền và kỹ thuật chia sẻ kênh truy cập ngẫu nhiên hướng kết nối đã được mô tả trong họ chuẩn IEEE 802 Trên thực tế, những kỹ thuật này đã bắt đầu được phát triển vào cuối những năm 1960, 1970 cho môi trường không dây với tập lớn những nút mạng phân tán bị hạn chế về khả năng quản lý kênh Bên cạnh đó, nhiều kỹ thuật quản lý kênh khác cũng đã ra đời và được sử dụng

Hiện tại, việc triển khai mạng WSN vẫn đang phải đối mặt với một loạt các thách thức lớn Tuy nhiên, công việc này đang dần được chuẩn hóa và nó sẽ trở nên đơn giản hơn khi các thách thức trên chỉ phải giải quyết một lần và sau đó kết quả của nó sẽ được thiết lập cố định trên các thành phần tương ứng Một trong những thách thức lớn đó là xây dựng phương thức truyền thông năng lượng thấp với khả năng xử lý ngay trên nút để giảm thiểu chi phí và khả năng tự thiết lập kết nối, tự cấu hình giao thức phù hợp Một thách thức quan trọng khác đó là làm sao có thể kéo dài được thời gian hoạt động của các nút cảm biến trong khi năng lượng của nó bị hạn chế hay bị phụ thuộc vào tuổi thọ của pin

Các mạng không dây nói chung thường được thiết kế cho phạm vi liên kết từ hàng chục, hàng trăm tới hàng nghìn dặm Tuy nhiên, giới hạn về năng lượng cùng với mong muốn giảm giá thành của nút mạng lại làm phát sinh thêm vấn đề trong mạng cảm biến không dây Việc xử lý các tín hiệu hợp tác giữa các nút mạng kề nhau có thể làm tăng tính

nhạy cảm và đặc hiệu khi dò tìm các sự kiện bất thường trong môi trường Hiện nay, các chipset CMOS đang mang lại sự tối ưu hóa cho mạng WSN và nó được coi là chìa khóa thành công trong lĩnh vực thương mại

Những năm đầu tiên, các nhà cung cấp linh kiện đã sử dụng các công nghệ độc quyền để tập hợp dữ liệu thu được từ các thiết bị Nhưng từ đầu năm 2000 đến nay,các nhà cung cấp thiết bị cảm biến đang tìm cách chuẩn hóa công nghệ này Các nhà thiết kế đã loại trừ việc áp dụng các chuẩn của Wi-Fi (IEEE 802.11b) và Bluetooth (IEEE 802.15.1) cho các cảm biến bởi nó quá phức tạp và đòi hỏi nhiều băng thông hơn thực tế cần thiết cho các bộ cảm biến thông thường Điều này đã mở ra cánh cửa cho một chuẩn mới đó là ZigBee (IEEE 802.15.4) ZigBee bao gồm các lớp phần mềm mới và hỗ trợ một loạt các ứng dụng ZigBee hoạt động ở dải tần 2,4GHz và hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 250kbps ở phạm vi 30 đến 200 ft (khoảng 9,144 métđến 60.96 mét) ZigBee được thiết kế

để bổ sung cho các công nghệ không dây đang tồn tại như Bluetooth, Wi-Fi và UWB với mục đích là áp dụng cho các ứng dụng cảm biến điểm-điểm mà ở đó không thể kết nối cáp, năng lượng cực thấp và chi phí bị hạn chế

Các nghiên cứu đã chỉ ra nhiều điểm tương đồng giữa mạng WSN và mạng MANET Ví dụ như kiến trúc mạng là không cố định, năng lượng là một vấn đề đáng quan tâm, các nút trong mạng được kết nối với nút khác bằng môi trường liên kết không dây hay cả hai đều liên quan đến truyền thông multi-hop Tuy nhiên các giao thức và kỹ thuật được phát triển cho mạng MANET không thể ứng dụng trực tiếp cho mạng cảm biến Bởi vì hai mạng này có nhiều khía cạnh khác nhau sau đây:

- Mạng cảm biến được sử dụng chủ yếu để thu thập thông tin trong khi đó mạng MANET được thiết kế để tính toán phân tán nhiều hơn là việc thu thập thông tin

- Thông thường, một mạng lưới cảm biến được triển khai bởi 1 chủ sở hữu, trong khi MANETs có thể được điều hành bởi 1 số đơn vị không liên quan

- Không giống như các nút trong mạng MANET, một nút trong mạng cảm biến không có định danh duy nhất

- Các nút trong mạng cảm biến thường rẻ hơn nhiều so với các nút trong mạng MANET và thường được triển khai lên tới hàng nghìn nút

- Nguồn năng lượng của các nút cảm biến có thể rất hạn chế, tuy nhiên các nút trong mạng MANET lại có thể được nạp bằng cách nào đó

- Thông thường, dữ liệu trong mạng cảm biến bị ràng buộc bởi luồng dữ liệu tải xuống các nút khác từ sink hoặc luồng dữ liệu tải lên sink từ các nút khác, trong khi

ở mạng MANET, luồng dữ liệu này là không tuân theo quy tắc

- Thông thường, các mạng cảm biến được triển khai 1 lần trong vòng đời của chúng, trong khi các nút trong mạng MANET thực sự có thể tái dùng lại

- Các nút mạng cảm biến bị giới hạn khả năng tính toán và khả năng giao tiếp hơn mạng MANET do chi phí tương ứng thấp

Dựa trên nền tảng công nghệ và các mạng đã tồn tại, mạng WSN được triển khai sẽ hỗ trợ

và bổ sung nhằm làm phong phú hơn cho lĩnh vực kết nối mạng Đồng thời mở ra nhiều hướng phát triển và ứng dụng mới

1.1.2 Các thành phần chính trong mạng WSN[4, tr.15 – 16]

Các nút cảm biến được phân bố phân tán trong trường cảm biến Mỗi nút cảm biến

có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để gửi dữ liệu tới sink Việc chọn đường để tới sink theo kiểu multi-hop như được minh họa trên Hình 1 Nút Sink có thể liên lạc với người dùng qua các mạng khác như Internet hay vệ tinh

Hình 1 Cấu trúc mạng cảm biến

Như vậy có thể thấy rằng, một mạng WSN bao gồm 4 thành phần chính:

- Tập các nút cảm biến, được trang bị cảm biến cho một hoặc một vài ứng dụng cụ thể

- Mạng kết nối, thường là mạng vô tuyến

- Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hay ngoài mạng (như một máy tính tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng cóthể là một gateway cho một mạng khác lớn hơn như Internet) Sink chính là nơi đưa ra các yêu cầu đối với các thông tin lấy từ các nút cảm biến trong mạng

- Tập các tài nguyên để xử lý dữ liệu nhằm đưa ra các cảnh báo, các định hướng hay các kết quả thống kê mà người dùng mong muốn

Ngoài ra, chúng ta có thể thấy rằng, mạng WSN gồm 2 thành phần đặc trưng khác

đó là người dùng và trường cảm biến Trong đó, người dùng có thể là một cơ quan an ninh, một tổ chức xã hội hay một cá nhân người dùng đơn lẻ sở hữu nó… Còn trường cảm biến có thể là thế giới vật lý, một hệ thống sinh học hay hóa học… mà ở đó chứa dữ liệu cần thu thập

1.1.3 Công nghệ cảm biến [2, tr.3][3, tr.75 – 91]

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã thể hiện sự quan tâm lớn tới mạng WSN và đã tập trung vào các vấn đề quan trọng trong việc phát triển mạng WSN như sử dụng hiệu quả, chi phí thấp, an toàn và khả năng chống chịu lỗi Cùng với đó, công nghệ chế tạo các nút cảm biến cũng không ngừng được cải thiện cả về chất liệu, kích thước của như tính năng

Hình 2 Sự tiến triển của công nghệ cảm biến theo thời gian

WeC là một trong những loại cảm biến đầu tiên, nó hoạt động ở tần số 916 MHz và tốc độ truyền dữ liệu 10kbps Theo thời gian, nhiều loại cảm biến ra đời, trong đó từ năm

2005 đến nay các cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện MEMS có kích thước chỉ bằng hạt bụi có đường kính từ 1-100nm nhưng lại có thể hoạt động ở tần số 2,4GHz và tốc độ truyền lên tới 250kbps.Hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến khác nhau,

và để dể sử dụng, người ta phân loại chúng theo kích cỡ của cảm biến như sau:

Bảng 1 Phân loại cảm biến

Kích cỡ của

cảm biến

Tính di động Năng lượng

Khả năng lưu trữ và tính toán logic

Chế độ cảm biến

Các giao thức, thiết

bị truyền thông

Lớn Di động Có thể tự

bổ sung Lớn

Đa phương thức, vật lý

Multi – Hop, cấu trúc lưới và định tuyến động

Nhỏ Cố định

Sử dụng pin, tuổi thọ

từ vài giờ đến vài ngày

Trung bình

Đa phương thức, hóa học, sinh học

Single – hop với định tuyến tĩnh

Kích cỡ

Micrô

Sử dụng pin, tuổi thọ

từ vài tuần đến vài tháng

Thấp

Chức năng duy nhất, vật lý

Kích thước

Nanô

Sử dụng pin, tuổi thọ lên đến vài năm

Chức năng duy nhất, hóa học và sinh học

Cách phân loại như Bảng 1.1 chỉ mang tính tổng quát Trên thực tế, chúng ta có thể kết hợp tổ hợp các tiêu chí trên để đa dạng hóa các loại cảm biến nhằm đáp ứng linh động với các điều kiện và ứng dụng cụ thể

1.2 Mô hình giao thức của mạng WSN

Các nút mạng và sink sử dụng mô hình giao thức như được mô tả trong Hình 3 dưới đây Mô hình này kết hợp năng lượng với định tuyến, kết hợp dữ liệu với các giao thức mạng, sử dụng năng lượng hiệu quả với môi trường vô tuyến và thúc đẩy sự hợp tác giữa các nút cảm biến

Hình 3 Mô hình giao thức của mạng WSN

Mô hình giao thức của mạng WSN được phân chia theo 2 hướng nhìn Hướng thứ nhất theo các lớp chức năng và hướng nhìn còn lại phân chia theo các thành phần quản lý

1.2.1 Các lớp chức năng

Theo các lớp chức năng, mô hình giao thức của mạng WSN được chia làm 5 lớp: lớp vật

lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải và lớp ứng dụng Trong đó mỗi lớp sẽ đảm nhiệm những chức năng cụ thể:

- Lớp vật lý: thực hiện chức năng cảm biến, cung cấp các kênh truyền thông, các kỹ thuật điều chế, truyền, phát và xử lý tín hiệu

- Lớp liên kết số liệu: đảm bảo khả năng truy cập và chia sẻ kênh truyền cho các nút cảm biến, giảm thiểu đụng độ dữ liệu và kiểm soát lỗi

- Lớp mạng: thực hiện kết nối mạng, quản lý sự tương thích của định tuyến với tô-pô mạng

- Lớp truyền tải: thực hiện giao tiếp khi mạng WSN cần kết nối với mạng khác như Internet, đảm bảo độ tin cậy và điều khiển tắc nghẽn trong quá trình truyền thông nội bộ trong mạng WSN

- Lớp ứng dụng: cung cấp các ứng dụng trên mạng, bao gồm xử lý ứng dụng, tập hợp

dữ liệu, xử lý các truy vấn với cơ sở dữ liệu bên ngoài

1.2.2 Các thành phần quản lý

Theo các thành phần quản lý, mô hình giao thức của mạng WSN được chia làm 3 phần: phần quản lý năng lượng, phần quản lý di chuyển và phần quản lý nhiệm vụ.Các thành phần này sẽ kết hợp với nhau nhằm đảm bảo cho các nút cảm biến có thể hỗ trợ hoạt động cho nhau, tiết kiệm năng lượng cũng như kéo dài thời gian sống của toàn mạng

- Phần quản lý năng lượng: điều khiển quá trình sử dụng năng lượng của nút cảm biến Ví dụ, khi nút cảm biến bị suy hao và mức năng lượng còn lại thấp, nó sẽ phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo rằng nó không thể tham gia quá trình định tuyến trung gian khác

- Phần quản lý di chuyển: phát hiện và ghi lại sự chuyển tiếp từ các nút cảm biến do

đó dễ dàng xác định được con đường quay trở lại Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa năng lượng của nó và nhiệm vụ thực hiện

- Phần quản lý nhiệm vụ: lập kế hoạch và cân bằng nhiệm vụ giữa các nút cảm biến trong một vùng xác định

1.3 Các ứng dụng của mạng WSN [2, 3]

Sự xuất hiện của mạng WSN hứa hẹn một phạm vi rộng lớn các ứng dụng tiềm năng như:

an ninh quốc phòng, môi trường, y tế, thương mại và công nghiệp…Có thể dự đoán trong tương lai, các mạng cảm biến không dây sẽ gắn liền với cuộc sống của con người giống như các máy tính điện tử hiện nay

1.3.1 Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng

Dựa vào các đặc tính: triển khai nhanh, khả năng tự tổ chức và sự hư hỏng một vài nút cảm biến không ảnh hưởng nhiều tới hệ thống …Vì vậy mà mạng WSN được sử dụng phổ biến trong nhiều hoạt động an ninh, quốc phòng Hình 4 dưới đây là một ví dụ cụ thể, các cảm biến có thể thu thập hình ảnh, âm thanh và xác định vị trí của các đối tượng khả nghi trong một phạm vi nhất định

Hình 4 Ứng dụng của mạng WSN trong an ninh, quốc phòng

Một số ứng dụng chính của mạng WSN trong an ninh, quốc phòng là:

• Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược: các binh lính, xe cộ, trang thiết bị, đạn dược sẽ được gắn các cảm biến nhỏ để theo dõi tình trạng và vị trí hiện tại Các trạng thái này sẽ được gửi tới sink và được tổng hợp thành các báo cáo có ý nghĩa đối với người chỉ huy

• Giám sát chiến trường, kẻ địch: các tuyến đường, các địa điểm nhạy cảm sẽ dễ dàng được bao phủ bởi các nút cảm biến siêu nhỏ Vì vậy, kẻ địch khó có thể phát hiện được Khi kẻ địch di chuyển hay xâm phạm địa hình, các nút cảm biến này sẽ cảm nhận được và nhanh chóng đưa ra các cảnh báo

• Thăm dò và phát hiện các cuộc tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân: vấn đề

sử dụng vũ khí hóa học, sinh học và hạt nhân trong các cuộc chiến tranh mang đến nhiều hiểm họa lớn cho loài người Vì vậy, cần thiết phải có các hệ thống dự đoán được điều này để có thể phòng, tránh và giảm thiểu thương vong, thiệt hại

1.3.2 Ứng dụng trong giám sát môi trường

Khả năng cảm nhận nhạy bén, đo đạc chính xác và có thể hoạt động trong các môi trường khác nhau của nút cảm biến mà mạng WSN được ứng dụng để theo dõi sự di chuyển, nghiên cứu môi trường sống của các loài động vật hoang dã (Hình 5) cũng như đưa ra các cảnh báo về môi trường hay các hiện tượng tự nhiên như: động đất, lũ lụt, cháy rừng (Hình 6),…

Hình 5 Ứng dụng của mạng WSN theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã

Hình 6 Ứng dụng của mạng WSN trong cảnh báo cháy rừng

1.3.3 Ứng dụng trong y tế

Trong lĩnh vực y tế, mạng WSN hỗ trợ theo dõi bệnh nhân, quản trị thuốc trong bệnh viện, theo dõi từ xa dữ liệu vật lý của con người, kiểm tra, theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện Mỗi bệnh nhân có thể được gắn kết các nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ, một nút cảm biến xác định nhịp tim, trong khi nút khác sẽ xác định huyết áp …

Hình 7 Ứng dụng của WSN trong theo dõi sức khỏe con người

1.3.4 Ứng dụng trong gia đình

Ngôi nhà thông minh là một trong những ứng dụng đặc trưng Ở đó các nút cảm biến dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo cho chủ nhà hoặc các cơ quan an ninh Đặc biệt, những nút cảm biến nhỏ gọn có thể được trang bị bên trong những đồ dùng gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh.Những nút cảm biến này tương tác với nhau và với bên ngoài qua Internet hoặc vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý

từ xa thiết bị đồ dùng dễ dàng hơn

Hình 8 Ứng dụng của mạng WSN trong gia đình

1.3.5 Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Trong lĩnh vực công nghiệp, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc theo dõi chất lượng sản phẩm, điều khiển môi trường trong những tòa nhà và công xưởng, điều khiển tự động hóa, thiết bị chống mất cắp ô tô…

Hình 9 Ứng dụng của mạng WSN trong công nghiệp

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế mạng WSN [3, tr.29 – 30]

Mạng WSN là lĩnh vực liên ngành, nó đòi hỏi kiến phong phú của nhiều lĩnh vực nghiên cứu như truyền thông không dây, kết nối mạng, các hệ thống nhúng, xử lý tín hiệu

số, và công nghệ phần mềm…Mạng WSN yêu cầu sự kết hợp khắt khe giữa phần cứng và phần mềm trên từng nút cảm biến cũng như đặc tính hoạt động phân tán trêntoàn mạng

Do vậy, các yếu tố chính ảnh hưởng tới thiết kế mạng WSN bao gồm: hạn chế về phần cứng, khả năng chống chịu lỗi, chi phí sản xuất, kiến trúc mạng, môi trường truyền dữ liệu

và công suất tiêu thụ năng lượng,…Những yếu tố này đã được nhiều nhà khoa học tập trung giải quyết Tuy nhiên thì hiện nay, sự tích hợp các yếu tố này vẫn còn là một thách thức đối với lĩnh vực thiết kế mạng WSN vì tính chất liên ngành của nó

1.4.1 Hạn chế về phần cứng

Một nút cảm biến gồm 4 thành phần cơ bản đó là: đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý, đơn vị truyền dẫn và bộ nguồn Hơn nữa, tùy thuộc vào loại ứng dụng mà các nút cảm biến sẽ được bổ sung thêm các thành phần khác như hệ thống định vị, bộ phận di động, bộ phát nguồn,…Tất cả các thành phần này sẽ tích hợp trong nút cảm biến có kích thước chỉ vài xăng-ti mét, thậm chí là vài na-nô mét Các yêu cầu về tính năng và kích thước đã gây

ra hạn chế lớn đối với việc thiết kế và chế tạo nút cảm biến Ngoài ra, các nút cảm biến còn gặp phải các hạn chế khác như tiêu thụ năng lượng thấp, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần

có người kiểm soát, dễ thích nghi với môi trường…

Hình 10 Cấu tạo của nút cảm biến

1.4.2 Khả năng chống chịu lỗi

Những hạn chế về phần cứng làm cho các nút cảm biến thường xuyên bị hỏng sau một khoảng thời gian hoạt động Các nguyên nhân gây ra có thể là hết năng lượng,hỏng thiết bị phần cứng, tác động của môi trường hay do lỗi phần mềm Một nút mạng hỏng sẽ không thể tham gia vào kết nối mạng Do đó khả năng chống chịu lỗi của mạng WSN là làm thế nào để giảm thiểu mức độ ảnh hưởng tới toàn mạng khi một vài nút cảm biến ngừng hoạt động

1.4.3 Khả năng mở rộng

Các mạng Cảm biến không dây thường được triển khai với mật độ các nút cảm biến cao dẫn tới trùng lặp dữ liệu và gây ra nhiều lỗi trên mạng Điều này tạo ra một thách thức lớn đối với khả năng mở rộng mạng Số lượng nút cảm biến được triển khai có thể lên tới hang trăm, hàng nghìn hay hàng triệu tùy thuộc vào mỗi ứng dụng Vì vậy mà các giao thức được thiết kế cho mạng WSN phải có khả năng làm việc được với số lượng lớn các nút này

1.4.4 Chi phí sản xuất

Thông thường, các nút cảm biến ít có khả năng tái sử dụng, nó chỉ được dùng trong phạm vi một ứng dụng duy nhất Hơn nữa, số lượng các nút cảm biến trong một mạng WSN thường rất lớn vì vậy chi phí sản xuất của nút cảm biến sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới tổng chi phí của toàn mạng Do vậy, khi thiết kế mạng WSN thì vấn đề chi phí cũng cần được quan tâm

1.4.5 Kiến trúc mạng WSN

Số lượng lớn các nút cảm biến thường xuyên bị mất liên lạc do nhiều nguyên nhân khác nhau Do đó, việc duy trì kiến trúc liên kết của mạng WSN cũng là một trở ngại lớn Việc thiết lập và bảo trì kiến trúc mạng WSN có thể chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn trước và khi triển khai: các nút cảm biến thường được phân bố một cách lộn xộn, không trật tự như thả từ máy bay xuống, do con người hoặc rô bốt rải, đặt

Giai đoạn sau khi triển khai: các nút cảm biến thường bị thay đổi vị trí hoặc hỏng hóc và

nó bị loại ra khỏi liên kết mạng Mặt khác, các liên kết giữa các nút mạng cũng thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu và các vật cản Do đó kiến trúc liên kết mạng sau khi triển khai thường xuyên bị thay đổi

Giai đoạn triển khai lại: để tiếp tục duy trì hoạt động của mạng, sau giai đoạn triển khai có thể phải bổ sung một lượng các nút cảm biến mới Do đó, phải tạo ra các liên kết mới để duy trì vòng đời của mạng WSN

1.4.6 Môi trường truyền dữ liệu

Một mạng WSN chỉ thành công khi việc truyền thông giữa các nút cảm biến với nhau là ổn định và đáng tin cậy Với đặc tính giao tiếp không dây, các liên kết giữa các nút mạng thường xuyên bị ảnh hưởng bởi các nhiễu hay vật cản Các liên kết này có thể hình thành từ sóng vô tuyến, sóng quang học…Mặt khác, để đảm bảo khả năng tương tác toàn cầu thì các mạng này cần phải sử dụng môi trường truyền dẫn đã tồn tại trên thế giới

1.4.7 Công suất tiêu thụ năng lượng

Thông thường năng lượng của các nút cảm biến được lấy từ pin, do vậy tuổi thọ của mỗi nút cảm biến tùy thuộc vào năng lượng của pin mà nó được cung cấp Các nút cảm biến thì thường được đặt trong các điều kiện khó tiếp xúc với nguồn năng lượng do

đó vấn để nạp năng lượng không thể triển khai Hiện nay, vấn đề năng lượng đang được các nhà nghiên cứu tập trung giải quyết, tuy nhiên chưa có giải pháp nào mang tính toàn diện Khi thiết kế mạng WSN cần lưu ý để chọn lựa các giao thức phù hợpvới điều kiện năng lượng thực tế

1.5 Kết luận chương 1

Chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường Qua đó thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta.Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến

Trên cơ sở đó, chương 2 của luận văn sẽ khảo sát một số giao thức trong mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 2 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG

CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trong chương 2 luận văn khảo sát một số giao thức cơ bản của mạng cảm biến không dây:

• Những khó khăn và các vấn đề trong thiết kế giao thức định tuyến

• Phân loại các giao thức định tuyến

• Giới thiệu một vài giao thức cụ thể

• Phân tích đặc điểm của các giao thức

• Khảo sát ưu điểm, nhược điểm của các giao thức

2.1 Giới thiệu chung

Các mạng cảm biến không dây rất linh hoạt nên có thể hỗ trợ nhiều loại ứng dụng trong nhiều môi trường khác nhau ngay cả khi nút cảm biến là cố định hay di động Việc triển khai các mạng cảm biến phụ thuộc lớn vào loại ứng dụng tương ứng Tuy các ứng dụng này hướng tới những mục tiêu khác nhau nhưng mục tiêu chính của tất cả các mạng cảm biến không dây là cảm nhận, thu thập dữ liệu từ một vùng nhất định, xử lý dữ liệu và truyền thông tin tới người dùng Để thực hiện được nhiệm vụ này một cách hiệu quả đòi hỏi các giao thức định tuyến phải cân bằng được khả năng đáp ứng với hiệu quả năng lượng để có thể kéo dài thời gian hoạt động của toàn mạng Mặc dù lĩnh vực này còn đang trong thời mới phát triển nhưng có thể thấy sự phát triển của giao thức định tuyến sẽ là nền tảng của các mạng cảm biến không dây trong tương lai

2.1.1 Những khó khăn và các vấn đề trong thiết kế giao thức định tuyến [3, tr.200 – 202][2, tr.139 – 142]

Định tuyến trong mạng có quy mô lớn là một vấn đề khó khăn và phải đối mặt với nhiều thách thức như độ chính xác, tính ổn định và tối ưu các số liệu hiệu suất…Các đặc tính nội tại của mạng Cảm biến không dây kết hợp với các hạn chế về năng lượng, băng thông và khả năng xử lý đã gây ra nhiều trở ngại hơn trong việc đáp ứng các yêu cầu truyền thông và kéo dài thời gian sống của mạng Do vậy, để thiết kế được một giao thức định tuyến tốt thì vừa phải xem xét tới các yếu tố ảnh hưởng tới mạng, vừa phải giải quyết các bài toán định tuyến cụ thể như: phạm vi và các đặc tính mạng thay đổi theo thời gian, nguồn tài nguyên hạn chế và các mô hình cảm biến dữ liệu phụ thuộc vào loại ứng dụng…

Phạm vi và các đặc tính mạng thay đổi theo thời gian: Trong mạng cảm biến không dây, các nút mạng phải ở trạng thái động và phải có khả năng thích nghi cao Khi cần, nó phải có khả năng tự tổ chức và tự bảo tồn năng lượng bằng cách liên tục điều chỉnh các hành vi để phù hợp với trạng thái và khả năng hiện tại Hơn nữa, mức độ năng lượng tiêu hao của các nút cảm biến là không đồng đều dẫn tới nhiều nút mạng bị ngừng hoạt động sớm hơn so với các nút mạng khác Điều này làm thay đổi phạm vi hoạt động, gây trở ngại cho vấn đề định tuyến cũng như ảnh hưởng tới hiệu suất của toàn mạng

Nguồn tài nguyên hạn chế: Bài toán về năng lượng là bài toán cơ bản và khó giải nhất đối với mạng Cảm biến không dây khi mà các hoạt động của mạng hoàn toàn phụ thuộc vào tình trạng năng lượng hiện tại của các nút cảm biến Ngoài ra, việc tích hợp nhiều thành phần vào trong một thiết bị cảm biến nhỏ cũng làm hạn chế khả năng lưu trữ

và khả năng xử lý của mỗi nút mạng Do đó, yêu cầu được đặt ra là phải thiết kế được các giao thức định tuyến mới vừa có thể hoạt động hiệu quả với một loạt các hạn chế về tài nguyên nhưng vừa phải đáp ứng được yêu cầu về truyền thông một cách tin cậy, chính xác

Các mô hình trao đổi dữ liệu cảm biến phụ thuộc vào từng ứng dụng:

Mô hình dữ liệu diễn tả luồng thông tin giữa các nút cảm biến với sink Các mô hình này phụ thuộc nhiều vào bản chất của các ứng dụng về việc dữ liệu được yêu cầu và

sử dụng như thế nào Một vài mô hình dữ liệuđã được đề xuất để giải quyết các nhu cầu về thu thập dữ liệu và các yêu cầu tương tác của một loạt các ứng dụng cảm biến Một lớp các ứng dụng cảm biến yêu cầu mô hình thu thập dữ liệu theo định kỳ trong khi một lớp ứng dụng khác thì công việc này được thực hiện khi có xuất hiện một sự kiện đặc thù nào

đó Trong một vài ứng dụng, dữ liệu có thể được chụp và lưu trữ lại, được xử lý và được tổng hợp lại bởi các nút cảm biến trước khi chúng được gửi tới sink Tuy nhiên, có một số ứng dụng lại đòi hỏi sự tương tác 2 chiều giữa nút cảm biến và sink Những đặc điểm này làm phát sinh thêm sự phức tạp trong vấn đề định tuyến cũng như trongkhai thác dữ liệu của các ứng dụng

2.1.2 Phân loại các giao thức định tuyến [2, tr.140][9]

Một giao thức định tuyến tốt phải có khả năng cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng với hiệu quả sử dụng năng lượng Để đạt được sự cân bằng này thì khả năng tính toán và truyền dẫn phải được lựa chọn phù hợp Tuy nhiên, mỗi giao thức định tuyến hoạt động lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau và nó chỉ hiệu quả với một sốhoàn cảnh, điều kiện nhất định Ngược lại, phạm vi ứng dụng của mạng Cảm biến không dây là rất lớn, do vậy việc phân loại các giao thức định tuyến là cần thiết

Có nhiều cách để phân loại các giao thức định tuyến, tuy nhiên hiện nay có cách phân loại chính Thứ nhất, phân loại dựa trên cách gửi gói tin thông qua con đường để tới bên nhận, các giao thức định tuyến được phân thành 3 loại: loại chủ động, loại phản ứng

và các giao thức lai Trong các giao thức chủ động, tất cả các con đường được tính toán trước khi chúng thực sự là cần thiết, trong khi các giao thức phản ứng, các con đường được tính toán theo yêu cầu Các giao thức lai sử dụng kết hợp cả 2 ý tưởng này Do hạn chế về khả năng lưu trữ và số nút mạng có thể rất lớn nên các nút cảm biến không có khả năng lưu trữ được không gian “khổng lồ” của các bảng định tuyến Do đó các giao thức định tuyến phản ứng và lai thì phù hợp hơn trong các mạng cảm biến không dây

Thứ hai, phân loại dựa theo kiểu tham gia của các nút cảm biến, các giao thức định tuyến được chia thành 3 loại: các giao thức truyền thông trực tiếp (Directed communication), các giao thức phẳng (Flat-Architecture Protocols) và các giao thức phân

bậc (Hierarchical Protocol) Trong các giao thức truyền thông trực tiếp hay còn gọi là truyền đơn chặng, một nút cảm biến sẽ gửi dữ liệu trực tiếp tới sink mà không thông qua bất kỳ một nút trung gian nào khác Theo loại giao thức này, nếu đường kính của mạng là lớn, thì năng lượng của các nút cảm biến ở xa sẽ bị tiêu hao rất nhanh chóng Hơn nữa, số lượng các nút cảm biến tăng thì xung đột sẽ trở thành trở ngại lớn tới mục đích truyền dữ liệu Theo các giao thức phẳng, tất cả các nút trong mạng được đối xử bình đẳng Khi 1 nút cần gửi dữ liệu, nó có thể tìm thấy một con đường thông qua một vài nút khác để tới được sink vì vậy các giao thức này còn được gọi là giao thức truyền đa chặng (multi-hop) Thông thường xác suất tham gia vào quá trình truyền dữ liệu của các nút xung quanh sink cao hơn các nút ở xa Vì vậy các nút xung quanh sink thường hết năng lượng sớm hơn các nút khác Để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng cao và duy trì thời gian hoạt động lâu dài của mạng, các nút cảm biến thường được tổ chức phân bậc bằng cách gộp chúng lại thành các nhóm riêng biệt mà ở đó dữ liệu được xử lý nội bộ tại mỗi nút đứng đầu nhóm (cluster head node) trước khi được gửi về sink Các giao thức sử dụng kiến trúc phân bậc này được gọi chung là các giao thức phân bậc

Thứ ba, tùy thuộc xem giao thức định tuyến có khả năng nhận thức được vị trí hay không, các giao thức định tuyến được phân thành 2 loại: giao thức định tuyến nhận thức được vị trí, và giao thức định tuyến không nhận thức được vị trí Cách phân loại này rất hữu ích cho các ứng dụng cần xác định vị trí xảy ra hiện tượng đang quan tâm hay lân cận với một điểm đặc biệt nào đó trong vùng hoạt động của mạng

Cách phân loại cuối cùng dựa trên chất lượng dịch vụ, cơ chế định tuyến của các giao thức này được xác định dựa trên một số hiểu biết về tài nguyên có thể sử dụng (băng thông) trong mạng cũng như yêu cầu chất lượng dịch vụ (mức độ tiêu thụ tài nguyên, trễ,

độ tin cậy,…) của luồng dữ liệu

Thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng Cảm biến không dây phải xem xét đến các đặc trưng riêng của mạng Hiện nay, nhiều giao thức định tuyến cho Cảm biến không dây

đã được đưa ra và áp dụng Các giao thức này được phân thành 4 loại đặc trưng như được

mô tả trong hình 11 dưới đây:

Hình 11 Tổng quan về các giao thức định tuyến của mạng WSN

2.2 Các giao thức kiến trúc phẳng và tập trung dữ liệu [2, tr.143 – 148][9]

Như đã được trình bày ở chương 1, điểm khác biệt lớn giữa mạng WSN và mạng MANET

là số lượng nút cảm biến trong các ứng dụng thì rất lớn và rất khó có thể phân phát ID cụ thể cho từng nút cảm biến Do vậy các giao thức định tuyến dựa trên địa chỉ không phù hợp cho mạng WSN Để khắc phục được điều này, các giao thức định tuyến tập trung vào

dữ liệu được đề xuất Thay vì ID của từng nút, các kỹ thuật định tuyến tập trung dữ liệu sẽ định danh các thuộc tính đặc trưng cho dữ liệu của mỗi loại ứng dụng cụ thể

Một vài giao thức áp dụng nguyên tắc tập trung vào dữ liệu như Flooding, Gossiping, SPIN, định tuyến theo hướng khuếch tán (Directed Difusion), định tuyến theo tin đồn (Rumor Routing), định tuyến theo nhận thức năng lượng,…Để có cái nhìn sâu sắc hơn về các giao thức tập trung dữ liệu, chúng ta cùng thảo luận một số giao thức thuộc loại này

2.2.1 Giao thức Flooding

Flooding (phát tràn) là kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất để tìm đường và phát tán thông tin trong mạng MANET không dây và có dây Chiến lược định tuyến này đơn giản, không đòi hỏi chi phí cấu hình mạng tốn kém, không cần các thuật toán tìm đường phức tạp Flooding thuộc loại giao thức phản ứng, theo đó khi mỗi nút nhận được gói điều khiển hay gói dữ liệu, nó sẽ gửi đến tất cả các nút lân cận trừ nút đã gửi dữ liệu cho nó Điều này được tiếp tục cho đến khi tất cả các nút trong mạng đều nhận được và do đó đảm bảo gói tin sẽ đến được đích của mình Hình 12 dưới đây là một minh họa cho Flooding:

Hình 12 Flooding

Để ngăn chặn việc có thể có một gói tin lưu hành lòng vòng vô thời hạn trong mạng, mỗi gói tin được gắn với một trường hop count Ban đầu, trường này được thiết lập bằng với đường kính của mạng (số chặng giữa 2 nút mạng ở xa nhau nhất) Mỗi khi gói tin được truyền từ nút mạng này sang nút mạng khác thì giá trị hop count của nó sẽ bị giảm đi

1, và khi hop count bằng 0, gói tin này không được truyền tiếp mà sẽ bị hủy bỏ Một cách khác để khắc phục hiện tượng này, đó là thay vì sử dụng trường hợp count, mỗi gói tin được gắn một trường Time-to-Live (TTL) Trường này sẽ quy định rõ khoảng thời gian

mà một gói tin tồn tại trên mạng Sau khoảng thời gian này,gói tin cũng sẽ bị hủy bỏ.Mặc

dù Flooding có ưu điểm là hoạt động theo quy luật đơn giản nhưng khi áp dụng cho mạng WSN nó gặp phải 3 vấn đề Vấn đề đầu tiên là hiện tượng “bùng nổ lưu lượng” (traffic implosion), hiện tượng này xảy ra do có nhiều bản sao của cùng một gói tin gửi tới cùng 1 nút mạng Như phần (a) trong hình 13 cho thấy Có 4 bản sao của cùng một gói tin xuất phát tại nút A đã gửi tới nút B Vấn đề tiếp theo là hiện tượng “Chồng chéo dữ liệu” (Data Overlap), đó là hiện tượng 2 hay nhiều nút cảm biến cùng cảm nhận được một sự kiện và các nút cảm biến này cùng gửi thông tin nó cảm nhận được về một nút khác Và như vậy, nút này sẽ nhận được các gói tin có thông tin trùng nhau Mô tả cho hiện tượng “chồng chéo dữ liệu” trong phần (b) hình 13, nút C sẽ nhận được 2 gói tin trùng nhau từ nút A và

B gửi tới “Mù tài nguyên”(Resource Blindness) là vấn đề cuối cùng và cũng là vấn đề nguy hiểm nhất trong Flooding, thuật toán mà Flooding sử dụng thì không hề quan tâm đến năng lượng của mỗi nút cảm biến do đó các nút sẽ nhanh chóng bị tiêu hao năng lượng và giảm thời gian sống của mạng

Hình 13 Các vấn đề chính trong Flooding

2.2.2 Giao thức Gossiping

Gossiping là một biến thể, nhằm giải quyết các vấn đề gặp phải của Flooding Giống với Flooding, Gossiping sử dụng quy luật hoạt động đơn giản, không đòi hỏi chi phí cấu hình mạng đắt tiền hay sử dụng các thuật toán định tuyến phức tạp Khácvới Flooding, khi nút mạng nhận được gói dữ liệu, Gossiping chỉ yêu cầu nút đó gửi gói dữ liệu này tới một nút ngẫu nhiên lân cận của nó Quá trình này tiếp tục cho tới khi gói tin tới được đích hay khi trường hop count bằng 0 Gossiping tránh được vấnđề “bùng nổ lưu lượng” do giảm số gói tin truyền đi trên mạng Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thì độ trễ có thể rất lớn hoặc thậm chí gói tin có thể không đến được đích Hình 14 dưới đây minh họa cho kỹ thuật này

Hình 14 Gossiping

2.2.3 Giao thức SPIN

SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation - Giao thức cho thong tin cảm biến thông qua đàm phán) là giao thức được thiết kế để khắc phục các vấn đề mà Flooding gặp phải thông qua việc đàm phán trước khi gửi dữ liệu và sự thích ứng của tài nguyên Với mục tiêu này, 2 giải pháp đã được đưa ra Thứ nhất, trước khi gửi toàn bộ dữ liệu, các nút cảm biến sẽ đàm phán với các nút khác thông qua các gói tin mô tả dữ liệu

Nếu một nút mạng nhận được gói tin mô tả mà muốn nhận gói dữ liệu thực, nó sẽ phải đưa

ra yêu cầu với nút nguồn gửi gói tin mô tả đó Do vậy, các thong tin quan sát được sẽ chỉ gửi đến các nút cảm biến quan tâm như là kết quả của cuộc đàm phán này Thứ hai, mỗi nút cảm biến sẽ tự giám sát nguồn năng lượng của mình để điều chỉnh hoạt động theo trạng thái năng lượng hiện tại Mỗi nút trong mạng có thể theo dõi sự tiêu thụ năng lượng trước khi phát hay xử lý dữ liệu Khi mức năng lượng xuống thấp, nút sẽ giảm hay ngừng hoàn toàn các hoạt động như chuyển tiếp dữ liệu tới nút mới Công việc này sẽ được nhường lại cho nút cảm biến khác có mức năng lượng cao hơn Vì vậy SPIN giúp kéo dài thời gian sống của các nút mạng

SPIN thực hiện việc đàm phán và truyền dữ liệu thông qua 3 loại gói tin Đầu tiên

là gói ADV (Advertisement) được dùng để quảng bá cho gói dữ liệu mới mà nút muốn phát Nút có gói dữ liệu sẽ phát các gói ADV chứa mô tả dữ liệu đó đến các nút xung quanh Loại thứ hai là gói tin REQ (Request), được dùng để yêu cầu nút nguồn gửi gói dữ liệu thực đã quáng bá trước đó Một nút mạng nhận được gói tin ADV và thể hiện mong muốn nhận được gói dữ liệu thực bằng cách phát đi gói tin REQ Loại thứ ba là gói tin DATA chứa dữ liệu thực, gói tin DATA thường có kích thước lớn hơn gói ADV và REQ Việc hạn chế các gói tin dư thừa sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ tại các nút mạng Các hoạt động cơ bản của SPIN được minh họa như hình 15 bên dưới:

Hình 15 Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN

Nút nguồn là A, phát gói ADV quảng bá dữ liệu mà nó muốn gửi (a) Nút B nhận được gói quảng bá này, thể hiện mong muốn nhận được gói dữ liệu thực như được mô tả trong ADV, vì vậy nút B gửi gói tin REQ cho nút A (b) Sau đó nút A gửi gói dữ liệu thực cho B (c) Nút B sau khi nhận được gói dữ liệu, lại phát gói tin ADV cho các nút lân cận

là C, D, E, F, G (d) Chỉ có 3 nút C, E, G quan tâm đến dữ liệu thực vì vậy các nút này gửi gói tin REQ tới nút B (e) Ngay sau khi nhận được REQ, nút B gửi gói dữ liệu thực tới C,

E và G (f) Quá trình này diễn ra cho tới khi gói dữ liệu đến được đích mong muốn

Dạng đơn giản nhất của SPIN là SPIN-PP, SPIN-PP được thiết kế cho mạng truyền thông điểm-điểm SPIN-PP hoạt động thông qua thủ tục bắt tay 3 bước tương ứng với 3 loại gói tin ADV, REQ và DATA SPIN-PP khắc phục được vấn đề “bùng nổ lưu lượng”

và “chồng chéo dữ liệu” do chỉ truyền gói tin tới các nút mạng quan tâm Tuy nhiên, vấn

đề “mù tài nguyên” vẫn còn đang là trở ngại đối với SPIN-PP Một dạng khác của SPIN là SPIN-EC SPIN-EC kết hợp việc đàm phán thông tin với kỹ thuật quan sát nguồn năng lượng dựa trên mức ngưỡng Một nút mạng chỉ tham gia vào các hoạt động của giao thức khi mà nút đó có thể hoàn thành tất cả các hoạt động mà không làm giảm năng lượng xuống dưới mức cho phép Do đó, khi nút nhận được gói tin ADV, nó sẽ không gửi gói tin REQ nếu nó xác định nguồn năng lượng không đủ để gửi gói tin REQ và nhận gói tin DATA

Cả SPIN-PP và SPIN-EC đều được thiết kế cho mạng truyền thông điểm.Nghĩa là nút nguồn phải gửi đi số gói tin DATA bằng với số gói tin REQ nhận được Trong khi đó với bản chất truyền dẫn không dây của mạng WSN thì các nút lân cận đều có thể nhận được gói dữ liệu ngay cả khi nút nguồn truyền unicast Điều này làm cho một nguồn năng lượng lớn bị lãng phí Tận dụng được đặc điểm trên, SPIN-BC được thiết kế cho mạng truyền thông quảng bá đã ra đời SPIN-BC không yêu cầu các nút mạng phải gửi ngay gói tin REQ khi nhận được gói tin ADV Thay vào đó, các nút mạng này sẽ chờ trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên đồng thời thực hiện giám sát kênh truyền Nếu nó nghe thấy gói tin REQ được gửi đi từ một nút khác, nó sẽ hủy gói tin REQ của mình Do vậy số lượng các gói tin REQ được gửi đi trong mạng giảm đáng kể Khi nhận được một gói REQ, nút nguồn sẽ gửi gói tin DATA chỉ một lần mặc dù nó có thể nhận được nhiều gói tin REQ giống nhau từ nhiều nút mạng

điểm-Hình 16 Các hoạt động chính của SPIN-BC

Các hoạt động chính của SPIN-BC được minh họa như Hình 16 Trong ví dụ này, nút A có dữ liệu cần gửi đi, vì vậy nó gửi quảng bá gói tin ADV cho các nút lân cận là B,

C, D, E và F (1) Cả 5 nút lân cận đều nhận được gói tin ADV, nhưng nút C phát đi trước gói tin REQ yêu cầu A gửi gói dữ liệu thực cho nó (2) Vì đây là gói tin được gửi đi quảng

bá nên nút B và D cùng nghe thấy Mặc dù B và D cùng mong muốn nhận được dữ liệu thực nhưng chúng vẫn ngừng ngay việc gửi gói tin REQ của mình Nút E và F không quan tâm đến dữ liệu nên bỏ qua các gói tin này Khi nhận được REQ từ C, nút A gửi gói dữ

liệu thực cho C tuy nhiên do môi trường truyềnquảng bá nên cả B và D cùng nhận được gói tin đó (3) Kết quả là, SPIN-BC giảm thiểu được năng lượng tiêu thụ và tổng chi phí trong trường hợp có nhiều nút lân cận cùng quan tâm tới một gói dữ liệu

SPIN-RL được phát triển từ SPIN-BC khi bổ sung thêm tính tin cậy và cải thiện lỗi

do suy hao kênh truyền Độ tin cậy đạt được bằng cách gửi quảng bá lặp lại theo định kỳ các gói tin ADV và REQ Nếu một nút mạng gửi REQ để yêu cầu nhận gói dữ liệu thực nhưng sau một khoảng thời gian nhất định mà chưa nhận được thì nút sẽ gửi REQ lại lần nữa Mặt khác, độ tin cậy còn được cải thiện bằng cách gửi định kỳ các gói tin ADV để giảm thiểu số lần gửi lại gói tin DATA Sau khi gửi DATA, nút sẽ chờ trong một khoảng thời gian cố định trước khi đáp ứng các yêu cầu khác cho cùng một dữ liệu tương tự

SPIN khắc phục được các nhược điểm chính của Flooding và Gossiping Tuy nhiên, sự đàm phán của SPIN chỉ mang tính cục bộ do đó không đảm bảo các nút có nhu cầu đều nhận được gói tin quảng bá và gói dữ liệu mong muốn Tình huống này có thể xảy

ra nếu các nút trung gian không quan tâm tới gói dữ liệu và bỏ qua gói tin ADV tương ứng Điều này hạn chế việc áp dụng SPIN cho các ứng dụng đặc biệt như giám sát xâm nhập và bảo vệ các cơ sở hạn tầng quan trọng

2.2.4 Directed Difusion (Khuếch tán trực tiếp)

SPIN cung cấp các kỹ thuật hiệu quả để các nút cảm biến truyền bá thông tin nó quan sát được cho các nút mạng khác quan tâm Kết quả là, lưu lượng trong SPIN được bắt đầu từ các nút cảm biến và kết thúc tại sink Tuy nhiên, loại lưu lượng này không phù hợp cho các ứng dụng mà nguồn lưu lượng được bắt đầu từ phía người dùng (sink) khi cần đưa ra các truy vấn tới các nút cảm biến cụ thể Do đó, mô hình truyền dữ liệu bằng cách khuếch tán trực tiếp đã được phát triển để đáp ứng cho các loại ứng dụng này Hoạt động xác định đường đi giữa sink và các nút cảm biến trong mô hình khếch tán trực tiếp được thực hiện qua 4 giai đoạn như hình 17: (a)_tuyêntruyền các gói tin interest, (b)_thiết lập gradient, (c)_củng cố lại đường đi reinforcements và cuối cùng (d)_truyền dữ liệu data

Hình 17 Hoạt động của giao thức Khuếch tán trực tiếp

Các yêu cầu về thông tin được bắt đầu từ Sink bằng cách gửi lan truyền các gói tin Interest tới tất cả các nút cảm biến trong mạng như hình 17 (a) Các gói tin Interest hoạt động như các gói tin thăm dò để tìm ra các nút chứa dữ liệu phù hợp cho các nhiệm vụ cụ thể Trong giai đoạn này, Sink tiếp tục phát quảng bá các gói tin Interest theo định kỳ trong mạng

Khi nhận được gói tin Interest, các nút cảm biến sẽ lưu nó vào trong bộ nhớ Interest cache của mình Bộ nhớ Interest cache chứa các trường như: mốc thời gian (timestamp), tốc độ và hướng dữ liệu (Gradient), khoảng thời gian (interval) và thời hạn (duration) Trường timestamp cho biết mốc thời gian nút cảm biến nhận được gói tin Interest Trường Gradient được sử dụng để xây dựng con đường ngược trở lại từ nút cảm biến tới Sink Trường Interval cho biết chu kỳ gửi gói tin Interest và mỗi gói tin Interest được lưu trong

bộ nhớ Interest Cache với một khoảng thời gian cụ thể được quy định trong trường Duration Sau khi nhận được gói tin Interest, nút cảm biến sẽ chuyển tiếp gói tin này tới các nút lân cận theo hướng ra xa sink hơn Sự chuyển tiếp này có thể giống như Flooding hay giới hạn hơn tùy theo mô tả công việc Các Gradient được thiết lập thông qua các quy tắc cục bộ và theo đó nút có năng lượng cao nhất được lựa chọn Do Interest được truyền

đi khắp nơi trong mạng cảm biến nên các Gradient từ nút nguồn quay trở lại Sink được thiết lập như hình 17 (b).Các gói tin Interest cho biết dữ liệu được yêu cầu tại một thời điểm nhất định trong mạng cảm biến Mỗi nút mạng kiểm tra thông tin mà nó quan sát được và trở thành nút nguồn nếu nó có dữ liệu phù hợp với dữ liệu được yêu cầu trong Interest Khi đó, nút nguồn sẽ gửi dữ liệu dọc theo con đường dựa trên Gradient của gói tinInterest tương ứng Một nút nguồn có thể có nhiều Gradient cho cùng một gói tin Interest Do đó, dữ liệu có thể được gửi thông qua nhiều tuyến đường để tới Sink Trong trường hợp này, các Sink củng cố 1 tuyến đường cụ thể bằng cách gửi lại gói tin Interest thông qua một nút xác định trên đường truyền như được chỉ ra trong hình 17 (c) Con đường này có thể được lựa chọn dựa trên một vài tiêu chuẩn như: chất lượng liên kết tốt nhất, độ trễ nhỏ nhất hay số lượng gói tin nhận được từ nút lân cận là nhiều nhất,…Mỗi khi một nút xác định được lựa chọn, gói tin Interest chỉ gửi tới nút đó để củng cố con đường liên kết với nút này Mỗi nút mạng dọc theo con đường sẽ chuyển sự củng cố này

cho các nút mạng kế tiếp Cuối cùng, một tuyến đường giữa nút nguồn và Sink được thiết lập như hình 17 (d)

Hình 18 Từ chối củng cố đường đi trong khếch tán trực tiếp

Nhờ giai đoạn củng cố lại đường đi mà đường truyền dữ liệu có thể tự động được thay đổi tùy theo những thay đổi trong mạng WSN Trong trường hợp này, Sink sẽ gửi gói tin củng cố thông qua con đường mới khác với con đường hiện tại Hơn nữa, các gói tin từ chối củng cố (negative reinforcement) cũng được gửi thông qua đường dẫn hiện hành để ngăn chặn dữ liệu tiếp tục chuyển giao qua con đường này Mô tả cho quá trình từ chối củng cố được thể hiện như hình 18

Việc quảng bá gói tin Interest, thiết lập Gradient, củng cố lại đường truyền và gửi

dữ liệu được thực thi tuân theo các quy tắc cục bộ Do đó, các quy tắc cục bộ khác nhau có thể dẫn tới kết quả trong các kỹ thuật truyền là khác nhau Về cơ bản, khếch tán trực tiếp cung cấp 1 con đường đơn để truyền dữ liệu Tuy nhiên, Sink có thể lựa chọn nhiều con đường trong giai đoạn củng cố để truyền nhận đa đường Tương tự như vậy, các thông tin cảm biến có thể được gửi đến nhiều Sink tùy theo sự quảng bá gói tin Interest và các kỹ thuật thiết lập Gradient Một chi phí quan trọng trong giao thức khếch tán trực tiếp là hoạt động Flooding các gói tin Interest Hoạt động này gồm 2 pha tính từ khi các Sink bắt đầu truyền thông Với các ứng dụng mà dữ liệu được bắt đầu từ các cảm biến thì giao thức khuếch tán trực tiếp sẽ bỏ qua pha quảng bá Interest, thay vào đó các nút cảm biến sẽ quảng bá dữ liệu của nó tới Sink giống như hoạt động của SPIN Khi nhận được các quảng

bá này, Sink sẽ gửi các gói tin củng cố để thiết lập tuyến đường giữa nút nguồn và Sink Một chi phí khác cũng khá lớn liên quan tới việc lưu trữ dữ liệu tại các nút cảm biến Tổng các chi phí này sẽ kéo theo chi phí của một nút cảm biến tăng cao

2.2.5 Đánh giá chất lượng các giao thức phẳng và tập trung dữ liệu

Các giao thức định tuyến tập trung dữ liệu cung cấp các tuyến đường tùy theo từng ứng dụng dựa trên sự quan tâm của người dùng Bất cứ khi nào nút cảm biến cảm nhận được sự thay đổi, các tuyến đường trên mạng sẽ phải tự động thích ứng với những thay đổi này để đáp ứng các yêu cầu của người dùng Hơn nữa, các giao thức này không đòi hỏi phải định danh các nút cảm biến, không cần phải duy trì một kiến trúc mạng toàn cầu do

đó giảm thiểu một phần lớn năng lượng bị tiêu hao

Nhược điểm chính của các giao thức định tuyến tập trung dữ liệu là chúng thường hoạt động dựa trên kiến trúc phẳng Đây là nguyên nhân làm giảm khả năngmở rộng của mạng cũng như tăng khả năng tắc nghẽn tại các nút mạng ở gần Sink Hơn nữa, các giao thức như khếch tán trực tiếp chỉ được áp dụng cho một tập con các ứng dụng trong mạng WSN khi sự truyền thông được bắt đầu bằng các truy vấn đượcgửi đi từ Sink Điều này làm cho các giao thức như khếch tán trực tiếp không phải là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng mà ở đó dữ liệu cảm biến cần truyền đi một cách liên tục và tự động Mặt khác, các truy vấn cũng như các thủ tục với gói tin Interest tương ứng cần phải được định nghĩa riêng lẻ cho từng ứng dụng

2.3 Các giao thức phân bậc [2, tr148 – 152][4, 9]

Các nhược điểm của giao thức kiến trúc phẳng và tập trung dữ liệu được khắc phục bằng các giao thức có kiến trúc phân bậc Theo cách này, các nút mạng được tổ chức phân bậc bằng cách gộp lại thành các nhóm riêng biệt Các nút mạng là thành viên của một nhóm sẽ tương tác cục bộ với nhau và chịu sự điều khiển của nút đứng đầu nhóm (cluster head node) giống như được thể hiện ở hình 19 Dựa trên kiến trúc đó, một số giao thức định tuyến phân bậc đã được phát triển để giải quyết các vấn đề trong việc tiêu thụ năng lượng và mở rộng phạm vi cho mạng cảm biến Các nút thànhviên trong nhóm không gửi

dữ liệu mà nó thu thập được về trực tiếp Sink mà phải thông qua nút đứng đầu nhóm Các nút đứng đầu nhóm cũng có thể thành lập nhóm mới ở bậc cao hơn trước khi gửi dữ liệu

về Sink Một số giao thức định tuyến phân bậc được đề xuất cho mạng cảm biến đó là LEACH, PEGASIS, TEEN hay APTEEN

Hình 19 Kiến trúc mạng phân bậc trong mạng WSN