Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây

MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây là một hướng tiếp cận mới đầy triển vọng cho rất nhiều các ứng dụng như theo theo dõi môi trường, quân sự, y tế, nông nghiệp v.v.Đặc điểm quan trọng nhất c

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

-

TRẦN VĂN THỌ

TRUYỀN ĐA KÊNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Truyền thông và mạng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGÔ QUỲNH THU

Hà Nội – 2015

MỤC LỤC:

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây [2] 9

1.1.1 Giới thiệu chung 9

1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 10

1.1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 11

1.1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 13

1.2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 16

1.2.1 Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến 16

1.2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến 19

1.3 Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây[1] 21

1.3.1 Các thách thức của truyền đa kênh 22

1.3.2 Truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây 24

1.4 Một số giao thức trong mạng cảm biến không dây 26

1.4.1 Giao thức ARPEES [5] 26

1.4.2 Giao thức OEDSR [16] 27

1.4.3 Giao thức UMRC [15] 28

CHƯƠNG II: PHÁT BIỂU BÀI TOÁN, ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP VÀ XÂY DỰNG GIAO THỨC 31

2.1 Phân tích bài toán 31

2.2 Giải pháp 32

2.3 Môi trường thực hiện 33

2.3.1 Định tuyến phân cấp theo sự kiện 33

2.3.2 Mô hình năng lượng 34

2.3.3 Giao thức truy cập môi trường [1] 35

2.4 Phân tích và thiết kế giao thức 38

2.4.1 Giai đoạn khởi tạo mạng 39

2.4.2 Giai đoạn phân cụm và tìm đường 40

2.4.3 Giai đoạn truyền dữ liệu 47

CHƯƠNG III: CÀI ĐẶT, MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 51

4.1 Giới thiệu về công cụ mô phỏng Omnet++[14] 51

4.1.1 OMNET++ là gì ? 51

4.1.2 Các thành phần chính của OMNet++ 51

4.1.3 Cài đặt chương trình OMNet++ 54

4.2 Mô phỏng giao thức MMLCP trên OMNeT++ 56

4.2.1 Kịch bản và các tham số mô phỏng 56

4.2.2 Kết quả thử nghiệm và đánh giá 58

KẾT LUẬN 66

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TDMA Time division multiple access

ARPEES Adaptive Routing Protocol with Energy Efficiency and Event

Clustering forWireless Sensor Networks OEDSR Optimized Energy-Delay Sub-network Routing

UMRC mUltichannel and Multihop clusteRing

Communication MMLCP Multichanel and Multihop Level Clustering Protocol

HPEQ Hierarchical Periodic, Event-driven and Query-based

Wireless Sensor Network Protocol LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems TEEN Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols

OMNeT++ Objective Modular Network Tested in C++

FDMA Frequency Division Multiple Access

CDMA Code division multiple access

CSMA Carrier sense multiple access

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây 9

Hình 1.2 Ứng dụng trong nông nghiệp 15

Hình 1.3 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 19

Hình 2 1 Mô hình giao thức phân cấp 34

Hình 2 2 Mô hình truyền thông và năng lượng 35

Hình 2 3 Sơ đồ hoạt động của CSMA/CA không chia khe 37

Hình 2 4 Sơ đồ hoạt động giai đoạn phân cụm và tìm đường 45

Hình 2 5 Mô hình truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây 46

Hình 2 6 Sơ đồ hoạt động giai đoạn truyền dữ liệu 50

Hình 3 1 File cài đặt Omnet++ 55

Hình 3 2 Hoàn thành cài đặt Omnet++ 56

Hình 3 3 Mô hình mạng mô phỏng ở giai đoạn khởi tạo 58

Hình 3 4 Tổng năng lượng còn lại của mạng qua các sự kiện 60

Hình 3 5 Số cảm biến còn hoạt động qua các sự kiện 61

Hình 3 6 Năng lượng còn lại của từng cảm biến sau 600 sự kiện 62

Hình 3 7 Thông lượng trung bình của mạng 63

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Các tham số CSMA/CA 37

Bảng 2 2 Ví dụ bảng định tuyến của một nút 40

Bảng 3 1 Các tham số mô phỏng 57

Bảng 3 2 Tỉ lệ lỗi của CSMA/CA 64

MỞ ĐẦU

Mạng cảm biến không dây là một hướng tiếp cận mới đầy triển vọng cho rất nhiều các ứng dụng như theo theo dõi môi trường, quân sự, y tế, nông nghiệp v.v.Đặc điểm quan trọng nhất của mạng cảm biến không dây là các nút cảm biến được phân bố trên một diện tích rộng, hoạt động độc lập với mức năng lượng cố định Vấn đề định tuyến và truyền dữ liệu theo nhiều kênh trong mạng cảm biến đặt ra những thách thức không nhỏ bởi các giao thức cần đơn giản nhưng có khả năng thích nghi tốt, tiết kiệm năng lượng hiệu quả để có thể hoạt động được với số lượng nút cảm biến lớn có năng lượng giới hạn đồng thời giao thức định tuyến cần tự điều chỉnh trong trường hợp một

số nút cảm biến gặp lỗi gây thay đổi cấu trúc mạng Chính vì vậy, luận văn tập trung vào xây dựng giao thức định tuyến đa kênh trên cơ sở phân cụm, phân cấp hướng sự kiện với mục đích đáp ứng những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây đồng thời giao thức phải tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu suất, thông lượng cho toàn mạng

Bố cục của luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Giới thiệu về mạng cảm biến không dây và các vấn đề định tuyến và truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây Tìm hiểu một số giao thức như: ARPEES, OEDSR, UMRC

Chương 2: Phát biểu bài toán, định hướng giải pháp và thiết kế giao thức

Tìm hiểu bài toán mạng cảm biến không dây, những vấn đề gặp phải khi xây dựng bài toán theo phương pháp truyền đa kênh Xây dựng giao thức định tuyến và truyền đa kênh mới

Chương 3: Cài đặt mô phỏng và đánh giá kết quả

Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng OMNeT++, Xây dựng mô phỏng và đánh giá

kết quả của giao thức dựa trên một số tiêu chí như: Vấn đề tiết kiệm năng lượng, tuổi

thọ mạng, băng thông v.v

Em xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô ở Viện Công nghệ thông tin, Đại học

Bách khoa và các đồng nghiệp ở trường Đại học Xây dựng đã có giúp đỡ cả về chuyên

môn cũng như động viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn Đặc biệt, em xin

chân thành cảm ơn TS Ngô Quỳnh Thu, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ các ý

kiến quý báu để em hoàn thành luận văn

Hà Nội, tháng 9 năm 2015

Trần Văn Thọ

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây [2]

1.1.1 Giới thiệu chung

Cùng với sự phổ cập của mạng không dây và sự phát triển của công nghệ vi xử

lý, mạng cảm biến không dây ngày càng trở nên phổ biến và có những ứng dụng quan trọng ở khắp các lĩnh vực: từ nông nghiệp (theo dõi nhiệt độ, độ ẩm v.v.) đến công nghiệp (giám sát rung, đo khoảng cách v.v.) từ quân sự (giám sát chiến trường, thu thập thông tin chiến địa v.v.) đến dân sinh (chăm sóc sức khỏe, tòa nhà thông minh v.v.)

Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks-WSN – Hình 1.1) là một mạng bao gồm nhiều node cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng

ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên v.v

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:

 Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người

 Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop

 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các node cảm biến

 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các node

 Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán Mạng cảm biến không dây có những sự khác biệt rất lớn so với các mạng có dây

và mạng không dây thông thường Các đặc trưng về mặt kích thước, khả năng xử lý, năng lượng, số lượng node lớn, sự bất ổn về cấu hình mạng v.v chính là các thách thức

cơ bản đối với các nhà nghiên cứu về mạng cảm biến không dây Một node mạng cảm biến thường có kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt từ vài đến vài chục cm), khả năng tính toán hạn chế, dung lượng bộ nhớ nhỏ, nguồn cung cấp năng lượng có giới hạn Bên cạnh đó, các node mạng thường xuyên được triển khai trên các địa hình xấu, phức tạp, không được bảo trì và có khả năng di chuyển, do đó có sự bất ổn trong cấu hình mạng Đây chính là các thử thách cơ bản hay các tiêu chí thiết kế quan trọng nhất đối với các nhà nghiên cứu về mạng cảm biến không dây

1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến

Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng Vì vậy, thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng phải quan tâm đến các yếu tố sau:

 Giao tiếp không dây đa chặng: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính thì

giao tiếp giữa hai node có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt là khi node phát và node thu cách xa nhau thì công suất phát cần lớn Vì vậy cần các node trung gian làm node chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do vậy các cảm biến không dây phải dùng giao tiếp đa chặng

 Sử dụng hiệu quả năng lượng: để kéo dài thời gian sống của toàn mạng, việc sử

dụng hiệu quả nguồn năng lượng là kỹ thuật quan trọng của mạng cảm biến không dây

 Tự cấu hình: Mạng cảm biến không dây phải cấu hình các thông số một cách tự

động như các node có thể xác định vị trí của nó thông qua các node khác (tự định vị)

 Xử lý và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node cảm biến không

thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều node cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng node thu dữ liệu gửi ngay đến trạm gốc thì

sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều node trong một vùng rồi mới gửi tới trạm gốc thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng

Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:

 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node lân cận

1.1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

1.1.3.1 Kích thước vật lý nhỏ

Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng

1.1.3.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm biến

và vận chuyển các dòng tin với khối lượng xử lý thấp gồm các hoạt động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại Ví dụ, thông tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng Hoặc dữ liệu có thể được các node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được hướng tới định tuyến

đa liên kết hay liên kết cầu Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi Hơn nữa mỗi dòng lại tạo

ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực Do đó các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần có sự tập trung xử lý cao độ

1.1.3.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế

Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường Điển hình, bộ nhạy cảm hay bộ truyền động cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới bộ vi điều khiển chip đơn Ngược lại, các hệ thống thông thường với các hoạt động xử lý phân tán đồng thời kết hợp với một loạt thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc phức tạp Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp

1.1.3.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho các ứng dụng cụ thể Vì có một số phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Với mỗi thiết bị riêng điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ

nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ

1.1.3.5 Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lượng lớn được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị riêng lẻ là điều thiết yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của các ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục lỗi Như vậy, hệ hống hoạt động trên từng node đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy

1.1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ cao, các mạng cảm biến không dây không ngừng phát triển và được ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống Các mạng cảm biến

có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến động đất, cảm biến từ trường tốc độ lấy mẫu thấp, cảm biến thị giác, cảm biến hồng ngoại, cảm biến thanh, radar v.v mà có thể quan sát vùng rộng các điều khiển xung quanh đa dạng bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của xe, điều kiện ánh sáng, áp suất, sự hình thành đất, mức nhiễu, sự có mặt hay vắng mặt một đối tượng nào đó, mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn, đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng

Có thể phân loại ứng dụng của mạng cảm biến trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác

1.1.4.1 Ứng dụng trong quân đội

Mạng cảm biến không dây có thể là một phần tích hợp trong hệ thống điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu

Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể bị lỗi của mạng cảm biến làm cho chúng hứa hẹn kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân đội Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các node cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài node bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến trường do thám địa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân

1.1.4.2 Ứng dụng trong môi trường

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc lớn đối với việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh-hóa, nông nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý v.v

1.1.4.3 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các node cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

1.1.4.5 Ứng dụng trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: Giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ hàng hóa Các kiện hàng sẽ bao gồm các node cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời

kỳ lưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng bản tin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ các đặc điểm của chúng Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được

truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng node Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, sensor sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn

Những node cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container

ở cảng Mỗi một container là một node mạng trong mạng cảm biến và có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác Tập hợp các container

tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất quán Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu

1.1.4.6 Ứng dụng trong nông nghiệp

Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm

để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp (hình 1.2)

Hình 1.2 Ứng dụng trong nông nghiệp

1.2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

1.2.1 Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến

Một trong những mục tiêu chính trong việc thiết kế WSN là truyền tải dữ liệu trong khi vẫn duy trì năng lượng hoạt động hệ thống mạng và ngăn chặn sự sụt giảm kết nối bằng cách sử dụng công nghệ quản lý năng lượng linh hoạt  chính là quá trình định tuyến (hình 1.3) Kiến trúc của giao thức định tuyến trong mạng cảm biến chịu ảnh hưởng từ nhiều yêu cầu đặt ra Dưới đây là một số thách thức và vấn đề có ảnh hưởng tới quá trình định tuyến trong mạng cảm biến:

Sự phân bố các nút mạng: có thể là định trước hay ngẫu nhiên Trong phân bố định

trước, các cảm biến được đặt vị trí và dữ liệu sẽ được định tuyến qua các tuyến đường

đã định trước Tuy nhiên trong phân bố nút ngẫu nhiên, các nút cảm biến được phân tán một cách ngẫu nhiên và nếu kết quả phân tán không đồng đều, việc bó cụm tối ưu

là cần thiết để cho phép các hoạt động mạng sử dụng năng lượng một cách hiệu quả

Định tuyến chính xác khi mức năng lượng giảm thấp: Sự trục trặc của một vài nút

cảm biến do lỗi nguồn có thể gây thay đổi rõ rệt về cấu hình mạng và đòi hỏi việc định tuyến lại các gói tin và sắp xếp lại mạng

Mô hình báo cáo dữ liệu: chia làm ba loại chính: theo thời gian (liên tiếp), theo sự

kiện, theo truy vấn hay lai hóa Mô hình theo thời gian phù hợp với chức năng đòi hỏi giám sát dữ liệu theo chu kỳ Theo đó, các nút cảm biến sẽ bật cảm biến và bộ truyền dẫn theo chu kỳ, cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu cần thiết sau những chu kỳ không đổi Trong mô hình theo sự kiện và theo truy vấn, các nút cảm biến phản ứng ngay lập tức tới sự thay đổi giá trị bất ngờ và rõ rệt của nhân tố được cảm biến do một

sự kiện nhất định xảy ra hoặc một truy vấn được tạo ra bởi trạm gốc Cũng tồn tại một

mô hình kết hợp của hai mô hình trên Mô hình báo cáo dữ liệu liên quan tới việc tiêu thụ năng lượng và độ ổn định tuyến đường

Tính không đồng nhất giữa nút và liên kết: Việc tồn tại sự không đồng nhất giữa các

nút cảm biến có thể làm gia tăng các vấn đề liên quan đến định tuyến dữ liệu Ví dụ, một vài ứng dụng có thể yêu cầu sự kết hợp của nhiều loại cảm biến để theo dõi nhiệt

độ, áp suất và độ ẩm của môi trường, phát hiện chuyển động và ghi lại hình ảnh của đối tượng chuyển động Ngay cả việc đọc và báo cáo dữ liệu của các cảm biến này cũng ở tốc độ khác nhau phụ thuộc vào ràng buộc chất lượng dịch vụ, và có thể sử dụng nhiều

mô hình báo cáo dữ liệu khác nhau

Tính chịu lỗi: Việc lỗi ở nút cảm biến không thể để ảnh hưởng tới tác vụ chung của

mạng Nếu một số lượng lớn nút gặp lỗi, giao thức định tuyến bắt buộc phải điều tiết việc hình thành các liên kết và tuyến đường mới tới trung tâm dữ liệu ở trạm gốc Điều này có thể đòi hỏi tinh chỉnh cường độ tín hiệu và năng lượng truyền tải một cách chủ động để giảm năng lượng tiêu thụ, hoặc định tuyến lại các gói tin qua vùng mạng có nhiều năng lượng hơn

Khả năng thích ứng: Số lượng các nút cảm biến đặt trên khu vực cảm biến có thể lên

tới hàng trăm, hàng nghìn hay nhiều hơn Bất kì một phương thức định tuyến nào cũng phải có khả năng hoạt động với một số lượng rất lớn các nút cảm biến Thêm vào đó, các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến phải đủ linh hoạt để đáp ứng lại các sự kiện trong môi trường

Tính di động của mạng: Trong một số trường hợp tính di động của trạm gốc hoặc các

nút cảm biến là cần thiết Các bản tin định tuyến đến từ hay gửi tới các nút di chuyển sẽ khó khăn hơn khi độ ổn định của tuyến đường trở thành một vấn đề được đặt ra Thêm vào đó, các hiện tượng được cảm biến có thể là tĩnh hoặc động tùy thuộc vào chức năng mạng, ví dụ: mang tính động trong việc phát hiện và theo dấu đối tượng, mang tính tĩnh như giám sát rừng để cảnh báo cháy Việc theo dõi các sự kiện tĩnh cho phép mạng hoạt động ở chế độ phản ứng, đơn giản là tạo kết nối khi báo cáo Các sự kiện động yêu cầu cần có báo cáo theo chu kỳ

Thiết bị truyền tải: Các vấn đề cơ bản liên quan tới kênh truyền dẫn không dây như

suy giảm tín hiệu, tỷ lệ lỗi caov.v có thể ảnh hưởng tới hoạt động của mạng không dây Thông thường, băng thông yêu cầu cho dữ liệu cảm biến là nhỏ, từ khoảng 1-100kb/s

Sự gộp dữ liệu: Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các gói tin giống

nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp cho số lượng các giao tiếp có thể giảm xuống Gộp dữ liệu là việc kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dựa trên hàm gộp nhất định VD: lược bỏ trùng, cực đại, cực tiểu hay trung bình Kĩ thuật này được sử dụng để tận dụng hiệu quả năng lượng và tinh chỉnh việc truyền tải dữ liệu trong một

Hình 1.3 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

1.2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến

Với các điểm khác biệt về giới hạn năng lượng, khả năng truyền tải và tỉ lệ lỗi giữa mạng cảm biến không dây và mạng cảm biến truyền thống, một số lượng không nhỏ các giao thức định tuyến đã được đề xuất để giải quyết các thách thức định tuyến đặt ra bởi các đặc điểm của mạng cảm biến Theo cách phân chia theo cấu trúc mạng, các thuật toán định tuyến chia ra làm các loại: định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến theo vị trí

Base Station Sensor Node

 Định tuyến phẳng: được thiết kế cho mạng với các nút cảm biến đồng nhất Có

cùng khả năng truyền tải và khả năng xử lý và các nút giữ vai trò trong quá trình định tuyến như nhau Direct Diffusion, Sensor Protocols for Information via Negotiation(SPIN), Rumor Routing và Energy-Aware Routing (EAR) v.v.được xếp vào loại giao thức này Với cấu trúc mạng đơn giản của định tuyến phẳng,

họ giao thức này cho thấy một số ưu điểm như là giảm số bản tin điều khiển sử dụng, có khả năng tìm kiếm đa tuyến đường

- Ưu điểm: Hoạt động giao thức đơn giản và giảm số lượng bản tin điều khiển sử dụng

- Nhược điểm: Không có khả năng tối ưu tuyến đường cũng như không đảm bảo dữ liệu đến được trạm gốc

 Định tuyến phân cấp: được đưa ra với mục tiêu tăng cường khả năng thích nghi

và tiết kiệm năng lượng cho mạng thông qua việc phân nhóm các nút cảm biến Trong nhóm giao thức này, các giao thức sẽ được phân thành các nhóm và một nút với nhiều tài nguyên trong mỗi nhóm sẽ giữ vai trò làm nhóm trưởng Mỗi nhóm trưởng chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu nhận được từ các thành viên trong nhóm, giao tiếp với các nhóm trưởng khác và với điểm thu nhận dữ liệu Ngược lại, tất cả các nút thành viên trong nhóm thực hiện cảm biến môi trường và chuyển dữ liệu thu thập được tới nhóm trưởng Cách tiếp cận này tuy tăng khả năng thích nghi cho mạng tuy nhiên hoạt động phân nhóm và thay thế nhóm trưởng (với mục tiêu phân phối đều năng lượng) làm tăng số lượng bản tin điều khiển phải sử dụng Một số các giao thức phân nhóm điển hình là Threshold-Sensitive Energy-Efficient Sensor Network Protocol (TEEN), Adaptive Periodic Threshold Sensitive Energy - Efficient Sensor Network Protocol (APTEEN), Low - Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), Power-Efficient Gatheringin Sensor Information Systems (PEGASIS) v.v

- Ưu điểm: Tiết kiệm và cân bằng năng lượng, khả năng mở rộng cao, giảm dư thừa dữ liệu

- Nhược điểm: Quá trình định tuyến phức tạp, số lượng bản tin điều khiển nhiều

 Định tuyến theo vị trí: là họ giao thức sử dụng vị trí chính xác của nút cảm biến

để chọn tuyến đường Vị trí địa lý của nút cảm biến có thể được lấy trực tiếp sử dụng thiết bị định vị GPS hoặc gián tiếp thông qua trao đổi dữ liệu về cường độ tín hiệu nhận được ở mỗi nút Tuy nhiên, do việc định vị đòi hỏi thiết bị phần cứng chuyên biệt và làm gia tăng chi phí tính toán cho nút cảm biến, cách tiếp cận này không thực sự dễ dàng thực hiện do giới hạn về tài nguyên trong mạng cảm biến Qua các phân tích trên có thể rút ra một số kết luận về các loại hình giao thức định tuyến này

- Ưu điểm: Đạt độ chính xác cao trong việc chọn tuyến đường

- Nhược điểm: Khả năng ứng dụng thực tế với quy mô lớn là không cao do chi phí module định vị cùng với đó là vấn đề về tiêu thụ năng lượng cho xác định vị trí

1.3 Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây[1]

Mạng cảm biến không dây là mạng lưới các thiết bị nhỏ bao gồm cả hai khả năng cảm biến và giao tiếp với nhau Ngày nay nhiều nền tảng phần cứng mạng cảm biến như MICAZ, Telos v.v có khả năng giao tiếp ở các kênh khác nhau Truyền thông đa kênh là khả năng các cảm biến có thể giao tiếp với nhau trên nhiều tần số nhằm mục đích làm giảm nhiễu, tăng băng thông, giảm thời gian truyền tin, tăng hiệu năng mạng Tuy nhiên vấn đề truyền thông đa kênh cũng gặp phải một số vấn đề cần phải giải quyết như: định tuyến, chồng kênh, chuyển kênh, và phối hợp các kênh truyền

1.3.1 Các thách thức của truyền đa kênh

Như đã nói ở trên truyền thông đa kênh là một phương pháp hiệu quả để giảm ảnh hưởng của nhiễu và tăng khả năng truyền song song đồng thời trên cùng một miền không gian, do đó làm tăng hiệu năng của mạng Tuy nhiên, cũng có những khó khăn tồn tại trong phương pháp truyền đa kênh cần được xem xét

 Chồng kênh: Các nghiên cứu về truyền thông đa kênh thường giả sử là các kênh

hoàn toàn trực giao hoặc xem như chỉ sử dụng các kênh trực giao Tuy nhiên việc chỉ sử dụng các kênh trực giao không thể tận dụng tần số một cách hiệu quả Các kênh chồng nhau nếu được sử dụng hợp lý với mức nhiễu chấp nhận được có thể giúp tăng hiệu năng của mạng Do đó, ta không nên bỏ qua chồng kênh và nhiễu kênh kề nhau khi thiết kế giao thức đa kênh

 Chuyển kênh: Lợi ích cơ bản của truyền thông đa kênh là các nút có thể điều

chỉnh bộ phát sóng của nó sang kênh khác và chuyển đổi động giữa các kênh bất

kỳ khi nào thấy nhiễu trên một kênh nào đó làm giảm hiệu năng truyền thông Ngoại trừ chiến lược phân kênh cố định, chiến lược phân kênh bán tự động và tự động cho phép các nút chuyển bộ thu phát sóng giữa các kênh khác nhau Tuy nhiên, các bộ thu phát sóng thường không thể chuyển giữa các kênh một cách lập tức mà mất một khoảng thời gian, ví dụ, khoảng 200µs với bộ thu phát CC2420 sử dụng trong WSNs Nhất là các giao thức mà cho phép chuyển kênh quá thường xuyên có thể chịu chi phí của thời gian chuyển kênh Tuy nhiên, điều này phụ thuộc rất nhiều vào phần cứng được sử dụng và chi phí có thể được giảm bằng việc kéo dài khoảng thời gian của pha trao đổi dữ liệu một khi một kênh đã được chọn giữa 2 điểm Cho nên, khi thiết kế giao thức truyền thông đa kênh, ta nên tính đến tác động của trễ chuyển kênh

 Phối hợp kênh: Nếu việc phân kênh được thực hiện động, ví dụ các bộ thu phát

sóng chuyển giữa các kênh thay vì là một kênh cố định, một sự phối hợp chi tiết

của việc chuyển kênh được yêu cầu giữa bên gửi và bên nhận để có cùng kênh tại một thời điểm Ngay cả nếu các nút có nhiều bộ thu phát, nếu số kênh được

sử dụng lớn hơn số bộ thu phát sẵn có trên nút, điều này gây ra một chuỗi các vấn đề trong phối hợp kênh

o Bài toán ẩn thiết bị đầu cuối đa kênh: Bài toán này được liên kết với

giao thức dựa trên CSMA/CA nơi mà cơ chế RTS/CTS (request to send/clear to send) được sử dụng Nó xảy ra khi gói tin điều khiển (RTS/CTS) được gửi trên một kênh nhất định không thể được nhận bởi các nút đang truyền trên các kênh khác Các nút sẽ mất các gói tin điều khiển, bắt đầu truyền các gói tin điều khiển trên kênh của đích đến dẫn đến xung đột

o Bài toán điếc: bài toán điếc cũng liên quan đến các giao thức dựa trên

RTS/CTS Vấn đề xảy ra khi một bộ truyền gửi gói tin điều khiển để khởi đầu quá trình truyền và đích được điều chỉnh ở một kênh khác Sau khi gửi nhiều yêu cầu, nếu người truyền không nhận được bất kỳ trả lời nào nó có thể kết luận rằng bên nhận là không thể truy cập được

o Hỗ trợ quảng bá: Khi các nút đang chuyển động giữa các kênh, nó có

thể không chắc để hỗ trợ quảng bá thành công

o Phân mảnh mạng: Nếu các bộ truyền của 2 nút gần nhau được cố

định ở tần số khác nhau, chúng không thể truyền thông với nhau

o Mở rộng mạng: Bài toán này có thể xảy ra cả với phân kênh tĩnh và

phân kênh động Nếu một nút mới có ý định tham gia vào mạng, nó

nó có thể phá vỡ sự tổ chức kênh đã được khởi tạo hoặc có thể yêu cầu quét toàn bộ kênh để tìm một kênh phù hợp để truyền và đó là nguyên nhân tiêu thụ nhiều năng lượng  cần phải xây dựng một

phương pháp định tuyến để làm giảm thời gian tìm đường của các gói tin

Có nhiều phướng pháp định tuyến được áp dụng trong mạng cảm biến không dây, trong nội dung luận văn em lựa chọn phương pháp định tuyến phân cấp theo sự kiện vì định tuyến phân cấp theo sự kiện có một số ưu điển: Tiết kiệm và cân bằng năng lượng, khả năng mở rộng cao, giảm dư thừa dữ liệu

1.3.2 Truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây

Các giao thức truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây đều có tác dụng cải thiện công suất, giảm thời gian phân phối dữ liệu, giảm nhiễu nhờ tăng khả năng truyền song song, khai thác nhiều kênh truyền Các giao thức đa kênh có thể được phân loại theo phương pháp gán tần số: gán tần số cố định cho từng vùng, bán động thay đổi tần

số khi cần thiết hoặc hoàn toàn động trong mỗi phiên truyền Phương pháp cố định có

ưu điểm là đơn giản, ít thông tin điều khiển tuy nhiên phải chịu vấn đề phân mảnh mạng, khó mở rộng Phân kênh bán động giải quyết được vấn đề phân đoạn mạng do nút có thể chuyển sang kênh tần số khác nhau để truyền thông với các hàng xóm, phân kênh bán động cần cơ chế phối hợp kênh giữa bên gửi và bên nhận và phải giải quyết vấn đề ẩn thiết bị đầu cuối và hỗ trợ quảng bá Trong phân kênh động mọi trao đổi được thực hiện sau khi chọn kênh, phân kênh động cũng cần phối hợp chặt chẽ giữa bên gửi và nhận, giải quyết các vấn đề về ẩn thiết bị đầu cuối và hỗ trợ quảng bá

Đã có nhiều giao thức đa kênh cho mạng cảm biến không dây được nghiên cứu, phát triển Tuy nhiên chúng không áp dụng được trong lĩnh vực WSN do giới hạn về năng lượng và khả năng tính toán của các cảm biến Gần đây, một số giao thức MAC

đa kênh cho WSNs đã được giới thiệu:

 Multifrequency Medium Access Control (MMSN)[9] được đưa ra bởi G.Zhou MMSN cho phép người dùng chọn 1 trong 4 chiến lược cấp phát

tần số để đáp ứng các yều cầu khác nhau, như mối quan hệ giữa số kênh tần

số và sô nút trong phạm vi 2 nút, chi phí truyền và tiết kiệm năng lượng

 Tree-based Multi-Channel Protocol (TMCP) [10] phối hợp việc gán kênh và việc xây dựng cây định tuyến để khai thác truyền song song giữa các cây con Tác giả đề xuất phương pháp phỏng đoán tập trung để phân chia mạng thành các cây con, mỗi cây được gán một tần số khác nhau để giảm thiểu nhiễu giữa các cây con Tranh chấp trên mỗi cây con không được giải quyết

do các nút hoạt động trên cùng tần số TMCP được thiết kế cho kiểu lưu lượng hội tụ

 SMC MAC [8]: được đề xuất bởi Ramakrishnan, giao thức dựa vào một kênh điều khiển dành riêng Giao thức sử dụng một kênh điều khiển và 8 kênh truyền thông khác Các nút truyền thông và đàm phán kênh truyền thông được sử dụng trên kênh điều khiển dành riêng Việc đàm phán được thực hiện qua bản tin RTS/CTS

 Multi-channel clustered LMAC [11]: là giao thức dựa trên lập lịch ở đó các nút được gán các khe thời gian theo đa kênh để truy cập môi trường Bên cạnh những ưu điểm, LMAC hoạt động phụ thuộc vào số khe thời gian và mật độ hàng xóm Khi tất cả các khe thời gian bị hết, nút có thể không truy cập được môi trường

 IMMAC [12]: an interference-aware multichannel media access control protocol IMMAC phân kênh theo cơ sở bên nhận Giao thức gán kênh sử dụng phương pháp tô màu 2 hop Sau quá trình phân kênh ban đầu, nếu một kênh trở nên chồng lấn, giao thức sử dụng chương trình hiệu chỉnh để chuyển một số nút sang kênh ít xung đột hơn

 Hybird MAC [13]: là một giao thức đa kênh sử dụng kết hợp TDMA và FDMA Khe thời gian và tần số được gán theo thuật toán tìm kiếm theo

chiều rộng Giao thức được thiết kế cho loại lưu lượng nhiều một của ứng dụng thu thập dữ liệu

1.4 Một số giao thức trong mạng cảm biến không dây

Có rất nhiều giao thức đã được nghiên cứu và phát triển trong mạng cảm biến không dây Trong nội dung luận văn này em khảo sát một giao thức định tuyến phân cấp theo sự kiện và giao thức truyền đa kênh để thấy được những ưu nhược điểm của các giao thức từ đó xây dựng giao thức mới

1.4.1 Giao thức ARPEES [5]

ARPEES là một giao thức định tuyến phân cấp theo sự kiện điển hình Giao thức chia thành ba pha trong đó hai pha chính: pha thành lập nhóm và pha truyền tải dữ liệu Các bước hoạt động cơ bản của giao thức tuân theo hoạt động cơ bản của định tuyến theo nhóm theo sự kiện

Ở pha thành lập nhóm, các nút sau khi quảng bá gói tin trạng thái sẽ tiến hành chọn nhóm sử dụng hàm đánh giá:

F CH (i) = E(i) I(i)

Trong đó:

 E(i) là năng lượng còn lại của nút

 I(i) là mô tả dữ liệu cảm biến được

ARPEES sẽ tiến hành chọn lại nhóm trưởng và tuyến đường mới sau mỗi round gửi dữ liệu

Hàm đánh giá được nhóm trưởng và các nút trung gian sử dụng để chọn nút tiếp theo trên tuyến đường truyền dữ liệu về trạm gốc:

j res

RN

BS j d

j CH d j E j

),(

),()()

Trong đó:

 d(i,j) là khoảng cách giữa i và j

 αj là giá trị góc giới hạn tạo bởi nút j, nhóm trưởng và trạm gốc

 cos αj có thể tính theo công thức:

) , ( ) , ( 2

) , ( - ) , ( + ) , (

= cos

2 2

2

BS CH d BS j d

BS j d BS CH d j CH d

α j

Việc đưa vào góc α giúp chọn được tuyến đường có độ lệch nhỏ

Sau mỗi vòng, APREES thực hiện chọn lại nhóm trưởng và qua đó thiết lập lại tuyến đường truyền mới tới trạm gốc giúp phân phối đều năng lượng sử dụng đồng thời đảm bảo luôn chọn được tuyến đường tốt nhất về trạm gốc Tuy nhiên việc chọn lại tuyến đường này làm tăng số bản tin điều khiển mà ở đây là các bản tin quảng bá trạng thái gây lãng phí năng lượng, tiêu tốn băng thông và có thể không thật sự cần thiết khi

số frame truyền trong một round là không nhiều

Sang đến pha truyền dữ liệu, nhóm trưởng với mức năng lượng còn lại cao nhất

sẽ thực hiện quảng bá bản tin yêu cầu trạng thái, chọn một nút đạt giá trị hàm đánh giá tốt nhất làm nút chuyển tiếp Nhóm trưởng này đồng thời thực hiện lưu thông tin về vị trí và mức năng lượng của các nút lân cận, đóng gói vào một bản tin và chuyển tiếp lần lượt tới các nhóm trưởng khác Các nhóm trưởng còn lại sẽ đọc gói tin, lựa chọn trong danh sách đó một nút thuộc khoảng truyền tải và đạt giá trị hàm đánh giá tốt nhất làm nút chuyển tiếp Nếu trong danh sách không tồn tại nút nào thuộc khoảng lân cận, nhóm trưởng này sẽ tiến hành quảng bá ra lân cận để tìm nút chuyển tiếp khác Cơ chế này giúp việc lựa chọn nút truyền tải trung gian của các nhóm trưởng sử dụng ít bản tin điều khiển hơn Hàm đánh giá được OEDSR sử dụng để chọn nút chuyển tiếp là:

) , (

× ) , (

) (

= ) (

j CH Delay BS

j d

j E j

trong đó tham số Delay(CH,j) đại diện cho thông số độ trễ của tuyến đường

Việc OEDSR sử dụng nhiều nhóm trưởng cũng có nhược điểm nhất định Trong trường hợp xấu nhất với một nhóm gồm n nhóm trưởng, khi các nhóm trưởng lựa chọn các tuyến đường truyền tải không hề có nút chung thì số bản tin quảng bá sử dụng để chọn tuyến đường sẽ gấp n lần số bản tin ARPEES sử dụng

1.4.3 Giao thức UMRC [15]

Giao thức UMRC (mUltichannel and Multihop clusteRing Communication) là giao thức được thiết kế nhằm mục đích truyền thông đa kênh Giao thức được phát triển trên nền tẳng của 2 giao thức ARPEES và giao thức OEDSR

Đặc điểm của giao thức:

Mỗi nút trong mạng khi triển khai sẽ xây dựng và duy trì một danh sách các nút relay có thể được chọn để gửi dữ liệu về BS Bảng này được cập nhật mỗi khi có một nút bị loại ra khỏi bảng, nút bị loại ra khỏi bảng khi năng lượng của nó trong bảng nhỏ hơn một mức nào đó Khi cần tìm đường về BS, nút sẽ tìm một nút trong danh sách đang ở trạng thái rỗi làm relay để chuyển tiếp dữ liệu Khi sự kiện xảy ra, các nút tham

gia sự kiện được chia thành các cụm nhỏ và được cấp các tần số khác nhau Mỗi cụm

có một cụm trưởng (Cluster Head – CH) chịu tránh nhiệm thu thập dữ liệu từ các thành viên, tổng hợp dữ liệu để giảm bớt dư thừa và gửi dữ liệu về BS Mỗi CH tìm một đường riêng về BS, các nút trên một tuyến đường hoạt động trên cùng một tần số giống với CH, các tuyến đường hoạt động trên các tần số khác nhau để truyền dữ liệu song song về BS Một kênh tần số được sử dụng riêng làm kênh hỗ trợ quảng bá

Giao thức gồm 3 pha chính: Pha khởi tạo, pha thành lập cụm và tìm đường, pha truyền dữ liệu

Pha khởi tạo

Các nút trao đổi thông tin với nhau để xác định vị trí của các nút hàng xóm và của trung tâm, khởi tạo các thống số về năng lượng, và tính khoảng cách của nút với vị trí trung tâm, xây dựng bảng định tuyến cho mỗi nút

Công thức xác định nút relay:

),()()

j E

MAXE j

F relay  

Trong đó:

 MAXE là hàng số, là năng lượng tham chiếu

 E(j) là năng lượng còn lại của nút j

 d(j,BS) là khoảng cách từ j đến BS

Giao thức sẽ chọn những nút có khoảng cách đến trung tâm nhỏ hơn khoảng cách của nó đến trung tâm và có Frelay nhỏ nhất sẽ được thêm vào bảng định tuyến

Pha phân cụm và tìm đường:

Giao thức phân vùng sự kiện ra m cụm, mỗi cụm sẽ chọn ra 1 cụm trưởng và được gán một tần số riêng để hoạt động Cụm trưởng là nút có năng lượng lớn nhất

trong cụm Các nút trong cụm sẽ gửi dữ liệu cho cụm trưởng trên tần số này để tránh xung đột

Công thức chọn cụm trưởng:

F CH = Max[E(i)] với E(i) là năng lượng của nút i

Công thức xác định số nhóm:

m = min( n/4 +1 ; 4)

Sau khi xác định được số cụm và cụm trưởng, cụm trưởng sẽ tiến hành thu thập dữ liệu

từ các thành viên trong cụm, sau đó căn cứ vào bảng định tuyến để tìm đường về BS Trong quá trình chọn nút relay, nếu có nút relay nào không trả lời thì năng lượng của nút relay đó sẽ được cập nhật theo công thức:

10 ) , ( ) (min, (

* (min)

(min)

* )

E MAXE

E MAXE j

E

Trong đó:

o MAXE là hằng số, năng lượng tham chiếu

o min là nút có Frelay lớn nhất trong bảng định tuyến

Pha truyền dữ liệu:

Sau khi CH thu thập dữ liệu từ các thành viên và thiết lập được kênh truyền thì dữ liệu bắt đầu được truyền cho tới khi về BS Trong quá trình truyền dữ liệu, nếu nút nào

có năng lượng nhỏ hơn năng lượng trung bình tiêu hao trong một sự kiện thì nút đó sẽ

bị loại ra khỏi bảng định tuyến, khi đó nút đang xét sẽ tiến hành cập nhật lại toàn bộ bảng định tuyến Nút có năng lượng nhỏ lơn năng lượng tiêu hao trung bình sẽ quang

bá cho các nút khác biết sau đó sẽ chuyển sang trạng thái ngừng hoạt động

CHƯƠNG II: PHÁT BIỂU BÀI TOÁN, ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP VÀ XÂY DỰNG GIAO THỨC

2.1 Phân tích bài toán

Mạng cảm biến không dây đang trở thành xu thế nghiên cứu đầy triển vọng cho nhiều ngành như: quân sự, môi trường, y tế, giáo dục… Khi một sự kiện xảy ra, lượng

dữ liệu lớn được sinh ra trong khoảng thời gian ngắn cần phải truyền về trung tâm dẫn đến vấn đề phải làm như thế nào để chuyển dữ liệu đó về trung tâm một cách nhanh nhất, tránh xung đột và mất mát dữ liệu Truyền thông đa kênh là một phương pháp hiệu quả để giải quyết bài toán này Ưu điểu của truyền thông đa kênh là giảm bớt nhiễu và tranh chấp môi trường truyền bởi nó cho phép truyền song song trên nhiều tần

số khác nhau và giúp nâng cao thông lượng của mạng Các thế hệ mới của các bộ thu phát sóng thương mại sử dụng trong các nút cảm biến cũng hỗ trợ truyền thông đa kênh Từ những tính chất của mạng cảm biến và truyền thông đa kênh đã trình bày ở trên, mục tiêu của luận văn này là thiết kế phát triển giao thức truyền thông cho mạng cảm biến không dây có ứng dụng phương pháp truyền đa kênh nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng, giảm nhiễu và nâng cao hiệu năng của mạng

Do cảm biến có giới hạn về tài nguyên phần cứng, có năng lượng nhỏ, các giao thức dùng để liên kết các cảm biến khoảng cách truyền ngắn nên việc thiết kế giao thức ứng dụng phương pháp truyền đa kênh cần phải giải quyết các vấn đề sau:

 Vấn đề chồng kênh, chuyển kênh và phối hợp kênh truyền

 Giao thức phải tiết kiệm năng lượng do năng lượng các cảm biến nhỏ

 Giới hạn về phần cứng nên các cảm biến chỉ thực hiện các tính toán đơn giản

 Số lượng các nút cảm biến nhiều nên dữ liệu có thể bị dư thừa, cần có cơ chế xử lý dữ liệu dư thừa

2.2 Giải pháp

Các giao thức định tuyến phân cấp theo sự kiện đang là xu hướng nghiên cứu hiện nay với nhiều ưu điểm và giải quyết khá tốt các vấn đề của mạng cảm biến không dây như: khả năng thích nghi tốt hơn với mọi loại kích thước mạng, giảm dữ liệu cảm biến dư thừa và số bản tin điều khiển sử dụng => tiết kiệm năng lượng cho toàn mạng nên em đã quyết định lựa chọn phương pháp định tuyến phân cấp theo sự kiện kết hợp với truyền thông đa kênh để tận dụng tối đa hiệu quả kênh truyền Giao thức được phát triển dựa trên nền tảng của giao thức UMRC

Phát biểu bài toán:

 Cảm biến có hỗ trợ bộ thu phát đa kênh

 Vị trí các nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên trên vùng cần nghiên cứu

 Bộ thu phát sóng sử dụng dải tần 2.4 GHz có 16 kênh trực giao

 Các cảm biến có vị trí cố định và cùng loại

 Tại một thời điểm chỉ xảy ra một sự kiện

 Một sự kiện được sinh ra khi một cảm biến được kích hoạt và tất cả các cảm biến khác trong vùng sự kiện đều có thể liên lạc trực tiếp với nhau

Mô tả giao thức: Mỗi cảm biến sẽ có 2 thông số chính là Năng lượng và Level

 Năng lượng: chính là lượng pin còn lại của mỗi cảm biến

 Level: Level của cảm biến được xác định như sau: Cảm biến nào có thể liên lạc trực tiếp với trung tâm thì có Level = 1 Cảm biến nào không thể liên lạc với trung tâm(BS) nhưng có thể liên lạc được với các cảm biến có Level 1 thì cảm biến đó có Level = 2 Cứ như vậy công thức xác định Level như sau:

L i = Min (L j ) với Lj là Level của các cảm biến mà nó có thể liên lạc

 Khi có một sự kiện xảy ra, các nút sẽ tiến hành phân cụm, mỗi cụm sẽ được gán hoạt động trên một kênh (tần số) khác nhau, sau đó sẽ tiến hành tìm cụm trưởng (nút có Level nhỏ nhất và năng lượng lớn nhất) Cụm trưởng (Cluster

Head -CH) có vai trò tổng hợp các dữ liệu của các nút trong cụm và truyền

dữ liệu về trung tâm

 Khi mạng được kích hoạt mỗi CH sẽ được cập nhật bảng định tuyến (các nút trong bảng định tuyến có năng lượng lớn nhất và có Level nhỏ hơn Level của CH) Mỗi CH sẽ căn cứ vào bảng định tuyến này để tìm đường về BS Các

CH sẽ truyền dữ liệu trên kênh đã được gán cho mỗi cụm để có thể truyền dữ liệu song song về BS

Giao thức được đặt tên là: MMLCP – Multichannel and Multihop Level Clustering Protocol

2.3 Môi trường thực hiện

2.3.1 Định tuyến phân cấp theo sự kiện

Giao thức đa kênh được thiết kế dựa trên giao thức phân cấp theo sự kiện (như hình 2.1) Hoạt động của các giao thức này có bao gồm ba pha cơ bản sau: pha khởi tạo, pha thành lập cụm, pha truyền dữ liệu

Pha khởi tạo: Quá trình này sẽ được kích hoạt khi mạng mới được cài đặt và bắt

đầu đi vào hoạt động Thông thường trạm gốc sẽ quảng bá thông tin về vị trí của nó tới tất cả các nút cảm biến trong mạng để giúp các nút này có được định hướng trong việc định tuyến dữ liệu Trong nhiều trường hợp, các nút cũng thực hiện quảng bá các gói tin truy vấn tới các nút lân cận để thu thập dữ liệu về mô hình các nút mạng xung quanh nó

Pha thành lập cụm: Khi một sự kiện xảy ra, các nút nằm trong phạm vi sự kiện

sẽ được kích hoạt và tiến hành đo thông số cảm biến Nếu thông số này vượt ngưỡng các nút sẽ tiến hành quảng bá thông tin về dữ liệu cảm biến và năng lượng còn lại tới các nút lân cận Sau quá trình quảng bá thông tin một hàm đánh giá sẽ được sử dụng để chọn ra một hay nhiều nút phù hợp làm nhóm trưởng Trường hợp có nhiều nhóm trưởng các nút trong nhóm sẽ dựa vào thông số khoảng cách hay năng lượng để lựa

chọn một trong các nhóm trưởng đó để gửi dữ liệu cảm biến về Nhóm trưởng có nhiệm vụ nhận dữ liệu cảm biến từ các nút trong nhóm, thực hiện phân tích loại bỏ dữ liệu dư thừa và nén dữ liệu thành các bản tin gửi về trạm gốc

Pha truyền dữ liệu: Gói dữ liệu sau khi được xử lý sẽ được truyền từ nhóm

trưởng tới trạm gốc Cơ chế truyền ở đây là đi qua nhiều nút trung gian Nhóm trưởng cũng như các nút trung gian thuộc tuyến đường truyền sẽ chọn ra nút chuyển tiếp trên đường truyền dữ liệu về BS Các gói tin dữ liệu cảm biến sẽ được truyền đi theo tuyến đường cố định này cho tới khi sự kiện kết thúc

Hình 2 1 Mô hình giao thức phân cấp, phân cụm

2.3.2 Mô hình năng lượng

Để đánh giá sự tiêu hao năng lượng của cảm biến trong quá trình hoạt động một

mô hình năng lượng được sử dụng trong quá trình truyền nhận dữ liệu (như hình 2.2)

 k là số lượng bit dữ liệu của một gói tin