Tìm hiểu các phương pháp định tuyến tập trung dữ liệu trong mạng cảm biến không dây

Đã có rất nhiều nghiên cứu ở nước ngoài về mạng cảm biến không dây, trong đó tập trung chủ yếu về các vấn đề định tuyến dữ liệu nhằm làm tăng hiệu năng của hệ thống cũng như tiết kiệm đư

-

NGUYỄN THANH LÂM

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TẬP TRUNG DỮ LIỆU TRONG

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI, 2010

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận được

sự giúp đỡ của nhiều tổ chức, cá nhân Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới TS Trương Thị Diệu Linh – Giảng viên Bộ môn Truyền thông và mạng máy tính – Viện công nghệ thông tin và truyền thông thuộc Trường đại học bách khoa Hà Nội – người đã tận tình hướng dẫn tôi nghiên cứu, chỉnh lý và hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong Viện công nghệ thông tin và truyền thông và các cán bộ Viện đào tạo sau đại học thuộc Trường đại học bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành các thủ tục trong quá trình bảo vệ luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới Bố Mẹ và gia đình, bạn bè, người thân – những người đã luôn quan tâm giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành luận văn này

Tác giả luận văn: Nguyễn Thanh Lâm

Tôi – Nguyễn Thanh Lâm – cam kết Luận văn tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Trương Thị Diệu Linh

Các kết quả nêu trong Luận văn tốt nghiệp là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, tháng 04 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Lâm

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 3

KHÔNG DÂY 3

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến 3

1.1.1 Các tham số của mạng cảm biến 7

1.1.1.1 Giai đoạn tiền triển khai và triển khai 8

1.1.1.2 Giai đoạn sau triển khai 10

1.1.1.3 Giai đoạn triển khai lại các nốt phụ thêm 10

1.1.2 Kiến trúc mạng cảm biến 11

1.1.2.1 Tầng vật lý 13

1.1.2.2 Tầng liên kết dữ liệu 13

1.1.2.3 Tầng mạng 18

1.1.2.4 Tầng giao vận 27

1.1.2.5 Tầng ứng dụng 29

1.1.3 Directed Diffusion 30

1.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 37

1.2.1 Giới thiệu 37

1.2.2 Mạng cảm biến không dây quy mô lớn 38

1.2.3 Các thách thức thiết kế 40

1.2.4 Phần cứng 42

1.2.4.1 Các ràng buộc năng lượng không dây 42

1.2.4.2 Đặc tả nút cảm biến 43

1.2.5 Truyền thông không dây 46

1.2.5.1 Liên kết không dây 46

1.2.5.2 Chất lượng đường truyền 47

1.2.5.4 Định tuyến đa điểm và Short Hops 48

1.2.5.5 Định tuyến Multi-hop và Long Hops 49

1.2.5.6 Điều khiển truy cập thiết bị (MAC) 49

1.2.6 Clustering nhằm làm giảm chi phí truyền thông 49

1.2.6.1 Xử lý In-network 50

1.2.6.2 Tổng hợp dữ liệu 52

1.2.7 Định tuyến 52

1.2.8 Xử lý truy vấn 54

1.2.9 Thiết kế của mạng cảm biến không dây 55

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TẬP TRUNG DỮ LIỆU TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 57

2.1 Định tuyến tập trung dữ liệu 57

2.1.1 Các giao tác one-shot 57

2.1.2 Các giao tác lặp 59

2.2 Phương pháp định tuyến Directed Diffusion 61

2.2.1 Phương pháp đặt tên 62

2.2.2 Interest và Gradient 65

2.2.3 Truyền bá dữ liệu 70

2.2.4 Tăng cường cho quá trình khởi tạo và lược bớt đường 72

2.2.4.1 Khởi tạo đường bằng cách sử dụng tăng cường khẳng định 72

2.2.4.2 Khởi tạo đường cho đa nguồn và sink 74

2.2.4.3 Khôi phục cục bộ các đường lỗi 76

2.2.4.4 Loại bỏ lặp sử dụng tăng cường phủ định 78

2.2.5 Ngắt lặp bằng cách sử dụng tăng cường phủ định 79

Chương 3 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRUYỀN TIN TRỰC TIẾP VÀ CÁC MÔ PHỎNG 82

3.1.1 Flooding 83

3.1.2 Omniscient Multicast 84

3.1.3 Directed Diffusion 86

3.1.4 So sánh 87

3.2 Mô phỏng 90

P2P : Point-to-Point

QoS : Quality of Service

WLAN : Wireless LAN

ISM : Industrial, Scientific and Medical

MANET : Mobile Ad hoc Network

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers SMACS : Self-Organizing Medium Access Control for Sensor

CSMA : Carrier Sense Multiple Access

CDMA : Code Division Multiple Access

SAR : Sequential Asignment Routing

LEACH : Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy

TCP : Tranmission Control Protocol

UDP : User Datagram Protocol

ESRT : Event-to-Sink Reliable Transport

SMP : Sensor Management protocol

TADAP : Task Assignment and Data Advertisement Protocol SQDDP : Sensor Query and Data Dissemination Protocol SQTL : Sensor Query and Tasking Language

GPS : Global Positioning System

PDA : Personal Digital Assistant

WSN : Wireless Sensor Network

MEMS : Micro-Electro Mechanical System

MIPS : Million of Instructions Per Second

SRAM : Static Random Access Memory

Kbps : Kilobits per second

CMOS : Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ADC : Analog-to-Digital Converter

SQL : Structure Query Language

ACQUIRE : Active Query forwarding In sensoR nEtworks

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Dải tần số dành cho các ứng dụng ISM 11Bảng 1.2 Phân loại các giao thức MAC 14

Hình 1.1 Giám sát chiến trường 6

Hình 1.2 Sơ đồ mạng cảm biến 9

Hình 1.3 Giao thức mạng cảm biến 13

Hình 1.4 Phân loại các mô hình MAC 14

Hình 1.5 Định tuyến multihop vì giới hạn phạm vi truyền tín hiệu 19

Hình 1.6 Quảng bá interest (có kẻ địch trong địa bàn không?) và quảng cáo (có kẻ địch trong địa bàn) 21

Hình 1.7 Tổng hợp dữ liệu 22

Hình 1.8 Data funneling: (a) giai đoạn khởi tạo; (b) giai đoạn truyền dữ liệu 24

Hình 1.9 Ví dụ về truyền bá trực tiếp: (a) truyền interest, (b) thiết lập dải gradient và (c) gửi dữ liệu 27

Hình 1.10 ESRT 28

Hình 1.11 Diffusion: (a) khởi tạo gradient; (b) tăng cường; (c) đa nguồn; (d) đa sink; và (e) khôi phục 35

Hình 1.12: WSN: Sink được biểu diễn bằng các ăng ten ở các góc Các thiết bị di động truy cập tới mạng qua các sink Các mote là các chấm trắng nhỏ, trong khi các nút relay là các hình vuông trắng 40

Hình 1.13 Cảm biến MICA2 44

Hình 1.14 Cảm biến MICA2DOT 44

Hình 1.15 Cảm biến Spec đặt bên cạnh đầu bút bi 44

Hình 1.16 Cảm biến Java SunSpot 45

Hình 1.17 Mạng bên trái: gói tin được định tuyến bởi đường đi ngắn nhất tới sink Mạng bên phải: gói tin được định tuyến bằng tổng hợp dữ liệu 51

Hình 2.1 Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN 58

Hình 2.2 Thiết lập gradient 68

Hình 2.3 Gradient sau khi sink tăng cường đường có độ trễ nhỏ nhất 74

Hình 2.4 Gradient sau khi tăng cường, đa nguồn 75

Hình 2.5 Gradient sau khi tăng cường, đa sink 76

Hình 2.6 Gradient sau khi khôi phục cục bộ gây ra bởi sự cắt giảm chất lượng kết nối 77

Hình 2.7 Gradient sau nhiều vòng tăng cường, đa đường 77

Hình 2.8 Tăng cường phủ định để ngắt lặp 79

Hình 3.1 Một ví dụ về lưới hình vuông 83

Hình 3.2 Tác động của nhiều tham số 90

Hình 3.3 Hai ngôn ngữ và bộ liên kết trong NS 91

Hình 3.4 Ví dụ về công cụ đồ họa NAM trong NS 92

Hình 3.5 Thống kê trích chọn từ tệp vết mô phỏng bằng công cụ TraceGraph 94

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, mạng cảm biến nói chung và mạng cảm biến không dây nói riêng đang dần trở nên quan trọng đối với nhiều lĩnh vực của cuộc sống Nó khắc phục được một số nhược điểm của các mạng truyền thống là có thể triển khai được ở những nơi có địa hình hiểm trở, phức tạp, hoặc có tính di động cao

Ở những nước công nghiệp phát triển, việc ứng dụng mạng cảm biến không dây đã trở nên phổ biến trong các lĩnh vực như phát triển nông, lâm nghiệp, hỗ trợ y học, nghiên cứu về môi trường, dự báo các thảm họa động đất, núi lửa, ứng dụng trong lĩnh vực quân sự… Tuy nhiên, ở Việt Nam, mạng cảm biến không dây chưa được ứng dụng nhiều bởi giá cả đối với các thiết bị cảm biến không dây còn cao và trình độ công nghệ của nước ta còn tương đối thấp so với các nước công nghiệp phát triển Mặc dù vậy, theo xu hướng phát triển chung của công nghệ, tác giả luận văn nhận thấy rằng tương lai mạng cảm biến không dây cũng sẽ được phát triển mạnh tại Việt Nam Do đó, những nghiên cứu có giá trị về mô hình mạng này là rất cần thiết, và tác giả luận văn đã lựa chọn hướng nghiên cứu này

Đã có rất nhiều nghiên cứu ở nước ngoài về mạng cảm biến không dây, trong đó tập trung chủ yếu về các vấn đề định tuyến dữ liệu nhằm làm tăng hiệu năng của hệ thống cũng như tiết kiệm được năng lượng tiêu thụ của các nốt cảm biến và giúp làm tăng tuổi thọ của mạng cảm biến không dây Riêng

về vấn đề định tuyến, đã có nhiều nghiên cứu đề xuất và chứng minh được tính đúng đắn Có rất nhiều giao thức định tuyến dành cho mạng cảm biến không dây và một nhóm trong số đó là nhóm các phương thức định tuyến tập trung dữ liệu (Data-Centric Routing) Nổi bật trong nhóm giao thức này là

giao thức định tuyến Directed Diffusion với nhiều tính năng ưu việt Và tác giả luận văn, với sự hướng dẫn của TS Trương Thị Diệu Linh, đã quyết định lựa chọn hướng nghiên cứu về phương thức định tuyến này, đồng thời đưa ra một số kết quả mô phỏng chứng minh được tính ưu việt của thuật toán này

2 Mục đích nghiên cứu

Qua việc nghiên cứu về mạng cảm biến không dây nói chung và phương thức định tuyến Directed Diffusion, một điển hình của phương pháp định tuyến tập trung dữ liệu, sẽ giúp có được cái nhìn tổng quan về mô hình mạng thế hệ mới này, đồng thời nó sẽ giúp ích cho việc ứng dụng thực tiễn mạng cảm biến không dây vào trong các lĩnh vực của cuộc sống như y học, môi trường, quân sự…

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Mạng cảm biến không dây và các phương pháp định tuyến tập trung dữ liệu

- Phạm vi nghiên cứu: Một số phương thức định tuyến tập trung dữ liệu, đặc biệt phương thức Directed Diffusion

4 Kết cấu của luận văn

Ngoài Phần mở đầu và Phần kết luận, luận văn gồm có ba chương cơ bản:

- Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

- Chương 2 Phương pháp định tuyến tập trung dữ liệu trong mạng cảm biến không dây

- Chương 3 Đánh giá phương pháp định tuyến Directed Diffusion

và các mô phỏng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến

Mạng cảm biến là sự kết hợp một số lượng lớn các thiết bị cảm biến (nút cảm biến) được đặt một cách dày đặc ở bên trong vùng cần quan sát sự vật, hiện tượng hoặc rất gần với nó Phần lớn các nút cảm biến được đặt một cách ngẫu nhiên ở những nơi có địa hình khó tiếp cận hoặc làm giảm thiểu sự nguy hiểm khi thực hiện quan sát Điều đó cũng có nghĩa là các giao thức và thuật toán cho mạng cảm biến phải có khả năng tự-tổ-chức Tính năng khác nữa của mạng cảm biến là “sự nỗ lực có tính tương tác” của các nốt cảm biến Các nốt cảm biến được thiết kế với một bộ vi xử lý mạch-liền Thay vì gửi dữ liệu thô tới nốt có trách nhiệm tổng hợp thông tin, các nốt cảm biến sử dụng khả năng xử lý của chúng để thực hiện những tính toán đơn giản cục bộ và chỉ truyền dữ liệu cần thiết dưới dạng đã được xử lý theo từng phần

Các tính năng mô tả ở trên giúp cho mạng cảm biến có thể được ứng dụng rộng rãi Một số lĩnh vực ứng dụng mạng này là: sức khỏe, quân sự và bảo mật Ví dụ, dữ liệu sinh học về một bệnh nhân có thể được bác sỹ kiểm soát từ xa Nó vừa thuận tiện cho bệnh nhân và cũng cho phép bác sỹ hiểu rõ hơn về tình trạng sức khỏe hiện tại của bệnh nhân Mạng cảm biến cũng có thể được sử dụng để phát hiện các tác tử hóa học lạ trong khí quyển và nguồn nước Chúng có thể giúp cho việc xác định loại, sự tập trung và nơi xảy ra ô nhiễm Điều cốt lỗi là mạng cảm biến sẽ cung cấp cho người dùng cuối hiểu

rõ hơn về môi trường Người ta mong đợi trong tương lai các mạng cảm biến

không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống, có khi còn hơn cả máy tính cá nhân hiện nay

Để hiểu được những mạng cảm biến này và các ứng dụng mạng cảm biến khác đòi hỏi những công nghệ mạng không dây đặc biệt Mặc dù nhiều giao thức và thuật toán đã được đề xuất cho các mạng không dây ad hoc truyền thống nhưng chúng không hoàn toàn phù hợp với những đặc điểm riêng và những yêu cầu ứng dụng riêng của mạng cảm biến Để minh họa cho

điểm này, tôi sẽ liệt kê những sự khác biệt giữa mạng cảm biến và mạng ad hoc như sau:

- Nốt cảm biến được lắp đặt dày đặc;

- Nốt cảm biến dễ bị lỗi;

- Số nốt cảm biến trong một mạng cảm biến có thể ở “nhiều mức

độ lớn” cao hơn trong mạng ad hoc

- Sơ đồ mạng cảm biến thay đổi thường xuyên

- Nốt cảm biến chủ yếu sử dụng kiểu truyền thông quảng bá trong

khi phần lớn mạng ad hoc dựa trên truyền thông điểm-điểm (P2P)

- Nốt cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ

- Nốt cảm biến có thể không có định danh (ID) toàn cầu bởi số lượng lớn overhead và số lượng lớn các cảm biến

Một trong những ràng buộc quan trọng nhất trên các nốt cảm biến là yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp Nốt cảm biến có nguồn năng lượng giới hạn, thường không thay thế được Do đó, trong khi mạng truyền thống đạt được QoS cao, các giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu đến sự bảo tồn năng lượng Chúng phải được sản xuất bằng các kỹ thuật trade-off giúp người dùng cuối lựa chọn sao cho có thể kéo dài tuổi thọ của mạng với chi phí thấp hoặc độ trễ truyền dữ liệu cao

Mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến như địa chấn, mức

từ trường lấy mẫu thấp, luồng không khí nóng, thị giác, hồng ngoại, âm thanh

và radar Những cảm biến này có thể theo dõi một khoảng lớn khác nhau những điều kiện xung quanh bao gồm các tính chất hiện tại như tốc độ, hướng

và kích thước của một đối tượng, nhiệt độ, độ ẩm, sự di chuyển của phương tiện giao thông, điều kiện ánh sáng, áp suất, mức độ ô nhiễm, độ ồn, sự xuất hiện hoặc vắng mặt của các loại đối tượng nhất định, độ căng kỹ thuật của các đối tượng được gắn vào, v.v…

Các nốt cảm biến có thể được sử dụng cho khả năng cảm biến liên tục, phát hiện sự kiện, định danh sự kiện, cảm biến vị trí, và điều khiển cục bộ của các bộ kích thích cảm biến Khái niệm “vi- cảm biến” và kết nối không dây của những nốt này hứa hẹn nhiều lĩnh vực ứng dụng mới Thường những ứng dụng này được phân loại thành các lĩnh vực quân sự, môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác Ngoài ra còn có thể kể đến một số lĩnh vực như khám phá vũ trụ, xử lý hóa học và giảm bớt thiên tai

Các mạng cảm biến không dây có thể là một phần không thể thiếu trong các hệ thống chỉ huy, điều khiển, truyền thông, tính toán, tin tức tình báo, giám sát, do thám và tìm mục tiêu của lĩnh vực quân sự Chúng được sử dụng để theo dõi các lực lượng đồng minh, thiết bị, đạn dược và giám sát chiến trường (Hình 1.1) Các mạng cảm biến có thể được triển khai tại những nơi có địa hình xấu, và một số tin tức tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời về các lực lượng và địa hình của đối phương có thể được truyền tải về trong thời gian tính bằng phút trước khi lực lượng đối lập có thể ngăn chặn được chúng Mạng cảm biến cũng có thể được tích hợp vào các hệ thống định hướng của đầu đạn thông minh (vũ khí đạn đạo)

Mạng cảm biến được triển khai tại vùng đồng minh và được sử dụng như một hệ thống cảnh báo hóa học, sinh học có thể cung cấp cho các lực

lượng đồng minh thời gian hành động chính xác làm giảm thiểu số lượng thương vong Các ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm kiểm soát sự di chuyển của các loài chim, động vật nhỏ và côn trùng; giám sát các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; thiết bị đo đạc tích hợp cho việc giám sát Trái đất và khám phá các hành tinh; phát hiện hóa/sinh học; sự chính xác trong nông nghiệp; sinh học, theo dõi Trái đất và môi trường nước biển, đất và khí quyển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng học, địa lý học; phát hiện lũ lụt; nghiên cứu sự ô nhiễm

Hình 1.1 Giám sát chiến trường

Các ứng dụng về sức khỏe của mạng cảm biến là cung cấp các phương thức cho việc giám sát bệnh nhân tàn tật, chẩn đoán, quản lý thuốc trong bệnh viện, theo dõi sự di chuyển và xử lý ngay từ bên trong các loài côn trùng hoặc

động vật nhỏ, theo dõi từ xa dữ liệu sinh học người, kiểm tra giám sát bác sỹ

và bệnh nhân trong bệnh viện

1.1.1 Các tham số của mạng cảm biến

Thiết kế của mạng cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiều tham số, bao gồm tính chịu lỗi, khả năng mở rộng, giá thành sản phẩm, môi trường vận hành, sơ

đồ mạng cảm biến, ràng buộc phần cứng, thiết bị truyền và sự tiêu thụ năng lượng Sự hỏng hóc của nốt cảm biến phải không ảnh hưởng đến công việc chung của cả mạng cảm biến Đây là vấn đề độ tin cậy và tính chịu lỗi Tính chịu lỗi là khả năng đảm bảo được các chức năng của mạng cảm biến mà không bị ngắt quãng khi có lỗi xảy ra ở các nốt cảm biến

Có thể thiết kế các giao thức và thuật toán để giải quyết mức độ chịu lỗi theo yêu cầu của các mạng cảm biến Nếu môi trường mà các nốt cảm biến được triển khai có ít nhiễu, thì các giao thức có thể là “nhẹ nhàng” hơn Ví dụ, nếu các nốt cảm biến đang được triển khai trong một ngôi nhà để theo dõi độ

ẩm và nhiệt độ, thì yêu cầu về tính chịu lỗi có thể là rất thấp vì loại mạng cảm biến này không dễ gì bị hư hỏng hoặc bị nhiễu gây ra bởi nhiễu môi trường Ngược lại, nếu các nốt cảm biến được triển khai trong một cuộc chiến để do thám và phát hiện, thì tính chịu lỗi phải rất cao vì dữ liệu do thám là rất quan trọng và các nốt cảm biến có thể bị phá hủy bởi các hoạt động thù địch Kết quả là, mức chịu lỗi phụ thuộc vào ứng dụng của các mạng cảm biến, và các

mô hình phải được triển khai với lưu ý này Số các nốt cảm biến triển khai để nghiên cứu một hiện tượng có thể lên đến hàng trăm hoặc hàng nghìn Các mạng phải có khả năng làm việc với số lượng lớn nốt này Mật độ có thể từ vài nốt cảm biến đến vài trăm nốt cảm biến trong một vùng có đường kính có thể nhỏ hơn 10m Mật độ nốt cảm biến phụ thuộc vào ứng dụng mà nó được triển khai Với ứng dụng chẩn đoán máy, mật độ nốt là khoảng 300 nốt cảm

biến trong một vùng 5 x 5 m2, và mật độ cho ứng dụng theo dõi xe cộ là khoảng 10 nốt cảm biến trong một vùng Trong một số trường hợp, mật độ có thể rất cao, lên tới 20 nốt cảm biến /m3 Một gia đình có thể có tới 2 tá dụng

cụ gia đình chứa các nốt cảm biến, nhưng số này sẽ còn tăng nếu các nốt cảm biến được nhúng vào đồ gia dụng và các sản phẩm khác Với ứng dụng giám sát môi trường sống, số nốt cảm biến có thể từ 25 đến 100 trên một vùng Mật

độ sẽ tăng khủng khiếp khi một người thông thường có tới hàng trăm nốt cảm biến, khi được nhúng vào mắt kính, quần áo, giày, đồng hồ, trang sức và trên thân thể, ngồi trong một sân vận động để xem bóng chày, bóng đá hoặc bóng bầu dục

Xét cho cùng, giá của mỗi nốt cảm biến phải giữ ở mức thấp Công nghệ state-of-the-art cho phép một hệ radio Bluetooth có giá thấp hơn 10 USD Tương tự như vậy, giá của một PicoNode là nhỏ hơn 1USD Giá mục tiêu của một nốt cảm biến có thể phải nhỏ hơn 1USD thì mạng cảm biến mới được gọi là khả thi Giá của một BlueTooth radio, được xem là một thiết bị có giá thấp, vẫn đắt gấp 10 lần so với giá mục tiêu cho một nốt cảm biến Chú ý rằng một nốt cảm biến còn có một số phụ kiện nữa, như bộ cảm biến và bộ xử

lý Ngoài ra, nó có thể được trang bị với một hệ định vị, bộ chuyển động hoặc

bộ tái tạo nguồn tùy thuộc vào các ứng dụng của các mạng cảm biến Kết quả

là, giá của một nốt cảm biến là một vấn đề thách thức rất lớn

Một mạng cảm biến mô phỏng như trong Hình 1.2 được triển khai với

số lượng lớn các nốt cảm biến với mật độ dày đặc đòi hỏi phải được xử lý cẩn thận mới có thể quản lý được chúng Các vấn đề liên quan đến duy trì, bảo dưỡng và thay đổi mô hình có thể được phân chia thành ba giai đoạn

1.1.1.1 Giai đoạn tiền triển khai và triển khai

Các nốt cảm biến có thể hoặc được “quăng lộn xộn” hoặc được đặt cẩn thận từng cái một vào vùng cảm biến Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ một máy bay, rải bằng đạn pháo, tên lửa hoặc đầu đạn tên lửa, ném bởi máy bắn đá (từ một con tàu…), đặt trong nhà máy hoặc đặt từng cái một bởi robot hoặc con người Mặc dù số lượng tuyệt đối các cảm biến và việc triển khai không được giám sát của chúng thường ngăn việc đặt chúng theo một kế hoạch triển khai một cách cẩn thận bằng máy móc, các mô hình cho triển khai ban đầu phải giảm được chi phí “cài đặt”, loại bỏ sự cần thiết cho bất kỳ việc

tổ chức trước và lập kế hoạch trước nào, làm tăng tính mềm dẻo của việc sắp xếp lại và đẩy mạnh tính tự tổ chức và tính chịu lỗi

Hình 1.2 Sơ đồ mạng cảm biến

1.1.1.2 Giai đoạn sau triển khai

Sau khi triển khai, những thay đổi về sơ đồ là do sự thay đổi về vị trí của các nốt cảm biến, về tính tiếp cận được (vì lỗi, nhiễu, sự di chuyển của chướng ngại vật…), năng lượng sẵn có, lỗi chức năng và các chi tiết tác vụ Các nốt cảm biến có thể được triển khai tĩnh Tuy nhiên, lỗi hỏng thiết bị là thường xảy ra vì hết hoặc hỏng nguồn Cũng có khả năng có các mạng cảm biến với các nốt di động cao Do đó, tất cả những nhân tố này gây ra những thay đổi thường xuyên về sơ đồ mạng cảm biến sau triển khai

1.1.1.3 Giai đoạn triển khai lại các nốt phụ thêm

Các nốt cảm biến có thể được triển khai lại tại bất kỳ thời điểm nào để thay thế các nốt hư hỏng hoặc vì những thay đổi về “task dynamics” Vì có thêm những nốt cảm biến mới nên cần phải tổ chức lại mạng Đối phó với

những thay đổi thường xuyên về sơ đồ mạng trong mạng ad hoc mà có vô số

các nốt và những ràng buộc tiết kiệm năng lượng nghiêm ngặt đòi hỏi những thuật toán định tuyến đặc biệt

Trong một mạng cảm biến nhiều điểm (multihop), liên kết giữa các nốt cảm biến là một thiết bị không dây Một lựa chọn cho kết nối radio là sử dụng băng tần công nghiệp, khoa học và y học (ISM), như liệt kê trong Bảng 1.1 Băng tần này là miễn phí ở nhiều nước trên thế giới

Một số băng tần loại này đã được sử dụng cho truyền thông trong các

hệ thống đàm thoại cordless và các mạng cục bộ không dây (WLAN) Với các mạng cảm biến, cần một bộ nhận tín hiệu có kích thước nhỏ, giá thành thấp, tiêu tốn năng lượng vô cùng thấp Những ràng buộc phần cứng nhất định và

việc cân bằng giữa các yếu tố hiệu quả antenna và tiết kiệm nguồn giới hạn sự lựa chọn một tần số sóng mang cho bộ thu tín hiệu đó với dải tần số siêu cao

Ở Châu Âu dùng dải tần 433 MHz ISM còn ở Bắc Mỹ là 915 MHz ISM

1.1.2 Kiến trúc mạng cảm biến

Các nốt cảm biến thường được rải vào một vùng cảm biến giống như

trong Hình 1.2 Mỗi nốt cảm biến đã rải này đều có khả năng thu thập thông tin và gửi lại cho Bộ tập trung (sink) và người dùng cuối Dữ liệu được gửi lại

người dùng cuối bởi một kiến trúc phi hạ tầng (infrastructureless) đa điểm

(multihop) qua Bộ tập trung, như thể hiện trong Hình 1.2 Bộ tập trung có thể

giao tiếp với Nốt quản lý tác vụ qua Internet hoặc vệ tinh

Bảng 1.1 Dải tần số dành cho các ứng dụng ISM

Bộ giao thức mà Bộ tập trung và tất cả các nốt cảm biến sử dụng được

thể hiện trong Hình 1.3 Bộ giao thức này kết hợp năng lượng với nhận biết

định tuyến (routing awareness), tích hợp dữ liệu với các giao thức mạng,

truyền thông một cách hiệu quả về nguồn năng lượng qua đường truyền không dây và đẩy mạnh hiệu quả hợp tác giữa các nốt cảm biến Bộ giao thức này bao gồm Tầng Ứng dụng, Tầng Giao vận, Tầng mạng, Tầng liên kết dữ liệu, Tầng vật lý, Quản lý nguồn, Quản lý tính di động và Quản lý tác vụ Tùy theo các tác vụ cảm biến mà ta có các loại ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng ở tầng ứng dụng Tầng giao vận giúp ta duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến cần nó Tầng mạng chịu trách nhiệm định tuyến

dữ liệu cung cấp bởi tầng giao vận Vì môi trường bị nhiễu nhiều và các nốt cảm biến có thể không cố định, nên giao thức MAC phải thực sự mạnh và có khả năng làm giảm thiểu xung đột với tín hiệu quảng bá của “láng giềng” Tầng vật lý chỉ cần đơn giản nhưng lại cần công nghệ mạnh cho điều biến, truyền tín hiệu và nhận tín hiệu Ngoài ra, Quản lý nguồn, tính di động và tác

vụ giúp theo dõi nguồn, sự di chuyển và phân bố tác vụ của các nốt cảm biến Những “plane” này giúp các nốt cảm biến sắp xếp, phối hợp tác vụ cảm biến

và làm cho việc tiêu tốn năng lượng tổng thể là ít nhất

Hình 1.3 Giao thức mạng cảm biến

1.1.2.1 Tầng vật lý

Tầng vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, sinh tần số mang, phát hiện tín hiệu, điều biến và mã hóa dữ liệu Lựa chọn được mô hình điều biến tốt là rất quan trọng cho truyền thông đảm bảo tính tin cậy trong một mạng

cảm biến Các mô hình điều biến Nhị phân và M-ary được Shih giới thiệu trong nghiên cứu [RF01] Trong khi mô hình M-ary có thể làm giảm phát tín

hiệu đúng giờ bằng cách gửi nhiều bít cho một mẫu, nó đòi hỏi một mạch phức tạp và làm tăng sự tiêu thụ năng lượng phát sóng radio Shih kết luận rằng dưới những điều kiện có ưu thế ngồn khởi động thì mô hình điều biến

Nhị phân hiệu quả hơn về mặt tiết kiệm năng lượng Do đó, điều biến M-ary

chỉ được dùng trong những hệ thống nguồn khởi động thấp

1.1.2.2 Tầng liên kết dữ liệu

Tầng liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép kênh các luồng dữ liệu,

phát hiện frame dữ liệu, điều khiển truy cập thiết bị là điều khiển lỗi

a Điều khiển truy cập thiết bị (MAC)

Giao thức MAC trong một mạng cảm biến không dây tự-tổ-chức

multihop phải đạt được hai tiêu chuẩn Thứ nhất là việc tạo kiến trúc mạng Vì

hàng ngàn nốt cảm biến được rải dày đặc trong vùng cảm biến, nên mô hình MAC phải thiết lập các kết nối truyền thông để truyền dữ liệu Nó tạo nên kiến trúc căn bản cần thiết cho truyền thông không dây điểm-nối-điểm và tạo cho mạng cảm biến khả năng tự-tổ-chức Tiêu chuẩn thứ hai là chia sẻ công bằng và hiệu quả các tài nguyên truyền thông giữa các nốt cảm biến Các mô hình MAC truyền thống được tổng kết và mô tả trong Hình 1.4 và Bảng 1.2

Hình 1.4 Phân loại các mô hình MAC

Loại giao thức Chế độ chia sẻ

Luồng thông tin liên tiếp/cung cấp độ trễ giới hạn

Không hiệu quả đối với luồng thông tin

‘bùng nổ’

Dựa trên yêu cầu Theo yêu cầu Luồng thông tin tốc

độ thay đổi và đa phương tiện

Tốn kém tài nguyên

hệ thống và trễ vì tiến trình xử lý dành riêngTruy cập ngẫu

nhiên hoặc dựa

trên sự đấu tranh

Sự đấu tranh khi sẵn sàng truyền các gói tin

Luồng thông tin bùng nổ

Không hiệu quả đối với luồng thông tin nhạy cảm

Bảng 1.2 Phân loại các giao thức MAC

Các giao thức MAC cần phải sửa đổi nhiều khi áp dụng cho mạng cảm

biến Trong một hệ thống chia ô (cellular), các nốt trạm cơ sở sẽ tạo nên một

“xương sống” sử dụng kết nối bằng dây dẫn Một nốt di động chỉ là một trạm đơn lẻ so với nốt trạm cơ sở gần nhất mà thôi Mục đích chính của giao thức MAC trong những hệ thống này là cung cấp QoS cao và hiệu quả băng thông

Sự bảo tồn năng lượng được nhận định chỉ là vấn đề thứ yếu vì các trạm cơ sở được cung cấp nguồn vô hạn và người dùng di động có thể nạp lại pin đã hết cho thiết bị cầm tay Do đó, truy cập thiết bị được tập trung vào chiến lược phân chia tài nguyên riêng biệt Mô hình truy cập như vậy đúng là không thực

tế đối với mạng cảm biến vì không có một tác tử điều khiển trung tâm nào giống như trạm cơ sở

Các mạng di động ad hoc (MANET) gần như là giống mạng cảm biến

nhất Giao thức MAC trong MANET có nhiệm vụ tạo dựng nên kiến trúc mạng và duy trì nó trước tính di động của mạng này Do đó, mục tiêu chính là phải cung cấp QoS cao dưới các điều kiện di động Mặc dầu các nốt đều là các thiết bị di động dùng pin, chúng có thể được người dùng thay thế và chính

vì vậy vấn đề tiêu tốn năng lượng không còn là quan trọng nữa

Do đó, giao thức MAC cho mạng cảm biến phải có các chiến lược được xây dựng sẵn để bảo tồn năng lượng, quản lý tính di động và khôi phục lỗi Mặc dù đã có nhiều mô hình cho truy cập thiết bị đã được đề xuất cho MANETs nhưng thiết kế của một mô hình MAC hiệu quả cho thế hệ mới của mạng cảm biến vẫn là một vấn đề nghiên cứu mở Các phiên bản truy cập

thiết bị kiểu phân phối cố định và truy cập ngẫu nhiên đã được nghiên cứu và thảo luận trong tham chiếu [RF02, RF03] Các mô hình MAC Demand-based

có thể không phù hợp với mạng cảm biến vì tiêu tốn nhiều tài nguyên hệ thống cho việc truyền thông điệp và vì trễ thiết lập kết nối Bảo tồn năng lượng có được bằng cách sử dụng các chế độ vận hành tiết kiệm năng lượng

và bằng việc ưu tiên thời gian chết (time-outs) cho các hồi đáp (ACKs) mỗi khi có thể

Vì sóng radio phải được tắt trong suốt thời gian nghỉ để tiết kiệm năng lượng, mô hình MAC phải có một biến thể TDMA Hơn nữa, truy cập kênh truyền kiểu “tranh chấp” có vẻ không phù hợp vì nó đòi hỏi phải theo dõi kênh truyền mọi thời điểm Tuy nhiên, phải lưu ý rằng truy cập đường truyền ngẫu nhiên cũng có thể hỗ trợ bảo tồn năng lượng, giống như chuẩn IEEE 802.11 cho WLANs, bằng cách tắt sóng radio tùy thuộc vào trạng thái của véc

tơ phân bổ mạng lưới (net allocation vector) Các mô hình “thời gian nghe hằng số” và “điều khiển tỷ lệ thích ứng” cũng có thể giúp đạt được hiệu quả

sử dụng năng lượng trong các mô hình truy cập ngẫu nhiên của mạng cảm biến

b MAC tự-tổ-chức cho mạng cảm biến (SMACS)

Giao thức SMACS và thuật toán EAR (eavesdrop-and-register) cho phép tạo kết nối liền mạch giữa các nốt di động trong một mạng cảm biến SMACS là một giao thức “xây dựng kiến trúc nền tảng” phân tán cho phép các nốt phát hiện các hàng xóm của chúng và thiết lập lịch truyền/nhận tín hiệu cho các giao tiếp mà không cần có sự can thiệp của nốt “chủ” cục bộ hay toàn cục nào Trong giao thức này, các giai đoạn phát hiện hàng xóm và tạo kênh được kết hợp lại với nhau sao cho, đến thời điểm các nốt nghe thấy tất

cả các hàng xóm của chúng, thì chúng sẽ “đã” hoàn thành việc hình thành nên một mạng đã được kết nối với nhau Một liên kết truyền thông bao gồm một cặp “khe thời gian” hoạt động theo kiểu chọn ngẫu nhiên, nhưng tần số cố định Đây là một lựa chọn khả thi trong các mạng cảm biến, vì băng thông sẵn

có có thể được kỳ vọng là cao hơn nhiều so với tốc độ truyền dữ liệu tối đa cho các nốt cảm biến Lược đồ loại đó tránh được việc phải đồng bộ mạng trên diện rộng, mặc dù việc giao tiếp với các hàng xóm trong một mạng con

cần phải được đồng bộ về thời gian Bảo toàn năng lượng đạt được bằng cách

sử dụng một tiến trình lập lịch “đánh thức” ngẫu nhiên trong suốt giai đoạn kết nối và bằng cách tắt sóng radio trong suốt những khe thời gian nghỉ (idle time slot) Tiến trình xử lý là dựa trên việc sử dụng một sóng radio năng lượng cực thấp để đánh thức các hàng xóm Sóng radio thứ hai này sử dụng ít năng lượng hơn qua một chu trình công suất (duty) thấp hoặc thiết kế phần cứng Thường thì sóng radio thứ hai này chỉ có thể truyền một tín hiệu (tone) báo bận Tín hiệu quảng bá này sẽ không ngắt bất kỳ đường truyền dữ liệu đang diễn ra nào, ví dụ sử dụng một kênh truyền khác

Lượng thời gian và năng lượng cần thiết để đánh thức (khởi động) một sóng radio là không đáng kể và do đó chỉ tắt sóng radio mỗi khi không sử dụng nó là không đem lại hiệu quả đáng kể Các tính chất năng lượng của thời gian khởi động cũng nên được xem xét đến khi thiết kế kích thước của các gói tin liên kết dữ liệu

Giao thức EAR cố gắng đăng ký dịch vụ liên tục với các nốt di động dưới cả hai điều kiện di động và trạm cố định Ở đây, các nốt di động có toàn quyền điều khiển tiến trình kết nối và đồng thời quyết định khi nào thì ngắt kết nối, do vậy làm giảm thiểu tổng chi phí truyền thông điệp EAR là minh bạch (trong suốt) đối với SMACS, với kết quả là SMACS vẫn hoạt động tốt cho đến khi xuất hiện các nốt di động trong mạng Trong mô hình này, mạng được giả định chủ yếu là tĩnh, ví dụ bất kỳ một nốt di động nào cũng có một

số các nốt cố định trong vùng lân cận của nó Một trở ngại cho lược đồ “phân chia” khe thời gian là khả năng mà các thành viên đã thuộc về nhiều mạng con khác nhau có thể chưa bao giờ nhận được kết nối Lược đồ MAC dựa trên CSMA cho các mạng cảm biến được trình bày chi tiết trong tài liệu nghiên cứu của Woo và Culler [RF03] Các lược đồ trên cơ sở CSMA truyền thống được xem như là không phù hợp vì chúng đều làm cho các giả định căn bản

của luồng thông tin phân tán được kết nối theo xác xuất ngẫu nhiên và có xu hướng hỗ trợ các luồng thông tin điểm-nối-điểm độc lập Trái lại, giao thức MAC cho mạng cảm biến phải có khả năng hỗ trợ luồng thông tin biến thiên, nhưng có liên quan lớn với nhau và định kỳ Bất kỳ lược đồ truy cập thiết bị

nền CSMA nào cũng đều có hai thành phần quan trọng, “kỹ thuật lắng nghe” (cảm biến) và cơ chế backoff

1.1.2.3 Tầng mạng

Các công nghệ định tuyến ad hoc thường không phù hợp với yêu cầu

của mạng cảm biến Tầng mạng của mạng cảm biến thường được thiết kế theo các nguyên tắc sau Trước tiên, hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng luôn là một tham số thiết kế quan trọng nhất, xem Hình 1.5 Mạng cảm biến phần lớn

là tập trung dữ liệu Sự tổng hợp dữ liệu chỉ có ích khi nó không gây cản trở

nỗ lực cộng tác của các nốt cảm biến Một mạng cảm biến lý tưởng có cách đánh địa chỉ và nhận biết vị trí dựa trên thuộc tính Một trong những tiếp cận sau có thể được sử dụng để lựa chọn một đường đi tiết kiệm năng lượng

Hình 1.5 Định tuyến multihop vì giới hạn phạm vi truyền tín hiệu

(1) Đường đi nguồn năng lượng sẵn có lớn nhất (PA) – đường có tổng nguồn năng lượng sẵn có lớn nhất được ưu tiên

(2) Đường đi năng lượng nhỏ nhất (ME) – đường mà tiêu thụ năng

lượng nhỏ nhất để truyền gói tin giữa sink và nốt cảm biến là đường đi ME

(3) Đường đi số điểm nhỏ nhất (MH) – đường thực hiện số ít nhất

các bước để tới sink được ưu tiên Chú ý rằng lược đồ ME chọn đường giống

với MH khi tất cả các đường liên kết sử dụng cùng lượng năng lượng Do đó, khi các nốt quảng bá cùng mức năng lượng mà không có bất kỳ sự điểu khiển nguồn năng lượng nào, MH là tương đương với ME

(4) Đường với nốt có PA cực tiểu là cực đại – đường mà theo đó PA cực tiểu là lớn hơn các PA cực tiểu của tất cả các đường khác được ưu tiên Lược đồ này ngăn ngừa rủi ro của việc sử dụng một nốt cảm biến với PA thấp hơn nhiều so với những nốt khác bởi vì chúng nằm trên một đường với các nốt có PA rất cao

a Định tuyến tập trung dữ liệu (Data centric routing)

Trong định tuyến tập trung dữ liệu, sự quảng bá “interest” được thực hiện để cung cấp các tác vụ cảm biến cho các nốt cảm biến Có hai tiếp cận được sử dụng cho quảng bá “interest”: các “sink” quảng bá interest, và các nốt cảm biến quảng bá một tin quảng cáo cho dữ liệu sẵn có và chờ đợi yêu cầu từ các sink

Hình 1.6 Quảng bá interest (có kẻ địch trong địa bàn không?) và quảng

cáo (có kẻ địch trong địa bàn)

Hình 1.7 Tổng hợp dữ liệu

Định tuyến tập trung dữ liệu đòi hỏi định danh dựa trên thuộc tính Người dùng ưa thích việc truy vấn một thuộc tính của sự vật, hiện tượng lạ, hơn là truy vấn một nốt cụ thể nào đó Ví dụ ‘vùng có độ ẩm lớn hơn 70%’ là một câu truy vấn phổ biến hơn là ‘độ ẩm đọc được từ một nốt nhất định’ Định danh dựa trên thuộc tính được sử dụng để thực hiện các câu truy vấn sử dụng các thuộc tính của sự vật Định danh dựa trên thuộc tính cũng làm cho việc quảng bá, multicasting dựa trên thuộc tính, quảng bá theo địa lý và anycasting trở nên quan trọng đối với các mạng cảm biến

Tổng hợp dữ liệu là một kỹ thuật được sử dụng để giải quyết các vấn đề implosion và overlap trong định tuyến tập trung dữ liệu Trong kỹ thuật này, một mạng cảm biến thường được hiểu như là một cây multicast nghịch đảo (Hình 1.7), trong đó sink yêu cầu các nốt cảm biến báo cáo điều kiện xung quanh về một sự vật nào đó Dữ liệu đến từ nhiều nốt cảm biến được tổng hợp lại nếu chúng có cùng thuộc tính của sự vật khi chúng đến từ cùng một đường định tuyến trên đường trở lại sink Tổng hợp dữ liệu có thể được hiểu như là một tập các phương pháp tự động kết hợp dữ liệu đến từ nhiều nốt cảm biến thành một tập thông tin có nghĩa Với khía cạnh này, tổng hợp dữ liệu được hiểu là sự hợp nhất thông tin

b Kết nối mạng

Một chức năng quan trọng khác của tầng mạng là cung cấp sự kết nối mạng với những mạng bên ngoài như các mạng cảm biến khác, các hệ thống lệnh và điều khiển và với Internet Trong một kịch bản, các nốt sink có thể được sử dụng như một gateway tới các mạng khác Lựa chọn khác là tạo một

“xương sống” bằng cách kết nối các nốt sink với nhau và giúp xương sống này truy cập tới các mạng khác qua một gateway

c Flooding và gossiping

Flooding là kỹ thuật sử dụng để “phân tán” thông tin trên mạng Những trở ngại của flooding là: (1) implosion, khi các thông điệp giống nhau được gửi cho cùng một nốt; (2) overlap, khi hai hay nhiều nốt chia sẻ cùng một

vùng quan sát, chúng có thể cảm biến cùng một kích thích tại một thời điểm,

và kết quả là, các nốt hàng xóm nhận được các thông điệp lặp; và (3) resource blindness, không quan tâm tới những nguồn năng lượng sẵn có Điều khiển sự

tiết kiệm năng lượng là hết sức quan trọng trong mạng cảm biến không dây;

một kỹ thuật định tuyến hỗn tạp như flooding sẽ lãng phí năng lượng không

cần thiết

Gossiping là một biến thể của flooding cố gắng khắc phục một số

nhược điểm của nó Các nốt không quảng bá bừa bãi nhưng thay vào đó gửi một gói tin tới một hàng xóm được lựa chọn ngẫu nhiên, mà một khi hàng xóm này nhận được gói tin, nó lặp lại tiến trình đó Không hề dễ dàng triển

khai như kỹ thuật flooding và phải mất nhiều thời gian hơn để truyền các

thông điệp trên mạng

Data funneling: Phễu dữ liệu – là tổng hợp dữ liệu tập trung, ví dụ funnel, gói tin từ nhóm các nốt cảm biến chảy vào một luồng đơn để tới sink

Nó giảm (nén) dữ liệu bằng việc tận dụng ưu điểm của thực tế là đích đến không quan tâm thứ tự các gói dữ liệu đến là gì

Trong giai đoạn khởi tạo, bộ điều khiển chia vùng cảm biến thành các

vùng nhỏ và thực hiện một flood có định hướng tới mỗi vùng Khi gói tin tới

vùng nào đó thì nốt nhận được đầu tiên trở thành nốt biên và sửa đổi gói tin (thêm các trường) cho các ước lượng chi phí đường đi bên trong vùng đó Các

nốt biên flood cho cả vùng với các gói tin đã sửa đổi Các nốt cảm biến trong

vùng sử dụng thông tin chi phí để lên lịch sử dụng các nốt biên nào

Trong giai đoạn truyền thông dữ liệu, khi một nốt cảm biến có dữ liệu

nó sử dụng lịch để chọn nốt biên mà nó sẽ sử dụng Sau đó nó chờ một

khoảng thời gian tỷ lệ nghịch với số hop từ nốt biên Trên đường tới nốt biên,

các gói tin kết hợp lại với nhau cho đến khi chúng tới nốt biên Nốt biên tập hợp lại tất cả các gói tin và sau đó gửi một gói tin với tất cả dữ liệu trở lại cho

bộ điều khiển Những bước này được mô tả trong Hình 1.8

Hình 1.8 Data funneling: (a) giai đoạn khởi tạo; (b) giai đoạn truyền dữ

liệu

d Các giao thức cảm biến cho thông tin qua đàm phán (SPIN)

Họ giao thức có khả năng thích nghi gọi là SPIN được thiết kế để giải

quyết những thiếu sót của flooding cổ điển bằng đàm phán và tương thích

nguồn tài nguyên Họ giao thức SPIN được thiết kế dựa trên hai ý tưởng cơ bản: các nốt cảm biến hoạt động hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng bằng cách gửi dữ liệu miêu tả dữ liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ dữ liệu, ví dụ như ảnh, và các nốt cảm biến phải giám sát sự thay đổi về nguồn năng lượng của chúng

Thuật toán “định tuyến cấp số tuần tự” (SAR) tạo một tập hợp cây

trong đó gốc của mỗi cây là một hàng xóm của sink cách nó 1 hop Mỗi cây phát triển ra xa sink với điều kiện “tránh xa” những nốt có QoS quá thấp (ví

dụ băng thông thấp/trễ cao) và dự trữ năng lượng Cuối của thủ tục này, phần lớn các nốt là thuộc về nhiều cây Nó cho phép một nốt cảm biến lựa chọn

một cây để gửi thông tin trở lại sink

LEACH là một giao thức nền clustering dùng làm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến Chức năng chính của LEACH là lựa chọn ngẫu nhiên các nốt cảm biến làm cluster-head, do vậy sự tiêu hao năng lượng lớn trong việc giao tiếp với trạm cơ sở được trải đều ra tất cả các nốt cảm biến trong mạng cảm biến Trong suốt giai đoạn khởi động, một nốt cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên trong khoảng 0 và 1 Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn ngưỡng T(n), nốt đó là cluster-head T(n) được tính như sau:

Trong đó P là tỷ lệ phần trăm mong muốn để trở thành một head; r, vòng hiện tại; và G, tập các nốt không được chọn là cluster-head trong những vòng 1/P cuối cùng Sau khi các cluster-head được chọn, chúng quảng bá tới tất cả các nốt cảm biến trong mạng rằng chúng là những cluster-head mới Trong giai đoạn ổn định, các nốt cảm biến có thể bắt đầu cảm biến

cluster-và truyền dữ liệu tới các cluster-head Sau một khoảng thời gian nhất định của giai đoạn ổn định, mạng sẽ lại bước vào giai đoạn thiết lập (set-up) và vào vòng lựa chọn cluster-head khác

e Truyền bá trực tiếp

Sink phát ra bản tin interest, là một mô tả tác vụ, tới tất cả các cảm

biến, như biểu diễn trên Hình 1.9(a) Các mô tả tác vụ được đặt tên bằng các cặp thuộc tính – giá trị miêu tả cho tác vụ đó Mỗi nốt cảm biến sau đó lưu

mục interest vào bộ nhớ đệm của nó Mục interest chứa một trường timestamp và nhiều trường gradient Khi bản tin interest được truyền trên mạng cảm biến, các gradient từ nguồn trở lại sink được thiết lập như trong Hình 1.9(b) Khi nguồn đã có dữ liệu cho interest, nguồn gửi dữ liệu cùng với đường dẫn gradient của interest như trong Hình 1.9(c) Interest và sự phân tán và tổng hợp dữ liệu được xác định cục bộ Tương tự như vậy, sink phải làm tươi và củng cố interest khi nó bắt đầu nhận dữ liệu từ nguồn Truyền bá trực tiếp là dựa trên định tuyến tập-trung-dữ-liệu trong đó sink quảng bá bản tin interest

Hình 1.9 Ví dụ về truyền bá trực tiếp: (a) truyền interest, (b) thiết lập

dải gradient và (c) gửi dữ liệu

1.1.2.4 Tầng giao vận

Tầng này đặc biệt cần thiết khi truy cập tới hệ thống qua Internet hoặc các mạng ngoài khác TCP với các kỹ thuật hiện tại là phù hợp với các tính chất của môi trường mạng cảm biến Theo Bakre và Badrinath, một tiếp cận gọi là chia TCP được xem là có thể giúp mạng cảm biến giao tiếp với các mạng khác ví dụ Internet Trong tiếp cận này, các kết nối TCP được kết thúc

tại các nốt sink, và một giao thức tầng giao vận đặc biệt có thể xử lý các giao tiếp giữa nốt sink và các nốt cảm biến Kết quả là, giao tiếp giữa người dùng

và nốt sink được thực hiện bởi UDP hoặc TCP qua Internet hoặc Satellite Vì

có bộ nhớ giới hạn, nên giao tiếp giữa sink và các nốt cảm biến có thể được

thực hiện thuần túy trên giao thức UDP

Không giống như giao thức TCP, các lược đồ truyền thông end-to-end trong mạng cảm biến không dựa trên lược đồ địa chỉ toàn cầu Các lược đồ này phải quan tâm tới việc định danh dựa trên-thuộc tính để xác định đích đến của các gói tin

Tóm lại, các biến thể TCP cho mạng không dây truyền thống là không

phù hợp với mạng cảm biến không dây trong đó khái niệm “độ tin cậy end” phải được định nghĩa lại vì thuộc tính tự nhiên nhất định của mạng cảm

end-to-biến có được từ những tính năng như là: (1) đa trạm gửi, nhiều cảm end-to-biến và

một đích, sink, mà tạo ra một loại multicast nghịch của luồng dữ liệu; (2) với

cùng một sự kiện thì có một mức độ cao sự dư thừa hoặc liên quan trong dữ liệu thu thập được bởi các cảm biến và do đó không cần phải có tính tin cậy

end-to-end giữa những cảm biến riêng lẻ và sink, nhưng thay vào đó cần phải

có tính tin cậy end-to-end giữa sự kiện và sink; (3) nói cách khác cần phải có

tính tin cậy end-to-end giữa sink và từng nốt riêng lẻ trong những trường hợp như “lập lại tác vụ” hoặc “lập trình lại”; (4) các giao thức đã phát triển phải chú tâm vào năng lượng và đủ đơn giản để triển khai cho phần cứng và phần

mềm loại low-end của nhiều ứng dụng mạng cảm biến không dây

ESRT, miêu tả trong Hình 1.10, được thiết kế để đạt được tính tin cậy cho sự phát hiện sự kiện (tại nốt sink) với một giao thức nhạy cảm năng lượng

và có các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn

Hình 1.10 ESRT