Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến

 Triển khai tùy biến Ad hoc deployment: Nhiều ứng dụng mạng WSN triển khai các node cảm biến không được thiết kế vị trí và xác định trước, điều này khá quan trọng trong những mạng triển

-

DƯƠNG KHÔI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT Chuyên ngành: Kĩ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS TRẦN QUANG VINH

Hà Nội – Năm 2015

ii

Dương Khôi Nguyên – CB130608

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện đề tại Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Trần Quang Vinh đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung của luận văn này

Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này

Tác giả

Dương Khôi Nguyên

iii

Dương Khôi Nguyên – CB130608 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ……… ix

LỜI MỞ ĐẦU x

TÓM TẮT LUẬN VĂN xii

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1

1.1 Khái quát chung 1

1.1.1 Sensing và sensor 1

1.1.2 Mạng cảm biến không dây 2

1.1.3 Thách thức và hạn chế đối với mạng cảm biến không dây 3

1.2 Ứng dụng 5

1.2.1 Ứng dụng trong giám sát kết cấu kiến trúc 5

1.2.2 Ứng dụng trong điều khiển giao thông 6

1.2.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khoẻ 7

1.2.4 Ứng dụng giám sát đường ống 7

1.2.5 Ứng dụng trong nông nghiệp chính xác 8

1.2.6 Ứng dụng trong khai khoáng ngầm 9

1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 9

1.3.1 Kiến trúc node cảm biến 9

1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 11

1.4 Kết luận 13

Chương 2 CÁC GIAO THỨC ĐẶC TRƯNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 14

2.1 Giao thức định tuyến 14

2.1.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến: 16

iv

Dương Khôi Nguyên – CB130608 2.1.3 Giao thức định tuyến trong WSNs: 17

2.1.4 Các kỹ thuật định tuyến: 17

2.2 Giao thức định vị 19

2.2.1 Định vị dựa vào mốc có sẵn 19

2.2.2 Định vị dựa vào vị trí tương đối 21

2.3 Giao thức MAC: 21

2.3.1 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây: 23

2.3.2 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây: 25

2.4 Kết luận 33

Chương 3 GIAO THỨC ĐỒNG BỘ THỜI GIAN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 34

3.1 Yêu cầu và thách thức của vấn đề đồng bộ thời gian trong WSNs 34

3.1.1 Yêu cầu 34

3.1.2 Thách thức 36

3.2 Các phương pháp đồng bộ thời gian cơ bản 37

3.2.1 Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận 37

3.2.2 Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận 39

3.2.3 Các yếu tố không xác định gây ra sai số trong đồng bộ 40

3.2.4 Các tham số trong đồng bộ thời gian 42

3.3 Các giao thức đồng bộ thời gian 43

3.3.1 Các giao thức dựa trên đồng bộ máy phát/ máy thu: 43

3.3.2 Các giao thức dựa trên đồng bộ máy thu/máy thu: 61

3.4 Kết luận 76

Chương 4 GIỚI THIỆU VỀ OMNET++ IDE BẢN 4.4.1 VÀ ĐỀ XUẤT PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ MẠNG HIỆU QUẢ 78

4.1 Giới thiệu Omnet++ 4.4.1 IDE 78

4.1.1 Giao diện cấu hình file NED 78

4.1.2 Giao diện cấu hình file INI 80

v

Dương Khôi Nguyên – CB130608 4.1.3 Giao diện mô phỏng 81

4.2 Mô phỏng giao thức TPSN 83

4.2.1 Giả thiết và thiết lập các thông số ban đầu của mô phỏng 83

4.2.2 Mô phỏng mạng 83

4.2.3 Kết quả mô phỏng 90

4.3 Kết luận 91

KẾT LUẬN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

vi

Dương Khôi Nguyên – CB130608 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến 2

Hình 1.2 Ví dụ triển khai của mạng cảm biến trên cầu cổng vàng 6

Hình 1.3 Hệ thống phát hiện chuyển động phương tiện với cảm biến từ ARM 7

Hình 1.4 Hệ thống giám sát sức khoẻ bệnh nhân qua mạng cảm biến 7

Hình 1.5 Kiến trúc node cảm biến 9

Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 11

Hình 2.1 Kết nối single – hop và multi – hop 14

Hình 2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 15

Hình 2.3 Lược đồ S – MAC 27

Hình 2.4 Đồng bộ giữa các nút 27

Hình 3.1 Ví dụ các cảm biến quan sát ô tô chạy qua khu vực theo dõi 35

Hình 3.2a: Nguyên lý trao đổi bản tin một chiều 38

Hình 3.2b: Nguyên lý trao đổi bản tin hai chiều 38

Hình 3.3 Nguyên lý đồng bộ thời gian giữa bên nhận – bên nhận 40

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa thời gian cục bộ C(t) và thời gian thực t 43

Hình 3.5: Một phần sơ đồ của hoạt động trong đồng bộ máy phát/máy thu 46

Hình 3.6: LTS đa bước nhảy phân tán 50

Hình 3.7: Sự đồng bộ máy phát/máy thu trong TPSN 58

Hình 3.8: Ví dụ RBS: hai nút i, j và một máy phát R 63

Hình 3.9: Nhiều miền quảng bá 69

Hình 3.10: Tích hợp gói tin, chuyển tiếp và biến đổi thời gian 70

Hình 3.11: Đồng bộ thời gian: đồng bộ trong một miền quảng bá đơn lẻ 74

vii

Dương Khôi Nguyên – CB130608 Hình 4.1 Giao diện cấu hình file NED bằng đồ hoạ 79

Hình 4.2 Tab Properties View 79

Hình 4.3: Giao diện chỉnh sửa source code NED file 80

Hình 4.4 Giao diện chỉnh sửa file INI 81

Hình 4.5 Giao diện cấu hình chạy mô phỏng 82

Hình 4.6 Giao diện mô phỏng trong OMNeT++ 4.4.1 82

Hình 4.7 Quá trình trao đổi bản tin Discovery Message 84

Hình 4.8 Trao đổi bản tin DiscoveryMessageACK 85

Hình 4.9 Các node chưa gia nhập mạng gửi bản tin LevelRequestMessage 85

Hình 4.10 Cây bao phủ cho đồng bộ thời gian theo thuật toán TPSN 86

Hình 4.11 Trao đổi bản tin TimeSyncMessage 87

Hình 4.12 Trao đổi bản tin SyncPulseMessage 88

Hình 4.13 Trao đổi bản tin SyncPulseAckMessage 89

Hình 4.14 Trao đổi bản tin SynchronizingMessage 89

Hình 4.15 Số lượng bản tin gửi nhận ở mỗi node 90

Hình 4.16 Sai số đồng bộ của các node cảm biến với đồng hồ chuẩn 91

viii

Dương Khôi Nguyên – CB130608 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số loại cảm biến thông dụng 1

Bảng 1.2 So sánh mạng thông thường và mạng cảm biến không dây 4

Bảng 3.1 Các loại trễ trong đồng bộ thời gian trong mạng WSN 41

Bảng 3.2 Phân loại và đánh giá một số thuật toán đồng bộ hiện tại 77

Bảng 4.1 Sai số đồng bộ qua multi-hop 91

ix

Dương Khôi Nguyên – CB130608

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập đường truyền TDMA Time Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

LEACH Low – Energy Adaptive

Đồng bộ quảng bá tham chiếu

RSSI Receiver Signal Strength

Indicator

Chỉ số cường độ tín hiệu thu

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang NTP Network Time Protocol Giao thức đồng bộ thời gian mạng LTS Lightweight Time

Trong luận văn này em xin giới thiệu khái quát về WSNs và các giao thức thường dùng trong mạng Đồng thời em xin giới thiệu khái quát về vấn đề đồng bộ thời gian trong WSNs và em đã lựa chọn tìm hiểu và mô phỏng giao thức đồng bộ thời gian TPSN cùng một số kỹ thuật tăng hiệu quả của nó Đề xuất phương pháp đồng bộ mạng hiệu quả, mô phỏng Đưa ra đề xuất, đánh giá của tác giả về vấn đề đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến không dây, đánh giá khả năng áp dụng của thuật toán đồng bộ thời gian đã đề xuất và hướng nghiên cứu, phát triển trong tương lai

Để có thể hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong thời gian học cao học Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong thời gian học tập này

Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Quang Vinh, Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em nghiên

xi

Dương Khôi Nguyên – CB130608

cứu luận văn này Thầy đã cho em nhiều lời khuyên quan trọng trong quá trình hoàn thành luận văn

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 6 năm 2015

Sinh viên

Dương Khôi Nguyên

Tuy nhiên mạng cảm biến đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn, khả năng xử lý thấp, giải thông bé, tín hiệu yếu và hoạt động dưới tần số chia sẻ Hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau

Luận văn của em giới thiệu khái quát mạng cảm biến cùng các giao thức đặc trưng, đồng thời tập trung làm rõ các vấn đề và thách thức trong đồng bồ thời gian trong mạng, mô phỏng, đánh giá thuật toán TPSN, một trong những thuật toán đồng

bộ thời gian phổ biến trong WSNs Đưa ra đề xuất, đánh giá về vấn đề đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến không dây, đánh giá khả năng áp dụng của thuật toán đồng

bộ thời gian đã đề xuất và hướng nghiên cứu, phát triển trong tương lai

Luận văn được chia làm 4 chương:

 Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

 Chương 2: Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến không dây

 Chương 3: Giao thức đồng bộ thời gian trong mạng WSN

 Chương 4: Giới thiệu về Omnet++ IDE bản 4.4.1 và đề xuất, phát triển phương pháp đồng bộ mạng hiệu quả

1

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Khái quát chung

1.1.1 Sensing và sensor

Cảm biến là kỹ thuật được sử dụng để thu thập thông tin về một đối tượng vật

lý hoặc xử lý, bao gồm cả sự xuất hiện của các sự kiện (VD: sự thay đổi trạng thái như tăng giảm nhiệt độ hoặc áp suất) Đối tượng thực hiện nhiệm vụ cảm biến được gọi là bộ cảm biến Từ cái nhìn kỹ thuật, bộ cảm biến là một thiết bị dịch các tham

số, sự kiện trong thế giới vật lý thành các tín hiệu có khả năng đo lường và phân tích

Phân loại bộ cảm biến: Tùy thuộc đặc tính vật lý cần theo dõi cho mỗi ứng dụng mà các cảm biến được chọn: nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, độ ẩm:

Bảng 1.1 Một số loại cảm biến thông dụng

Nhiệt độ Điện trở nhiệt, cặp nhiệt

Độ ẩm Áp kế, khí áp kế, áp kế ion hóa

Quang Diode/ transistor quang, cảm biến hồng ngoại, cảm biến CCD

Âm thanh Bộ cộng hưởng áp điện, microphone

Cơ học Biến dạng kế, cảm biến tiếp xúc, điapham dung tính

Chuyển động, rung Gia tốc kế, con lắc hồi chuyển, tế bào quang điện

Dòng chảy Máy đo gió, cảm biến lưu lượng khí

Vị trí GPS, máy đo độ nghiêng

Từ Máy đo từ, cảm biến Hall

Hóa học Cảm biến pH, cảm biến điện hóa

Độ ẩm Ẩm kế

Bức xạ Detector ion hóa, ống đếm Geiger - Muller

2

Dương Khôi Nguyên – CB130608

1.1.2 Mạng cảm biến không dây

Khi nhiều cảm biến yêu cầu kết nối đến trạm điều khiển và xử lý, chúng thường

sử dụng kết nối không dây để truyền dữ liệu thu thập được đến trạm xử lý trung tâm Điều này rất quan trọng trong trường hợp các mạng ứng dụng yêu cầu hàng trăm đến hàng nghìn node và thường triển khai ở các khu vực hiểm trở và ở xa Do đó một node cảm biến không dây không chỉ có bộ phận cảm biến mà còn có các thành phần

xử lý, liên lạc và lưu trữ trên node Với các thành phần này, một node cảm biến không chỉ đảm nhận công việc thu thập dữ liệu mà còn có thể phân tích, so sánh, kết hợp dữ liệu của nó và dữ liệu từ các node cảm biến khác

Khi nhiều node cảm biến cùng hoạt động kết hợp quan sát môi trường vật lý, chúng tạo nên một mạng cảm biến không dây Các node cảm biến không chỉ kết nối với nhau mà còn kết nối với một trạm gốc (BS) để truyền dữ liệu về để các hệ thống

xử lý, hiển thị, phân tích và lưu trữ Ví dụ trong hình: Hai mạng cảm biến giám sát hai vùng địa lý riêng biệt và kết nối với Internet qua các trạm BS của chúng

Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến

3

Dương Khôi Nguyên – CB130608

1.1.3 Thách thức và hạn chế đối với mạng cảm biến không dây

 Năng lượng (Energy): Hạn chế lớn nhất đối với các thiết kế mạng cảm biến là các node hoạt động với nguồn năng lượng hữu hạn Điển hình, chúng được nuôi bởi nguồn pin, có thể thay hoặc nạp lại khi cạn

 Khả năng tự quản lý (Self-management): Trong thực tế có nhiều ứng dụng mạng WSN hoạt động trong các khu vực tách biệt và điều kiện khắc nghiệt, không có

sự hỗ trợ hoặc khả năng bảo trì, sửa chữa Do đó, các node cảm biến cần có khả năng tự quản lý (self-managing): tự cấu hình, hoạt động và kết nối với các node khác, khả năng thích ứng với hư hỏng, thay đổi của môi trường

 Triển khai tùy biến (Ad hoc deployment): Nhiều ứng dụng mạng WSN triển khai các node cảm biến không được thiết kế vị trí và xác định trước, điều này khá quan trọng trong những mạng triển khai ở các khu vực biệt lập hoặc không tới được Ví dụ: các cảm biến phục vụ quan sát chiến trường hoặc khu vực bệnh dịch có thể được thả từ máy bay xuống một khu vực rộng lớn, khi đó nhiều node có thể bị hư hỏng khi rơi, tuy nhiên các node sống được phải tự động triển khai được các bước cài đặt, cấu hình, bao gồm thiết lập kết nối với các node cảm biến lân cận, xác định vị trí

 Hoạt động ở chế độ không có người vận hành (Unattended mode): Rất nhiều mạng cảm biến chỉ triển khai một lần, sau đó hoạt động mà không có sự can thiệp của con người, nghĩa là các bước cấu hình, thích nghi, bảo trì, và sửa chữa đều hoạt động theo một quá trình tự động Ví du: các node cảm biến được đặt trong một hệ thống động và môi trường động, có thể đặt ra thách thức lớn đối với việc xây dựng mạng cảm biến tin cậy

 Truyền thông không dây (Wireless communication): Sự tin cậy của các mạng không dây và truyền thông đặt ra nhiều thách thức trong thiết kế mạng cảm biến

Ví dụ: Dải phủ sóng của tín hiệu giới hạn bởi suy hao: Tín hiệu RF yếu đi khi truyền qua môi trường và khi đi qua các vật cản Năng lượng cần thiết để truyền

dữ liệu giữa các node tăng nhanh hơn khi khoảng cách giữa các node tăng

4

Dương Khôi Nguyên – CB130608

 Hạn chế về thiết kế: Khi khả năng của hệ thống điện toán truyền thống tiếp tục tăng nhanh, mục đích chính trong thiết kế mạng cảm biến không dây là tạo ra các thiết bị nhỏ hơn, rẻ hơn và hiệu năng cao hơn

 Khả năng bảo mật: Một số mạng cảm biến không dây có nhiệm vụ thu thập các thông tin nhạy cảm Sự hoạt động biệt lập và không giám sát của các node cảm biến gia tăng sự tiếp xúc với các hoạt động xâm nhập và tấn công trái phép Ngoài

ra, kết nối không dây tạo điều kiện dễ dàng cho kẻ xấu nghe trộm trên đường truyền của node

Bảng 1.2 So sánh mạng thông thường và mạng cảm biến không dây

-Thiết kế với mục đích chung, phục vụ

- Thiết bị và mạng hoạt động dưới sự

điều khiển và môi trường thuận lợi

- Bảo trì và sửa chữa thường xuyên và

mạng thông thường dễ dàng truy cập

- Hỏng hóc các thành phần có thể xác

định qua bảo trì và sửa chữa

- Khả năng nhận được tín hiệu từ mạng

ngoài dễ dàng, có thể thực hiện quản lý

từ trung tâm

- Thiết kế với mục đích riêng biệt, phục

vụ cho những ứng dụng đặc biệt

- Năng lượng là vấn đề hạn chế chính trong thiết kế của các node và thành phần mạng

- Triển khai, cơ cấu mạng và tài nguyên thường không theo kế hoạch

- Mạng cảm biến thường hoạt động trong môi trường và điều kiện khắc nghiệt

- Can thiệp vật lý đến các node cảm biến thường khó thậm chí bất khả thi

- Hư hỏng các thành phần mạng có thể dự đoán và xác định qua thiết kế mạng

- Hầu hết quyết định tại node không có sự trợ giúp từ thành phần quản lý trung tâm

5

Dương Khôi Nguyên – CB130608

1.2 Ứng dụng

1.2.1 Ứng dụng trong giám sát kết cấu kiến trúc

Trong thực tế nhiều tai nạn xảy ra bất ngờ: Vào 2/8/2007, một chiếc cầu thuộc

hệ thống đường cao tốc (bắc qua sông Missisippi) đột nhiên sụp đổ ở bang Minnesota

Mỹ làm 9 người chết, sự việc được điều tra và nguyên nhân được đưa ra là do sự mài mòn của kiến trúc, thời tiết và khối lượng của các dự án xây dựng gần kề gây nên sự

cố [10] Hai tuần sau, vào 14/8/2007, một chiếc cầu khác sụp đổ ở một điểm du lịch nổi tiếng Trung Quốc ở khu Fenghuang, tỉnh Hunan [11] Thực tế, theo báo cáo của BBC, Trung Quốc có hơn 6000 chiếc cầu được đưa vào dạng hư hỏng, nguy hiểm Những tai nạn như trên thúc đẩy việc xây dựng mạng cảm biến không dây cho ứng dụng giám sát độ vững chắc của cầu đường và các kiến trúc tương tự

Kỹ thuật kiểm soát kiến trúc có thể chia thành 2 loại: cục bộ và toàn thể:

- Kỹ thuật kiểm soát cục bộ tập trung vào việc phát hiện các nứt gãy cục bộ, không thể nhìn thấy của kiến trúc Kỹ thuật này sử dụng sóng siêu âm, nhiệt, tia X,

từ trường hoặc kỹ thuật quang ảnh, nhưng loại kỹ thuật này yêu cầu nhiều thời gian

và phá vỡ hoạt động bình thường của kiến trúc

- Kỹ thuật kiểm soát toàn thể có mục đích phát hiện hư hỏng hoặc phát hiện các mối đe dọa đủ lớn để ảnh hưởng toàn thể kiến trúc Điều này được thể hiện bằng việc phát hiện thay đổi trong chuyển động của các trụ chống, lan can, barrier, bệ cân của cầu, bệ tỳ

Trong thực tế, giám sát kiến trúc được thử nghiệm và triển khai ở một số nơi:

Ví dụ cầu Cổng Vàng ở San Fransisco, Mỹ Trong dự án này, 64 node mạng cảm biến được triển khai thành mạng giám sát sức khoẻ kiến trúc của cầu Các node được phân phối trên nhịp cầu chính và tháp cầu, thu thập dao động xung quanh một cách đồng

bộ với tốc độ 1kHz, biến động ít hơn 10 µs và độ chính xác 30 µG Dữ liệu được thu thập qua mạng 46 hop

6

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Hình 1.2 Ví dụ triển khai của mạng cảm biến trên cầu cổng vàng

1.2.2 Ứng dụng trong điều khiển giao thông

Tắc nghẽn giao thông là vấn đề lớn được đặt ra đối với các đô thị đã và đang phát triển, đặc biệt ở các đô thị lớn, gây lãng phí nhiên liệu và thời gian Theo báo cáo của Viện giao thông Texas chỉ ra trong năm 2006, tắc nghẽn khiến người dân ở các đô thị Mỹ tốn thêm 4,2 tỷ giờ, trung bình một người Mỹ lái xe phải chờ 36,6 giờ

và mua thêm 2,85 tỷ gallon nhiên liệu cho di chuyển, gây ra lãng phí lớn [12]

Tuy nhiên, việc xây dựng thêm các con đường mới không phải là giải pháp khả thi với nhiều đô thị: thiếu hụt không gian và tốn chi phí lớn cho việc phá huỷ các con đường cũ Một hướng khác cho việc giải quyết tắc nghẽn là đặt ở các điểm giao thông hệ thống cảm biến để giảm tắc nghẽn: Những hệ thống này sẽ thu thập thông tin về mật độ, kích cỡ và tốc độ của các phương tiện trên đường, phân tích tắc nghẽn

và gợi ý lái xe về các con đường thay thế và lối thoát ngắn nhất

7

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Hình 1.3 Hệ thống phát hiện chuyển động phương tiện với cảm biến từ ARM

1.2.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khoẻ

Mạng cảm biến không dây đã được triển khai khá rộng trong các ứng dụng chăm sóc sức khoẻ, bao gồm ứng dụng giám sát bệnh nhân Parkinson, bệnh nhân động kinh, tim mạch, bệnh nhân đang hồi phục từ đột quỵ hay tai biến, và người già Không giống các ứng dụng khác, các ứng dụng chăm sóc sức khoẻ không hoạt động như một hệ thống riêng biệt, chúng là một phần của hệ thống sức khoẻ và cứu hộ phức tạp, toàn diện

Hình 1.4 Hệ thống giám sát sức khoẻ bệnh nhân qua mạng cảm biến [13]

1.2.4 Ứng dụng giám sát đường ống

Một lĩnh vực ứng dụng khác của mạng cảm biến không dây là giám sát các đường ống ga, nước hay dầu Việc quản lý các đường ống đó gặp phải thách thức, nguy hiểm rất lớn: Các đường ống thường dài, có giá trị lớn, nguy hiểm cao và thường

8

Dương Khôi Nguyên – CB130608

ở trong điều kiện khó đến gần yêu cầu sự giám sát liên tục, kín đáo Sự rò rỉ có thể xảy ra do sự biến dạng quá mức gây ra bởi động đất, lở đất hay sự va chạm với ngoại lực, sự ăn mòn, vết nứt vật liệu hay kể cả hư hỏng cố ý đến kiến trúc

Để phát hiện rò rỉ, việc hiểu biết về tính chất của vật chất mà đường ống vận chuyển rất quan trọng Ví dụ: đường ống chất lỏng thường gây ra điểm toả nhiệt tại địa điểm rò rỉ, trong khi đường ống gas lại tạo ra điểm lạnh gây ra do sự giảm áp suất

Có rất nhiều cảm biến thương mại hiện tại có thể phát hiện và định vị các thay đổi nhiệt bất thường này

1.2.5 Ứng dụng trong nông nghiệp chính xác

Một lĩnh vực thúc đẩy rất nhiều nghiên cứu của mạng cảm biến không dây là nông nghiệp chính xác Theo truyền thống, một nông trại lớn có cánh đồng đồng nhất trong việc phân phối tài nguyên và sự phản ứng trước thay đổi khí hậu, cỏ dại, sâu bệnh và người nông dân quản lý phân bón, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và nguồn nước Thực tế, một cánh đồng lớn có nhiều loại đất đa dạng khác biệt, hàm lượng dinh dưỡng khác nhau và nhiều yếu tố không đồng nhất khác Do đó, việc đối xử như một cánh đồng đồng nhất có thể gây ra việc sử dụng tài nguyên không hiệu quả và giảm năng suất

Nông nghiệp chính xác là một phương pháp quản lý nông trại giúp nông dân sản xuất hiệu quả hơn thông qua việc sử dụng tài nguyên chính xác Nó bao gồm nhiều khía cạnh riêng biệt như giám sát đất trồng ở mức độ vi mô, thu hoạch, thay đổi khí hậu trên cánh đồng, cung cấp hệ thống hỗ trợ chính xác (DSS)

Hiện tại có nhiều công nghệ được phát triển trong một số năm qua tạo điều kiện thuận lợi và tự động cho nông nghiệp chính xác:

- Giám sát hoa lợi

- Sắp đặt thu hoạch

- Bón phân chính xác

- Theo dõi cỏ dại

9

Dương Khôi Nguyên – CB130608

1.2.6 Ứng dụng trong khai khoáng ngầm

Khai khoáng ngầm là một trong những công việc có môi trường làm việc nguy hiểm nhất trên thế giới, đã có rất nhiều vụ tai nạn sập hầm mỏ xảy ra với thiệt hại lớn

về người và của

Nhiệm vụ đặt ra cho các cảm biến trong ứng dụng khai khoáng ngầm:

- Xác định vị trí từng người riêng biệt trong hầm mỏ

- Xác định vị trí các lỗ thủng, lún

- Đo đạc, dự báo dịch chuyển địa chấn bên trong (hoạt động khai khoáng) ngay khi tác nhân bên ngoài (động đất) xảy ra

- Đo đạc nồng độ các khí, bao gồm methane, oxy và cacbonic

1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây

1.3.1 Kiến trúc node cảm biến

Hình 1.5 Kiến trúc node cảm biến

Các node cảm biến là thành phần chính trong mạng cảm biến không dây, node cảm biến thực hiện cảm nhận, xử lý và kết nối Chúng lưu trữ và thực hiện các giao thức truyền thông và thuật toán xử lý dữ liệu Kích thước, độ lớn và tần suất dữ liệu cảm nhận được lấy ra từ mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào thiết kế của node cảm biến, do đó thiết kế và triển khai node cảm biến là một trong những bước quan trong nhất khi thiết kế mạng cảm biến không dây

10

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Node cảm biến bao gồm 4 thành phần chính như hình 1.5: phân hệ cảm biến (sensing subsystem), phân hệ xử lý (processing subsystem), phân hệ liên lạc (communication subsystem), và phân hệ nguồn

1.3.1.1 Phân hệ cảm biến

Bộ cảm biến tích hợp một hoặc nhiều cảm biến vật lý và cung cấp một hoặc nhiều bộ chuyển đổi ADC Sự đo đạc các hiện tượng vật lý không phải là ý tưởng mới, từ xưa loài người đã phát minh ra kính địa chấn, máy đo gió Nhưng sự xuất hiện của các hệ thống vi cơ điện tử MEMS (microelectromechanical systems) giúp cho cảm biến trở thành phổ biến Ngày nay có vô số cảm biến giá rẻ đo đạc và định lượng các tính chất vật lý Một cảm biến vật lý bao gồm máy biến năng (transducer), đầu ra của máy biến năng này là một tín hiệu tương tự, do đó cần có bộ chuyển đổi ADC kết nối giữa bộ cảm biến với một bộ xử lý chuyển đổi tín hiệu tương tự liên tục thành tín hiệu số

1.3.1.2 Phân hệ xử lý

Thực hiện nhiệm vụ kết nối các hệ thống khác và một số thiết bị ngoại vi, mục đích chính của bộ xử lý là thực hiện (thi hành) các chỉ thị gắn liền với cảm biến, liên lạc và tự tổ chức Bộ xử lý bao gồm chip xử lý, bộ nhớ flash chứa chương trình, một

bộ nhớ chủ động để lưu dữ liệu cảm biến, và một đồng hồ bên trong Bộ xử lý là thành phần trung tâm của node cảm biến và có thể lựa chọn dựa trên sự cân bằng giữa khả năng thích ứng và hiệu năng – năng lượng và hiệu suất của một số loại vi xử lý như:

vi điều khiển, chip DSP, chip ASIC, FPGA

1.3.1.3 Giao diện kết nối

Tương tự việc lựa chọn bộ xử lý có ảnh hưởng lớn đến tiêu thụ năng lượng của node cảm biến, việc lựa chọn giao diện kết nối các thành phần với bộ xử lý cũng rất quan trọng Sự truyền dẫn dữ liệu chú ý đến hiệu suất năng lượng và tốc độ giữa các node quyết định hiệu quả của mạng khi được thiết lập Tuy nhiên, kích thước thực

tế của node cảm biến đặt ra hạn chế với băng thông hệ thống Lựa chọn giao diện liên

11

Dương Khôi Nguyên – CB130608

lạc trong thiết kế node cảm biến thường là các giao diện tuần tự như SPI, GPIO, SDIO, I2C, USB; trong đó giao diện thường dùng nhất là SPI và I2C

1.3.1.4 Phân hệ nguồn

Bộ nguồn trong mạng cảm biến đóng vai trò quan trọng cung cấp năng lượng cho các thành phần khác của node, bộ nguồn có thể là một số loại pin như pin AA, pin Lithium Trong một số ứng dụng đặc biệt, bộ nguồn còn có khả năng nạp điện bằng năng lượng mặt trời

1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Tương tự mạng máy tính, kiến trúc mạng cảm biến không dây cũng phân chia

ra các lớp tương tự, ngoài ra do đặc thù của mạng, mạng cảm biến không dây còn có các mặt phẳng quản lý công suất, quản lý di động và quản lý tác vụ

Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý việc sử dụng năng lượng của node cảm biến Việc quản lý năng lượng là rất quan trọng do vấn đề năng lượng hữu hạn của các node cảm biến, các node cảm biến có thể đặt ở trạng thái thức (wake) khi hoạt động và nhận bản tin, ngủ (sleep) để tiết kiệm năng lượng

12

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại chuyển động của node, mặt khác nắm giữ định tuyến trở lại người dùng và các node hàng xóm

Mặt phẳng quản lý tác vụ: Cân bằng và lập biểu các tác vụ cảm biến của một vùng riêng biệt của các node, giúp các node thực hiện cảm biến cùng nhau

Lớp vật lý: Thực hiện nhiệm vụ lựa chọn tần số, khởi tạo tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hoá dữ liệu Trong kết nối multi-hop lớp vật lý còn thực hiện nhiệm vụ khắc phục suy hao truyền dẫn và suy hao do vật cản Việc lựa chọn phương pháp điều chế khác nhau ở lớp vật lý có thể làm tăng mức tiêu thụ công suất sóng điện từ và tăng hiệu quả truyền dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu (lớp MAC): Thực hiện ghép kênh dữ liệu, phát hiện khung

dữ liệu, điều khiển truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi Việc điều khiển truy nhập đường truyền bao gồm khởi tạo hạ tầng mạng và cân bằng chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến Sử dụng các giao thức SMACS và EAR hoặc CSMA-based, TDMA, Hybrid TDMA/FDMA để điều khiển truy nhập đường truyền tuỳ thuộc vào yêu cầu ứng dụng

Lớp mạng: Lớp mạng có nhiệm vụ định tuyến đường đi của dữ liệu Trong mạng cảm biến không dây việc thiết kế lớp mạng cần chú ý đến các yếu tố như năng lượng, tập trung dữ liệu, kết hợp, tổng hợp dữ liệu và thường được thiết kế sao cho đảm bảo định tuyến đường đi tốn ít năng lượng nhất/ qua ít hop nhất Mặt khác lớp mạng còn cung cấp các kết nối liên mạng với mạng ngoài qua các gateway, mạng backbone

Lớp truyền dẫn: Thường chỉ cần thiết khi cần các kết nối end to end và giám sát truyền dẫn dữ liệu

Lớp ứng dụng: Lớp này tập trung vào việc quản lý và sắp xếp các loại ứng dụng khác nhau, cách xử lý và khởi tạo các sự kiện tuỳ thuộc vào nhiệm vụ cảm biến của mỗi node cảm biến

14

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Chương 2 CÁC GIAO THỨC ĐẶC TRƯNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Giao thức định tuyến

Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu thu thập bởi các node cảm biến thường được truyền về trạm cơ sở (base station) được kết nối với các mạng khác để hiển thị, phân tích và thực hiện các hoạt động khác Đối với một số mạng có số node mạng nhỏ, các node mạng và trạm cơ sở gần nhau, các node cảm biến thường kết nối trực tiếp về trạm Tuy nhiên, hầu hết mạng WSN yêu cầu số node lớn để bao phủ được diện tích ứng dụng cần thiết, do đó các node mạng yêu cầu kết nối multi-hop để truyền dữ liệu về trạm cơ sở Quá trình thiết lập đường đi từ node nguồn đến sink (trạm cơ sở, gateway) qua một hay nhiều node chuyển tiếp gọi là định tuyến (routing)

và là chức năng quan trọng nhất của lớp mạng trong giao thức liên lạc

Hình 2.1 Kết nối single – hop và multi – hop

Các giao thức định tuyến thường dùng trong mạng cảm biến có các cách phân chia như trên hình 2.2

15

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Hình 2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

 Phân chia theo tổ chức mạng:

+ Định tuyến phẳng (Flat – routing)

+ Định tuyến phân tầng ( Hierarchical routing)

+ Định tuyến dựa vào vị trí ( Location – based routing)

 Phân chia theo hoạt động của giao thức:

+ Định tuyến dựa trên thương lượng (negotiation – based) : thương lượng dữ liệu truyền dẫn trước khi xuất hiện

+ Định tuyến đa đường (multi – path): sử dụng nhiều tuyến đường đồng bộ + Định tuyến dựa trên truy vấn (query – based)

+ Định tuyến dựa trên yêu cầu hiện tại (QoS – based)

+ Định tuyến nhất quán (coherent – based)

 Phân chia theo cách tìm tuyến đường (route):

+ Định tuyến reactive: chỉ tìm tuyến đường khi cần thiết

+ Định tuyến proactive: Khởi tạo tuyến đường trước khi có yêu cầu cần thiết + Định tuyến hybrid: Kết hợp giữa hai loại định tuyến trên

Định tuyến trong WSN:

Cách đơn giản để thực hiện liên lạc là trao đổi trực tiếp từ các node đến base station Tuy nhiên, liên kết dựa trên truyền 1 chặng (single – hop) gặp vấn đề suy

16

Dương Khôi Nguyên – CB130608

giảm năng lượng nhanh chóng của các node nếu các node ở cách xa trạm trung tâm,

do đó làm giảm thời gian sống của mạng Đây là vấn đề quan trọng của các mạng cảm biến không dây được xây dựng phân bố trên phạm vi rộng hay các node di động

và có thể di chuyển ra xa trạm trung tâm

Để giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đổi giữa các cảm biến và base station được truyền đa chặng (multihop) Các liên kết đa chặng có thể kéo dài khoảng cách và đưa ra một đường đi linh hoạt hơn Phương pháp này tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể can nhiễu giữa các node đang tranh chấp kênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSNs có mật độ cao

Trong truyền multihop, các node trung gian phải tham gia vào việc chuyển các gói dữ liệu giữa nguồn và đích Xác định các node trung gian cần phải đi qua chính là nhiệm vụ của giải thuật định tuyến

2.1.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến:

Chính vì những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức sau:

 Mạng cảm biến có một số lượng lớn các nút, cho nên ta không thể xây dựng được

sơ đồ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai số lượng lớn các nút đó vì lượng mào đầu để duy trì ID quá cao

 Dữ liệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và đến sink

 Các nút cảm biến bị ràng buộc khá chặt chẽ về mặt năng lượng, tốc độ xử lý, lưu trữ

 Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khi được triển khai ngoại trừ một vài nút có thể di động

 Mạng cảm biến là những ứng dụng riêng biệt

17

Dương Khôi Nguyên – CB130608

 Việc nhận biết vị trí là vấn đề quan trọng vì tập hợp dữ liệu thông thường đưa lên

vị trí

 Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao vì các nút cảm biến thu lượm dữ liệu dựa trên hiện tượng chung

2.1.3 Giao thức định tuyến trong WSNs:

Mạng WSN có một số đặc trưng cơ bản của mạng ad hoc Do đó có thể xem xét các giao thức định tuyến của mạng ad hoc khi áp dụng vào mạng WSN Giải thuật định tuyến cho mạng ad hoc được chia theo 3 dạng: proactive, reactive và hybrid

 Proactive (khởi tạo trước): còn gọi là table driven, dựa trên sự phân phát theo chu

kỳ thông tin định tuyến để đạt được các bảng định tuyến nhất quán và chính xác đến tất cả các node của mạng Cấu trúc mạng có thể là phẳng hay phân cấp Dùng phương pháp này cho cấu trúc phẳng có khả năng tìm được đường đi tối ưu nhất

 Reactive (phản ứng): xây dựng tuyến đến một đích nào đó theo nhu cầu Giải thuật này thường không xây dựng thông tin chung đi qua tất cả các node của mạng Do

đó chúng dựa trên định tuyến động để tìm ra đường đi giữa nguồn và đích Giải thuật định toán reactive thay đổi theo cách mà chúng điều khiển quá trình flooding

để giảm thông tin overhead và cách các tuyến được tính toán và xây dựng lại khi liên kết không thực hiện được

 Hybrid (hỗn hợp): dựa trên cấu trúc mạng để tạo tính ổn định và khả năng mở rộng cho các mạng có kích thước lớn Trong những giải thuật dạng này mạng phân chia thành các cluster Giải thuật định tuyến hybrid có thể được dùng theo mô hình định tuyến proactive được dùng cho bên trong các cluster và định tuyến reactive dùng liên kết giữa các cluster

2.1.4 Các kỹ thuật định tuyến:

Thiết kế các giao thức định tuyến của mạng WSN phải xem xét đến công suất

và tài nguyên hạn chế của các node mạng, đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh

18

Dương Khôi Nguyên – CB130608

truyền vô tuyến và khả năng trễ hay mất gói Nhiều giao thức định tuyến đã được đưa

có trách nhiệm phối hợp các hoạt động giữa các node trong cluster và chuyển thông tin giữa các cluster Việc phân hoạch giảm năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng

 Dạng thứ ba dùng phương pháp data-centric để phân bố yêu cầu trong mạng Phương pháp dựa trên thuộc tính, ở đó một node nguồn truy vấn đến một thuộc tính của hiện tượng nào đó hơn là một node cảm biến riêng biệt Việc phân tán yêu cầu thực hiện bằng cách phân nhiệm vụ cho các node cảm biến và định rõ một thuộc tính riêng biệt cho các node

 Dạng thứ tư dùng để chỉ ra một node cảm biến Định tuyến dựa trên vị trí rất hữu ích cho các ứng dụng mà vị trí của node trong vùng địa lý có thể được hỏi bởi node nguồn Yêu cầu như thế có thể định rõ vùng nào đó mà các hiện tượng quan tâm có thể xảy ra hay lân cận với điểm đặc biệt nào đó trong vùng hoạt động của mạng

Đặc tính của WSN và tính chất môi trường làm việc làm cho việc định tuyến trở nên khó khăn Nhiều giao thức định tuyến được đưa ra như các giải pháp khả thi cho vấn

đề định tuyến Vì sự phát triển các ứng dụng của WSN, sự cải tiến về mặt phần cứng

và công nghệ chế tạo pin sẽ mở đường cho sự phát triển các giao thức định tuyến hiệu quả hơn Tuy nhiên khi sử dụng định tuyến bằng đồ thị, các node phải biết vị trí của chúng để xác định hướng sẽ chuyển tiếp thông điệp

Trong mạng cảm biến, có một số lượng rất lớn các node cảm biến được triển khai một cách ngẫu nhiên trong khu vực quan sát Việc xác định vị trí tuyệt đối của một node thường rất khó Chúng ta có thể trang bị thiết bị GPS cho các node Tuy nhiên cách này không khả thi đối với mạng cảm biến vì GPS tương đối đắt và không thể hoạt động trong môi trường đặc biệt như trong nhà, dưới lòng đất

Hiện nay trong mạng cảm biến không dây các giao thức định vị được chia thành hai loại chính như sau:

- Định vị dựa vào mốc có sẵn

- Định vị dựa vào vị trí tương đối

Cả hai kỹ thuật này đều sử dụng sự ước lượng khoảng cách và góc đối với việc định vị các nút cảm ứng thông qua cường độ tín hiệu thu được (received signal strength - RSS), thời gian đến (time of arrival-TOA), sự chênh lệch thời gian đến (time difference of arrival - TDOA), và góc tới (angle of arrival - AOA)

2.2.1 Định vị dựa vào mốc có sẵn

Phương pháp này giả sử như sau:

 Có một vài con cảm biến đã biết vị trí

 Những nút này sẽ gửi tín hiệu mốc (dẫn đường) theo chu kỳ

20

Dương Khôi Nguyên – CB130608

 Các nút khác sẽ đo tín hiệu này, sử dụng phép đo tam giác, đa trễ để đánh giá vị trí

 RSSI (Receiver Signal Strength Indicator) được dùng để xác định sự tương quan tín hiệu với khoảng cách

Hệ thống định vị ad hoc (AHLoS) đòi hỏi một vài nút phải có vị trí xác định qua GPS hoặc qua cấu hình điều khiển Điều này cho phép các nút xác định được vị trí của chúng qua một quá trình hai pha: xếp loại và ước đoán Trong pha xếp loại, mỗi một nút ước đoán phạm vi của các nút lân cận Pha ước đoán sau đó cho phép các nút lân cận mà chưa xác định được vị trí dùng phạm vi được ước đoán trong pha xếp loại và vị trí của vật mốc để xác định vị trí của chúng

Tuy nhiên phương pháp này chỉ phù hợp với tín hiệu RF, và rất nhạy cảm với vật cản, nhiễu đa đường, ảnh hưởng của môi trường (mưa,) Hơn nữa tín hiệu RF phải có phạm vi tốt: khoảng vài chục mét Ngoài ra ngưởi ta còn sử dụng RF và sóng siêu âm: nút mốc truyền tín hiệu RF và một sóng siêu âm tới bộ thu Thời gian đến khác nhau giữa hai tín hiệu được sử dụng để đo khoảng cách Phạm vi lên tới 3 m, độ chính xác 2cm

Tuy nhiên phương pháp giả sử rằng dấu hiệu của cột mốc ở những vị trí đã biết nhiều khi không thể áp dụng khi các nút cảm ứng triển khai ở những vùng mà khó có thể xác định được vị trí Trên thế giới hiện này các nhà khoa học đang nghiên cứu về việc tự định vị trong đó dùng các nguồn ở những vị trí chưa biết Mặc dù họ coi nhẹ giả thuyết là các vật mốc phải ở vị trí cố định nhưng chúng vẫn cần phải có nguồn tín hiệu Các nguồn này được triển khai trong cùng một vùng với các nút cảm ứng và được dùng làm chuẩn cho các nút lân cận để ước đoán các vị trí và hướng chưa biết từ nguồn tín hiệu Công trình nghiên cứu của Moses và Savvides dựa trên các nguồn tín hiệu Các công trình khác ước đoán vị trí của các nút bằng việc xem xét các vấn đề về ước đoán vị trí như là các vấn đề về sự tối ưu lồi vì có những ràng buộc

về vị trí giữa hai nút, ví dụ như phạm vi phủ sóng Hơn nữa trong phương pháp định

21

Dương Khôi Nguyên – CB130608

vị này, Patwari và các đồng nghiệp xác định được chính xác ranh giới của vị trí sensor dựa trên các trạm gốc cố định cần thiết cho thời gian đến hoặc nhận của tín hiệu

2.2.2 Định vị dựa vào vị trí tương đối

Mặc dù các giao thức định vị dựa trên vật mốc rất hiệu quả đối với một số ứng dụng nào đó, một số mạng cảm ứng khác có thể được triển khai ở vùng mà không thể

bị ảnh hưởng bởi vật mốc hoặc GPS, lúc đó chúng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường hay là do sai số khi điều khiển Hơn nữa, các nút cảm ứng loại bình thường có thể hoạt động ở chế độ không tuyến tính hoặc nhiễu không tuân theo phân bố Gaussian Để khắc phục những khó khăn này, các thông tin vùng được đặt theo từng

bước truyền từ nguồn cho đến sink Để thu được các thông tin vùng chính xác, các

nút cảm ứng phải kết hợp để hỗ trợ cho nhau Hơn nữa, năng lượng có thể được dự trữ thêm bằng việc cho phép các nút cảm ứng dò theo vị trí của các nút lân cận

Kỹ thuật xác định vị trí tương đối này được nghiên cứu kĩ hơn bởi cơ cấu vị trí thụ cảm (perceptive localization framework -PLF) Trong cơ cấu này, một nút có thể phát hiện và dò theo vị trí của của nút lân cận bằng cách dùng kỹ thuật ước đoán kết hợp với một bộ lọc từng phần được ghép vào một dãy các sensor Để tăng độ chính xác của việc ước lượng vị trí, sink có thể yêu cầu tất cả các nút dọc theo đường

từ nguồn phải lọc từng phần để tăng số lượng vật mẫu Quá trình tác động cục bộ này không yêu cầu bất kì một vật mốc nào Hơn nữa, phần xử lý trung tâm không cần phải quyết định vị trí của các nguồn

Cho dù dùng giao thức định vị dựa trên vật mốc hay là dựa trên vị trí tương đối thì thông tin vùng đều cần thiết trong các giao thức lớp vận chuyển, lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu Mỗi một loại giao thức định vị có những yêu cầu khác nhau Các ứng dụng mạng cảm ứng sau này sẽ sử dụng kết hợp các kỹ thuật định vị này

2.3 Giao thức MAC:

Mạng cảm biến không dây là loại mạng đặc biệt với số lượng nút cảm biến được trang bị bộ vi xử lý, thành phần cảm biến và thành phần quản lý sóng vô tuyến

22

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Các nút cảm biến cộng tác với nhau để hoàn thành một nhiệm vụ chung Trong nhiều ứng dụng, các nút cảm biến sẽ được triển khai phi cấu trúc như mạng ad hoc Chúng phải tự tổ chức để hình thành một mạng không dây đa bước nhảy Thách thức chung trong mạng không dây là vấn đề xung đột do hai nút gửi dữ liệu cùng lúc trên cùng kênh truyền

Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) đã được phát triển để giúp mỗi nút quyết định khi nào và làm sao để truy cập kênh Vấn đề này cũng được biết như sự định vị kênh hoặc đa truy nhập Lớp MAC được xem xét bình thường như một lớp con của lớp dữ liệu trong giao thức mạng Những giao thức MAC đã được nghiên cứu rộng rãi trên những lĩnh vực truyền thống của truyền thông tiếng nói và

dữ liệu không dây Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access – TDMA), đa truy nhập phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access – FDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access – CDMA) là những giao thức MAC được sử dụng rộng rãi trong những hệ thống truyền thông hiện tại

Ý tưởng cơ bản của các phương pháp trên truy nhập trên một kênh dùng chung, kết quả trong sự phối hợp xác suất có điều kiện, không cần cấp phát sẵn kênh truyền

Xung đột có thể xảy ra trong thời gian thủ tục cạnh tranh trong những hệ thống như vậy

Mạng cảm biến khác với mạng dữ liệu không dây truyền thống trên một vài khía cạnh Trước hết, đa số các nút trong mạng cảm biến hoạt động dựa trên nguồn điện pin và rất khó để nạp điện cho tất cả những nguồn pin của tất cả các nút Thứ hai, những nút thường được triển khai trong một kiểu cách đặc biệt phi cấu trúc; chúng phải tự tổ chức hình thành một mạng truyền thông Ba là, nhiều ứng dụng cần phải sử dụng số lượng lớn những nút và mật độ nút sẽ thay đổi tại những địa điểm và thời gian khác nhau, với cả những mạng mật độ thưa lẫn những nút với nhiều lân cận.Cuối cùng, đa số các lưu thông trong mạng được thúc đẩy bởi những sự kiện cảm

23

Dương Khôi Nguyên – CB130608

ứng, phân bố không đều và rất co cụm Tất cả những đặc trưng này cho thấy những giao thức MAC truyền thống không thích hợp cho những mạng cảm biến không dây nếu không có những sự cải tiến

2.3.1 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây: Tránh xung đột

Tính tránh xung đột (Collision Advoidance) là một yêu cầu cơ bản của tất cả

các giao thức MAC, nó xác định khi nào một nút có thể truy nhập đường truyền và thực hiện trao đổi dữ liệu

Hiệu quả năng lượng

Tính hiệu năng (Energy Efficiency) là một trong những thuộc tính quan trọng

nhất của giao thức MAC trong mạng cảm biến Như đã đề cập ở trên, đa số các nút cảm biến hoạt động bằng pin, rất khó để thay đổi hoặc nạp điện lại cho pin của những nút này Thực tế, nhiều mục đích thiết kế của những mạng cảm biến được xây dựng bằng những nút đủ rẻ để vứt bỏ hơn là nạp lại Trong tất cả các trường hợp, việc kéo dài tuổi thọ của mỗi nút là cả một vấn đề then chốt Dù với nền tảng phần cứng nào, năng lượng cho thu phát sóng vô tuyến là nguồn tiêu thụ năng lượng chính Lớp MAC trực tiếp điều khiển hoạt động thu phát sóng vô tuyến và sự tiêu thụ năng lượng của

nó như thế nào ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của nút

Khả năng thích ứng và biến đổi được

Tính biến đổi được và khả năng thích ứng (Scalability and Adaptivity) là

những thuộc tính liên quan của một giao thức MAC điều tiết những sự thay đổi trong kích thước mạng, một độ và giao thức mạng Nhiều nút có thể không hoặc ngừng hoạt động trong thời gian dài; nhiều nút có thể tham gia về sau; một vài nút khác có thể di chuyển tới những vị trí khác Một giao thức MAC tốt cần phải điều tiết những sự thay đổi như vậy một cách hợp lý Tính biến đổi được và khả năng thích ứng để thay đổi trong kích thước, mật độ và giao thức mạng là những thuộc tính quan trọng, bởi vì

24

Dương Khôi Nguyên – CB130608

những mạng cảm biến được triển khai phi cấu trúc và thường hoạt động trong những môi trường không ổn định

Khả năng sử dụng kênh

Để fairness đối với từng nút hoặc từng người dùng trở nên ít quan trọng hơn Tóm lại, các vấn đề nêu ở trên là những thuộc tính thể hiện việc Sử dụng kênh

(Chanel Utilization) phản chiếu toàn bộ băng thông của kênh được dùng trong truyền

thông ra sao, nó cũng được đề cập như sự sử dụng băng thông hoặc dung lượng kênh truyền Đó là một vấn đề quan trọng đối với hệ thống điện thoại hoặc mạng cục bộ không dây (WLANs), khi băng thông là tài nguyên quý giá nhất trong những hệ thống như vậy và các nhà cung cấp dịch vụ đều muốn càng nhiều người dùng càng tốt Mặc khác, số những nút hoạt động trong mạng cảm biến chủ yếu được xác định bởi loại ứng dụng Sự sử dụng kênh thường là mục tiêu thứ nhì trong mạng cảm biến

Độ trễ

Độ trễ (Latency) đó là sự trì hoãn một nút gửi có một gói tin để gửi cho đến

khi nào gói tin được nhận thành công bởi nút nhận.Trong mạng cảm biến, sự quan trọng của độ trễ phụ thuộc vào ứng dụng Trong những ứng dụng như giám sát hoặc theo dõi, các nút cảm biến không hoạt động phần lớn thời gian cho đến khi một sự kiện nào đó được phát hiện Những ứng dụng này có thể thường bỏ qua sự trễ thông điệp bổ sung nào đó, bởi vì tốc độ mạng nhanh hơn tốc độ của một đối tượng vật lý Tốc độ cảm biến đối tượng đặt một ranh giới trên về tốc độ phản ứng mà mạng phải đạt được Trong khoảng thời gian không có sự kiện cảm ứng, có rất ít dữ liệu trao đổi trong mạng Sự trễ ở mức nhỏ hơn một giây cho một khởi tạo một thông báo sau thời

kỳ nhàn rỗi thì không quan trọng bằng sự tiết kiệm năng lượng và thời gian hoạt động của thiết bị Nhưng ngược lại, sau khi cảm biến xác định được sự kiện, hoạt động với

độ trễ thấp thành mục tiêu quan trọng

Thông lượng

25

Dương Khôi Nguyên – CB130608

Thông lượng (Throughput) đề cập tới số lượng của dữ liệu chuyển thành công

từ một nơi gửi đến một nới nhận trong một khoảng thời gian cho trước Nhiều nhân

tố ảnh hưởng tới thông lượng, bao gồm hiệu quả của sự tránh xung đột, sự sử dụng kênh, độ trễ và sử lý thông tin điều khiển Giống với độ trễ, sự quan trọng của thông lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng Những ứng dụng cảm biến mà yêu cầu vòng đời lâu hơn thường chấp nhận độ trễ nhiều hơn và thông lượng thấp hơn

Công bằng

Fairness thể hiện khả năng những người dùng, những nút hoặc những ứng

dụng khác nhau cùng nhau chia sẻ kênh truyền một cách công bằng Nó là một thuộc tính quan trọng trong mạng tiếng nói hoặc những mạng dữ liệu truyền thống, một khi mỗi người dùng mong muốn một cơ hội như nhau để gửi hoặc nhận dữ liệu cho những ứng dụng của chính mình.Tuy nhiên, trong những mạng cảm biến, tất cả các nút hợp tác cho một nhiệm vụ chung đơn lẻ Ở tại thời điểm đặc biệt, một nút có thể có nhiều

dữ liệu hơn để gửi so với các nút khác; như vậy, hơn là đối xử với mỗi nút công bằng, thành công được đo bởi sự thực hiện của ứng dụng, hiện những đặc trưng của giao thức MAC Đối với mạng cảm biến không dây, những yếu tố quan trọng nhất là sự tránh xung đột có hiệu quả, hiệu quả năng lượng, tính biến đổi và thích ứng được với mật độ và số lượng nút

2.3.2 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây:

2.3.2.1 CSMA

Các giao thức mà trong đó các trạm làm việc lắng nghe đường truyền trước khi đưa ra quyết định mình phải làm gì tương ứng với trạng thái đường truyền đó được gọi là các giao thức có “cảm nhận” đường truyền (carrier sense protocol) Cách thức hoạt động của CSMA như sau: lắng nghe kênh truyền, nếu thấy kênh truyền rỗi thì bắt đầu truyền khung, nếu thấy đường truyền bận thì trì hoãn lại việc gửi khung

Thế nhưng trì hoãn việc gửi khung đến khi nào?

Có ba giải pháp:

26

Dương Khôi Nguyên – CB130608

- Theo dõi không kiên trì (Non – persistent CSMA): nếu đường truyền bận, đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi tiếp tục nghe lại đường truyền

- Theo dõi kiên trì (Persistent CSMA): nếu đường truyền bận, tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi và truyền gói tin với xác suất bằng 1

- Theo dõi kiên trì với xác suất p (P – persistent CSMA): nếu đường truyền bận, tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi và truyền gói tin với xác suất bằng p

Dễ thấy rằng giao thức CMSA cho dù là theo dõi đường truyền kiên trì hay không kiên trì thì khả năng tránh xung đột vẫn tốt hơn là ALOHA Tuy thế, xung đột vẫn có thể xảy ra trong CSMA

2.3.2.2 Sensor – MAC

S – Mac được giới thiệu bởi tác giả: Wei Ye, John Heidermann, Deborah Estrin tại hội nghị INFORCOM lần thứ 21, năm 2002 Được xây dựng trên nền tảng các giao thức cạnh tranh như 802.11, S-Mac cố gắng kế thừa sự linh hoạt, tính khả biến của giao thức trên nền cạnh tranh trong khi cải tiến tính hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng đa bước nhảy S – Mac cố gắng giảm bớt tiêu thụ năng lượng từ tất cả các nguồn được xác định là nguyên nhân gây tiêu hao năng lượng, đó là: nghe khi rỗi (idle listening), xung đột (collision), nghe thừa (overhearing) và xử lý thông tin điều khiển (overhead) Để đạt được mục đích như thiết kế S – MAC được thiết kế gồm có

ba vấn đề chính: thực hiện chu kỳ thức – ngủ; tránh xung đột và nghe thừa; xử lý thông điệp

27

Dương Khôi Nguyên – CB130608

lại thì chu trình hoạt động giảm bớt tới 50% Như vậy có thể tiết kiệm được 50% năng lượng

a) Lược đồ cơ bản:

Mỗi nút cảm biến chuyển vào trạng thái “ngủ” trong một khoảng thời gian, sau đó “tỉnh dậy” và nghe xem liệu có nút nào muốn “nói chuyện” với nó Trong thời gian ngủ nút cảm biến tắt bộ phận thu phát vô truyến và đặt thời gian để quay về trạng thái thức

Khoảng thời gian cho việc thức và ngủ có thể được lựa chọn theo những ứng dụng khác nhau

Hình 2.3 Lược đồ S – MAC

Lược đồ trên yêu cầu có định kỳ sự đồng bộ giữa các nút cảm biến trong vùng tránh sai lệch thời gian Tất cả các nút cảm biến đều tự do lập lịch cho mình chu kỳ thức/ngủ Tuy nhiên, để giảm bớt phải xử lý những gói tin điều khiển, tốt hơn là để các cho các nút trong vùng đồng bộ với nhau Có nghĩa là chúng thức cùng lúc và chuyển sang trạng thái ngủ cùng lúc Nhưng cũng cần chú ý trong một mạng đa bước nhảy không phải tất cả các nút lân cận có thể đồng bộ hóa cùng nhau Hai nút lân cận

A và B có thể có lịch khác nhau vì chúng tiến hành đồng bộ với những nút khác nhau

C và D, hình 2.4

Hình 2.4 Đồng bộ giữa các nút

Các nút cảm biến trao đổi với nhau thông tin lịch làm việc của chúng bằng cách phát quảng bá cho tất cả các nút lân cận hiện thời Điều này đảm bảo rằng tất cả

28

Dương Khôi Nguyên – CB130608

các nút trong vùng vẫn có thể nói chuyện được với nhau dù chúng có lịch làm việc khác nhau.Ví dụ trong hình 2.4, nếu nút A muốn nói chuyện với nút B, nó chỉ cần đợi cho đến khi B có trạng thái thức Nếu có nhiều nút trong vùng lân cận muốn nói chuyện với một nút, thì chúng cần cạnh tranh chiếm đường truyền khi nút nhận ở trạng thái thức, sử dụng gói tin RTS (Request to Send) và CTS (Clear to Send) Nút nào gửi gói tin RTS ra trước sẽ dành quyền truy nhập và nút nhận sẽ trả lời với một gói CTS Sau đó chúng bắt đầu truyền dữ liệu, lúc này chúng không tuân theo lịch làm việc trước đó của chúng cho đến khi việc truyền dữ liệu kết thúc

Mặt trái của lược đồ là sự gia tăng độ trễ do duy trì chu kỳ ngủ (sleep) của mỗi nút Hơn nữa, độ trễ có thể tích lũy qua mỗi chặng, nên yêu cầu giới hạn độ trễ của ứng dụng tạo ra giới hạn thời gian ngủ trong chu kỳ làm việc của các nút cảm biến

b) Tiến trình lựa chọn và duy trì lịch làm việc

Trước khi mỗi nút bắt đầu chu kỳ thức/ ngủ, nó cần phải chọn một lịch biểu làm việc (khi nào thức, khi nào ngủ) và trao đổi lịch này với các nút lân cận Mỗi nút duy trì một bảng lưu giữ tất cả các thời gian biểu của các nút lân cận mà nó biết

Rất hiếm khi xảy ra các nút phải duy trì nhiều thời gian biểu Các nút sẽ cố gắng chọn một thời gian biểu đã tồn tại trước khi tự chọn cho mình một thời gian biểu độc lập Mặt khác, xảy ra trường hợp các nút lân cận thất bại trong việc khám phá, phát hiện ra nhau tại thời điểm ban đầu do xung đột khi quảng bá thời gian biểu, thì chúng vẫn có thể tìm thấy nhau trong chu kỳ kế tiếp

Một tùy chọn khác để cho những nút trên vùng biên chấp nhận duy nhất một thời gian biểu là chấp nhận cái đến trước tiên Khi nó biết thời gian biểu khác mà một nút lân cận của nó theo, nó vẫn có thể còn nói chuyện Tuy nhiên, với những gói quảng bá , nó cần gửi hai lần với hai thời gian biểu khác nhau Ưu điểm của phương pháp này là các nút nằm trong vùng biên sẽ có cùng chu kỳ nghe ngủ với các nút khác

c) Thực hiện đồng bộ