Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)

Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN IPv6 CHO CÁC ỨNG DỤNG SMART GRID

Mã số: ĐH2015-TN07-05

Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Chiến Thắng

Thái Nguyên, 6/2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN IPv6 CHO CÁC ỨNG DỤNG SMART GRID

Mã số: ĐH2015-TN07-05

Xác nhận của tổ chức chủ trì

Thái Nguyên, 6/2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

TT Họ và tên lĩnh vực chuyên môn Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao Ghi chú

1 TS Vũ Chiến

Thắng

Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông

Chuyên môn: Điện tử Viễn thông

Chuyên môn: Công nghệ thông tin

Nghiên cứu về IoT (Internet of Things)

và ứng dụng Smart Grid

3 TS Phùng Trung

Nghĩa

Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông

Chuyên môn: Điện tử Viễn thông

Nghiên cứu giao thức truyền thông IPv6 trên nền chuẩn truyền thông lớp vật lý IEEE802.15.4 cho ứng dụng Smart Grid

4 ThS Nguyễn

Thanh Tùng

Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông

Chuyên môn: Tự động hóa

Thiết kế, chế tạo phần cứng

5 ThS Vương Thị

Yến

Đơn vị công tác: Phòng KH-CN&HTQT, trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông

Chuyên môn: Toán

Thư ký hành chính đề tài

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 1

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 1

2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

3 Mục tiêu nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

7 Nội dung nghiên cứu 4

Chương 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6 5

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 5

1.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây 5

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 6

1.1.3 Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến

không dây 7

1.1.4 Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây 9

1.1.5 Mô hình tính toán cho mạng cảm biến không dây 15

1.2 Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP 20

1.2.1 Giới thiệu về kiến trúc IP 20

1.2.2 Ưu điểm của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP 21

1.2.3 Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây 24

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP 25

1.3.1 Nhà thông minh 25

1.3.2 Tự động hóa tòa nhà 26

1.3.3 Mạng các thành phố và đô thị thông minh 27

Chương 2 GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4 CHO ỨNG DỤNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH GẮN VỚI HẠ TẦNG AMI 29

2.1 Tổng quan về ứng dụng lưới điện thông minh 29

2.2 Hệ thống tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong

mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI 30

2.3 Công nghệ mạng cảm biến không dây cho phép khả năng truyền thông

trong AMI 31

2.4 Giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 32

2.4.1 Giới thiệu chung 32

2.4.2 Khái niệm và thuật ngữ được sử dụng trong giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 33

2.4.3 Thước đo định tuyến ETX 34

2.4.4 Các bản tin điều khiển 35

2.4.5 Hoạt động của giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 36

2.5 Hệ điều hành Contiki 37

2.5.1 Giới thiệu về hệ điều hành Contiki 37

2.5.2 Ngăn xếp truyền thông trong hệ điều hành Contiki 38

2.5.3 Công cụ mô phỏng Cooja 39

2.6 Thực thi giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 trên hệ điều hành Contiki 39

2.6.1 Cấu trúc thực thi giao thức giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 trên hệ điều hành Contiki 39

2.6.2 Hoạt động của nút gốc 41

2.6.3 Hoạt động của nút thành viên 44

Chương 3 PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE802.15.4 45

3.1 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 45

3.1.1 Các thước đo đánh giá 45

3.1.2 Kịch bản đánh giá mô phỏng 46

3.1.3 Kết quả đánh giá mô phỏng 47

3.2 Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 49

3.2.1 Mục tiêu và những thách thức 49

3.2.2 Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 49

3.2.3 Thực thi giải pháp 51

3.3 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên

mô phỏng 52

3.3.1 Các thước đo đánh giá 52

3.3.2 Kịch bản đánh giá mô phỏng 52

3.3.3 Kết quả đánh giá mô phỏng 53

3.4 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên

thực nghiệm 58

3.4.1 Hệ thống nghiên cứu thực nghiệm cho mạng cảm biến không dây 58

3.4.2 Kịch bản đánh giá thực nghiệm 61

3.4.3 Kết quả đánh giá thực nghiệm 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

BẢN SAO THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐƯỢC PHÊ DUYỆT 67

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Mô hình năng lượng của phần cứng TUmote 46

Bảng 3.2: Kịch bản đánh giá mô phỏng 46

Bảng 3.3: Kịch bản đánh giá mô phỏng 53

Bảng 3.4: Các thông số kỹ thuật của TUmote 59

Bảng 3.5: Kịch bản đánh giá thực nghiệm 61

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AMI Advanced Metering Infrastructure

DAO Destination Advertisement Object

HART Highway Addressable Remote Transducer

LBR Lossy network Border Router

LoWPAN Low-power and Wireless Personal Area Network

OSI Open Systems Interconnection Reference Model

OUI Organizational Unique Identifier

RPL IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network

RoLL Routing over Low power and Lossy network

TUmote Thainguyen University mote

TU2C Thainguyen University Control and Collection

UDG Unit Disk Graph

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác

trong trường cảm biến 5

Hình 1.2: Một mạng IEEE 802.15.4 10

Hình 1.3: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và

địa chỉ ngắn (16 bit) 11

Hình 1.4: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý 12

Hình 1.5: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11 13

Hình 1.6: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC 14

Hình 1.7 : Các cơ chế ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu vô tuyến: 16

Hình 1.8: Mô hình UDG 17

Hình 1.9: Mô hình UDI 19

Hình 1.10: Sự phân lớp trong TCP/IP và OSI 20

Hình 1.11: Kiến trúc giao thức IP với khả năng cộng tác trên các thiết bị và các cơ chế truyền thông khác nhau 22

Hình 1.12: Tính linh hoạt có thể thấy được khi các ứng dụng chạy trên các điểm đầu cuối và mạng chỉ vận chuyển dữ liệu giữa chúng 23

Hình 1.13: Kích thước bộ nhớ của uIP, lwIP và hai ngăn xếp IPv6 hiện đang được thương mại hóa 24

Hình 1.14: Kiến trúc ngăn xếp giao thức 6LoWPAN cho mạng cảm biến

không dây 25

Hình 1.15: Mô hình hệ thống nhà thông minh của BKAV 26

Hình 1.16: Mô hình hệ thống tự động hóa tòa nhà 27

Hình 2.1: Mô hình hệ thống lưới điện thông minh 29

Hình 2.2: Các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tiên tiến AMI 30

Hình 2.3: Mạng các thiết bị đo thông minh trong AMI 32

Hình 2.4: Ví dụ về DODAGVersion Number 34

Hình 2.5: ETX1hop của một liên kết 34

Hình 2.6: Ví dụ về một DODAG 36

Hình 2.7: Ví dụ về việc hình thành DODAG [10] 37

Hình 2.8: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki 38

Hình 2.9: Giao diện ứng dụng mô phỏng trên Cooja 39

Hình 2.10: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki 40

Hình 2.11: Cấu trúc các thành phần trong module Contiki RPL 41

Hình 2.12: Pha khởi tạo của nút gốc 42

Hình 2.13: Cơ chế điều khiển sự kiện của nút gốc 42

Hình 2.14: Pha khởi tạo của các nút thành viên 43

Hình 2.15: Cơ chế điều khiển sự kiện của nút thành viên 43

Hình 3.1: Mô hình triển khai mạng gồm 31 nút 47

Hình 3.2: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 47

Hình 3.3: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong toàn mạng 47

Hình 3.4: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình trong toàn mạng 48

Hình 3.5: Cấu trúc bản tin điều khiển DIO 50

Hình 3.6: Thuật toán lựa chọn nút cha tốt nhất 50

Hình 3.7: Thực thi giao thức IRPL trên Contiki 51

Hình 3.8: Mô hình triển khai mạng gồm 26 nút 53

Hình 3.9: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 54

Hình 3.10: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 54

Hình 3.11: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng 54

Hình 3.12: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 55

Hình 3.13: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 56

Hình 3.14: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng 56

Hình 3.15: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 57

Hình 3.16: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 57

Hình 3.17: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng 57

Hình 3.18: Sơ đồ khối phần cứng TUmote 59

Hình 3.19: Sản phẩm phần cứng TUmote 59

Hình 3.20: Phần mềm TU2C 60

Hình 3.21: Mô hình đánh giá thực nghiệm 61

Hình 3.22: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 62

Hình 3.23: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 62

Hình 3.24: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng 62

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid

- Mã số: ĐH2015-TN07-05

- Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Chiến Thắng

- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông

- Thời gian thực hiện: 1/2015-12/2016

2 Mục tiêu:

- Nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI (Advanced Metering Infrastructure)

3 Tính mới và sáng tạo:

- Đề xuất mô hình ứng dụng giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI

- Đề xuất giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI

- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên

mô phỏng và thực nghiệm

4 Kết quả nghiên cứu:

- Nghiên cứu mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IPv6 và các ứng dụng trong mô hình mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things)

- Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4

- Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI

- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên

mô phỏng và thực nghiệm

5 Sản phẩm:

- Sản phẩm khoa học:

+ 02 bài báo đăng trên tạp chí trong nước

+ 01 bài báo đăng trên kỷ yếu hội nghị, hội thảo trong nước

+ 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế không thu tiền của tác giả

1 Vũ Chiến Thắng, Lê Nhật Thăng (2015), “Đánh giá hiệu năng giao thức định

tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và công

nghệ quân sự, Số 38, tr 51-58

2 Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Vũ Văn San, Lê Nhật Thăng (2016), “Giải pháp kết hợp giữa thước đo định tuyến chất lượng liên kết và năng lượng trong giao

thức IRPL”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, Số 46, tr 86-92

3 Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Vũ Văn San, Lê Nhật Thăng (2015), “Giao thức định tuyến IPv6 có sự nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không

dây”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia 2015 về Điện tử truyền thông và Công nghệ thông

tin (ECIT2015), tr 87-91

4 Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao (2016), “A Performance Evaluation of

Improved IPv6 Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, International

Journal of Intelligent Systems and Applications, Volume 8, Number 12, pp 18-25

- Sản phẩm đào tạo: 02 đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học

1 Phùng Mạnh Hùng, Thiết kế và chế tạo ổ cắm điện thông minh, mã số

S2015-08-14, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học năm 2015, Quyết định số 1065/QĐ ĐH CNTT&TT ngày 31 tháng 12 năm 2015

2 Đinh Gia Sơn, Thiết kế, chế tạo module đo và hiển thị nồng độ khí gas, dùng

mạng cảm biến không dây ứng dụng trong robot tự động hỗ trợ công tác cứu hộ và phòng cháy chữa cháy, mã số S2015-08-21, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học

năm 2015, Quyết định số 1065/QĐ ĐH CNTT&TT ngày 31 tháng 12 năm 2015

- Sản phẩm khác: 02 đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên

1 Nguyễn Hà Phương Thùy, Nghiên cứu cải tiến hiệu năng giao thức định tuyến

IPv6 cho mạng cảm biến không dây, Đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên năm 2016,

Quyết định số 273/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 07 tháng 4 năm 2016

2 Dương Thị Nương, Nghiên cứu giao thức truyền tải Web trên môi trường tài

nguyên hạn chế, Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên năm 2016, Quyết định số

273/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 07 tháng 4 năm 2016

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

- Sản phẩm của đề tài có thể được ứng dụng trong giảng dạy môn học mạng cảm biến và ứng dụng tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông

- Sản phẩm của đề tài là có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên

- Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến có thể được ứng dụng với hệ thống tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI

Ngày tháng năm

Cơ quan chủ trì

(ký, họ và tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Research and development of wireless sensor network based on IPv6 architecture for smart grid applications

Code number: DH2015-TN07-05

Coordinator: Dr Vu Chien Thang

Implementing institution: Thai Nguyen University of Information and Communication Technology

Duration: from 1/2015 to 12/2016

2 Objective(s):

- Researching and developing a wireless sensor network operated on IPv6 communication protocol for smart grid applications

3 Creativeness and innovativeness:

- Proposing the application model of IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with Advanced Metering Infrastructure

- Proposing an improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with Advanced Metering Infrastructure

- Implementing and evaluating the improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol based on simulations and experiments

4 Research results:

- Researching on wireless sensor network based on IPv6 architecture and internet of things applications

- Researching and evaluating the IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol

- Developing the IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with Advanced Metering Infrastructure

- Implementing and evaluating the improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol based on simulations and experiments

5 Products:

- Scientific paper:

+ 02 papers in national journals

+ 01 paper in proceedings of national conference

+ 01 paper in international journal

1 Vu Chien Thang, Le Nhat Thang (2015), “Performance evaluation of IPv6

routing protocol for wireless sensor network”, Journal of military science and

technology, 2015, pp 51-58

2 Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao, Vu Van San, Le Nhat Thang (2016), “A solution for combination of link quality and residual energy in IRPL protocol”,

Journal of military science and technology, 2016, pp 86-92

3 Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao, Vu Van San, Le Nhat Thang, “An

energy-aware IPv6 routing protocol for wireless sensor network”, in Proceedings of 2015

national conference on electronics, communications and information technology,

pp 87-91

4 Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao (2016), “A Performance Evaluation of

Improved IPv6 Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, International

Journal of Intelligent Systems and Applications, Volume 8, Number 12, pp 18-25

- Science research of student: 02

1 Phung Manh Hung, Designing and prototying smart socket, code number:

S2015-08-14, Project of student in 2015, number 1065/QD DHCNTT&TT, 31/12/2015

2 Dinh Gia Son, Designing, prototying the module to measure and display the gas

concentration using wireless sensor network, applying to robot for recusing and fire protection, code number: S2015-08-21, Project of student in 2015, number

1065/QD DHCNTT&TT, 31/12/2015

- Graduation Thesis: 02

1 Nguyen Ha Phuong Thuy, Studying and improving the performance of IPv6

routing protocol for wireless sensor network, Graduation thesis of student in 2016,

number 273/QD DHCNTT&TT, 07/4/2016

2 Duong Thi Nuong, Studying of web transfer protocol in constraint environment,

Graduation thesis of student in 2016, number 273/QD DHCNTT&TT, 07/4/2016

6 Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results:

- Research results could be used for teaching and learning about wireless sensor

network at Thai Nguyen University of Information and Communication Technology

- Research results could be used as learning materials for students

- The improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol could be used for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with advanced metering infrastructure

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Smart Grid là một hệ thống điện thông minh có sử dụng các công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu hóa việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc

Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có 2 lớp: Lớp 1 là hệ thống điện thông thường, lớp 2 là hệ thống thông tin truyền thông và đo lường

Trong những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam thường duy trì được mức tăng trưởng cao so với khu vực (trung bình từ 5 - 8%/năm) Tăng trưởng kinh tế thường gắn liền với gia tăng nhu cầu tiêu thụ năng lượng, đặc biệt là điện năng Mức tăng trưởng cao của nhu cầu tiêu thụ điện năng (khoảng 14%/năm) trong tương lai gần sẽ gây ra sự thiếu hụt năng lượng Chính vì vậy, các công trình nghiên cứu cũng như các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng đang được nhà nước ta hết sức quan tâm

Theo các nghiên cứu trên thế giới, nếu người dùng biết được lượng điện tiêu thụ trong thời gian thực và nhận được các cảnh báo thì có thể tiết kiệm từ 5-20% tiêu thụ Mạng lưới điện thông minh (Smart Grid) là một trong những ứng dụng của mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things – IoT) trong tương lai Các mạng lưới điện thông minh cho phép khách hàng chủ động kiểm soát việc sử dụng năng lượng của mình, với việc luôn biết được lượng điện tiêu thụ của mình ở mức bao nhiêu, điều này sẽ làm họ tiết kiệm và nhờ vậy tổng năng lượng điện sẽ được phân phối đều đến tất cả các nơi tiêu thụ, các sự cố về giờ cao điểm sẽ được hạn chế tối đa

Hạ tầng đo lường tiên tiến AMI là một hệ thống đo lường thông minh theo thời gian thực cho các công ty điện, nước, gas có tiềm năng cải thiện hoạt động kinh doanh và độ tin cậy kỹ thuật của các tác nghiệp khác nhau thuộc công ty Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI

2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng điện luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu của chính phủ và các cấp quản lý Điều này được thể hiện thông qua các văn bản pháp lý của nhà nước mới ban hành gần đây:

- Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả ngày 17 tháng 6 năm 2010,

- Nghị định số102/2003/NĐ-CP ngày 03 tháng 9 năm 2003 của Chính phủ về

sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả,

- Chỉ thị số 171/CT-TTg ngày 26 tháng 01 năm 2011 của Thủ tướng Chính phủ về việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện,

Việc ứng dụng các sản phẩm và giải pháp nước ngoài khó phù hợp với điều kiện Việt nam do giá thành cao và lưới điện Việt nam có rất nhiều đặc thù gây ra khó khăn lớn khi triển khai các giải pháp nước ngoài Đơn cử như giải pháp tuyền thông dùng PLC (Power Line Communication) cho thiết bị đo và chấp hành thông minh rất thành công ở nước ngoài nhưng rất khó triển khai ở Việt nam do suy hao truyền tải lớn và chất lượng nguồn điện ở Việt nam còn thấp (qua một số triển khai thử nghiệm của một nghiên cứu trong nước)

Hiện nay, ở Việt nam vẫn đang sử dụng chủ yếu là công tơ cơ khí và dùng phương pháp ghi đọc thủ công trong khi hầu hết người dùng không biết được lượng điện tiêu thụ của mình trong thời gian thực nên rất dễ lãng phí điện năng Các công

tơ điện thông minh kết nối mạng vẫn chưa được sản xuất và sử dụng ở Việt Nam Một số công tơ điện tử đã từng được sản xuất nhưng không được ứng dụng rộng rãi

do chưa đáp ứng được các yêu cầu thiết yếu của người dùng như hiển thị từ xa qua mạng, truyền không dây, hỗ trợ giao thức IP, v.v

Một số đề tài, công trình nghiên cứu có liên quan trong lĩnh vực này mới chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, mô phỏng thiết bị hoặc có sản phẩm mẫu nhưng chưa hoàn thiện như: “Nghiên cứu truyền thông trên đường dây điện hạ thế phục vụ cho các ứng dụng công tơ thông minh”, Trường ĐHBK Hà Nội

Do các nguyên nhân trên nên rất cần có nghiên cứu thử nghiệm đầy đủ cho một giải pháp Việt trong lĩnh vực quản trị năng lượng, để dần tiến đến triển khai lưới điện thông minh, một xu hướng lớn trên thế giới mà hiện nay các nước

EU, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, v.v đang theo đuổi

2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Xu hướng mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) có thể hiểu là khi tất cả mọi thứ đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng mà chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn như smartphone, tablet, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay Mặc dù đã manh nha từ lâu nhưng kỷ nguyên Internet of Things chỉ thực sự được sự được chú ý và bùng nổ trong những năm gần đây, sau sự phát triển của smartphone, tablet và những kết nối không dây,… Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị

mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết bị di động, tivi, máy giặt,… Intel, đơn vị mới tham gia vào thị trường sản xuất chip cho các thiết bị thông minh phục vụ IoT cũng

đã thu về hơn 2 tỷ USD trong năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trưởng 19% so với năm 2013

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường xác định Mạng cảm biến không dây hiện đang được tiếp tục được chuẩn hóa cho nhiều ứng dụng khác nhau như tự động hóa và giám sát trong công nghiệp, tòa nhà và hộ gia đình Trong suốt một thập kỷ qua, cộng đồng nghiên cứu và triển khai ứng dụng với công nghệ mạng cảm biến không dây đều cho rằng kiến trúc IP là không phù hợp với các ứng dụng của mạng cảm biến Các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ, khả năng xử lý và năng lượng [1] Vì vậy, cộng đồng nghiên cứu về mạng cảm biến không dây đều cho rằng kiến trúc IP

là không phù hợp với các nút cảm biến có tài nguyên hạn chế

Trong vài năm trở lại đây, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF đã nỗ lực đề xuất các giải pháp nhằm chuẩn hóa kiến trúc IPv6 cho mạng các thiết bị có tài nguyên hạn chế nói chung và mạng cảm biến không dây nói riêng Nhóm công tác RoLL của IETF đã đề xuất một giao thức truyền thông IPv6 mới Giao thức truyền thông IPv6 được thiết kế cho các mạng tổn hao công suất thấp LLNs (Low-Power and Lossy Networks) với các nút mạng có tài nguyên hạn chế và được kết nối với nhau bởi các liên kết tổn hao (có sự mất mát bản tin) [6], [8], [14], [17], [19] Hiện nay, giao thức truyền thông IPv6 vẫn đang được quan tâm nghiên cứu, cải tiến nhằm đáp ứng được những yêu cầu khác nhau trong từng ứng dụng [11], [12], [13]

3 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc

tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI

4 Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu

 Khảo sát các nghiên cứu trên thế giới và đánh giá các giải pháp công nghệ thực hiện

 Kết hợp việc nghiên cứu lý thuyết về mạng cảm biến không dây và tiến hành kiểm chứng bằng thực nghiệm trên các hệ phần cứng nhúng và các KIT phát triển ứng dụng

 Từ các kết quả trên, xây dựng giải pháp và thiết kế hệ thống

 Phát triển các ý tưởng, các giải pháp định tuyến cho mạng cảm biến không dây nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây

 Cài đặt, triển khai các ý tưởng đã đưa ra

 Đo đạc và đánh giá hiệu năng dựa trên mô phỏng và thực nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích, mô phỏng, đo đạc, triển khai thực nghiệm

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP

- Phạm vi nghiên cứu: Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI

7 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, mô hình mạng lưới Internet kết nối vạn vật, ứng dụng tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI

- Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6 trên nền chuẩn truyền thông lớp vật lý IEEE802.15.4

- Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho ứng dụng tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI

- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên

mô phỏng

- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên thực nghiệm

Chương 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng

bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung

cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện,

hiện tượng trong một môi trường xác định [1] Các ứng dụng điển hình của mạng

cảm biến 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 mạng

thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường

được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường

dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt

động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt

độ cao,…)

Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác

trong trường cảm biến [1]

Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minh

họa ở hình 1.1 Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến

một 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 có thể

truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay

bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không cần

đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối

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 truyền thông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:

 Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và 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 việc

chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp trong tuyến đường đa chặng đến Sink

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Các mạng cảm biến không dây phải thực hiện việc chuyển tiếp các bản tin đến nút gốc nên các mạng này có nhiều đặc điểm gần giống với những mạng khác Mạng cảm biến không dây gần giống với mạng MANET ở một số phương diện như mạng tự tổ chức, đa chặng, phân tán và kết cấu hạ tầng mạng thường xuyên thay đổi Những đặc điểm tương đồng này kết hợp với những đặc điểm riêng của mạng cảm biến không dây đã ảnh hưởng nhiều đến việc thiết kế các giao thức định tuyến Những ảnh hưởng này bao gồm:

 Một mạng cảm biến không dây thường bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên với mật độ cao trong trường cảm biến

Do đó, rất khó có thể xây dựng một cơ chế đánh địa chỉ toàn cầu cho mạng cảm biến không dây bởi vì điều đó sẽ không hiệu quả và khó để quản lý

 Các nút cảm biến thường được triển khai ngẫu nhiên và chúng ít được bảo trì Do đó, các mạng cảm biến không dây phải tự cấu hình, tự phục hồi và vận hành theo cách phân tán

 Các nút cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng xử lý, phạm vi truyền thông và dung lượng bộ nhớ Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây khác hẳn với các mạng MANET bởi vì nguồn pin của nút cảm biến chỉ được triển khai một lần và không được nạp lại

 Mặc dù khả năng di động của các nút bị hạn chế nhưng cấu trúc liên kết mạng lại luôn thay đổi bởi vì các nguyên nhân sau: Các nút cảm biến có thể phải liên tục tiếp xúc với một môi trường khắc nghiệt dẫn đến việc hư hỏng các nút cảm biến; Các nút cảm biến có thể hết năng lượng; Bộ thu phát vô tuyến của nút cảm biến có thể đang ở chế độ ngủ; Chất lượng liên kết vô tuyến không ổn định do ảnh hưởng bởi các mạng không dây khác sử dụng cùng một dải tần số

 Các mạng cảm biến không dây chủ yếu được thiết kế để thu thập thông tin với các dòng dữ liệu chỉ theo một chiều từ các nút cảm biến đến nút gốc Đặc điểm này có thể phân biệt mạng cảm biến không dây với các mạng khác (đặc biệt là mạng MANET)

 Lưu lượng dữ liệu được tạo ra có sự dư thừa và có sự tương quan về không gian bởi vì các nút cảm biến liền kề nhau có thể tạo ra các dữ liệu giống nhau

Những đặc điểm này dẫn đến nhiều thách thức khi thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây

1.1.3 Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Một số những thách thức chính đặt ra đối với các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây đó là:

 Thời gian tồn tại dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể kéo dài

từ 1 đến 10 năm tùy thuộc vào từng ứng dụng Nguồn năng lượng được tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin Các nút cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ do vậy nguồn năng lượng của chúng bị hạn chế Điều này dẫn đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm biến Bộ thu phát vô tuyến là thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất của một nút cảm biến Do đó giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian tồn tại của toàn mạng Ngoài ra, mỗi nút cảm biến thực hiện đồng thời hai chức năng đó là: Chức năng khởi tạo dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu Một số nút bị ngừng hoạt động có thể gây ra những thay đổi nhiều về cấu trúc liên kết mạng và có thể yêu cầu phải tổ chức lại mạng Để giảm năng lượng tiêu thụ thì các thuật toán định tuyến được đề xuất cho mạng cảm biến không dây sử dụng chiến thuật định tuyến hiệu quả về năng lượng với một số cách tiếp cận khác nhau như các phương thức phân nhóm, phân công vai trò riêng cho các nút trong mạng, tập hợp dữ liệu và tập trung dữ liệu

 Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không

dây Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng lớn bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến Việc định tuyến trong các trường hợp này gặp nhiều khó khăn bởi vì các nút cảm biến có khả năng xử lý và bộ nhớ lưu trữ rất hạn chế

 Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn chế nhiều

đến các giao thức định tuyến Do đó, các thuật toán định tuyến đơn giản, gọn

nhẹ cần phải được nghiên cứu và phát triển cho các mạng cảm biến không dây Thách thức này có thể được giải quyết với một chi phí thấp bằng cách

sử dụng một số nút cảm biến có khả năng lưu trữ lớn hơn và tốc độ tính toán nhanh hơn Những mạng không đồng nhất như vậy cần phải được xem xét đến khi thiết kế giao thức định tuyến

 Các nút không đồng nhất cần phải được tính đến khi thiết kế giao thức định

tuyến cho mạng cảm biến không dây Có hai nguyên nhân chính dẫn đến việc các nút trong mạng không đồng nhất Thứ nhất là hoàn toàn có thể tăng được hiệu năng của mạng thông qua việc triển khai một số nút có năng lượng, khả năng lưu trữ và tính toán tốt hơn các nút còn lại trong mạng Các nút này đóng vai trò là các nút chủ cụm để chuyển tiếp lưu lượng của các nút khác đến nút gốc Thứ hai là sự khác biệt giữa các nút cảm biến có thể phát sinh trong quá trình hoạt động của mạng Một số nút cảm biến có thể phải thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn dẫn đến chúng bị mất năng lượng nhanh hơn các nút khác Do đó, giao thức định tuyến cần phải tránh việc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút cảm biến có mức nguồn năng lượng thấp để bù lại

sự không đồng đều về năng lượng giữa các nút trong mạng

 Sự triển khai các nút mạng trong mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào

ứng dụng Quá trình triển khai các nút cảm biến có thể là ngẫu nhiên hoặc cũng có thể được xác định trước vị trí của từng nút trong mạng Trong trường hợp đầu tiên, các nút cảm biến bị phân tán ngẫu nhiên và các tuyến đường cần phải được xác định theo cách phân tán Trong trường hợp thứ hai, các nút cảm biến được triển khai thủ công và các bản tin có thể được chuyển tiếp thông qua các tuyến đường đã được xác định trước Trong trường hợp mạng

có kích thước lớn thì việc xác định tuyến đường sẽ được phân cấp

 Khả năng chịu lỗi cũng cần phải được quan tâm khi định tuyến các bản tin

Tuy nhiên, khi một nút bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các hoạt động chung của mạng Các thuật toán định tuyến cần phải có các tuyến đường dự phòng hoặc xây dựng kịp thời một tuyến đường khác trong trường hợp liên kết mạng bị lỗi

 Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của mạng Các

nút cảm biến có thể thay đổi công suất phát để tăng phạm vi truyền nhưng cùng với đó là sự tiêu hao nhiều về nguồn năng lượng Việc gửi các bản tin với công suất phát hạn chế, qua một khoảng cách ngắn có thể kéo dài thời gian tồn tại của một nút mạng nhưng cũng làm tăng trễ truyền bản tin Ngược

lại, khi phạm vi truyền thông được mở rộng thì tổng năng lượng được sử dụng cho việc xử lý các bản tin tại các nút trung gian sẽ giảm nhưng nhiễu trong mạng cũng có thể xuất hiện nhiều hơn

 Chất lượng dịch vụ (QoS) đặc trưng cho các yêu cầu dịch vụ cần được đáp

ứng khi vận chuyển một luồng bản tin từ nguồn đến đích Tuy nhiên, những yêu cầu ràng buộc về chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây có thể rất khác so với các mạng truyền thống Các tham số chất lượng dịch vụ trong các mạng truyền thống có thể chưa đủ để mô tả chúng Ngoài các tham số cơ bản như độ trễ thì còn có một số tham số khác bao gồm: Lỗi phân loại sự kiện (các sự kiện không chỉ được phát hiện mà còn được phân loại và xác suất lỗi phân loại sự kiện cần phải thấp), trễ phát hiện

sự kiện (là độ trễ được tính từ thời điểm phát hiện một sự kiện và thời điểm gửi thông báo đến nút gốc), độ chính xác của việc bám mục tiêu (trong trường hợp ứng dụng bám mục tiêu thì vị trí của đối tượng cần phải được thông báo gần với vị trí của đối tượng trong thế giới thực nhất có thể), tỷ lệ mất các thông báo (tỷ lệ các thông báo không thể được gửi đi bởi ứng dụng)

 Vấn đề di động có thể gặp phải trong một số ứng dụng của mạng cảm biến

không dây Các nút cảm biến có thể cố định hoặc di động do đó việc định tuyến các bản tin trở nên phức tạp hơn Ngoài ra, trong một số trường hợp các nút gốc có thể di chuyển và điều này cũng cần phải tính đến khi thiết kế các mô hình định tuyến

1.1.4 Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây

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

Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn 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 tuyến công suất thấp đã được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 như là: WirelessHART, 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 nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin đến từ

các lớp vật lý sẽ được xử lý như thế nào

Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 đã xác định rõ một vài cơ chế ở lớp vật lý và lớp MAC nhưng không phải tất cả mọi chỉ dẫn đều được sử dụng rộng rãi Ví dụ chuẩn WirelessHART sử dụng các chỉ dẫn lớp vật lý và định dạng tiêu đề gói tin ở lớp MAC nhưng không phải tất cả các quy định ở lớp MAC được sử dụng

Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte Các gói tin

có kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các thiết bị với tốc

độ dữ liệu thấp Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các gói tin nên lượng 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 chuẩn 802.15.4

Các mạng IEEE 802.15.4 được chia thành các mạng PAN như hình 1.2 Mỗi mạng 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 mạng PAN để xác định mạng PAN nào mà gói được gửi đến Một thiết bị có thể tham gia vào một mạng PAN như là một điều phối viên PAN và cũng đồng thời tham gia là thành viên mạng PAN trong một mạng PAN khác

Hình 1.2: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen Mạng PAN bên phải bao

gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD 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 (RFDs) Các FFDs có nhiều khả năng

hơn RFDs và có thể đóng vai trò như một điều phối viên PAN RFDs là các thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành rẻ hơn RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs Các FFDs có thể truyền thông được với cả RFDs và FFDs

Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba loại cấu trúc mạng được hỗ trợ

là hình sao, mạng mắt lưới và hình cây nhưng hầu hết các giao thức hoạt động ở lớp trên không sử dụng các cấu hình mạng của 802.15.4 Thay vào đó, chúng xây dựng những cấu trúc liên kết mạng của riêng nó 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 bởi chuẩn IEEE 802.15.4

1.1.4.1 Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4

Mỗi nút trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 có một địa chỉ 64 bit nhận dạng thiết bị duy nhất Do kích thước gói tin bị giới hạn bởi chuẩn IEEE 802.15.4, nên độ dài 64 bit địa chỉ là không khả thi Do đó, chuẩn IEEE 802.15.4 cho phép các nút sử dụng địa chỉ 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 tin bằng cách sử dụng cả hai định dạng địa chỉ

Địa chỉ được viết dưới dạng hệ thập lục phân (Hexa) phân cách nhau bằng dấu 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 1.3 là một ví dụ về hai địa chỉ IEEE 802.15.4 là một địa chỉ dài và một địa chỉ ngắn

Hình 1.3: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4

là địa chỉ dài (64 bit) và địa chỉ ngắn (16 bit) [10]

Các địa chỉ dài là duy nhất trên thế giới và mỗi thiết bị IEEE 802.15.4 được gán một địa chỉ khi được sản xuất Mỗi nhà sản xuất yêu cầu 24 bit nhận dạng duy nhất OUI của nhà sản xuất (Organizational Unique Identifier) lấy từ tổ chức IEEE Các OUI được sử dụng như là 24 bit địa chỉ đầu tiên của thiết bị Còn lại 40 bit được gán bởi nhà sản xuất và phải là duy nhất cho mỗi thiết bị

Các địa chỉ ngắn được gán bởi các điều phối viên mạng PAN Một địa chỉ ngắn chỉ có hiệu lực trong phạm vi mạng PAN đó Tuy nhiên, một thiết bị với một địa chỉ ngắn có thể truyền thông với các thiết bị bên ngoài mạng PAN bằng cách mang thêm 16 bit định danh mạng PAN của nó và mạng PAN của thiết bị đích trong mỗi bản tin được gửi đi Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 không chỉ định bất kỳ thuật toán

cụ thể nào sẽ được sử dụng bởi một điều phối viên PAN khi gán các địa chỉ ngắn trong phạm vi mạng PAN

1.1.4.2 Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4

Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóa tín hiệu Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên tần số được cấp phép ở các nước trên thế giới cũng khác nhau Tại Hoa Kỳ, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-982MHz Tại châu Âu, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 868-868.8MHz Các nước còn lại thế giới, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau Trong mỗi băng tần có quy định một số kênh như được chỉ ra trong hình 1.4 Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu và nằm trên băng tần 868MHz 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 quy định trên băng tần 2,4 GHz Khoảng cách giữa các kênh là 5MHz

Hình 1.4: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý [10]

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 đó

các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc Trên tất cả các kênh, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp

Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến Tốc

độ bit của kênh là 0 là 20.000 bit/s Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40.000 bit/s và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s

Hình 1.5: 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 hưởng bởi 802.11 [10]

Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với chuẩn IEEE 802.11 (WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11 Bởi vì chuẩn IEEE 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nên lưu lượng theo chuẩn 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4 Hình 1.5 cho thấy sự chồng lấn giữa chuẩn 802.15.4 và chuẩn 802.11 Tất cả kênh theo chuẩn 802.15.4 ngoại trừ 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 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng của chuẩn 802.11

1.1.4.3 Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4

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 Định dạng gói tin bao gồm ba phần đó là: Phần tiêu đề, phần dữ liệu và phần kết thúc 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 lớp trên để xác định rõ Phần kết thúc khung thường chứa một kiểm tra tổng hoặc các chữ ký mật

mã Phần kết thúc khung này có thể được tính toán trong khi gói tin được truyền đi Phần kết thúc này sẽ được gửi đi sau khi phần còn lại của gói tin đã được gửi

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một định dạng gói tin chung cho tất cả các gói tin được truyền đi Định dạng gói bao gồm một 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 dạng phần tiêu đề được minh họa trong hình 1.6

Hình 1.6: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC [10] Phần tiêu đề được thêm vào bởi lớp vật lý bao gồm một mở đầu khung (Preamble), một bắt đầu giới hạn khung SFD (Start of Frame Delimiter) và một trường độ dài Mở đầu khung được sử dụng để đồng bộ hóa nút gửi và nút nhận để nút nhận có thể nhận được chính xác gói tin phía sau Bắt đầu giới hạn khung SFD báo cho nút nhận biết được sự kết thúc phần mở đầu và bắt đầu khung 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

Phần tiêu đề lớp MAC gán trực tiếp ngay sau phần tiêu đề lớp vật lý Phần tiêu đề lớp MAC có hai byte điều khiển, được gọi là điều khiển khung Phần chứa các cờ để báo cho nút nhận biết cách để phân tích được phần còn lại của tiêu đề cũng như các cờ để xác định xem các khung có cần phải xác nhận hay không Sau các byte điều khiển khung là một byte số thứ tự Số thứ tự được sử dụng để kết hợp với các gói tin xác nhận Gói tin xác nhận mang cùng số thứ tự với gói tin dữ liệu

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 nhận dạng mạng PAN phía gửi và phía nhận Tất cả các trường địa chỉ này là tùy chọn Sự có mặt của chúng được chỉ ra bởi các cờ trong trường điều khiển khung Các trường địa chỉ được sử dụng bởi phía thu để xác định xem một gói tin nhận được có phải dành cho

nó hay không Theo sau các trường địa chỉ là trường bảo mật tùy chọn chứa dữ liệu cho quá trình xử lý bảo mật, chẳng hạn như trường kiểm tra tính toàn vẹn bản tin bằng mật mã MIC (Message Integrity Check)

Dữ liệu theo sau phần mào đầu lớp MAC và nó có thể dài từ 86 đến 116 byte Độ dài của phần dữ liệu phụ thuộc vào các trường tùy chọn trong lớp MAC được sử dụng Cấu trúc phần dữ liệu trong khung 802.15.4 không được xác định bởi chuẩn IEEE 802.15.4 nhưng được xác định bởi các giao thức hoặc các ứng dụng chạy trên chuẩn 802.15.4

Ở phía cuối của gói 802.15.4 là chuỗi kiểm tra khung (FCS - Frame Check Sequence), nó chứa CRC mà lớp MAC sử dụng để kiểm tra nếu như các gói tin đến cần được loại bỏ khi có các bit lỗi

1.1.5 Mô hình tính toán cho mạng cảm biến không dây

1.1.5.1 Mô hình kênh truyền thông vô tuyến trong mạng cảm biến không dây

Các nút trong mạng cảm biến không dây truyền thông với nhau qua bộ thu phát vô tuyến Bởi vậy, mô hình kênh truyền vô tuyến đóng vai trò rất quan trọng trong bất kỳ một mô hình toán học nào cho mạng cảm biến không dây

Kênh vô tuyến giữa nút gửi u và nút nhận v được thiết lập khi và chỉ khi công suất tín hiệu vô tuyến nhận được tại nút v lớn hơn một ngưỡng cho trước, được

gọi là ngưỡng nhạy thu Công thức để xác định việc tồn tại một liên kết vô tuyến

Để đơn giản hóa các ký hiệu, ta giả sử rằng ngưỡng  có giá trị quy ước

bằng 1 Công suất nhận được tại phía thu P r phụ thuộc vào công suất phát P t và phụ

thuộc vào suy hao đường truyền Gọi PL(u,v) là suy hao đường truyền giữa nút u và nút v, chúng ta có thể viết:

( , )

t r

P P

PL u v

 (1.2)

Do đó, sự xuất hiện kênh truyền thông vô tuyến giữa hai nút mạng bất kỳ đều

có thể dự đoán được nếu mô hình suy hao đường truyền được xác định

Việc mô hình hóa suy hao đường truyền là một nhiệm vụ rất khó khăn khi thiết kế hệ thống không dây Các cơ chế ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu vô tuyến trong môi trường có thể được chia thành ba loại sau: Phản xạ và khúc xạ;

Nhiễu xạ; Tán xạ Hiện tượng phản xạ và khúc xạ xuất hiện khi sóng điện từ chạm vào bề mặt một đối tượng có kích thước lớn (khi được so sánh với bước sóng của tín hiệu vô tuyến) Ví dụ, tín hiệu vô tuyến bị phản xạ trên bề mặt của trái đất và các tòa nhà cao tầng Hiện tượng nhiễu xạ xuất hiện khi có các đối tượng sắc cạnh nằm trên đường truyền giữa phía gửi và phía nhận Hiện tượng tán xạ gây ra bởi các đối tượng có kích thước nhỏ (khi được so sánh với bước sóng của tín hiệu vô tuyến) nằm ở giữa phía gửi và phía nhận Nguồn tán xạ thường gặp như các tán lá cây, biển báo trên đường Như vậy, quá trình truyền sóng trong môi trường là một hiện tượng vô cùng phức tạp và chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố của môi trường

(a) Phản xạ và khúc xạ, (b) nhiễu xạ, (c) tán xạ [16]

Một số mô hình suy hao đường truyền đã được đề xuất và sử dụng trong truyền thông vô tuyến bao gồm: Mô hình truyền sóng trong không gian tự do, mô hình mặt đất hai tia và mô hình đường cong hàm logarit

1.1.5.2 Mô hình kết nối giữa các nút mạng cảm biến không dây dựa trên lý thuyết đồ thị

Để phát triển các thuật toán và đưa ra những chứng minh toán học về hiệu năng của mạng cảm biến không dây thì cần phải xây dựng mô hình toán cho mạng cảm biến không dây

Hiện tại, nhiều mô hình cho mạng cảm biến không dây có nguồn gốc từ lý thuyết khoa học máy tính và toán ứng dụng đã được đề xuất Một mô hình toán được sử dụng rộng rãi đối với mạng cảm biến không dây đó là mô hình toán được xây dựng dựa trên lý thuyết đồ thị Bởi vì cấu trúc liên kết của mạng cảm biến

không dây có thể được coi như một đồ thị nên các thuật toán cho mạng cảm biến không dây thường sử dụng mô hình toán từ lý thuyết đồ thị Trong mô hình lý thuyết đồ thị, các nút cảm biến đại diện cho các đỉnh và các liên kết vô tuyến đại diện cho các cạnh của đồ thị

Vấn đề đầu tiên và cũng là quan trọng nhất liên quan đến kết nối giữa các nút cảm biến đó là: Cho một tập hợp các nút cảm biến được phân tán trong trường cảm biến, chúng ta cần phải xác định những nút nào có thể nhận được sự truyền dẫn từ

một nút khác Trong mô hình toán sử dụng lý thuyết đồ thị, nếu một nút u ở trong phạm vi truyền dẫn của nút v thì chúng ta nói rằng nút u liền kề với nút v hoặc nút u

là nút lân cận của nút v Trong trường hợp không có sự can thiệp của nhiễu thì mối quan hệ này thường là đối xứng (hoặc vô hướng) Điều này có nghĩa là nếu nút u có thể lắng nghe được nút v thì nút v cũng có thể lắng nghe được nút u

Các kết nối của một mạng cảm biến không dây được mô tả bằng một đồ thị

G = (V, E), trong đó V là một tập hợp các nút cảm biến và E mô tả quan hệ liền kề

giữa các nút Với hai nút (u, v)  V, liên kết (u, v)  E nếu nút v liền kề với nút u

Trong một đồ thị không định hướng, nếu (u, v)  E thì (v, u) cũng  E Do đó, các

cạnh của đồ thị có thể được biểu diễn bởi cặp {u, v}  E

Mô hình kết nối kinh điển được sử dụng trong mạng cảm biến không dây là

mô hình đồ thị UDG (Unit Disk Graph) Trong mô hình này, các nút đều sử dụng các anten đẳng hướng có độ lợi như nhau theo mọi hướng và các nút được giả định triển khai trong một mặt phẳng có môi trường không bị cản trở Hai nút được gọi là liền kề với nhau khi và chỉ khi chúng nằm trong phạm vi truyền dẫn của nhau

Hình 1.8: Mô hình UDG [5]

Mô hình UDG (Unit Disk Graph): Cho V  R 2 là tập hợp các nút trong mặt

phẳng Euclide hai chiều Đồ thị Euclide G = (V, E) được gọi là đồ thị UDG nếu nó

có hai nút liền kề khi và chỉ khi khoảng cách Euclide của chúng lớn nhất bằng 1

Điều này có nghĩa là nếu u, v  V thì {u, v}  E khi và chỉ khi |u, v|  1 Hình 1.8

mô tả một ví dụ của mô hình UDG Nút u là liền kề với nút v (khoảng cách nhỏ hơn 1) nhưng không liền kề với nút w (khoảng cách lớn hơn 1)

1.1.5.3 Các vấn đề về nhiễu trong mạng cảm biến không dây

Trong các mạng không dây, kênh truyền thông vô tuyến được chia sẻ và các

truyền dẫn trong mạng chịu ảnh hưởng bởi nhiễu Một nút u có thể không nhận được chính xác một bản tin được gửi từ một nút liền kề v do có một truyền dẫn

đồng thời khác ở gần đó

Mô hình nhiễu sẽ diễn tả các truyền dẫn đồng thời trong mạng ảnh hưởng đến nhau như thế nào Nhiễu là một hiện tượng phức tạp với nhiều đặc điểm khó nắm bắt Ví dụ, một tín hiệu có thể ảnh hưởng đến chính nó do có hiện tượng truyền sóng vô tuyến đa đường Mô hình nhiễu được chấp nhận và được sử dụng rộng rãi bởi các nhà nghiên cứu về lý thuyết thông tin là mô hình vật lý hay mô hình SINR (Signal-to-Interference Plus Noise) Trong mô hình này, tỷ lệ tiếp nhận thành công một bản tin phụ thuộc vào cường độ tín hiệu nhận được, mức độ tạp âm xung quanh

và nhiễu gây ra bởi sự truyền dẫn đồng thời của các nút mạng

Mô hình SINR [5]: Gọi P r là công suất tín hiệu nhận được bởi nút v r và I r biểu thị

nhiễu sinh ra bởi các nút khác, N là mức công suất tạp âm của môi trường xung quanh Khi đó, nút v r nhận được một truyền dẫn khi và chỉ khi:

r r

suất tín hiệu nhận được P r là một hàm giảm theo khoảng cách d(v s , v r ) giữa nút gửi

v s và nút nhận v r Cụ thể hơn, công suất tín hiệu nhận được có thể được mô hình hóa

suy hao theo khoảng cách d(v s , v r ) là 

) , (

1

r

s v v

d Trong đó  là hằng số mũ suy hao đường truyền có giá trị từ 2 đến 6 phụ thuộc vào điều kiện môi trường truyền sóng

cũng như khoảng cách chính xác giữa nút gửi và nút nhận Gọi P i là mức công suất

truyền của nút v i Một bản tin được truyền từ nút v s  V sẽ được tiếp nhận thành

công bởi nút v r nếu:

Trong mô hình SINR, nút nhận sẽ nhận được chính xác một truyền dẫn nếu công suất tín hiệu nhận được (phụ thuộc vào công suất phát và khoảng cách giữa nút gửi và nút nhận) đủ lớn so với công suất tín hiệu của các truyền dẫn đồng thời khác và mức độ tạp âm xung quanh

Mặc dù mô hình SINR kết hợp đầy đủ nhiều tính chất vật lý quan trọng của môi trường nhưng nó không được sử dụng nhiều trong cộng đồng nghiên cứu thuật toán cho mạng cảm biến không dây Nguyên nhân chính là do mô hình SINR quá phức tạp Ví dụ như, có rất nhiều truyền dẫn khác nhau được tổng hợp và có thể từng cặp nút gửi - nhận gần nhau có ảnh hưởng đến nhau Trong thực tế, những truyền dẫn khác nhau này thường chỉ tạo thêm tạp âm trong môi trường xung quanh

và không cần thiết phải tính riêng như vậy

Một mô hình đơn giản hơn được sử dụng phổ biến đó là mô hình UDI (UDG with Distance Interference) Mô hình UDI là một dạng của mô hình UDG có xét đến tác động của nhiễu

Mô hình UDG với nhiễu khoảng cách (UDI): Các nút được phân bố tùy ý trong

mặt phẳng Hai nút có thể truyền thông trực tiếp với nhau khi và chỉ khi khoảng cách Euclide lớn nhất bằng 1 và nếu như phía thu không bị ảnh hưởng bởi một nút thứ ba với khoảng cách Euclide nhỏ hơn hoặc bằng một hằng số R 1

Hình 1.9: Mô hình UDI [5]

Hình 1.9 mô tả một ví dụ mô hình UDI với hai bán kính: Một bán kính truyền dẫn (bằng 1) và một bán kính nhiễu (R 1) Trong ví dụ này, nút v không thể nhận được một truyền dẫn từ nút u nếu nút x truyền dữ liệu đồng thời đến nút w mặc

dù nút v không liền kề với nút x

1.2 Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP

1.2.1 Giới thiệu về kiến trúc IP

Kiến trúc TCP/IP được thiết kế cách đây khoảng 35 năm và bây giờ được sử dụng trên hàng tỷ thiết bị trên khắp thế giới từ các thiết bị cầm tay, máy tính xách tay đến các siêu máy tính Kiến trúc phân lớp được biết đến với mô hình năm lớp hiện nay của giao thức TCP/IP và mô hình OSI bảy lớp được minh họa ở hình 1.10

Hình 1.10: Sự phân lớp trong TCP/IP và OSI [10]

 Lớp vật lý (Physical Layer): Cung cấp các phương tiện điện, cơ, chức năng, thủ tục để kích hoạt, duy trì và dừng liên kết vật lý giữa các hệ thống Ở đây, các thuộc tính điện liên quan đến sự biểu diễn các bit (các mức thế tín hiệu)

và tốc độ truyền các bit Thuộc tính cơ liên quan đến các tính chất vật lý của giao diện đường truyền (kích thước, cấu hình) Thuộc tính thủ tục liên quan đến giao thức điều khiển việc truyền các bit qua đường truyền vật lý

 Lớp liên kết (Link Layer): Lớp liên kết có trách nhiệm chuyển tiếp các gói tin IP trên một liên kết giữa hai thiết bị Công việc này bao gồm một số chức năng như điều khiển truy cập kênh truyền (MAC), phát hiện lỗi và đôi khi yêu cầu truyền lại, điều khiển luồng Thông tin của giao thức lớp liên kết được thêm vào trong định dạng khung mang gói tin IP Lớp liên kết có thể cung cấp dịch vụ Điểm – Điểm hoặc Điểm – Đa điểm

 Lớp mạng (IP): Chịu trách nhiệm cung cấp một dịch vụ không đáng tin cậy

để gửi một gói tin giữa nguồn và đích qua mạng trong đó các host và các bộ định tuyến được xác định duy nhất bởi một địa chỉ IP (IPv4 hoặc IPv6) Định tuyến là một trong những nhiệm vụ chính được thực hiện bởi lớp IP Các giao thức như ICMP (Internet Control Message Protocol) và IGMP (Internet

Group Membership Protocol) cho lưu lượng đa điểm đều được coi là phần của lớp IP

 Lớp giao vận (Transport Layer): Chịu trách nhiệm duy trì trạng thái truyền thông giữa hai thiết bị đầu cuối TCP (Transport Control Protocol) là một giao thức kiểu “có liên kết”, nghĩa là cần phải thiết lập liên kết logic giữa hai thực thể TCP trước khi chúng trao đổi dữ liệu với nhau TCP cung cấp một

cơ chế vận chuyển đáng tin cậy với cơ chế phát hiện lỗi và phát lại, điều khiển luồng sử dụng kỹ thuật cửa sổ trượt, các cơ chế bảo mật… Ngược lại, UDP (User Datagram Protocol) là giao thức “không liên kết” được sử dụng thay thế TCP theo yêu cấu của từng ứng dụng Khác với TCP thì UDP không cung cấp các cơ chế báo nhận, không sắp xếp tuần tự các đơn vị dữ liệu đến

và có thể dẫn đến tình trạng mất hoặc trùng dữ liệu Một số giao thức giao vận khác đã được phát triển như giao thức SCTP (Stream Control Transmission), giao thức giao vận thời gian thực RTP (Real Time Protocol)

 Lớp ứng dụng (Application Layer): Đề cập đến các giao thức mức cao hơn

để hỗ trợ các ứng dụng Có nhiều giao thức lớp ứng dụng khác nhau như giao thức truyền tập tin FTP (File Transfer Protocol), TFTP (Trial File Transfer Protocol), giao thức quản lý mạng SNMP (Simple Network Management Protocol), giao thức truyền tải siêu văn bản (HTTP – Hypertext Transfer Protocol), và giao thức đăng nhập các máy tính ở xa Telnet

1.2.2 Ưu điểm của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP

1.2.2.1 Khả năng cộng tác

Khả năng cộng tác là một đặc điểm nổi bật của kiến trúc giao thức IP Khả năng cộng tác có được bởi vì kiến trúc giao thức IP chạy trên nhiều lớp liên kết khác nhau và kiến trúc giao thức IP hỗ trợ khả năng tương tác với các mạng, các ứng dụng và các giao thức hiện có

Kiến trúc giao thức IP đã được thiết kế để hỗ trợ khả năng cộng tác ở lớp mạng bởi vì nó làm việc bên trên các lớp liên kết khác nhau Một mạng IP hoạt động trên nhiều loại kênh truyền như Ethernet hay WiFi Với kiến trúc giao thức IP, một mạng IP hoạt động trên cả hai lớp liên kết có dây và không dây Hoạt động trên nhiều phương tiện truyền dẫn luôn luôn là mục tiêu chính của kiến trúc giao thức IP

Khả năng cộng tác bên trong và giữa các lớp liên kết khác nhau là rất quan trọng đối với mạng cảm biến không dây Các mạng cảm biến không dây mở rộng bao gồm từ các nút không dây công suất thấp đến các máy chủ tập trung dữ liệu Bởi tính chất khác nhau cơ bản của những thiết bị này nên chưa chắc chúng sẽ chia

sẻ một lớp liên kết duy nhất Một nút cảm biến không dây công suất thấp thường chạy ở chế độ công suất thấp và lớp liên kết vô tuyến tốc độ dữ liệu thấp, trong khi các máy chủ tập trung dữ liệu chạy trên một mạng có dây Ethernet tốc độ cao Tuy nhiên, các hệ thống này cần phải giao tiếp với nhau Do có kiến trúc phân lớp nên kiến trúc giao thức IP cung cấp khả năng cộng tác giữa các thiết bị này mà không cần bất kỳ máy chủ đặc biệt nào hoặc các cổng kết nối, các phần mềm tùy chỉnh nào

để kết nối các hệ thống với nhau

Hình 1.11: Kiến trúc giao thức IP với khả năng cộng tác trên các thiết bị và các cơ

chế truyền thông khác nhau [1]

Đặc điểm thứ hai của khả năng cộng tác trong kiến trúc giao thức IP là việc kiến trúc giao thức IP đang được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống kết nối mạng ngày nay Do đó, một thiết bị có khả năng kết nối IP có thể cộng tác với một lượng lớn các thiết bị, các máy tính và các máy chủ Kiến trúc giao thức IP không chỉ là giao thức chuẩn cho mạng Internet mà nó còn là chuẩn giao thức phổ biến được sử dụng cho mạng máy tính khác bên ngoài Internet Các mạng cảm biến không dây trên nền IP có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị nào mà không cần sự bổ sung nào về phần cứng hoặc phần mềm

Việc tiêu chuẩn hóa đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với sự thành công trong khả năng cộng tác của kiến trúc IP Kiến trúc IP được chuẩn hóa bởi một

tổ chức tiêu chuẩn quốc tế nhằm cung cấp các cơ chế mà nhờ đó các tiêu chuẩn mới được xem xét lại và hiệu chỉnh

1.2.2.2 Một kiến trúc phát triển và linh hoạt

Khả năng phát triển và tính linh hoạt trong các ứng dụng của kiến trúc giao thức IP là dựa vào nguyên lý đầu cuối Ngay từ đầu kiến trúc giao thức IP đã được thiết kế để cho phép các giao thức và các cơ chế lớp ứng dụng phát triển độc lập với