TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network bao gồm một tập hợp cácthiết bị cảm biến sử dụng các liên kế

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp cácthiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quanghọc) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu.Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếpthông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệtinh Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đíchchuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gianthông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếu củachúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môitrường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khảnăng mới cho con người Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị

vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ Chúng có thể hoạtđộng trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Do đó, vớimạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượngrất khó thấy trước đây

Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vựcnhư các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việcchuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vậtphức tạp, v.v

1.2 Mô tả hệ thống tổng quát

Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field)được minh họa trên hình 1.1 Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khảnăng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tớingười dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nodeSink đến các node cảm biến Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink)theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (MultihopInfrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các

trung tâm điều khiển, như trong hình 1.1 Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp vớitrạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông quaInternet hay vệ tinh (Satellite)

Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến không dây

Một node cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ

xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, node cảm biếncòn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng

và thiết bị di động Các thành phần trong một node cảm biến được minh họa trênhình 1.2 Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảmbiến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự có được

từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu sốbằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý Bộ xử lý, thường kết hợpvới một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tácvới các node khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tingiữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồngngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của node cảm biến là

bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảmbiến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn

Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấmpin mặt trời nhỏ

Bộ nguồn Bộ sinh năng lượng Sensor Thiết bị xử lý

Hình 1.2: Các thành phần của node cảm biến

1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây

1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp

Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần vớinguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong các bổxung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth Ví dụ các thiết bị chocác kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các huy hiệu, đượccấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vài năm.Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầu thờigian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giám sátkhông được thỏa thuận Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường cácvùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không thể thay đổinguồn thường xuyên Hơn nữa, các ứng dụng nào đó không thể tận dụng mộtnguồn cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng này phải nhận nguồn nănglượng nhờ quá trình khai thác và lọc năng lượng từ môi trường Một ví dụ của kiểunày là cảm biến áp suất lốp xe, mong muốn nhận được năng lượng từ các nguồn

năng lượng cơ hoặc nhiệt hiện diện trong các lốp ô tô thay vì một nguồn có thể yêucầu được thay thế trước khi lốp chạy

Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chính vớikhả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn năng lượngđỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống

1.3.2 Chi phí thấp

Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí sảnxuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng Nếu chi phí củamạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm biến

là không chấp nhận được Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ ởmức thấp Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn 1Dollarthì mạng mới có thể thực hiện được Các node cảm biến ngoài các thành phầnchính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý, nguồnnuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, di động, tạonăng lượng, v.v tuỳ theo ứng dụng cụ thể Do đó, chi phí sản xuất trở thành mộtthách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá thành thấphơn 1 Dollar

1.3.3 Mức độ khả dụng

Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như các thẻhành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng cómức độ khả dụng cao Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và hiệuquả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không dâyđược nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi trongvùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ) dâytruyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng vận hànhtrên khắp thế giới Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử dụng bởiviệc tận dụng các bộ thu nhận GPS (Global Positioning System) hoặc GLONASS(Global Navigation Satellite System) trong mỗi node mạng và điều chỉnh nodecách thức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu nhận thứ hai,cộng thêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để nhận các yêu cầukhắp thế giới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp này là không tồn tại

Bởi vậy, mong muốn tận dụng một băng thông đơn - có ít trong các yêu cầu điềuluật cảu chính phủ từ quốc gia đến quốc gia - để tăng cực đại toàn bộ thị trườngtiêu thụ cho các mạng cảm biến không dây.

1.3.4 Kiểu mạng

Một mạng star thông thường tận dụng một thiết bị master đơn và một hoặc nhiềuhơn thiết bị slave có thể thoả mãn nhiều ứng dụng Bởi vì công suất truyền dẫn củacác thiết bị mạng bị giới hạn bởi các điều luật chính phủ và các công ty cung cấpnguồn nuôi battery-life, tuy nhiên, thiết kết mạng này sẽ hạn chế phạm vi vật lýmột mạng có thể phục vụ đến phạm vi của một thiết bị đơn (master) Khi phạm vi

bổ xung được yêu cầu, các kiểu mạng hỗ trợ định tuyến multi-hop (ví dụ các kiểumesh hoặc cluster) phải được tận dụng; bộ nhớ bổ xung và chi phí tính toán chocác bảng hoặc thuật toán định tuyến, trong quá trình bổ xung overhead bảo trìmạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu thụ nguồn Để đượcxác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>256node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng dụng thẻ báo giá trongsiêu thị)

1.3.5 Bảo mật

Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết dongười sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng Việc nhận biết bảo mật làvấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của

-họ (hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai đểnhận Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế mộtphiên bản có dây mà người sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc cáccấp tải thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhậnđược thông tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận Ứng dụngkhông dây phải làm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộnglớn được yêu cầu với chi phí thấp hơn

Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin Thực tế, trongnhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bảntin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến không

dây Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin đượcnhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thểxen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thểnguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên Các yêu cầu này là một kiểubảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn củabản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity Code) phụthuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát (Trong các trường bảomật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication Code) nhưng MICđược sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có thể với lớp MAC củangăn xếp giao thức OSI) Người thu mong muốn và người gửi chia sẻ một khoá, nóđược sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với người nhận để phê chuẩn tínhnguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi Để tránh “replay attacks”, trongmột máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếmhoặc bộ định thời bản tin được gộp lại trong trường tính toán MIC Trong cáchnày, không có hai bản tin xác thực - thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng.

Về bảo mật, người thiết kế mạng cảm biến không dây gặp phải ba vấn đề khókhăn:

- Chiều dài MIC, để phù hợp với kế hoạch bảo mật tại mọi nơi, phải được cânbằng với chiều dài điển hình của dữ liệu được truyền phát, và mong muốncho các bản tin được truyền phát ngắn Dù vậy, một MIC 16-byte (128 bit)thường được đưa ra như một thiết yếu cho hầu hết các hệ thống bảo mật, nótrở nên cồng kênh khi dữ liệu bit đơn được truyền đi (ví dụ bật, tắt) Ngườithiết kế có thể cân bằng các yêu cầu bảo mật của nhiều người sử dụng vớicác yêu cầu nguồn thấp của mạng Chú ý rằng điều này có thể bao gồm cáclựa chọn chiều dài MIC, phù hợp với các quá trình kết hợp xác nhận bản tin,kiểm tra tính toàn vẹn, và mã hoá - và phải được thực hiện tự động, giốngnhư một phần của một mạng tự tổ chức

- Để tối thiểu hoá chi phí các thiết bị mạng, các tính năng bảo mật phải có khảnăng bổ xung với phần cứng rẻ, với một bổ xung tối thiểu các cổng logic,RAM, và ROM Thêm nữa, công suất tính toán (ví dụ tốc độ đồng hồ máy vitính, số lượng các hạt xử lý có sẵn, v.v…) có sẵn trong hầu hết các thiết bị

mạng là rất giới hạn Sự kết hợp này của số lượng cổng thấp, các yêu cầu bộnhớ nhỏ, và số lượng lệnh thực thi thấp giới hạn các kiểu các thuật toán bảomật mà có thể được sử dụng.

- Cuối cùng, vấn đề khó khăn nhất để giải quyết phổ biến là quá trình phân tánkhoá Nhiều phương pháp có hiệu lực, bao gồm một vài kiểu của mật mãhoá khoá công cộng tận dụng khoá chuyên dụng tải trên các thiết bị và cácloại khoá khác nhau của quá trình can thiệp của người sử dụng trực tiếp Tất

cả đều có những ưu điểm và nhược điểm khi được sử dụng trong một hệthống nhất định; người thiết kế mạng cảm biến phải lựa chọn một mà thíchhợp nhất cho ứng dụng trong tầm kiểm soát

Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phânchia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạngrộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý Mặc dù việc thiết kếmột mạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, ngườithiết kế của một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ Các yêu cầu vềnguồn và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc trong các phạm vikhác

1.3.6 Thông lượng dữ liệu

Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các yêucầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với cácmạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mongmuốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện Tốc độ dữ liệu điển hìnhđược mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trongmột vài ứng dụng Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữliệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể

Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số lượngoverhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quả truyềnthông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi các góiTCP/IP có thể dài 1500 byte Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn, hiệuquả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng: người

thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyền thông,thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao thức

1.3.7 Trễ bản tin

Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúng không

hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông lượng dữ liệungăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong nhiều ứngdụng Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy rất thoải máitrong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng dụng, một độ trễ

và giây hoặc vài phút có thể chấp nhận tương đối

1.3.8 Tính di động

Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động.Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đườngđịnh tuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang overhead lưulượng điều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giảnhơn so với mạng di động Ad hoc

1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

1.4.2 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 thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt độngnhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại Ví dụ, thông tin cảm biến có thểđược thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng Hoặc

dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được hướngtới 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 hoạtđộng xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiệnthời gian thực Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời vàcần phải có sự tập trung xử lý cao độ.

1.4.3 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 vicủa liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiềutrong các hệ thống thông thường Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động (actuator)cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn.Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thờikết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi mộtcấu trúc bus phức tạp Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hìnhvật 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

1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng

cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì có mộtphạm 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 cácthành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng Nhưvậy, 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 các thiết bị mà khôngcần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứngvới phần mềm trong khả năng công nghệ

1.4.5 Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứngdụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độtin 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 lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ

tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc củathiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không nhữngmạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.

1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây

Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả cácnode cảm biến được minh họa trong hình 1.3

Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kếthợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thôngqua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các node cảm biến Ngănxếp giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (TransportLayer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý(Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặtbằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ(Task Management Plane)

Hình 1.3: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xâydựng và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi cácứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến sốliệu được cung cấp bởi lớp giao vận Do môi trường có nhiễu và các node cảm biến

có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tốithiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các node lân cận Lớp vật lý sửdụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ.Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sựphân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến.Các mặt bằng này giúp cho các node cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảmbiến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ.

Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một node cảm biến sử dụng nănglượng của nó như thế nào Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khinhận một bản tin từ một trong các node lân cận Điều này có thể tránh được việcnhận bản tin tới hai lần Ngoài ra, khi mức năng lượng của node cảm biến thấp,node cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các node lân cận rằng mức năng lượng thấpcủa nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin.Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến Mặt bằng quản lý di động dòtìm và ghi lại chuyển động của node cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tớinode user luôn được duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi được các nodecảm biến lân cận Với việc nhận biết được các node cảm biến lân cận, node cảmbiến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng Mặt bằng quản lýnhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể Khôngphải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tạicùng một thời điểm Kết quả là một vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiềuhơn các node khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng Những mặt quản lý này rấtcần thiết, như vậy, các node cảm biến có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả

về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động vàchia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến Nếu không, mỗi node cảm biến sẽ chỉlàm việc một cách đơn lẻ Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng cảm biến,

sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể hoạt động hợp tác với nhau, như thếcũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng

1.5.1 Lớp ứng dụng

Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đềxuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là mộtvùng rộng lớn chưa được khám phá Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao

thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (SensorManagement Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP(Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến

và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rấtcần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tớinhững lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến Tất cả các giao thức lớpứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở

1.5.2 Lớp giao vận

Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các node cảmbiến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng Lớpgiao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internethoặc những mạng bên ngoài khác Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫnchưa phù hợp với đặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay Do đó, việcthiết lập một liên kết đầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp đến node quản lý củangười sử dụng là không hiệu quả Phương pháp phân tách TCP là cần thiết đểmạng cảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet Trong phươngpháp này, kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa node quản lý của người sửdụng và node thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môitrường mạng cảm biến được sử dụng cho truyền thông giữa node thu nhận và cácnode cảm biến Kết quả là truyền thông giữa node người sử dụng và node thu nhận

có thể sử dụng giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh Mặt khác,việc truyền thông giữa node thu nhận và các node cảm biến chỉ sử dụng hoàn toàncác giao thức kiểu như UDP, bởi vì các node cảm biến có bộ nhớ hạn chế

Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền thông đầucuối (end to end) trong mạng cảm biến không địa chỉ toàn cục Các phương phápnày dựa trên việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu Cácnhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các đặc trưng như địnhtuyến tập trung số liệu khiến cho mạng cảm biến cần phải có những cơ chế kháctrong lớp giao vận Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thứcmới ở lớp giao vận

1.5.3 Lớp mạng

Các node cảm biến được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngaybên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1 Giao thức định tuyến khôngdây đa bước phù hợp giữa node cảm biến và node Sink là cần thiết Kỹ thuật địnhtuyến trong mạng Ad hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạngcảm biến Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế theo những nguyên tắc sau :

- Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng

- Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung

- Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợptác của các node cảm biến

- Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộctính cơ sở và vị trí

1.5.4 Lớp liên kết số liệu

Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và táchkhung số liệu, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi Nó đảm bảo sự tin cậycho kết nối điểm - điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint)trong mạng truyền thông Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến lược truy nhập môitrường truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng cảm biến

1.5.5 Lớp vật lý

Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế

và mã hoá số liệu Kế hoạch chọn tần số đã được trình bày trong bảng 1.2 Việc tạotần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ khôngđược xem xét ở đây Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng,hiệu suất năng lượng và các phương pháp điều chế trong mạng cảm biến

Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả vềnăng lượng và độ phức tạp của hoạt động Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạngcảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài ra còncác vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đađường Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua mộtkhoảng cách d tỷ lệ với dn , trong đó 2 ≤ n < 4 Số mũ n gần 4 với antenna tầm thấp

và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng cảm biến Nguyên nhân là do sựtriệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất Để giải quyết vấn đề này, ngườithiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt

để Ví dụ, truyền thông qua nhiều bước nhảy trong mạng cảm biến có thể vượt quamột cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đường truyền nếu mật độnode mạng đủ lớn Tương tự, trong khi suy hao đường truyền và dung lượng kênhhạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theo khônggian

Dải tần (kHz) Tần số trung tâm (kHz)

Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế ISM

(Industrial, Scientific and Medical)

Việc lựa chọn phương thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tincậy trong truyền thông của mạng cảm biến Trong khi một phương pháp điều chế

cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trênmột kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vôtuyến Với điều kiện công suất khởi kích vượt trội thì phương pháp điều chế cơ sốhai có hiệu quả về năng lượng hơn Vì thế, phương pháp điều chế cơ số M chỉ cólợi với các hệ thống có công suất khởi kích thấp

Thiết bị băng tần cực rộng UWB (Ultrawideband) hay vô tuyến xung IR(Impulse Radio) từng được sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các

hệ thống đo khoảng cách, gần đây được chú ý trong các ứng dụng thông tin đặcbiệt là các mạng không dây trong nhà UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên

không cần các tần số mang hoặc trung tần Thông thường, điều chế vị trí xungđược sử dụng Ưu điểm chính của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với hiêntượng phát đa đường Việc sử dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế mạchđơn giản đã làm cho UWB rất thích hợp với các mạng cảm biến.

1.6 Các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây

và các sự kiện để điều khiển Sự thực thi này được viết nên nhờ sử dụng khônggian tên giao diện Một thành phần cũng có phần lưu trữ nội bộ, được cấu trúcthành một khung, và trùng hợp nội bộ, trong một khuôn dạng các luồng trọnglượng rất nhẹ gọi là các tác vụ (task) Các bộ điều khiển lệnh, sự kiện và tác vụđược khai báo rõ ràng trong nguồn tài nguyên Các vùng trọng tâm nơi một lệnhbên ngoài được gọi, được báo hiệu sự kiện, hoặc được gửi tác vụ, cũng rất rõ ràngtrong các đoạn mã tĩnh, giống như là các đoạn tham khảo tới phần lưu trữ khung

Mô tả các ứng dụng riêng rẽ chỉ ra rằng làm thế nào để các giao diện cùng mứchình thành tổng thể kết cấu ứng dụng Một sự kiện có thể được phát tán tới nhiềuthành phần hoặc nhiều thành phần có thể sử dụng cùng một lệnh Vì vậy, dù ứngdụng là các module, bộ biên dịch vẫn có thông tin tĩnh để sử dụng trong quá trìnhtối ưu hóa chéo qua toàn ứng dụng (entire application), bao gồm cả hệ thống vậnhành Để bổ xung, mô hình thực thi thời gian thực và mô hình lưu trữ mức duới có

thể được tối ưu hoá cho các nền tảng cụ thể Một lược đồ ứng dụng điển hình đượcchỉ trong hình 1.4, chứa đựng một ngăn xếp vô tuyến, một ngăn xếp cổng nối tiếpUART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), các ngăn xếp cảm biến, vànode mở mạng mức cao hơn, và định tuyến chuyên dụng để hỗ trợ bộ thu dữ liệucảm biến phân tán Ứng dụng nguyên khối này chiếm dụng khoảng 3Kb.

Mô hình trùng hợp TinyOS (TinyOS concurrency model) là một mô hình phâncấp lập lịch hai mức, ở đó các sự kiện đón trước các tác vụ, và các tác vụ nàykhông đón trước các tác vụ khác Phần lớn cách hoạt động nằm trong một dạng các

chuyển giao trạng thái nonblocking Trong vòng một tác vụ, các lệnh có thể được

gọi tới, một lệnh có thể gọi các lệnh cấp dưới, hoặc nó có thể đẩy các tác vụ tiếptục làm việc hợp lý song song với các lời triệu gọi của nó Theo quy ước, tất cả cáclệnh trả về một chỉ thị trạng thái sau dù lệnh đã được công nhận hay không, đểcung cấp một cái bắt tay (handshake) đầy đủ Do đó tất cả các thành phần đều cógiới hạn lưu trữ, một thành phần có thể cho phép từ trối các lệnh Một lệnh có thểkhởi tạo một toán tử, ví dụ, nhờ truy cập đến một cảm biến hoặc gửi một thôngbáo, di chuyển toán tử được tải ra ngoài đồng thời với các kích hoạt khác, nhờ sửdụng song song phần cứng hoặc các tác vụ

Các sự kiện được khởi tạo tại mức thấp nhất nhờ các ngắt phần cứng Các sựkiện có thể báo hiệu cho các sự kiện ở mức cao hơn, gọi các lệnh, hoặc đẩy lên cáctác vụ Các lệnh không thể báo hiệu cho các sự kiện Dù vậy, một sự kiện riêng rẽ

có thể truyền qua nhiều mức các thành phần, gây ra kích hoạt phụ Mỗi khi côngviệc không thể hoàn tất trong một khoảng thời gian nhỏ có giới hạn, thành phần cóthể ghi lại thông tin liên tục trong khung làm việc của nó và đẩy lên một tác vụ đểhoàn thành công việc Theo quy ước, các thành phần trừu tượng hoá phần cứngmức thấp thực thi quá trình ngắt vừa đủ để cho phép các ngắt hoạt động trước khibáo hiệu sự kiện Các sự kiện (hoặc các tác vụ được đẩy lên trong vòng các sự

kiện) thực hiện các hoạt động split-phase được khởi tạo bởi các lệnh, báo hiệu đến

thành phần mức cao hơn để hoạt động được hoàn thành và có thể thông qua dữ liệucủa nó

Hình 1.4: Một biểu đồ thành phần ứng dụng mạng

Bản tin kích hoạt (AM - Active Message) là một kiểu đơn giản, mở rộng chotruyền thông dựa trên bản tin (message-based) nhờ sử dụng các cuộc gọi thủ tục.Mỗi thông điệp chứa đựng tên một điều khiển được triệu gọi tới một node đíchtheo hướng đến, và một tải trọng dữ liệu Chức năng điều khiển handler phục vụcho hai mục đích là lấy bản tin từ mạng và kết hợp dữ liệu vào đến máy tính hoặcgửi đi một đáp ứng Kiểu truyền thông AM là kiểu điều khiển sự kiện và được thiết

kế riêng cho phép một ngăn xếp truyền thông rất nhỏ để xử lý trực tiếp các gói rakhỏi mạng, trong khi đó nó hỗ trợ một dải rộng các ứng dụng

Khởi tạo một AM bao gồm các chỉ định về các đối số dữ liệu, đánh tên điềukhiển handle, yêu cầu truyền dẫn, dò tìm đầy đủ hướng truyền đi Quá trình nhận

AM bao gồm triệu gọi điều khiển handle trên một bản sao của dữ liệu truyền đi.Lệnh bản tin gửi đi nhận dạng các phía nhận theo yêu cầu, điều khiển handle sẽ xử

lý bản tin gửi hướng đến và bộ đệm bản tin đầu ra nguồn trong khung nội hạt Mộtbản đăng ký điều khiển handle được giữ lại, và bộ nhận dạng cho điều khiểnhandle tên được lấy ra Bắt tay (handshake) trạng thái cho lệnh này minh họa kháiniệm tổng quát các thành phần quản lý giới hạn các tài nguyên của chúng

Thành phần bản tin có thể từ chối yêu cầu gửi đi, ví dụ, nếu nó đang bận truyền

đi hoặc nhận một bản tin và không có các tài nguyên mà gửi đến hàng đợi đượcyêu cầu Để phản hồi lại sự kiện này là các chỉ định ứng dụng

Sự kiện bản tin đến tương tự với các sự kiện khác Một sự khác biệt chính làthành phần AM phát đi sự kiện đến thành phần với điều khiển handle bản tin kếthợp Nhiều thành phần có thể đăng ký một hoặc nhiều điều khiển handle bản tin.Ngoài ra, đầu vào bộ điều khiển handle là một tham khảo đến một bộ đệm bản tinđược cung cấp bởi thành phần AM.

Quản lý lưu trữ bộ đệm là một vấn đề khó khăn trong một ngăn xếp truyền thôngbởi vì lý do sau phải được thảo luận:

- Đóng gói dữ liệu sử dụng với thông tin header và trailer vận chuyển

- Xác định khi nào việc lưu trữ dữ liệu bản tin đi có thể được dừng lại, và

- Cung cấp một bộ đệm đầu vào cho một bản tin đến trước khi bản tin nàyđược kiểm tra, để xác định nơi nó đến

Lớp AM Tiny cung cấp các gốc nguyên thuỷ đơn giản cho việc quyết định đếncác ý kiến trên với việc không cần sao chép lại và việc quản lý lưu trữ rất đơn giản

Bộ đệm có một kiểu định nghĩa trong khung cung cấp các trường cho quá trìnhtóm lược đặc trưng của hệ thống, giống như thông tin định tuyến và phát hiện lỗi.Các trường này được sử dụng giống như là các gói chuyển xuống ngăn xếp, đúnghơn là các con trỏ hoặc việc sao chép sau Các thành phần ứng dụng chỉ đề cập đếncác trường dữ liệu hoặc toàn bộ đệm Các tham chiếu đến bộ đệm bản tin chỉ là cáccon trỏ được mang qua các biên giới thành phần trong TinyOS

Trước khi lệnh gửi được gọi, bộ đệm truyền dẫn được quan tâm được mạng sởhữu chưa cho đến khi thành phần bản tin báo hiệu rằng sự truyền dẫn được hoànthành Cơ cấu cho quyền sở hữu theo dõi là đặc trưng ứng dụng

Các bộ điều khiển handle bản tin nhận một tham chiếu đến một bộ sở hữu hệthống, rất khác biệt so với khung của nó Cách thức hoạt động điển hình là xử lýthông tin trong bản tin và trả lại cho bộ đệm Tổng quát, bộ đệm điều khiển handlephải trả về một tham chiếu đến một bộ đệm trống Nó có thể giữ lại bộ đệm mà nóđược cấp bởi hệ thống và trả lại một tham chiếu cho một bộ đệm khác, mà là củariêng nó Một trường hợp đặc biệt chung của viễn kịch này là một bộ điều khiểnhandle tạo nên một thay đổi nhỏ đến một bản tin đi đến và truyền phát lại nó.Chúng ta có thể ngăn ngừa việc sao chép phần còn lại của bản tin, tuy nhiên, chúng

ta không thể giữ lại quyền sở hữu bộ đệm cho truyền phát và trả về cho cùng bộ