Nghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp Watermarking (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp WatermarkingNghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp Watermarking

HOÀNG THỊ THU NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN THỰC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được của luận văn là sản phẩm của cá nhân tôi nghiên cứu, tổng hợp Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, tháng 11 năm 2018

Tác giả luận văn

Hoàng Thị Thu

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong và ngoài trường đã trang bị cho tôi những kiến thức trong quá trình hoàn thành các học phần cao học

Tôi xin được cám ơn những người thân, bạn bè đã thường xuyên quan tâm, giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, cung cấp các tài liệu hữu ích trong thời gian học tập, nghiên cứu cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới gia đình đã kiên trì chia sẻ

và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận văn

Hà Nội, tháng 11 năm 2018 Tác giả luận văn

Hoàng Thị Thu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

BẢNG KÝ HIỆU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 4

1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây 4

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 5

1.2.1 Cấu trúc của một node mạng WSN 5

1.2.2 Cấu trúc của toàn mạng WSN 6

1.2.3 Cấu trúc đặc trưng của WSN 8

1.3 Đặc điểm và yếu tố ảnh hưởng tới WSN 13

1.3.1 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 13

1.3.2 Yếu tố ảnh hưởng của mạng cảm biến không dây 14

1.4 Các công nghệ truyền dữ liệu trong WSN 17

1.4.1 Bluetooth 17

1.4.2 Zigbee 17

1.4.3 Z-ware 18

1.4.4 6LoWPAN 18

1.4.5 Thread 18

1.4.6 Wifi 18

1.4.7 Cellular 19

1.4.8.NFC 19

1.4.9 Sigfox 19

1.4.10 Neul 20

1.4.11 Lora 20

1.5 Các ứng dụng 20

1.5.1 Trong quân đội 20

1.5.2 Trong môi trường 21

1.5.3 Trong y học 23

1.5.4 Trong gia đình 23

1.5.5 Trong công nghiệp, nông nghiệp 24

1.5.6 Trong giao thông 26

1.6 Kết luận chương 27

CHƯƠNG 2 NHẬN THỰC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 28

2.1 Nguyên lý nhận thực 28

2.1.1 Lý do nhận thực 29

2.1.2 Giai đoạn nhận thực 29

2.1.3 Quy trình nhận thực 29

2.2 Các giải pháp kỹ thuật cơ bản 30

2.2.1 Nhận thực dựa trên khóa công khai 30

2.2.2 Nhận thực dựa trên khóa đối xứng 30

2.2.3 Lược đồ nhận thực động 30

2.2.4 Lược đồ nhận thực động lớn 30

2.2.5 Lược đồ nhận thực nhẹ 31

2.2.6 Lược đồ nhận thực hiệu quả 31

2.2.7 Nhận thực sử dụng cấp hai TTUA 31

2.2.8 Nhận thực sử dụng cấp cao hai cấp TTUA 31

2.3 Các giao thức trao đổi khóa 32

2.3.1 Giao thức thỏa thuận chính 32

2.3.2 Giao thức truy xuất chính 33

2.3.3 Giao thức quản lý khác cho các nút thu nhận 35

2.4 Các giao thức xác thực 36

2.4.1 Giao thức kích hoạt và xác thực cảm biến (SAAP) 37

2.4.2 Giao thức xác thực lại Sensor -1 (SRP1) 38

2.4.3 Giao thức xác thực lại Sensor - 2 (SRP2) 39

2.4.4 Giao thức kích hoạt và xác thực người dùng (UAAP) 41

2.4.5 Giao thức xác thực người dùng chìm (USiAP) 42

2.4.6 Giao thức xác thực người dùng cảm biến (USeAP) 43

2.5 Kết luận chương 44

CHƯƠNG 3 NHẬN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING 45

3.1 Đặt vấn đề 45

3.2 Giải pháp nhận thực bằng watermarking 46

3.2.1 Kỹ thuật Watermark 47

3.2.2 Phân loại Watermark 49

3.2.3 Một số giải pháp nhận thực bằng watermarking 51

3.3 Mô hình hóa và mô phỏng kiểm chứng 53

3.3.1 Bài toán đặt ra 53

3.3.2 Mô phỏng kiểm chứng kịch bản tấn công lưu lượng 59

3.4 Đánh giá giải pháp 61

3.5 Kết luận chương 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

SB Scability Khả năng mở rộng

Sensors

Mạng cảm biến tích hợp không dây

BẢNG KÝ HIỆU

Z (A) Phần tử xâm nhập Z bắt chước thực thể A

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Thành phần của một nút cảm ứng 5

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 7

Hình 1.3: Cấu trúc tầng 8

Hình 1.4: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 9

Hình 1.5:Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý 9

Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân cấp logic 10

Hình 1.7: Cấu trúc phẳng 11

Hình 1.8: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 22

Hình 1.9: Cảnh báo và đo thông số động đất 22

Hình 1.10: WSN trong y tế 23

Hình 1.11:Mạng gia đình thông minh 24

Hình 1.12: WSN trong quản lý hàng hóa 25

Hình 1.13: WSN trong bến cảng 25

Hình 1.14: WSN trong trồng trọt 26

Hình 1.15: WSN trong chăn nuôi 26

Hình 1.16: WSN trong giao thông 27

Hình 2.1: Tạo và nhập khóa dựa trên thời gian với tham chiếu đến đoạn thời gian 33 Hình 2.2: Cây Hash nhị phân được tạo ra với vectơ chỉ số V = v1, v2, v3, v4 35

Hình 2.3: Quản lý chuỗi khóa trong nút thu nhận 36

Hình 2.4: Trao đổi bản tin cho giao thức kích hoạt và xác thực cảm biến (SAAP) 37 Hình 2.5: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực lại Sensor-1 (SRP1) 39

Hình 2.6: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực lại Sensor-2 (SRP2) 40

Hình 2.7: Trao đổi bản tin cho giao thức kích hoạt và xác thực Người dùng (UAAP) 42

Hình 2.8: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực người dùng cảm biến (USeAP) 43 Hình 3.1: Phân loại Watermarking 49

Hình 3.2: Phân loại các thuật toán Watermarking dựa trên miền biến đổi dùng cho quá trình nhúng Watermarking 50 Hình 3.3: Phân loại Watermarking dựa vào ứng dụng của watermarking 51 Hình 3.4: Mô hình mã hóa và giải mã watermark 56 Hình 3.5: Tỷ lệ phát hiện tấn công lưu lượng dựa trên tỷ lệ thay đổi tốc độ gói tin và khoảng tin cậy 60

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Ký hiệu các tham số 55

MỞ ĐẦU

Trong số các mạng không dây hiện nay, mạng cảm biến không dây là một trong số những thành tựu công nghệ mới đang thu hút nhiều sự quan tâm Mạng cảm biến không dây với hạ tầng truyền thông cho các hệ thống IoT được ứng dụng

để truyền tải thông tin môi trường từ các node cảm biến về trung tâm xử lý và hỗ trợ các tác vụ điều khiển ngược về phía môi trường

Vì vậy, vấn đề an toàn mạng cảm biến đã và đang là một vấn đề thu hút nhiều nhà nghiên cứu, triển khai hệ thống trước hàng loạt các yêu cầu và ứng dụng

mới được đặt ra trong thời gian gần đây Trong đó, tính nhận thực đảm bảo dữ liệu

không bị thay đổi trong quá trình truyền là một vấn đề có nhiều thách thức khi số lượng thiết bị cảm biến tăng rất nhanh và đa dạng kéo theo nhiều điều kiện ràng buộc khác biệt với các hạ tầng đã có Do đó, đề tài này tập trung nghiên cứu các vấn

đề liên quan tới nhận thực trong mạng cảm biến không dây và mong muốn đề xuất một giải pháp nhận thực dựa trên watermark để phù hợp với một số yêu cầu của mạng cảm biến không dây

Tiếp cận nhận thực bằng phương pháp watermark đã được rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới quan tâm do tính gọn nhẹ của tiếp cận Tuy nhiên, tại Việt Nam hướng đi này còn khá mới mẻ, và chưa có các nghiên cứu có hệ thống về khả năng và phương pháp ứng dụng giải pháp này trong mạng cảm biến không dây Do

đó, học viên đã lựa chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu về nhận thực trong mạng cảm biến không dây bằng phương pháp Watermarking” nhằm nghiên cứu tiềm

năng nhận thực của một giải pháp cụ thể Từ đó, xây dựng khung lý thuyết về cách nhận thực trong mạng cảm biến không dây trên cơ sở nghiên cứu các công trình khoa học của nước ngoài và khảo sát thực trạng ứng dụng giải pháp watermark của các nước trên thế giới

Với cách đặt vấn đề như trên, mục đích nghiên cứu của luận văn là nhằm

phân tích, đánh giá các giải pháp sử dụng nhận thực bằng phương pháp watermark

ứng dụng cho mạng cảm biến không dây, trên cơ sở đó đề xuất cải tiến một phương pháp nhận thực trong mạng cảm biến không dây

Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là các giải pháp watermark sử

dụng cho nhận thực trong mạng cảm biến không dây

Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm:

1) Nghiên cứu tập trung vào các vấn đề lý thuyết

2) Nghiên cứu các giải pháp công nghệ

3) Đề xuất các giải pháp đã có

4) Kiểm chứng thông qua mô phỏng số hoặc mô phỏng sự kiện rời rạc

Phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng trong luận văn là phương

pháp phân tích, tổng hợp thông tin để từ đó đề xuất giải pháp cải thiện

Nội dung của luận văn được trình bày theo cấu trúc sau:

- “Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây”: Trình bày một bức tranh tổng quát về mạng cảm biến không dây Từ đó, nội dung của chương đi sâu phân tích cấu trúc, đặc điểm, các công nghệ truyền dữ liệu, yếu tố ảnh hưởng và đánh giá các tiềm năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây cũng như xác định

rõ các vấn đề cần nghiên cứu

- “Chương 2: Nhận thực trong mạng cảm biến không dây”: Chương này trình bày về nguyên lý nhận thực trong WSN, phân tích các giải pháp kỹ thuật cơ bản, các giao thức xác thực sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong WSN

- “Chương 3: Nhận thực bằng phương pháp watermarking”: Tập trung vào các vấn đề xung quanh việc nhận thực bằng phương pháp watermarking để từ đó đề

xuất giải pháp phù hợp để mô phỏng lại hệ thống

- “Kết luận và khuyến nghị”: Tổng hợp đánh giá các kết quả đạt được của luận văn đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo

Trong quá trình nghiên cứu, học viên luôn cố gắng bám sát các tài liệu khoa học Nội dung chi tiết của luận văn sẽ được trình bày dưới đây

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

Tóm tắt: Chương này khái quát các vấn đề chính của mạng cảm biến

không dây, các mô hình mạng không dây, đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng tới mạng cảm biến không dây, các công nghệ truyền dữ liệu và ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong đời sống của mỗi người

1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây

Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, giám sát các mặt trận quân sự, sinh học và hóa học, theo dõi điều khiển giao thông, các phương tiện

xe cộ, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác

sĩ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong bệnh viện

Mạng cảm biến không dây là một mạng không dây mà các nút mạng sử dụng

các vi điều khiển, cảm biến, bộ truyền RF với kích thước tương đối nhỏ, đa chức

năng, tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng tự tổ chức, tự bảo trì, giá thành thấp để thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin Thông tin được truyền về một trạm gốc thông qua các nút cảm biến khác và thông qua Internet truyền về trung tâm dữ liệu

để lưu trữ, phân tích và xử lý

Nút cảm biến bao gồm các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, bộ nhớ có giới hạn và nguồn nuôi Khi nút cảm biến hoạt động, các nút này sẽ thu nhận tín hiệu từ môi trường và bản thân thiết bị, tín hiệu có thể là tín hiệu vật lý, sinh học, hóa học hay chuyển thành tín hiệu điện năng để đưa vào vi điều khiển Thiết bị vi điều khiển sẽ thu nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý chúng Sau

đó, bộ truyền nhận tín hiệu thiết lập giao tiếp truyền dữ liệu đã được xử lý đến các nút trong mạng

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.1 Cấu trúc của một node mạng WSN

Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản gồm: bộ cảm nhận

(a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Khi xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát

triển các nút cấu thành mạng- nút cảm biến Các nút phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán, có bộ nhớ

đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận Bên cạnh đó, có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng

dụng gồm: hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power

generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.1: Thành phần của một nút cảm ứng

Với mô hình trên:

 Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC)

 Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi

sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào

bộ xử lý

 Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết

định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm

vụ định sẵn

 Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng thực hiện việc gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút

khác hoặc tới nút sink

 Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin, các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, phải có khả năng nạp điện từ môi trường như

là năng lượng ánh sáng mặt trời

Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có

độ chính xác cao về vị trí nên cần phải có các bộ định vị Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã

ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module và tuân theo một số ràng buộc nghiêm ngặt khác như: tiêu thụ năng lượng ít, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường

1.2.2 Cấu trúc của toàn mạng WSN

Các nút cảm ứng được phân bố trong một trường cảm biến (sensor field) như

hình 1.2 Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến

các nút sink Dữ liệu được định tuyến lại đến các nút sink bởi một cấu trúc đa điểm, các nút sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua

mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Khi thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần phải dùng một số cơ chế, kỹ thuật đặc thù sau:

 Giao tiếp không dây multihop: khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn nên cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể

 Hoạt động năng lượng hiệu quả: nhằm mục đích hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng

 Tự động cấu hình: mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông

số một cách tự động Các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị)

 Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: việc sử dụng một nút cảm biến không thể thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có sự cộng tác hoạt động của nhiều nút thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng nút thu dữ liệu

gửi ngay đến nút sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng Do vậy, cần

sự kết hợp dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới nút sink

thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng

Do vậy, cấu trúc mạng mới có các tính năng cơ bản sau:

- 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 nút lân cận

1.2.3 Cấu trúc đặc trưng của WSN

a Cấu trúc tầng

T rong cấu trúc tầng (tiered architecture), các cụm được tạo ra giúp các tài

nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop tùy thuộc vào kích

cỡ của cụm đến một nút định sẵn được gọi là nút chủ (cluster head) Với cấu trúc

các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã được định sẵn

Hình 1.3: Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.4)

Hình 1.4: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, mỗi lớp

có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán Trong trường hợp này, các sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò là một bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu

ra khỏi dữ liệu, các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này Sự phân tích chức năng của các mạng cảm ứng có thể phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các nút, hoặc phân biệt theo logic Ví dụ, một tập hợp con các nút với khả năng truyền thông

ở phạm vi rộng tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.5)

Hình 1.5:Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý

Tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic khi thực hiện một nhiệm vụ đại diện cho các nút khác, bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút Những quy tắc logic này tạo nên mạng phân cấp logic (hình 1.6), có thể thay phiên định kỳ để đảm bảo sự công bằng khi các nút tham gia với khả năng tính toán cao hơn hoạt động thì các nút ít khả năng hơn sẽ chuyển các nhiệm vụ tính toán sang các nút này Nếu không có máy chủ, một cụm các cảm biến cần thiết phải chọn ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ tập trung dữ liệu Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có mỗi nút có tài nguyên vật lý thích hợp mới thích hợp để thực hiện các nhiệm vụ định

sẵn Ví dụ một nút với hệ thống định vị toàn cầu (global positioning system - GPS)

có thể thực hiện vai trò chủ chốt trong việc định vị hoặc đồng bộ thời gian Do vậy, việc xảy ra ngẫu nhiên khi rất nhiều mạng cảm ứng hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp

Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân cấp logic

b Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với nút sink qua

multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Phạm vi truyền cố định, các

nút gần nút sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng

nguồn lớn Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu nên có thể chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện

là có nguồn chia sẻ đơn lẻ như thời gian, tần số

Hình 1.7: Cấu trúc phẳng

c So sánh giữa cấu trúc tầng và cấu trúc phẳng

Mạng cảm biến được xây dựng dựa trên cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng bởi các yếu tố sau:

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm ứng bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Khi triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao Nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm

nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi

- Mạng cấu trúc tầng có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

- Độ tin cậy cao: mỗi mạng cảm ứng phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Trong mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích, đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút

n

chia sẻ Do đó, khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0

Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề trên Khi dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến Dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với

của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định

là độc lập với nhau

Do vậy, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng Các chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải

thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa các lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp trong chức năng cập nhật và tìm kiếm

1.3 Đặc điểm và yếu tố ảnh hưởng tới WSN

1.3.1 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

a Kích thước vật lý nhỏ gọn

Các nút cảm biến có kích thước nhỏ với phạm vi hạn chế Khả năng truyền thông thấp do kích thước và năng lượng có hạn

b Hoạt động với độ tập trung cao

Mạng cảm biến không dây giao tiếp sử dụng sóng vô tuyến qua một kênh không dây với phạm vi giao tiếp ngắn, băng thông rộng Kênh truyền thông có thể

là hai chiều hoặc đơn hướng

c Chi phí thấp

Trong mạng cảm biến có hàng trăm ngàn nút cảm biến được triển khai để đo bất kỳ mô trường vật lý nào, để giảm tổng chi phí của toàn bộ mạng lưới chi phí của nút cảm biến phải được giữ ở mức khả thi khi sử dụng

d Năng lượng hiệu quả

Nguồn năng lượng sử dụng trong mạng cảm biến với các mục đích khác nhau như tính toán, truyền thông và lưu trữ Nút cảm biến tiêu thụ năng lượng nhiều hơn so với bất kỳ giao tiếp khác

thêm vào mạng dẫn đến thay đổi cấu trúc mạng Vì vậy, các nút WSN phải được

nhúng với chức năng cấu hình lại, tự điều chỉnh

g Truyền thông đa chiều

Phần lớn, các nút cảm biến giao tiếp với nút sink hoặc trạm cơ sở để có sự

trợ giúp của một nút trung gian thông qua đường truyền dẫn định tuyến Khi giao tiếp với các nút khác hoặc trạm cơ sở vượt ngoài tần số vô tuyến thì phải thông qua các định tuyến đa chiều bằng nút trung gian

1.3.2 Yếu tố ảnh hưởng của mạng cảm biến không dây

a Khả năng chịu lỗi

Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): là hiện tượng các nút cảm ứng có thể

không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động Ở đây, ta dùng phân bố Poisson để xác định xác suất không có sai hỏng trong khoảng

t : khoảng thời gian khảo sát

Rk(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm ứng

b Khả năng mở rộng

Khả năng mở rộng (scability): là khả năng số lượng các nút cảm ứng được

triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu Một số mạng mới phải có khả năng làm việc với số lượng các nút này và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm ứng Mật độ có thể tính toán theo công thức:

Chi phí sản xuất (production costs): bao gồm một số lượng lớn các nút cảm

ứng nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống thì mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm ứng phải giữ ở mức thấp

d Ràng buộc phần cứng

Ràng buộc phần cứng (hardware constraints): với yêu cầu phải có kích

thước càng nhỏ càng tốt Các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác với khả năng tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp,

có thể tự hoạt động và thích ứng với môi trường

e Cấu hình mạng cảm biến

Cấu hình mạng cảm biến (network topology): mạng cảm biến có hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến (sensor field) Mật độ các

một cấu hình ổn định với cấu hình ở 3 pha như sau:

Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm ứng có thể đặt lộn xộn hoặc

xếp theo trật tự trên trường cảm biến Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một

Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ

thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm ứng, khả năng đạt trạng thái không kết nối phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản, năng lượng thích hợp, những sự cố

và nhiệm vụ cụ thể

Pha triển khai lại: sau khi triển khai cấu hình, có thể thêm vào các nút cảm

ứng khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức năng

f Môi trường hoạt động

Môi trường hoạt động (Environment): các nút cảm ứng được thiết lập dày

đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Do vậy, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Môi trường làm việc

ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

g Phương tiện truyền dẫn

Phương tiện truyền dẫn (Transmission media): các đường kết nối có thể tạo

nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết lập

sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới, các thiết bị cảm ứng năng lượng thấp dùng bộ

thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz Cấu trúc mạng Wireless Integrated Network Sensors (WINS) cũng sử dụng đường truyền vô tuyến để truyền

dữ liệu Các nút trong mạng giao tiếp với nhau bằng tia hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn Một thành quả thú vị nữa là hạt bụi Smart Dust, là một hệ thống tự cảm ứng, tính toán và giao tiếp dùng các phương tiện quang học để truyền Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, ánh sáng có thể truyền cho nhau được

h Sự tiêu thụ năng lượng

có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới

hạn (<0,5Ah, 1.2V) Vì vậy, khoảng thời gian sống của các nút cảm ứng phụ thuộc

mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm ứng multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Do đó, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng, thiết kế nguồn cho mạng

cảm ứng có dung lượng lớn, và thiết kế cho các thành phần của một nút cảm biến hoạt động hiệu quả về năng lượng để góp phần kéo dài thời gian sống của các nút nói riêng và cả toàn mạng

Nhiệm vụ chính của các nút cảm ứng trong trường cảm biến để phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi

Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communication), và xử lý dữ liệu (data processing)

1.4 Các công nghệ truyền dữ liệu trong WSN

Lợi thế của Zigbee là khả năng tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, có khả năng mở rộng số lượng các node cao Các thông số kỹ thuật của Zigbee 3.0 dưới đây:

 Tần số: 2.4 GHz

 Phạm vi truyền: 10 - 100m

 Dữ liệu truyền được: 250kbps

1.4.3 Z-ware

Z-wave là chuẩn truyền thông không dây trong khoảng cách ngắn và tiêu thụ rất ít năng lượng Tốc độ truyền tải lên tới 100kbit/s, sử dụng cho nhu cầu giao tiếp giữa các thiết bị trong các hệ thống IoI Thông số kỹ thuật Z-ware Alliance ZAD12837/IUT-T G.9959 như sau:

 Tần số: 900 MHz

 Phạm vi truyền: 30m

 Dữ liệu truyền được: 9.6/40/100 kbit/s

1.4.4 6LoWPAN

6LoWPAN là giao thức mạng, cho phép quy định cơ chế đóng gói bản tin

và nén header Với thiết kế để gửi các bản tin IPv6 qua mạn IEEE802.15.4 và các tiêu chuẩn IP mở rộng như: TCP, UDP, HTTP và Websocket là các tiêu chuẩn cung cấp nodes end to end, cho phép các router kết nối mạng tới các IP

Thông số kỹ thuật 6LoWPAN như sau:

 Tần số: 2.4 GHz

 Phạm vi truyền: không áp dụng

1.4.6 Wifi

Wifi là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, với các thông số

kỹ thuật Wifi cơ bản sau:

 Phạm vi truyền: 35 km trong GSM, 200km trong HSPA

 Dữ liệu truyền được: 35-170 kps (GPRS), 600 - 10Mbps (HSPA)

1.4.8.NFC

NFC là công nghệ kết nối không dây trong phạm vi tầm ngắn với khoảng cách 4cm, sử dụng cảm ứng từ trường để thực hiện kết nối giữa các thiết bị smartphone, loa, tai nghe khi có sự tiếp xúc trực tiếp Khi hai thiết bị đều có kết nối NFC, chỉ cần thao tác chạm chúng vào nhau để kích hoạt tính năng này Thông số

cơ bản của NFC với tiêu chuẩn ISO/IEC 18000-3 như sau:

 Tần số: 868 MHz (Europe), 915 MHz (USA)

 Phạm vi truyền: 30 đến 50 km (vùng nông thôn), 3 đến 10 km (khu đô thị)

 Dữ liệu truyền được: 100 bps

1.4.10 Neul

Neul là công nghệ mạng không dây phủ trên diện rộng, thiết vị tiêu thụ công suất rất nhỏ, từ 20 đến 30 mA tương ứng cục pin có tuổi thọ từ 10-15 năm sử dụng Thông số kỹ thuật cơ bản của Neul gồm:

1.5 Các ứng dụng

1.5.1 Trong quân đội

Các ứng dụng trong mạng cảm biến trong quân đội gồm giám sát trang thiết

bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, quân đội, dò tấn công bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch

Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược:

Các nhà lãnh đạo, sĩ quan theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, các thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ

để có thể thông báo về trạng thái Các báo cáo được tập hợp lại tại các nút sink để

gửi tới lãnh đạo trong quân đội, dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn

Giám sát địa hình và lực lượng quân địch:

Mạng cảm biến được triển khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biến cần nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về trong vài phút trước khi quân địch phát hiện để ngăn chặn lại chúng

Giám sát chiến trường:

Với địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và theo dõi các hoạt động của quân địch Khi các hoạt động này được mở rộng và kế hoạch hoạt động mới có thể được triển khai ở bất cứ thời gian nào khi theo dõi chiến trường

Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường:

Các cuộc tấn công trước và sau, mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy hiểm của chiến trường

Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân:

Mạng cảm biến được triển khai ở những vùng mà được sử dụng như một hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung cấp thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc, nhằm tránh thương vong nghiêm trọng

1.5.2 Trong môi trường

Trong các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt

Phát hiện cháy rừng:

Khi phân tán các nút cảm ứng trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát Mỗi nút cảm ứng có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói Các dữ liệu thu thập được truyền multihop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm Ngay sau khi sự kiên liên quan đến cháy được phát hiện, trung tâm điều khiển sẽ đưa ra cảnh báo sớm giúp phát hiện sớm và ngăn chặn được thảm họa cháy rừng

Hình 1.8: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

Cảnh báo lũ lụt:

Hệ thống cảnh báo lũ lụt bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước Các cảm biến sẽ cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lũ lụt sớm

Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa trấn:

Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào

Hình 1.9: Cảnh báo và đo thông số động đất

1.5.3 Trong y học

Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: các nút cảm ứng có thể được gắn vào cơ thể, thí dụ như ở dưới da và đo các thông số của máu để phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24 giờ và gửi hình ảnh

về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị

Hình 1.10: WSN trong y tế

1.5.4 Trong gia đình

Trong gia đình, lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm ứng được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ Hơn nữa, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

Hình 1.11:Mạng gia đình thông minh

1.5.5 Trong công nghiệp, nông nghiệp

 Trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh, công việc bảo quản và lưu giữ hàng hóa

sẽ được giải phóng Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm ứng mà chỉ cần tồn tại trong thời kỳ lưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một truy vấn tới kho lưu trữ dưới dạng bản tin quảng bá, tất cả các kiện hàng sẽ trả lời truy vấn đó để bộc lộ các đặc điểm của chúng 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 Khi có một ai đối tượng cố dịch một kiện hàng, sensor sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo giúp việc bảo vệ tốt hơn các hàng hóa trong những tòa nhà lớn

Hình 1.12: WSN trong quản lý hàng hóa

Mỗi một thùng hàng là một nút mạng trong mạng cảm ứng 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 thùng hàng này đến thùng hàng khác Nhờ đó tàu

có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và thùng hàng thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có thùng hàng lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu

Hình 1.13: WSN trong bến cảng

 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 1.14: WSN trong trồng trọt

Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị

các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát

Hình 1.15: WSN trong chăn nuôi

1.5.6 Trong giao thông

Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc được gắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau và