Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng

Các bước tiến mạnh mẽ về truyền thông cộng với các biến với số lượng lớn, giá thành hạ, công suất tiêu thụ thấp đã thúc đẩy mạnh mẽ Mục đích nghiên cứu của luận văn Đối tượng nghiên cứu

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ VĂN SANG

NGHIÊN C ỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành : Điện tử tin học

M ục lục

Mục lục 2

Danh mục hình vẽ 3

Danh mục từ kí hiệu, viết tắt 4

Lời mở đầu 6

Phần Mở Đầu 7

Lý do chọn đề tài 7

Quá trình phát triển của mạng cảm biến không dây 7

Mục đích nghiên cứu của luận văn 8

Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9

Tóm tắt cơ bản nội dung 9

Phương pháp nghiên cứu 10

Phần nội dung luận văn 11

Chương 1: Tổng quan và ứng dụng của mạng cảm biến không dây 11

1.1 Tổng quan về kĩ thuật mạng cảm biến không dây (WSNs) 11

1.1.1 Công nghệ Sensor Network 11

1.1.2 Các thành phần cơ bản của cấu trúc mạng cảm biến 15

1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến 19

1.2.1 Ứng dụng trong quân sự, an ninh và thiên nhiên 20

Chương 2: Các kĩ thuật trong mạng cảm biến không dây 22

2.1 Các kĩ thuật được sử dụng trong WSNs 22

2.2 Kĩ thuật cảm biến không dây 22

2.2.1 Các node cảm biến 22

2.2.2 Phần cứng và phần mêm trong WSNs 24

2.2.3 Phân loại cảm biến 26

2.2.4 Môi trường hoạt động của sensor 27

2.2.5 Xu hướng phát triển của các node 28

2.3 Kĩ thuật truyền dẫn không dây 28

2.3.1 Quá trình truyền sóng 28

2.3.2 Điều chế tín hiệu 31

2.2.3 Các công nghệ không dây hiện nay 32

2.3 Giao thức điều khiển truy nhập mạng WSNs 33

2.3.1 Mô hình giao thức cho WSNs 34

2.3.2 Giao thức MAC 35

2.3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs 47

2.3.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC (S - MAC) 51

2.4 Định tuyến trong mạng WSNs 55

2.4.1 Đặt vấn đề 55

2.4.2 Thiết kế định tuyến trong mạng WSNs 57

2.4.3 Giao thức định tuyến trong WSNs 57

2.4.4 Các kĩ thuật định tuyến 59

Chương 3: Thiết kế hệ thống WSNs 64

3.1 Đặc tả yêu cầu của hệ thống 64

3.1.1 Yêu cầu chức năng 64

3.1.2 Yêu cầu phi chức năng 64

3.2 Thiết kế hệ thống 65

3.2.2 Khối mạch vào: 67

3.2.4 Khối cao tần 68

3.2.5 Khối xử lý trung tâm (ở bộ xử lý trung tâm) 68

3.2.6 Khối hiển thị 68

3.2.7 Khối phím bấm 68

3.2.8 PC 68

3.2.9 Giao thức mạng (protocol) 68

3.3 Thiết kế chi tiết 69

3.3.1 Thiết kế phần cứng 69

3.3.2 Thiết kế giao thức mạng 82

3.3.3 Tiết kiệm năng lượng trong mạng 83

Tổng kết 84

Tài liệu tham khảo 84

Danh mục hình vẽ Hình 1: Bảng thống kế số liệu các nghiên cứu về WSN [1] 12

Hình 2: Mô hình cấu trúc mạng [1] 15

Hình 3: Sơ đồ khối của mỗi node 16

Hình 4: Sơ đồ khối giao thức chung cho mạng cảm biến 18

Hình 5: Các giao thức có thể dùng cho Lower-Layer WSNs 18

Hình 6: Ứng dụng của sensor network trong an ninh quốc phòng và luật pháp [1] 21

Hình 7: Ứng dụng WSNs trong các thiêt bị quân sự 21

Hình 8: Sơ đồ phát triển của một loại cảm biến 24

Hình 9: Sơ đồ khối phần cứng và phần mềm trong WSNs [1] 25

Hình 10: Mô tả các công nghệ cảm biến 27

Hình 11: Quá trình truyền sóng trong không gian 29

Hình 12: Bảng suy hao do va sóng điện từ va chạm với các vật cản theo tấn số 30

Hình 13: Minh họa quá trình truyền sóng 30

Hình 14: Sơ đồ đánh giá hiệu quả của các dạng điều chế 32

Hình 15: Bảng so sánh các giao thức 33

Hình 16: Đồ thị so sánh các chuẩn truyền dẫn không dây phổ biến 33

Hình 17: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu 35

Hình 18: Giao thức TDMA dùng trong WSNs 48

Hình 19: Khung thời gian hoạt động của Node 53

Hình 20: Các ứng dụng của mạng WSNs [1] 56

Hình 21: Truyền dữ liệu đa chặng 57

Hình 22: Mô hình Flooding 60

Hình 23: Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN 62

Hình 24: Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN - PP 63

Hình 25: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 65

Hình 26: Cảm biến nhiệt độ LM35 66

Hình 27: Cảm biến ánh sáng OPT101 66

Hình 28: LED thu phát hồng ngoại 67

Hình 29: Bộ thu phát RF 68

Hình 30: Sơ đồ khối tổng quát 1 mạch cảm biến 69

Hình 31: Mạch nguyên lý cảm biến LM35 70

Hình 32: Sơ đồ nguyên lý khối CPU node mạng 71

Hình 33: Sơ đồ nguyên lý khối RF 71

Hình 34: Sơ đồ nguyên lý node mạng đo nhiệt độ 72

Hình 35: Sơ đồ mạch in node đo nhiệt độ 73

Hình 36: Nguyên lý mạch vào sensor đo ánh sáng 73

Hình 37: Sơ đồ nguyên lý node mạng đo ánh sáng 74

Hình 38: Sơ đồ mạch in mạch đo ánh sáng 75

Hình 39: Mạch vào node mạng phát hiện vật 76

Hình 40: Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện vật 76

Hình 41: Sơ đồ mạch in mạch phát hiện vật 77

Hình 42: Sơ đồ khối tổng quan khối xử lý trung tâm 77

Hình 43: Sơ đồ nguyên lý khối CPU mạch xử lý trung tâm 78

Hình 44: Mạch nguyên lý khối hiển thị 78

Hình 45: Mạch nguyên lý khối giao tiếp máy tính 79

Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm 79

Hình 47: Sơ đồ mạch in mạch xử lý trung tâm 80

Hình 48: Sơ đồ nguyên lý mạch gửi tin nhắn SMS 81

Hình 49: Sơ đồ mạch in mạch gửi nguyên lý SMS 81

Hình 50: Sơ đồ khối mô tả giao thức truyền dẫn 82

Hình 51: Sơ đồ mô tả quá trình truyền bản tin của node mạng 83

Danh m ục từ kí hiệu, viết tắt

API Application Programming Interface

CDMA Code Division Multiple Access

CSMA Carrier Sense Multiple Access

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

IrisNet Internet-Scale Resource-Intensive Sensor Networks Services ITU International Telecommunication Union

LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy

LR-WPANs

Low Rate Wireless Personal Area Networks

MiLAN Middleware Linking Application and Network

RFID Radio Frequency Identify Device

S-MAC sensor Medium access control

SMACS Self-Organizing Medium Access Control for Sensornets TDMA Time Division Multiple Access

L ời mở đầu

thông tin kết hợp với hàng loạt những phát minh khoa học kĩ thuật trong thời gian gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với các chức năng và đặc tính mới như: Giá thành thấp, kích thước nhỏ, độ chính xác cao và tiêu thụ năng lượng thấp Công nghệ điều khiển và cảm biến gồm các hệ cảm biến có dây, cảm biến không dây đang phát triển rất mạnh

giảm kích thước, trọng lượng cảm biến và giảm chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả năng hoạt động và độ chính xác

Hệ thống cảm biến không dây là hệ thống cảm biến tích hợp nhiều cảm biến khác nhau

sẵn nào Qua đó đảm bảo tính bảo mật cao của hệ thống mạng cảm biến không dây

chất độc hại hay theo dõi các thông tin môi trường dùng trong nghiên cứu cũng như

Xuất phát từ thực tế này, em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến

không dây và ứng dụng” Trong luận văn em trình bày các kĩ thuật xây dựng hệ thống

mạng cảm biến từ đơn giản đế phức tạp Qua đó trình bày một hệ thống WSN đơn giản

cũng như tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài

Ph ần Mở Đầu

Lý do ch ọn đề tài

môi trường hay của vật chất một cách liên tục trong điều kiện khắc nghiệt, thậm chí độc

giúp giảm sức người lao động cũng như nâng cao chất lượng công việc

lực lượng đối địch Việc này không thể thực hiện dựa vào sức người, đòi hỏi sự trợ giúp

giám sát như: quản lý ô nhiễm môi trường, theo dõi, cảnh báo các thiên tai

biến trong thời gian gần đây, tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến

Quá trình phát triển của mạng cảm biến không dây

trình phát triển của mạng có thể phân tách ra các giai đoạn như sau:

được triển khai ở Bắc Mỹ

 Sự thúc đẩy mạnh mẽ cho nghiên cứu mạng cảm biến vào đầu những năm 1980

 Sự phát triển các ứng dụng trong quân sự: Vào những năm 1980 – 1990, đây có

DARPA-DSN

ứng dụng thương mại Các bước tiến mạnh mẽ về truyền thông cộng với các

biến với số lượng lớn, giá thành hạ, công suất tiêu thụ thấp đã thúc đẩy mạnh mẽ

Mục đích nghiên cứu của luận văn

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, phương pháp thiết kế hệ thống mạng cảm

phần công nghệ, giao thức cũng như điều kiện hoạt động trong mạng cảm biến không dây

Kết quả cuối cùng của luận văn là đưa ra phương pháp thiết kế một mạng cảm biến không dây Các phương án thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm cũng như các

không dây đơn giản minh chứng cho các nghiên cứu trong luận văn

xử lý trung tâm thông qua giao thức mạng cảm biến không dây Từ bộ xử lý trung tâm

thuê bao được nạp sẵn thông số môi trường khi có điều kiện bất thường xảy ra

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

các ứng dụng trong rất nhiều ngành khoa học kĩ thuật cũng như đời sống xã hội như:

Tóm t ắt cơ bản nội dung

Nghiên cứu và thiết kế chi tiết một hệ thống mạng cảm biến không dây hoàn chỉnh trên

thời gian, kiến thức nhất định cùng vấn đề tài chính Trong phạm vi kiến thức có hạn,

đề tài chỉ thực hiện một số nội dung cơ bản sau:

 Nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng

lượng node mạng it (3 node mạng) và một bộ xử lý trung tâm cùng với giao thức

các node mạng Bộ xử lý trung tâm nhận dữ liệu, xử lý, truyền lên máy tính và

Phương pháp nghiên cứu

Trong luận văn, học viện đã thực hiện các phương pháp nghiên cứu như sau:

Việt Nam và trên thế giới

trường và trên mạng intenet

dẫn của giảng viên hướng dẫn, học viên đã nghiên cứu tổng quan, thiết kế demo,

Ph ần nội dung luận văn

Chương 1: Tổng quan và ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.1 Tổng quan về kĩ thuật mạng cảm biến không dây (WSNs)

biến trường điện từ, cảm biến tần số, vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các

lượng rất lớn

lượng (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kì nhiện vụ ngắn, quan hệ đa điểm – điểm,

(1-100 nm) đến kích thước lớn mắt thường có thể quan sát

ứng dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao Ngày nay, các ứng dụng WSN mở rộng cho các ứng dụng thương mại nên việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thương mại cao cho WSN

đây cho ở hình 1

Hình 1: B ảng thống kế số liệu các nghiên cứu về WSN [1]

cấp năng lượng cho các node bị giới hạn Các mô hình không dây, có mạch tiêu thụ năng lượng thấp được ưu tiên phát triển Hiệu quả sử dụng công suất của WSN về tổng

• Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm suy hao

WSN đã được phân ra làm 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nodes

sử dụng:

khác

Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4.Hoạt động tại

liệu với tốc độ lên đến 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet Zigbee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như là Bluetooth, Wifi,

Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát triển

kiện ở thế giới thực Ở MANETs chủ yếu là dữ liệu

người sử dụng

coi như một phần trong MANETs

1.1.2 Các thành phần cơ bản của cấu trúc mạng cảm biến

đặt trong ngữ cảnh của mô hình WSNs dạng 1 (C1WSNs) đã được giới thiệu ở phần trước Đây là mô hình với số lượng lớn cảm biến trong mạng, chứa dữ liệu nhiều, dữ liệu không thật hoàn hảo, khả năng hư hỏng các node cao, cũng như khả năng bị nhiễu

trên cải tiến về cảm biến, thông tin, và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng

Hình trên mô tả mô hình cấu trúc của mạng cảm biến thường dùng Các cảm biến liên

node trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lý chính Nhờ vậy, năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn Tuy nhiên, có thể

khó khăn hơn

Để thực hiện các chức năng của một node mạng, mỗi node được thiết kế với sơ

đồ khối tổng quan như sau:

Hình 3: Sơ đồ khối của mỗi node

biến Sensor có chức năng cảm biến các thông số của môi trường xung quanh

• ADC: Chuyển hóa dạng tín hiệu từ tương tự sang số

đặc biệt cho các node mạng sensor network Hệ điều hành sử dụng trong các

các thông số: Dung lượng nhỏ, dễ dàng thiết lập (VD: TinyOS)

hệ thống Vị trí các node cảm biến hầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức

phải thấp nhất đến mức có thể Chủ yếu tập trung vào giao thức định tuyến, bởi vì định

mạng) Hầu hết các giao thức dùng cho mạng cảm biến không dây được xây dựng theo

sơ đồ khối sau:

Hình 4: Sơ đồ khối giao thức chung cho mạng cảm biến

Mô hình mạng trên tương tự như mô hình mạng OSI Rất nhiều giao thức đã được thiết

Hình 5: Các giao thức có thể dùng cho Lower-Layer WSNs

Hình 5 nêu ra một số giao thức có thể ứng dụng cho Lower-Layer WSNs So sánh giữa

băng thông tối đa Mặc dù cảm biến có giá thành ngày càng thấp, nhưng vẫn còn thiếu

liệu, quản lý cơ sở dữ liệu, kỹ thuật truy vấn và lưu trữ dữ liệu.Trong môi trường mạng

dùng cho các mô hình lưu trữ dữ liệu phân bố Dữ liệu cần được đánh chỉ số cho việc

mật được đặt lên hàng đầu Gần đây, mạng cảm biến không dây được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực khác của đời sống xã hội nên các tiêu chuẩn về bảo mật có đôi chút thay đổi xong vẫn được rất quan tâm

1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến

sinh hóa

xa… Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sưởi

ấm …

1.2.1 Ứng dụng trong quân sự, an ninh và thiên nhiên

được thả từ trên không xuống khu vực cần theo dõi, mạng lưới các cảm biến sẽ cho biết

xác đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các hoạt động tìm kiếm

Các ứng dụng an ninh bao gồm phát hiện sự xâm nhập và truy bắt tội phạm:

phương, chất nổ và các thông tin khác

Hình 6: Ứng dụng của sensor network trong an ninh quốc phòng và luật pháp [1]

Trên đây là thí dụ điển hình cho việc ứng dụng các kĩ thuật cảm biến không dây vào trong quân sự và các hoạt động xã hội khác Ngày nay, với sự phát triển ngày càng cao

ứng dụng sâu sắc vào trong đời sống

Chương 2: Các kĩ thuật trong mạng cảm biến không dây

Để xây dựng lên một mạng cảm biến không dây, có rất nhiều các kĩ thuật được sử dụng đến Xét trên mô hình tổng quát của mạng như hình 1.2, ta có thể phân chia các kĩ thuật được sử dụng thành các nhóm sau:

• Các giao thức điều khiển giao vận cho mạng cảm biến không dây

• Phần mềm cho mạng cảm biến không dây

• Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây

2.2 Kĩ thuật cảm biến không dây

và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các

suất, cường độ ánh sáng… tại nơi khảo sát

nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của

xe con, xe tải, hay xe buýt, …

Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế nào, tùy theo yêu cầu và

lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khối… Cảm biến có thể được đưa ra bên ngoài môi trường nguy hại, môi trường có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn, môi trường hóa

sản xuất Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm trường điện và từ; cảm biến sóng

hướng mục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa…

Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tin cậy là

nghệ chế tạo cảm biến cũng phải phát triển nhanh để đáp ứng với các yêu cầu ngày càng đa dạng của người sử dụng

Hình 8: Sơ đồ phát triển của một loại cảm biến

tích hợp cảm biến Các năm tiếp theo, kích thước node giảm đi rất nhiều Với sự phát

lượng tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng, khả năng xử lý, độ ổn định cao hơn…Những

(ngu ồn SpeckNet research)

Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có:

các phần cấu tạo nên node cảm biến thông thường gồm phần cứng và phần mềm Trong đó:

o Lưu trữ và tính toán: Phục vụ cho các chức năng xử lý, điều chế số, định tuyến…

riêng cho mạng WSNs

của phần tử cảm biến

thước, công suất, khả năng xử lý, chế độ hoạt động, giao thức định tuyến…

lại

Bộ xử lý,lưu trữ trung bình

Đa chức năng,cảm biến thông số hóa sinh

Đa đường/lưới

MAC

Định tuyến động Trung

Đa chức năng,cảm biến thông số vật lý- hóa-sinh

Đa đường/ lưới;

Định tuyến động Nhỏ

giờ

Bộ xử lý mức cao, lưu trữ trung bình

Đa chức năng,cảm biến thông số vật lý

Đa đường/ lưới;

MAC

Định tuyến động

Đa chức năng, cảm biến thông số hóa- sinh

Đa đường / lưới;

MAC

Định tuyến tĩnh

Đa chức năng, cảm biến thông số vật lý- hóa-sinh

Đa đường /lưới;

Một chức năng, cảm biến

Không di động

Bộ xử lý trung bình, lưu trữ mức

lưu trữ mức thấp

Một chức năng, cảm biến

Hình 10: Mô tả các công nghệ cảm biến

Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố:

thống

đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu hoạt động tại node

hư hỏng các node có thể làm sai dữ liệu Sự sắp đặt các node gây sai lệch hoạt động node

Để mạng WSNs có thể được triển khai rộng rãi với qui mô lớn, kích thước, giá thành và công suất tiêu thụ của node phải giảm đáng kể và sự “thông minh” của node phải tăng

Sự thu nhỏ kích thước, giá thành là vấn đề quan trọng hàng đầu Xu hướng tích hợp

hơn

như: Mạng internet, 3G… có thể sẽ đem đến những ứng dụng linh hoạt hơn Các

biến phân bố, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại, hỗ trợ hiệu quả cho các

2.3 Kĩ thuật truyền dẫn không dây

Mạng WSNs có thể sử dụng một số công nghệ truyền dẫn không dây được thiết kế sẵn

LANs (WLAN)/hotspots, broadband wireless access (BWA)/Wimax, và 3G Ngoài ra,

2.3.1 Quá trình truyền sóng

tự do Sóng phát ra từ nguồn, đi theo tất cả các hướng theo đường thẳng thẳng, năng lượng thay đổi tỉ lệ nghịch với khoảng cách [1/(distance)2]; suy hao do nhiễu của môi trường tác động

Hình 11: Quá trình truyền sóng trong không gian

trở bởi bề mặt vật thể có nhiều đỉnh, góc nhọn

Những hiện tượng này gây ra méo dạng và giảm công suất tín hiệu Sự dao động năng lượng tín hiệu gây ra do tín hiệu thu được là sự kết hợp sóng phản xạ từ các hướng khác

nhau và các thành phần nhiễu xạ, phân bố rải với tín hiệu hướng trực tiếp gọi là nhiễu

đa đường (multipath) Điều này ảnh hưởng đến cả máy thu di động lẫn cố định, máy thu đặt trong nhà hay ngoài trời Sự suy hao do đặc tính sóng điện từ suy hao theo khoảng

Đặc tính kênh truyền thay đổi theo không gian và thời gian Tất cả các hiện tượng nói

Hình 12: Bảng suy hao do va sóng điện từ va chạm với các vật cản theo tấn số

hình 13), do đó có thể không phân biệt được tín hiệu cần thu Tuy nhiên, rời anten máy

chất lượng tín hiệu

Hình 13: Minh họa quá trình truyền sóng

Vấn đề đa đường trong cao tần có thể bớt ảnh hưởng bằng cách nâng cao chất lượng của

 Thiết kế hệ thống vô tuyến

 Môi trường, các tòa nhà cũng ảnh hưởng lớn đến quá trình truyền sóng

2.3.2 Điều chế tín hiệu

Điều chế là quá trình làm biến thiên một hay một vài thông số của sóng mang theo sự biến thiên của tín hiệu Bằng cách này, ta có thể truyền sóng mang với tần số lớn và

Thông thường, tín hiệu cần truyền ở băng tần cơ bản (baseband) còn tín hiệu sóng

Dạng điều chế thường được dùng là điều chế biên độ (AM), điều chế tần số (FM), điều

thành QAM (quadrature amplitude modulation)

Đôi với kênh truyền số, dung lượng kênh truyền tối đa C của hệ thống đơn sóng mang

C=Wlog2(1+S/N) Trong đó: S là công suất tín hiệu thu được

N là công suất nhiễu (kênh truyền giả sử có tác động nhiễu cộng Gaussian)

Đối với mỗi kĩ thuật điều chế khác nhau sẽ phù hợp với từng loại ứng dụng khác nhau Người thiết kế sẽ dựa trên các yêu cầu của người sử dụng, điều kiện làm việc của thiêt

bị, và chi phí cũng như công nghệ được sử dụng để quyết định sử dụng loại điều chế nào Sau đây là sơ đồ thống kê về các loại điều chế khác nhau:

Hình 14: Sơ đồ đánh giá hiệu quả của các dạng điều chế

Hiện nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, cộng với nhu cầu của người sử dụng ngày càng tăng cao Vì vậy, đã có rất nhiều các chuẩn giao tiếp không dây được ra đời

và được sử dụng khá rộng rãi như: IEEE 802.15.1(Bluetooth), IEEE802.11a/b/g/n wireless LANs, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Man-scope IEEE 802.16 (WiMax) và kỹ thuật

dây Sau đây là thông số của mỗi công nghệ truyền dẫn:

Hình 15: Bảng so sánh các giao thức

Hình 16: Đồ thị so sánh các chuẩn truyền dẫn không dây phổ biến

năng xử lý và thông tin

Việc khai thác để sử dụng hiệu quả các lợi ích tiềm năng của mạng WSNs đòi hỏi khả

thức mạng và liên lạc hiệu quả cho WSNs trở thành điều quan trọng để mang lại thành

đường để truyền dữ liệu đòi hỏi phải tạo sự liên lạc giữa các node lân cận Không giống thông tin trong mạng có dây dẫn, mạng không dây dựa trên truyền sóng điện từ qua môi trường không khí, tuân theo các đặc tính truyền sóng Việc đối xử với các node trong

khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) là cần thiết

tính của mạng quyết định

2.3.1 Mô hình giao thức cho WSNs

Đặc đểm kênh truyền chỉ cho phép một node truyền thông điệp tại một thời điểm xác định Việc chia sẻ truy cập kênh truyền cần phải xây dựng giao thức MAC cho các node

Model_OSIRM), giao thức MAC xây dựng ở lớp thấp của lớp liên kết dữ liệu (Data

thức của mạng, đặc tính kênh truyền, và chất lượng cung cấp cho ứng dụng

thu nhận bit Chức năng chủ yếu lớp PHY bao gồm các qui ước về điện, mã hóa và khôi

Lớp MAC nằm ngay trên lớp vật lý Cung cấp các chức năng sau:

về địa chỉ và trường kiểm soát lỗi

Hình 17: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu

Điều chỉnh truy cập đối với kênh truyền chia sẻ theo cách phù hợp với đòi hỏi về đặc điểm của ứng dụng

ngăn cách lớp cao với các lớp thấp hơn phía dưới, do đó tạo ra khả năng hoạt động giữa các dạng khác nhau của mạng

Một khó khăn chủ yếu ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức MAC để chia sẻ đa truy

đến một phần dung lượng kênh truyền

overhead (phần đầu khung cần thêm vào) đòi hỏi thay đổi truy cập giữa các node có nhu

node trong mạng biết được trạng thái hiện tại của các node khác

cập và phần overhead , ảnh hưởng đến tập hợp của các giao thức đa truy cập phân bố

định Do đó, cần có sự tương nhượng giữa hai yếu tố này

nó Thông tin có thể được quyết định trước (predetermined), tính động trên toàn mạng

tất cả các node liên lạc trong mạng Thông tin động được thu thập bởi các node trong

đó Thông tin quyết định trước và động có thể tạo ra sự hiệu quả, tạo sự hợp tác hoạt động hoàn hảo giữa các node Tuy nhiên, việc sử dụng các dạng này thường phải trả giá

hạn chế chất lượng của giao thức Như vậy, cần sự tương nhượng giữa tính hiệu quả của

2.3.2.1 Các thông số

trọng như độ trễ, khả năng lưu thông, tính chắc chắn, khả năng mở rộng, tính ổn định và

Thời gian trễ la lượng thời gian cần thiết để gói dữ liệu được xử lý bởi lớp MAC

trước khi nó được phát thành công Trễ không chỉ phụ thuộc vào lưu lượng tại trong

thời gian, giao thức MAC cần phải cung cấp lượng biên trễ đảm bảo cho các ứng dụng

Thời gian trễ theo xác suất mô tả bởi một giá trị kỳ vọng, độ lệch và khoảng tin cậy

đến và thông điệp truyền đi Do đó, tất định đảm bảo một biên trên cho thời gian truy cập Sự tất định là yêu cầu quan trọng trong các hệ thống thời gian thực, ở đó sự chính

Lưu lượng định nghĩa là tốc độ thông điệp được lưu thông trong hệ thống Nó thường được đo bằng thông điệp trên giây hay bit trên giây Trong môi trường không dây lưu lượng là phần dung lượng kênh truyền được dùng cho truyền dữ liệu Lưu lượng tăng

Độ chắc chắn là sự kết hợp của sự tin cậy, linh động và các yêu cầu phụ thuộc khá, phản ánh mức độ của giao thức trong việc đối phó với lỗi và thông tin sai Đạt được sự

kích thước mạng hay số node cùng tranh chấp Trong mạng WSNs, số node là rất lớn,

trọng Đây là thách thức, đặc biệt trong môi trường thay đổi theo thời gian như mạng

thức đa truy cập với khả năng mở rộng cao

Tính ổn định là khả năng hệ thống thông tin điều khiển được sự dao động của tải qua

 Sự công bằng (Fairness):

Một giao thức MAC được xem là công bằng nếu nó phân chia dung lượng kênh truyền đều cho tất cả các node tranh chấp mà không giảm quá mức lưu lượng mạng Đạt được

huống một vài node được nhiều hơn các node còn lại

MAC được xem là công bằng một cách tỉ lệ nếu nó không tăng tài nguyên cho node nào

đó, trong khi lại giảm tỉ lệ phục vụ cho node khác dưới mức tỉ lệ phân chia của nó

Một node cảm biến được trang bị một hay nhiều cảm biến, các vi xử lý nhúng với khả năng hạn chế, và giao tiếp trên dãy tần radio (như đã được giới thiệu ở chương 3)

mạng không dây khác, mạng WSNs thường được triển khai ở những môi trường không

định hướng, gây khó khăn cho việc thay đổi nguồn pin Những hạn chế này tác động

trực tiếp đến thời gian sống của node Như vậy việc tiết kiệm năng lượng trở thành một

mạch điện công suất thấp Sự tích hợp các chip trong thiết kế node cảm biến là bước

đòi hỏi thiết kế các giao thức liên lạc có khả năng quản lý năng lượng

MAC cho WSNs Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của lớp MAC:

điểm Phát lại gói bị hư sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ

 Trạng thái lắng nghe (idle listening)

Giao thức lớp liên kết dữ liệu sử dụng năng lượng hiệu quả khi loại bỏ hay ít

nâng lên bằng cách dùng các sơ đồ quản lý năng lượng thông minh tập trung không chỉ

Lựa chọn phương thức MAC chủ yếu dựa trên đặc điểm của mạng WSNs Nhiều giải

thuật được nêu lên để giải quyết vấn đề chia sẻ truy cập Các giải thuật hướng đến sự

quyết định này

 Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols):

Dùng tài nguyên này một cách riêng biệt mà không bị tranh chấp với các node khác

hệ thống vô tuyến để chia sẻ phổ tần số Băng thông được chia làm nhiều khoảng nhỏ

Đa truy cập thực hiện bằng cách phân chia cho các node các tần số sóng mang khác

chồng lấn giữa các node

lượng node thông tin cùng truy cập một kênh tần số mà không bị can nhiễu Bằng cách

định Việc thu- phát tạo thành vòng tròn khép kín Tại mỗi thời điểm chỉ có một node sử dụng kênh truyền

thông rộng hơn so với băng thông tín hiệu gốc Việc dùng tín hiệu giống với nhiễu làm

Mục tiêu chính của các giao thức phân chia theo nhu cầu là cải thiện việc sử dụng kênh