VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSON VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG.doc

VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG WIRELESS SENSON VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG

Mục lục 1

Thuật ngữ viết tắt 4

Lời nói đầu 6

Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor 7

1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 7

1.4.1.1 Giao thức quản lý Sensor 18

1.4.1.2 Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu 19

1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu 20

1.4.2 Lớp giao vận 20

1.4.3 Lớp mạng 21

1.4.4 Liên kết liên mạng 21

1.4.5 Lớp liên kết số liệu 22

1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trờng truyền dẫn 22

1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi 23

1.4.6 Lớp vật lý 24

1.5 Đặc điểm của mạng Wireless Sensor 25

1.5.1 Kích thớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp 25

1.5.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 26

1.5.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế 26

1.5.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng 26

1.5.5 Hoạt động tin cậy 27

1.6 ứng dụng của mạng Sensor 27

1.6.1 ứng dụng trong quân sự 27

1.6.2 ứng dụng về môi trờng 29

2.1.2 Môi trờng hoạt động 34

2.1.3 Môi trờng truyền dẫn 35

2.3.1.2 Phơng pháp định tuyến số liệu tập trung 40

2.3.1.3 Các giao thức lớp mạng khác đợc đề xuất cho mạng Sensor 41

2.3.2 Giải pháp truy nhập môi trờng truyền dẫn 46

2.3.2.1 Yêu cầu với giao thức điều khiển truy nhập môi trờng (MAC) cho mạng sensor 46

2.3.2.2 Các giao thức MAC cho mạng sensor 47

2.3.2.3 Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lợng 50

2.3.3.2 Phát hiện nguồn thấp "Low Battery" 51

2.3.3.3 Cảnh báo "Low Battery" 53

2.3.4 Tận dụng các nguồn năng lợng trong tự nhiên 54

2.3.1.1 Tế bào quang điện 55

3.4.1 Thiết lập kênh hiện tợng và kênh dữ liệu 66

3.4.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon 66

3.4.3 Thiết lập các nút Phenomenon với giao thức "định tuyến" Phenom 66

3.4.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon 67

3.4.5 Định hình nút Sensor 68

3.4.6 Thiết lập các nút Non-Sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) 69

3.4.7 Gắn kết các tác nhân Sensor 70

3.4.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng Sensor cho mỗi nút 70

3.4.9 Khởi động ứng dụng Sensor 70

Chơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor 71

Thuật ngữ viết tắt

ADC Analogue/Digital converter Bộ chuyển đổi tơng tự / số

Vector

Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời

API Application program interface Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng ARC Adaptive transmitssion rate

Điều khiển tốc độ truyền dẫn thích ứng ARQ automatic repeat request Cơ chế sửa lỗi bằng yêu cầu lặp lại tự

CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập theo cảm biến lu lợng

Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự

FDMA Frequency division multiple access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

HTTP HyperText Tranffer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản ISM band Industrial, Scientific and

communication network

Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu

NS-2 Network Simulator version 2 Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2 Otcl Object-oriented tool command

Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hớng đối tợng

RS-232 Serial Radio Link - 232 Liên kết vô tuyến nối tiếp theo chuẩn RS-232

SAR Sequential assignment routing Định tuyến chỉ định liên tục

SMP Sensor management protocol Giao thức quản lý sensor

SPIN Sensor protocols for Các giao thức thông tin sensor thông

information via negotiation qua thỏa thuận SQDDP Sensor query and data

dissemination protocol

Giao thức truy vấn sensor và phổ biến số liệu

SQL Structure Query Language Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc SQTL Sensor query and tasking

Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ sensor

SSF Scalable Simulation Framework Cơ cấu mô phỏng mở rộng TADAP Task assignment and data

TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian

WINS Wireless Integrated network sensors

Mạng các thiết bị cảm biến tích hợp thiết bị thu phát không dây

WISENET WIreless SEnsor NETwork Hệ thống mạng sensor không dây WISENET

WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều ứng dụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất kỳ điều kiện và vùng địa lý nào Có nhiều phơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin trong đó mạng Wireless Sensor hiện đang đợc dùng phổ biến trên thế giới và đang dần xâm nhập vào nớc ta

Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng Wireless Sensor nh vấn đề năng lợng, vấn đề đồng bộ sensor, vấn đề mở rộng mạng Năng lợng luôn là yếu tố quan trọng của tất cả các loại mạng Với mạng Wireless Sensor do tính đặc thù của mạng là hạn chế về phần cứng và ứng dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lợng càng trở lên quan trọng.

Trớc thực tế này, đợc sự định hớng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bu Điện, em đã chọn đề tài đồ án: “Vấn đề năng lợng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng”

Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng l ợng trong mạng Wireless Sensor, từ đó đa ra các giải pháp tiết kiệm năng lợng trong mạng và tận dụng các nguồn năng lợng sạch trong tự nhiên.

Đồ án gồm 4 chơng:

1 - Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor 2 - Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor

3 - Chơng III : Phần mềm mô phỏng cho mạng Wireless Sensor 4 - Chơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor

Do còn hạn chế về kiến thức và năng lực nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót Mong đợc sự góp ý của thầy cô và bạn bè.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bu Điện, đã hớng dẫn em về chuyên môn cũng nh phơng pháp làm việc để em có thể hoàn thành đồ án Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô trong Khoa Viễn Thông I, Học viện Công nghệ Bu chính - Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn

Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor

1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây

Các thiết bị cảm biến (Sensor) đợc kết nối thành mạng, phối hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ với quy mô lớn, đợc đặt nhiều hy vọng nhằm cách mạng hóa trong lĩnh vực thu thập thông tin ở bất kì điều kiện và vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tợng mục tiêu Mạng này có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trờng mạng công cộng nh Internet hay vệ tinh Các nút Sensor không dây có thể đợc triển khai cho các mục đích chuyên dụng nh giám sát và an ninh; kiểm tra môi trờng; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu nh trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trờng nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây truyền thống đợc

Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con ngời 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 thớc rất nhỏ Chúng có thể hoạt động trong một môi tr-ờng dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, ngời ta đã có thể khám phá nhiều hiện tợng rất khó thấy trớc đây.

Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trờng sinh vật phức tạp

1.2 Nền tảng phát triển mạng

Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc không dây và đợc thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ công nghệ.

1.2.1 Mạng Ad hoc không dây

Mạng Ad hoc không dây là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, đợc triển khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện nh để tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp,.v.v Mạng Ad hoc không cần các thành phần cơ sở hạ tầng nh tổng đài, trạm thu phát gốc hay bất kì một trung tâm điều khiển nào Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc đợc liên kết động với nhau một cách tuỳ ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài Tất cả các nút này đều có thể hoạt động nh một bộ định tuyến nhờ khả năng tìm và duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng Các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc có thể chia thành hai loại:

- Các giao thức định tuyến theo bảng: mỗi nút mạng sẽ duy trì và cập nhật thông tin

định tuyến tới mọi nút mạng khác.

- Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: Việc định tuyến chỉ đợc thực hiện khi có

yêu cầu chuyển gói, nhờ cơ chế tìm đờng.

Hiện nay có bốn giao thức định tuyến đợc sử dụng trong mạng Ad hoc:

a) Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự

Trong Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự (Destination-Sequenced Distance-Vector - DSDV), mọi trạm di động đều có một bảng định tuyến trong đó ghi các đích hiện tại, số các bớc nhảy để đến đợc đích và số thứ tự đợc gán cho nút đích Số thứ tự này đợc sử dụng để phân biệt các tuyến và nh vậy tránh đợc sự hình thành các vòng lặp Các trạm định kỳ gửi bảng định tuyến của nó cho các nút lân cận của nó Một trạm cũng gửi bảng định tuyến nếu một thay đổi đáng kể trong bảng so với lần gửi cập nhật cuối cùng đợc phát hiện Nh vậy, việc cập nhật đợc thực hiện cả theo thời gian và theo sự kiện.

Các bảng định tuyến có thể đợc gửi cập nhật theo hai cách: chuyển toàn bộ (“full dump”) hay cập nhật phần gia tăng Theo cách chuyển toàn bộ, bảng định tuyến sẽ đợc gửi trọn vẹn đến các nút lân cận và nó có thể bao gồm nhiều gói tin Ng ợc lại, theo cách cập nhật phần gia tăng, chỉ những mục ghi mới của bảng định tuyến so với lần cập nhật cuối cùng mới đợc gửi đi và phải vừa trong một gói tin Khi mạng tơng đối ổn định, các gói cập nhật phần gia tăng đợc sử dụng để tránh việc lu lợng tăng cao và việc chuyển toàn bộ (full dump) ít đợc sử dụng hơn Trong các mạng thay đổi nhanh, số l-ợng các gói cập nhật phần gia tăng có thể trở lên rất lớn nên việc chuyển toàn bộ bảng đợc thực hiện thờng xuyên hơn.

b) Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian

Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian (Temporally Ordered Routing Algorithm - TORA) là một giao thức định tuyến trên cơ sở một thuật toán “đảo liên kết” (“Link Reversal”) Nó đợc thiết kế để tìm các tuyến đờng theo yêu cầu, cung cấp nhiều tuyến tới một đích, thiết lập tuyến nhanh và giảm tới mức tối thiểu phần phụ tải (overhead) bằng thuật toán khoanh vùng chống lại các thay đổi về hình trạng mạng có thể sảy ra Việc tối u định tuyến (tìm đờng ngắn nhất) đợc coi là thứ yếu và việc định tuyến với các đờng dài hơn đợc sử dụng thờng xuyên để tránh phần phụ tải khi tìm đờng mới.

Hoạt động của giao thức TORA đợc hình dung giống nh đa nớc chảy dốc xuống qua một mạng các đờng ống và hớng tới một điểm đích Các đờng ống mô tả các liên kết giữa các nút mạng, các điểm nối các đờng ống này mô tả các nút mạng và nớc chảy trong các ống mô tả các gói tin đợc định tuyến hớng tới đích Mỗi nút có một độ cao so với đích đợc tình toán bởi giao thức định tuyến và độ cao giảm dần trên tuyến, nhờ vậy có thể chuyển gói tin một cách tuần tự để tới đích

c) Giao thức định tuyến nguồn động

Điểm cơ bản của giao thức định tuyến nguồn động ( Dynamic Source Routing - DSR) là việc sử dụng định tuyến nguồn Tức là, nơi gửi nhận biết đợc hoàn toàn tuyến đờng gồm các liên kết dẫn tới đích Các tuyến đờng này đợc lu trong bộ nhớ định tuyến (Route Cache) Các gói dữ liệu mang theo thông tin định tuyến nguồn trong tiêu đề gói Khi một nút trong mạng Ad hoc muốn gửi một gói tin tới một đích mà nó cha nhận biết đợc tuyến đờng, nó sẽ sử dụng một tiến trình tìm đờng (Route Discovery) để xác định một tuyến Tiến trình tìm đờng sẽ gửi tràn lan vào trong mạng các gói yêu cầu

tuyến (Route Request-RREQ) Mỗi nút nhận đợc RREQ lại tiếp tục quảng bá nó, trừ khi nút đó là nút đích hoặc có một tuyến tới đích đợc lu trong bộ nhớ định tuyến Các nút này trả lời các gói RREQ bằng các gói hồi âm định tuyến (Route Reply-RREP) Các gói này đợc định tuyến trở lại nguồn Các gói RREQ và RREP cũng đợc định tuyến theo nguồn Các gói RREQ lập lên một tuyến xuyên qua mạng Gói RREP định tuyến trở lại nguồn bằng cách đi ngợc trở lại theo tuyến đờng này Thông tin về tuyến đợc mang trở lại bằng gói RREP và đợc lu tại nguồn để sử dụng.

Nếu một liên kết trên một tuyến bị sự cố, nút nguồn đợc thông báo bằng một gói lỗi (Route Error-RERR) Nguồn sẽ xoá tuyến này trong bộ nhớ định tuyến và bắt đầu một tiến trình tìm đờng mới nếu tuyến này còn cần thiết Trong DSR không cần một cơ chế đặc biệt nào để phát hiện các vòng lặp định tuyến.

d) Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời

Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời (Ad hoc On-Demand Distance- Vector Routing - AODV) có điểm giống DSR là nó cũng tìm các đờng có yêu cầu thông qua một bằng một tiến trình tìm đờng tơng tự Tuy nhiên, AODV sử dụng một cơ chế rất khác để lu giữ thông tin định tuyến Nó sử dụng các bảng định tuyến truyền thống, mỗi mục là một đích Đây là điểm ngợc lại DSR (DSR có thể lu giữ nhiều mục cho mỗi đích) Không có định tuyến nguồn, AODV dựa vào các mục trong bảng định tuyến để truyền một RREP trở về nguồn và sau đó,đợc sử dụng để định tuyến các gói số liệu đợc tới đích AODV sử dụng các số thứ tự đợc lu tại mỗi đích để xác định tính mới của thông tin định tuyến và chống lại các vòng lặp định tuyến Tất cả các gói đều mang theo các số thứ tự này.

Một đặc điểm quan trọng của AODV là lu giữ các trạng thái định giờ căn bản trong mỗi nút để tận dụng các mục trong bảng định tuyến đơn Một mục trong bảng định tuyến có thể bị xoá nếu nó không đợc sử dụng trong thời gian gần

Giao thức DSDV là giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức DSR, TORA, AODV thuộc loại giao thức định tuyến theo yêu cầu.

1.2.2 Nền tảng công nghệ

Các tiến bộ trong công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử rất nhỏ giá rẻ với công suất thấp và phân hóa chức năng cao, các bớc tiến trong công nghệ mạng không dây và trong lĩnh vực vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thu thập dữ liệu Việc sử dụng các bộ vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phát vô tuyến và các thiết bị cảm biến tơng tự, số khác nhau cho phép một mạng các thiết bị cảm biến không dây hoạt động bằng nguồn acquy có thể thu thập dữ liệu về môi trờng trong phạm vi lớn Dữ liệu này có thể đợc tải đến một máy tính và đợc lu trong cơ sở dữ liệu Sau đó, có thể đợc phân tích thông qua một phần mềm ứng dụng Kết quả có thể đợc truy xuất trực tiếp hoặc bởi một trình duyệt Web chuẩn ở bất cứ đâu trên Internet Các mạng Sensor ngày nay có những cải tiến đáng kể so với các Sensor truyền thống theo hai hớng:

- Các Sensor có thể đặt ở xa hiện tợng tức là các thông tin về hiện tợng có đợc nhờ năng lực cảm biến và phân tích Theo hớng này, yêu cầu các Sensor lớn sử dụng một số kỹ thuật phức tạp để nhận biết đợc các đích từ các tạp âm môi trờng ở khoảng cách xa.

- Nhiều Sensor chủ yếu chỉ hoạt động cảm biến đợc triển khai Vị trí các Sensor và hình trạng thông tin đợc tính toán cẩn thận Chúng đợc liên kết thành một mạng để truyền thông tin về các diễn biến của hiện tợng đợc thăm dò tới các nút trung tâm, nơi tiếp nhận và xử lý dữ liệu.

Một mạng Sensor bao gồm một số lợng lớn các nút đợc triển khai dày đặc bên trong đối tợng cần thăm dò hoặc ở rất gần nó Vị trí của các Sensor phải không cần định tr ớc Điều này cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc trong các hoạt động tránh sự nguy hiểm Điều này cũng có nghĩa là các thuật toán và giao thức phải có khả năng tự tổ chức Một đặc trng nữa của mạng Sensor là khả năng cộng tác của các Sensor Các Nút Sensor phải có bộ xử lý gắn trong Thay vì chuyển các dữ liệu thô đến các nút có nhiệm vụ xử lý, các nút Sensor sẽ sử dụng khả năng tính toán của nó để thực hiện các xử lý đơn giản và chỉ chuyển đi các dữ liệu đợc yêu cầu và đã qua xử lý sơ bộ.

Các đặc điểm trên đa đến một phạm vi ứng dụng lớn của mạng Sensor Một số lĩnh vực đợc ứng dụng là y tế, quân sự và an ninh Ví dụ nh các bác sỉ sẽ kiểm tra từ xa các dữ liệu về sinh lý bệnh nhân Điều này vừa thuận tiện cho bệnh nhân vừa giúp các bác sĩ hiểu rõ hơn về tình trạng bệnh nhân Mạng Sensor còn đợc sử dụng để phát hiện các tác nhân hóa học trong không khí và nớc Chúng giúp chỉ ra kiểu, sự cô lại và vị trí của các chất Về cơ bản, các mạng Sensor cung cấp cho ngời sử dụng sự hiểu tốt hơn, thông minh hơn về môi trờng Chúng ta có thể thấy rằng trong tơng lai, các mạng wireles Sensor sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống, giống nh máy tính cá nhân hiện nay.

Các ứng dụng thực tế của mạng Sensor yêu cầu phải sử dụng công nghệ mạng Wireless Ad hoc Mặc dù vậy, có nhiều thuật toán và giao thức đã đợc sử dụng cho các mạng Wireless Ad hoc truyền thống nhng chúng không phù hợp lắm với các đặc tính và yêu cầu ứng dụng của mạng Sensor, Để minh hoạ điểm này, sự khác nhau giữa mạng Sensor và mạng Wireless Ad hoc đợc đợc phác hoạ dới đây :

- Số lợng nút Sensor trong mạng Sensor có thể đợc yêu cầu ở mức lớn hơn rất nhiều so với các mạng Ad hoc.

- Các nút Sensor đợc triển khai với mật độ lớn hơn - Các nút Sensor thờng gặp trục trặc

- Hình trạng mạng Sensor thay đổi rất thờng xuyên.

- Các nút Sensor thờng sử dụng mô hình thông tin quảng bá ngợc lại các mạng Ad hoc sử dụng truyền thông điểm- điểm.

- Các nút Sensor có hạn chế về công xuất, khả năng tính toán và bộ nhớ.

- Các nút Sensor có thể không có nhận dạng toàn cục do số lợng nút Sensor lớn Vì một số lợng lớn nút Sensor đợc triển khai dày đặc nên các nút lân cận có thể rất gần nhau Do đó, truyền thông đa liên kết (Multihop) đợc chọn để công suất sử dụng thấp hơn so với truyền thông đơn liên kết truyền thống (Single hop).Hơn nữa, công suất

truyền dẫn có thể giữ ở mức thấp, điều này rất cần cho các hoạt động ngầm Truyền thông đa liên kết còn có một số hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền thông khoảng cách xa.

Một hạn chế quan trọng nhất của các nút Sensor là yêu cầu phải tối thiểu công suất tiêu thụ Các nút Sensor chỉ tích trữ đợc nguồn năng lợng hạn chế và không đợc thay thế Vì vậy, trong khi các mạng truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất lợng dịch vụ (QoS) cao thì các giao thức trong mạng Sensor phải chú trọng đến sự bảo tồn nguồn năng lợng Ngời sử dụng phải chọn giữa tuổi thọ của mạng với hạn chế về thông lợng hay độ trễ truyền dẫn lớn.

1.3 Mô tả hệ thống

1.3.1 Mô tả hệ thống tổng quát

Các nút Sensor đợc triển khai trong một trờng Sensor (Sensor field) đợc minh họa trên hình 1.1 Mỗi nút Sensor đợc phát tán có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới ngời dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor Số liệu đợc định tuyến về phía bộ thu nhận (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển, nh trong hình 1.1 Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của ngời dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite)

Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút Sensor

Một nút Sensor đợc 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, nút Sensor còn có thể có các thành phần bổ xung nh hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lợng và thiết bị di động Các thành phần trong một nút Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.2 Bộ cảm biến thờng thờng gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tơng tự / số (ADC) Các tín hiệu tơng tự có đợc từ các Sensor trên cơ sở cảm biến các hiện tợng đợc

chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới đợc đa tới bộ xử lý Bộ xử lý, thờng kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút Sensor và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang Một thành phần quan trọng của nút Sensor là bộ nguồn Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lợng cho nút Sensor và không thay thế đợc nên nguồn năng lợng của nút thờng là giới hạn Bộ nguồn có thể đ-ợc hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lợng, ví dụ nh các tấm pin mặt trời nhỏ.

Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng Sensor và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao Do đó, các nút Sensor th ờng phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút Sensor theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ đợc phân công.

Hình 1.2: Các thành phần của nút Sensor

Để minh hoạ rõ hơn về mạng Sensor không dây trong thực tế, phần tiếp sau đây sẽ giới thiệu một hệ thống mạng Sensor điển hình Đó là hệ thống WISENET.

1.3.2 Hệ thống WISENET

a) Giới thiệu hệ thống WISENET

WISENET (Wireless Sensor NETwork) là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trờng nh ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây công suất thấp đợc gọi là các “hạt cảm biến” (Sensor motes) Dữ liệu này đợc chuyển tới một máy chủ và đợc lu trong một cơ sở dữ liệu Một chơng trình Web sẽ nhận dữ liệu phân tích và hiển thị trên trình duyệt Web.

Mỗi hạt Sensor đợc tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến, các phần tử cảm biến môi trờng và nguồn nuôi Một hệ điều hành thời gian thực đợc gọi là TinyOS (Tiny Operation System) đợc sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà vẫn cung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạt động tập trung đồng

b) Sơ đồ hệ thống WISENET

Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data Analysis Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần chính là trạm chủ (Server), trạm ngời dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor mote network)

Hình 1.3; Sơ đồ hệ thống WISENET

Các hệ thống con chính là:

- Hệ thống con phân tích số liệu: Hệ thống con này chỉ gồm phần mềm Nó dựa trên

cơ sở hạ tầng Internet và Web hiện tại (HTTP) để truyền thông tin giữa máy tính chủ (Server) và máy truy cập (Client) Nhiệm vụ của hệ thống con này là chọn lấy các dữ liệu môi trờng thích hợp cha đợc xử lý, có đợc nhờ hệ thống thu nhận dữ liệu, phân tích và gửi kết quả đến ngời dùng theo yêu cầu

- Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu môi

tr-ờng và lu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý Hệ thống con bao gồm mạng các Sensor đợc kết hợp với máy tính chủ đợc cài đặt phần mềm hệ thống (TinyOS Daemon)

Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:

- Trạm ngời dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhng là thành phần bên

ngoài Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệt Web (Web browser) và đợc nối mạng Internet Nó chỉ đóng vai trò là giao diện của ngời sử dụng đối với hệ thống phân tích số liệu Nó đa ra yêu cầu số liệu của ngời sử dụng với trạm chủ và thu lấy các số liệu đã yêu cầu

Trạm chủ (Server): Đây là thành phần then chốt của hệ thống, là mối liên lạc giữa hai

hệ thống con thu nhận và phân tích số liệu Về mặt phân tích số liệu nó là một máy chủ HTTP (HTTP Server) mang một ứng dụng Web (Web program) Khi nhận đợc một yêu cầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web này nhận số liệu từ cơ sở dữ liệu (SQL Database), phân tích và đa lại trang theo yêu cầu đến máy tính ngời dùng

(Client) Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có một trình tiện ích hoạt động ngầm (Daemon) đợc gọi là wiseDB để trao đổi thông tin dễ dàng với mạng Sensor WiseDB đảm nhận việc gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp (gateway mote) để chuyển tới mạng Sensor Nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng Sensor (cũng thông qua gateway mote) Số liệu đa đến đợc xử lý rất ít và đợc chuyển vào cơ sở dữ liệu Nh vậy, cơ sở dữ liệu SQL là cầu nối giữa hai hệ thống thu nhận và xử lý số liệu Vì cơ sở dữ liệu SQL liên lạc thông qua TCP/IP nên chỉ trạm chủ HTTP và chơng trình Web cần phải đợc đặt trong cùng một tổ chức vật lý Trạm chủ HTTP, cơ sở dữ liệu SQL, wiseDB có thể đặt trong các tổ chức vật lý khác nhau và kết nối thông qua Internet Trình tự hoạt động của Server đợc tóm tắt nh sau:

Hình 1.4: Trình tự hoạt động của Server

Mạng các hạt Sensor: Mạng các Sensor là thành phần trọng tâm của hệ thống Các

Sensor đảm nhận việc thu thập số liệu môi trờng và chuyển các số liệu này đến trạm chủ Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về số liệu hay tải chơng trình mới Có hai phần tử thuộc thành phần này Thứ nhất là các hạt thông thờng (Standard mote) Các hạt này có nhiệm thu thập các thông tin cảm biến từ môi trờng, bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến gateway Chúng truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz và đảm bảo tất cả các gói đều đợc đa tới Gateway Chúng còn có phần cứng hiệu chỉnh và giám sát công suất nguồn Hạt cổng (Gateway mote) là phần tử thứ hai của mạng Sensor motes Mục đích chính của nó là liên lạc giữa trạm chủ và mạng Sensor qua liên kết vô tuyến RS-232 và chuyển tất cả các gói số liệu tới WiseDB Cả hai phần tử Standard mote và Gateway mote đều có cùng phần cứng và phần mềm, chúng chỉ khác nhau vế

Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor gồm:

Các thành phần trong hạt Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.5, bao gồm:

- Các Sensor cảm biến ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ (Light, Humidity, Temp); các LED trạng thái.

- Mạch thu phát vô tuyến, mạch giao tiếp RS-232 (UARTS), các bộ chuyển tơng tự-số (ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điều hành TinyOS, phần mềm) đợc tích hợp trên vi mạch CC1010.

- Phần mềm hệ thống (drivers) giao tiếp RS-232 (chỉ trong gateway), bộ thu phát vô tuyến và antent.

-Bộ nguồn nuôi (gồm acquy, mạch giám sát nguồn).

c) Các tiêu chuẩn đợc áp dụng

* Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP) * Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc (SQL) * Liên kết vô tuyến nối tiếp RS-232 * Liên kết nối tiếp vi điều khiển (I2C).

* Quy định FCC (dải tần công nghiệp, khoa học, y tế ISM).

1.4 Tổng quan về kiến trúc mạng

Ngăn xếp giao thức đợc sử dụng trong bộ thu nhận (nút Sink) và tất cả các nút Sensor đợc minh họa trong hình 1.6.

Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lợng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lợng thông qua môi tr-ờng không dây và tăng ctr-ờng sự hợp tác giữa các nút Sensor Ngăn xếp giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt

bằng quản lý năng lợng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane).

Hình 1.6: Ngăn xếp giao thức mạng Sensor

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể đợc xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng Sensor yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu đợc cung cấp bởi lớp giao vận Do môi trờng có nhiễu và các nút Sensor có thể di động đợc, giao thức MAC phải đợc tính toán về năng lợng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các nút lân cận Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhng mạnh mẽ Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lợng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lợng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các nút Sensor Các mặt bằng này giúp cho các nút Sensor có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm đợc tổng năng lợng tiêu thụ.

Mặt bằng quản lý năng lợng quản lý việc một nút Sensor sử dụng năng lợng của nó nh thế nào Ví dụ, nút Sensor có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các nút lân cận Điều này có thể tránh đợc việc nhận bản tin tới hai lần Ngoài ra, khi mức năng lợng của nút Sensor thấp, nút Sensor sẽ thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lợng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin Năng lợng còn lại đợc dự trữ cho việc cảm biến Mặt bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của nút Sensor, vì thế một tuyến đờng hớng tới nút user luôn đợc duy trì và các nút Sensor có thể theo dõi đợc các nút Sensor lân cận Với việc nhận biết đợc các nút Sensor lân cận, nút Sensor có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lợng sử dụng Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể Không phải tất cả các Sensor trong vùng đó đợc yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm Kết quả là một vài nút Sensor thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lợng của chúng.

Những mặt quản lý này rất cần thiết, nh vậy, các nút Sensor có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lợng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng Sensor di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút Sensor Nếu không, mỗi nút Sensor sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng Sensor, sẽ hiệu quả hơn nếu các nút Sensor có thể hoạt động hợp tác với nhau, nh thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.

1.4.1 Lớp ứng dụng

Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng Sensor đợc vạch rõ và đợc đề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng Sensor vẫn còn là một vùng rộng lớn cha đợc khám phá Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý Sensor (Sensor Management Protocol-SMP), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu (Task Assignment and Data Advertisement Protocol-TADAP), giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu (Sensor Query and Data Dissemination Protocol-SQDDP), rất cần thiết cho mạng Sensor trên cơ sở những sơ đồ đợc đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng Sensor Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở.

1.4.1.1 Giao thức quản lý Sensor

Việc thiết kế một giao thức quản lý lớp ứng dụng có nhiều thuận lợi Mạng Sensor có nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau và việc truy nhập đến các Sensor thông qua các mạng nh Internet đợc định hớng trong một số các dự án hiện nay Một giao thức quản lý lớp ứng dụng làm cho phần cứng và phần mềm của các lớp thấp trở lên trong suốt với các ứng dụng quản lý mạng Sensor Tức là, việc sử dụng các phần cứng và phần mềm nào cho lớp thấp không ảnh hởng tới hoạt động của các ứng dụng quản lý mạng Sensor.

Các nhà quản trị hệ thống tác động tới mạng Sensor nhờ sử dụng SMP Không nh nhiều mạng khác, mạng Sensor bao gồm các nút không có các số nhận dạng ID (IDentify ) toàn cục và chúng thờng không có cơ sở hạ tầng mạng Vì thế SMP cần phải truy nhập tới các nút bằng cách sử dụng đặt tên thuộc tính cơ sở và đánh địa chỉ vị trí cơ sở.

SMP là một giao thức quản lý cung cấp hoạt động phần mềm cần thiết để thực hiện nhiệm vụ quản trị mạng sau:

- Đa ra các quy tắc liên quan tới việc tập hợp số liệu, đặt tên thuộc tính cơ sở, tập hợp các nhóm nút Sensor thành cụm.

- Trao đổi số liệu liên quan tới các thuật toán tìm vị trí - Đồng bộ thời gian cho các nút Sensor

- Di chuyển các nút Sensor - Bật và tắt các nút Sensor

- Truy vấn cấu hình mạng Sensor và trạng thái nút, định dạng lại cấu hình mạng Sensor

- Xác nhận, phân phối khoá và bảo mật trong truyền thông số liệu

1.4.1.2 Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu

Một hoạt động quan trọng khác trong mạng Sensor là phổ biến yêu cầu về số liệu Ngời sử dụng có thể gửi yêu cầu này tới một nút Sensor, tới một mạng con hoặc tới toàn mạng Yêu cầu này có thể là về một thuộc tính nào đó của hiện tợng mục tiêu hoặc một sự kiện đáng quan tâm Sau đó, các Sensor liên quan sẽ gửi các số liệu đợc yêu cầu tới ngời sử dụng Một phơng pháp khác là quảng cáo các số liệu có sẵn Trong phơng pháp này, các nút Sensor quảng cáo các số liệu có sẵn cho ngời dùng và truy vấn ngời sử dụng về số liệu mà họ quan tâm tới Một giao thức lớp ứng dụng cung cấp cho ngời dùng phần mềm với giao diện cho việc truyền đạt yêu cầu hỗ trợ rất hiệu quả cho các hoạt động của lớp thấp hơn, nh định tuyến

1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu

SQDDP cung cấp cho ngời sử dụng những ứng dụng bao gồm giao diện truy vấn, phản hồi truy vấn và thu thập phản hồi gửi tới Cần lu ý rằng hầu hết các truy vấn không đợc đa ra cho từng nút riêng Thay vào đó, việc đặt tên thuộc tính cơ sở và vị trí cơ sở đợc sử dụng nhiều hơn Ví dụ: “vị trí của những nút mà cảm biến đợc nhiệt độ cao hơn 70 độ F ” là một truy vấn thuộc tính cơ sở Tơng tự nh vậy, “nhiệt độ đọc ra bởi những nút trong vùng A” là một ví dụ đặt tên vị trí cơ sở.

Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ Sensor (Sensor Query And Tasking Language-SQTL) là một ứng dụng cung cấp một tập hợp lớn dịch vụ SQTL hỗ trợ ba loại sự kiện

đợc định nghĩa bằng từ khóa receive, every and expire Từ khóa receive định nghĩa các

sự kiện đợc tạo ra bởi nút Sensor khi nút Sensor nhận đợc một bản tin (Message); từ khóa Every định nghĩa các sự kiện xảy ra định kỳ theo một bộ định thời gian (Timer), từ khóa Expire định nghĩa các sự kiện xảy ra khi một bộ định thời gian không còn hiệu lực Nếu một nút Sensor nhận đợc một thông báo dành cho nó và bao gồm một đoạn mã lệnh, nút Sensor sẽ thực hiện đoạn lệnh đó Ngoài SQTL, các loại SQDDP khác có thể phát triển cho những ứng dụng khác nhau Các SQDDP có thể đợc sử dụng duy nhất cho từng ứng dụng.

1.4.2 Lớp giao vận

Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các nút Sensor có báo cáo cần chuyển tới nút thu nhận (Sink) và nút ngời sử dụng Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên ngoài khác Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn cha phù hợp với đặc trng của môi trờng mạng Sensor hiện nay Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ các nút Sensor trực tiếp đến nút quản lý của ngời sử dụng là không hiệu quả Phơng pháp phân tách TCP là cần thiết để mạng Sensor tơng tác với các mạng khác ví dụ nh Internet Trong phơng pháp này, kết nối TCP đợc sử dụng để liên lạc giữa nút quản lý của ngời sử dụng và nút thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi tr ờng mạng Sensor đợc sử dụng cho truyền thông giữa nút thu nhận và các nút Sensor Kết quả là truyền thông giữa nút ngời sử dụng và nút thu nhận có thể sử dụng giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh Mặt khác, việc truyền thông giữa nút thu nhận và các nút Sensor chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu nh UDP, bởi vì các nút Sensor có bộ nhớ hạn chế.

Không giống các giao thức kiểu nh TCP, các phơng pháp truyền thông đầu cuối (end to end) trong mạng Sensor không địa chỉ toàn cục Các phơng pháp này dựa trên việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu Các nhân tố nh tiêu thụ năng lợng, khả năng mở rộng và các đặc trng nh định tuyến tập trung số liệu khiến cho mạng Sensor cần phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận.

1.4.3 Lớp mạng

Các nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tợng mục tiêu nh trong hình 1.1 Giao thức định tuyến không dây đa bớc phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-hoc thông thờng không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor Lớp mạng của mạng Sensor đợc thiết kế theo những nguyên tắc sau :

- Hiệu suất năng lợng luôn là yếu tố quan trọng - Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung

- Việc tập hợp số liệu chỉ đợc thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút Sensor

- Một mạng Sensor lý tởng phải nhận biết đợc việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí.

1.4.4 Liên kết liên mạng

Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp sự liên kết mạng với các mạng bên ngoài nh các mạng Sensor khác, các hệ thống phát lệnh và điều khiển hay Internet Trong một mô hình mạng, các nút Sink đợc sử dụng nh một cổng (Gateway) đến các mạng khác Trong một mô hình mạng khác, một đờng trục đợc tạo ra bằng việc kết nối các nút Sink với nhau và đờng trục này đợc truy nhập tới các mạng khác thông qua một Gateway.

Các giao thứcMô tả giao thức

Tràn Quảng bá số liệu tới tất cả các nút lân cận mà không quan tâm đến việc chúng đã nhận nó hay cha

Dây truyền Gửi số liệu tới một nút lân cận đợc lựa chọn ngẫu nhiên

Chỉ gửi các số liệu tới các nút Sensor nếu chúng đợc yêu cầu; có 3 loại bản tin : ADV, REQ và DATA

SAR Tạo nhánh nhiều nhánh cây với gốc của mỗi nhánh cây là một bớc tới nút lân cận từ nút Sink; chọn một cây cho số liệu để định tuyến trở lại bộ nhận theo tài nguyên năng lợng và việc đo QoS bù.

LEACH Tạo các cụm (Cluster) để tối thiểu hóa tiêu thụ năng lợng Truyền tin có

định hớng

Thiết lập các chỉ hớng cho số liệu từ nguồn tới nút Sink trong quá trình phổ biến sự quan tâm

Bảng 1.1: Tổng quan về lớp mạng

1.4.5 Lớp liên kết số liệu

Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung số liệu, điều khiển truy nhập môi trờng và sửa lỗi Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối điểm -điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền thông Hai phần dới sẽ trình bày về chiến lợc truy nhập môi trờng truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng Sensor.

1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trờng truyền dẫn

Giao thức MAC trong mạng Sensor tự tổ chức đa bớc không dây (Wireless Multihop Self-organizing Sensor network) phải đạt đợc hai mục tiêu Thứ nhất là phải tạo ra cơ sở hạ tầng mạng Vì hàng nghìn nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng Sensor nên giao thức MAC phải thiết lập đợc những liên kết thông tin để truyền số liệu Việc này sẽ lập lên cơ sở hạ tầng nền tảng cần thiết cho truyền thông không dây đa bớc và tạo cho mạng Sensor khả năng tự tổ chức Nhiệm vụ thứ hai là chia sẻ tài các nguyên thông tin một cách hiệu quả và cân bằng giữa các nút Sensor Các giao thức MAC truyền thống có thể đợc phân loại dựa trên các cơ chế phân bổ tài nguyên Bảng 2.3 cung cấp một sự phân tích các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng của các loại này.

Phân loạiKiểu chia sẻ tàinguyên

Phạm vi ứng dụngNhợc điểm

Chỉ định Phân bổ cố định đợc Thích hợp với lu l- Không hiệu quả

Tuỳ thuộc vào nhu cầu hay yêu cầu của

Bảng 1.2: Phân loại giao thức MAC1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi

Một chức năng quan trọng khác của lớp liên kết số liệu là điều khiển sửa lỗi cho số liệu truyền dẫn Hai phơng pháp điều khiển sửa lỗi quan trọng trong mạng truyền thông là sửa lỗi trớc (Forward Error Correction-FEC) và yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request-ARQ) Phơng pháp ARQ cha đợc áp dụng trong mạng Sensor mặc dù đã có nhiều dạng ARQ có khả năng thích ứng và hiệu quả đã đợc áp dụng cho các mạng di động khác Khả năng ứng dụng của phơng pháp ARQ trong mạng Sensor bị hạn chế do việc tăng chi phí trớc khi truyền dẫn và phụ tải Mặt khác, độ phức tạp trong mã hoá của phơng pháp FEC tăng theo khả năng hiệu chỉnh lỗi Xét về mặt này, việc sử dụng các mã đơn giản là giải pháp tốt nhất cho mạng Sensor Trong thiết kế của phơng pháp này, vấn đề quan trọng là phải xem xét kỹ lỡng đặc điểm của kênh và kỹ thuật mã Phần tiếp theo sẽ trình bày động lực ứng dụng và cơ sở thiết kế thủ tục FEC theo yêu cầu của mạng Sensor.

FEC: Độ tin cậy của liên kết là tham số quan trọng trong thiết kế bất kì một mạng

không dây nào, điều này càng quan trọng hơn với mạng Sensor do tính chất gay gắt và không ổn định của sự đụng độ kênh trong các ứng dụng khác nhau Một số các ứng dụng nh giám sát di động và điều hành máy móc đòi hỏi độ chính xác số liệu cao Tỷ số lỗi bít (BER) là tham số quan trọng để đánh giá độ tin cậy của liên kết BER tỷ lệ thuận với tốc độ kí hiệu Rs và tỷ lệ nghịch với tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Es / N0) và mức công xuất phát Pout Giả sử một phơng pháp mã hoá với tỷ lệ R đợc sử dụng Nếu tốc độ truyền kí hiệu số liệu đợc giữ không đổi so với trớc khi mã hoá thì tốc độ truyền kí hiệu tổng phải tăng đến Rs / R Ngoài ra, nếu công suất truyền dẫn không đổi thì năng lợng thu đợc trên một kí hiệu giảm đến REs BER đo đợc ở đầu vào bộ giải mã, BER của tín hiệu cha đợc xử lý, lớn hơn BER của tín hiệu sau giải mã Điều này có đợc nhờ bộ giải mã bằng cách khai thác phần d thừa và cầu trúc của bộ mã để hiệu chỉnh một số lỗi đờng truyền Trong thực tế, một mã sửa lỗi tốt đợc đánh giá qua mức độ giảm BER và độ lợi chung Độ lợi mã đợc đánh giá bằng công suất phát thêm vào cần thiết trong trờng hợp không dùng mã sửa lỗi để đạt đợc cùng BER của tín hiệu sau giải mã

Việc truyền thông số liệu một cách tin cậy có thể đợc cung cấp bằng cách tăng công xuất phát ra (Pout) hoặc sử dụng cơ chế FEC phù hợp Vì một nút Sensor có nguồn năng

lợng giới hạn nên việc tăng công suất phát là không khả thi Do đó, phải tập trung vào FEC vì FEC có thể giảm đáng kể BER với bất kì giá trị Pout đợc cho Tuy nhiên, cũng phải tính đến công suất xử lý tăng thêm do mã hoá và giải mã Công suất xử lý này gây bất lợi do giới hạn nguồn năng lợng của các nút Sensor Điều này rất quan trọng đối với mạng Sensor mặc dù có thể không đáng kể với các mạng không dây khác Nếu công xuất xử lý phát sinh này lớn hơn độ lợi mã hoá thì cả quá trình này là không hiệu quả về năng lợng và hệ thống chẳng cần phải mã hoá sửa lỗi Mặt khác, FEC là rất quan trọng với mạng Sensor nếu tổng công suất mã hoá và giải mã nhỏ hơn công suất phát tiết kiệm đợc

Giả thiết một kênh có Fading Rayleigh chậm không chọn lọc tần số và sử dụng mã hoá soắn để hiệu chỉnh lỗi Các phân tích đã đa đến kết luận rằng năng lợng tiêu thụ trung bình cho một bit có ích tăng hàm mũ theo độ dài hạn chế của mã và không phụ thuộc vào tỷ lệ mã Ngoài ra, FEC thờng không hiệu quả nếu giải mã bằng một vi xử lý và nghiên cứu này giới thiệu một bộ giải mã Viterbi chuyên dụng gắn trên bảng mạch Các kỹ thuật mã đơn giản có thể giải quyết vấn đề hiệu quả năng lợng cho mạng Sensor.

1.4.6 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 Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ không đợc xem xét ở đây Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng, hiệu xuất năng lợng và các phơng pháp điều chế trong mạng Sensor.

Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về năng lợng và độ phức tạp của hoạt động Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng Sensor, việc tối thiểu hoá năng lợng đợc coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đờng Thông thờng, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với dn , trong đó 2 ≤ n < 4.Số mũ n gần 4 với antent tầm thầp và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng Sensor Nguyên nhân là do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất Để giải quyết vấn đề này, ngời thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt để Vi dụ, truyền thông qua nhiều bớc nhảy trong mạng Sensor có thể vợt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đờng truyền nếu mật độ nút mạng đủ lớn Tơng tự, trong khi suy hao đờng truyền và dung l-ợng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theo không gian

Việc lựa chọn phơng thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin cậy trong truyền thông của mạng Sensor Các phơng pháp điều chế cơ hai và cơ số M đợc so sánh trong [36] Trong khi một phơng pháp điều chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô tuyến Với điều kiện công suất khởi kích (đợc giới thiệu trong phần 2.1.8) vợt trội thì phơng pháp điều chế cơ số hai có hiệu quả về năng lợng hơn Vì thế, phơng pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi với các hệ thống có công suất khởi kích thấp

Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (Impulse Radio-IR) từng đợc sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đo khoảng cách, gần đây đợc chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt 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 thờng, điều chế vị trí xung đợc sử dụng Ưu điểm chính của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với hiên tợng phát đa đờng Việc sử dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích hợp với các mạng Sensor.

1.5 Đặc điểm của mạng Wireless Sensor

1.5.1 Kích thớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp

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

1.5.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Phơng thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng Sensor là cảm biến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lợng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại Ví dụ, thông tin cảm biến có thể đợc thu nhận đồng thời bởi các Sensor, đợc thao tác và truyền lên mạng Hoặc dữ liệu có thể đợc nút Sensor nhận từ các nút Sensor khác và đợc hớng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu Vì dung lợng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối lợng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lợng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.

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

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

1.5.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị Sensor đợc nối mạng có khuynh hớng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì có một phạm vi ứng dụng Sensor rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các thành phần phần mềm để có đợc ứng dụng từ các thành phần phần cứng Nh vậy, các loại thiết bị này cần một

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

1.5.5 Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lợng lớn, đợc triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thớc 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 đợc sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ Nh vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.

1.6 ứng dụng của mạng Sensor

Mạng Sensor có thể gồm các kiểu cảm biến khác nhau nh động đất, từ trờng với tốc độ lấy mẫu thấp, nhiệt độ, hình ảnh, hồng ngoại, âm thanh và dò vô tuyến (radar) qua đó có thể kiểm tra đợc rất nhiều tính chất của môi trờng xung quanh nh :

- Các thành phần hiện diện hay vắng mặt của đối tợng - Các mức ứng suất của các đối tợng tiếp xúc với nhau.

- Các đặc tính tức thời nh tốc độ, phơng hớng và kích thớc của một đối tợng Các nút Sensor có thể đợc sử dụng để thăm dò liên tục, phát hiện sự kiện, nhận dạng sự kiện, cảm biến về vị trí hoặc để điều khiển í tởng về vi cảm biến và kết nối vô tuyến giữa các nút mạng hứa hẹn nhiều lĩnh vực ứng dụng mới Có thể phân loại các ứng dụng theo lĩnh vực quân sự, y tế, môi trờng, gia đình và các ứng dụng thơng mại khác Có thể mở rộng sự phân chia này với nhiều loại khác nh thăm dò không gian, xử lý hóa học, giảm rủi ro

1.6.1 ứng dụng trong quân sự

Các mạng Wireless Sensor là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền

thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng Sensor cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự Vì các mạng Sensor dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số nút không ảnh hởng tới hoạt động chung nh các Sensor truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trờng tốt hơn Một số ứng dụng của mạng Sensor là : kiểm tra lực lợng, trang bị, đạn dợc, giám sát chiến trờng, trinh sát vùng và lực lợng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân (NCB).

- Kiểm tra lực lợng, trang bị, đạn dợc: Các lãnh đạo và chỉ huy có thể kiểm tra thờng

xuyên tình trạng của quân đội, điều kiện và khả năng sẵn sàng chiến đấu của các trang bị, đạn dợc trong một chiến trờng bằng việc sử dụng các mạng Sensor Mỗi ngời lýnh, xe cộ, trang bị đều đợc gắn một Sensor để thông báo trạng thái Các thông báo này đợc tập hợp tại một nút thu dữ liệu (Sink nút ) và đợc gửi tới ngời chỉ huy Các số liệu này có thể đợc hớng tới các cấp cao hơn trong phân cấp chỉ huy cùng với các số liệu từ các đơn vị khác tại mỗi cấp.

- Theo dõi chiến trờng : Tại các vùng quan trọng, các tuyến tiếp cận, các con đờng và

eo biển, các mạng Sensor có thể đợc triển khai nhanh chóng để theo dõi hoạt động của đối phơng một cách rõ ràng, bí mật Khi bản đồ công tác đã đợc chuẩn bị, các mạng Sensor có thể đợc triển khai bất cứ lúc nào để theo dõi đối phơng.

- Trinh sát vùng và lực lợng đối phơng: Khi các mạng Sensor đợc triển khai tại các

vùng chiến lợc, các thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời có thể đợc thu thập trong một vài phút trớc khi bị đối phơng ngăn chặn.

- Tìm mục tiêu: Các mạng Sensor có thể đợc kết hợp chặt chẽ với các hệ thống hớng

đạo trong các quân trang thông minh.

- Đánh giá thiệt hại của trận đánh: Ngay trớc hoặc sau khi tấn công, các mạng

Sensor có thể đợc triển khai trong vùng mục tiêu để tập hợp các số liệu đánh giá thiệt hại trong trận đánh.

- Trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân: Trong các cuộc chiến

tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và kịp thời các tác nhân là điều rất quan trọng Các mạng Sensor đợc triển khai trong vùng chiếm đóng và đợc sử dụng nh các hệ thống cảnh báo vũ khí sinh hóa có thể cung cấp cho quân đội các thông tin về các tác nhân có thể gây nguy hiểm, thơng vong Các mạng Sensor còn đợc dùng để giám sát chi tiết sau khi các tấn công sinh, hóa và hạt nhân đợc phát hiện Ngời ta có thể có đợc sự trinh sát về vũ khí hạt nhân mà không phải đa các đội trinh sát vào vùng bức xạ nguy hiểm của.

1.6.2 ứng dụng về môi trờng

Một số các ứng dụng về môi trờng của mạng Sensor bao gồm theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trờng ảnh hởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nớc tới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trờng không khí,đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng;

nghiên cứu khí tợng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi tr-ờng và nghiên cứu ô nhiễm môi trtr-ờng.

- Phát hiện cháy rừng : Vì các nút Sensor có thể triển khai dày đặc, tự do ở các vị trí

cần thiết nên chúng có thể cung cấp tin tức chính xác về nguồn gốc phát lửa trớc khi chúng phát tán rộng không kiểm soát đợc Hàng nghìn nút Sensor có thể đợc triển khai và tích hợp nhờ các hệ thống quang và các tần số vô tuyến Ngoài ra, các nút Sensor còn đợc trang bị các phơng pháp thu năng lợng, ví dụ nh dùng pin mặt trời, để các Sensor có thể tự duy trì trong nhiều tháng thậm chí nhiều năm Các nút Sensor sẽ cộng tác với các nút khác để phân tán sự cảm biến và chống lại các trở ngại nh các cành cây, khối đá làm cản trở tầm nhìn của các Sensor.

- Vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trờng: Việc lập bản đồ sinh học của môi

tr-ờng đòi hỏi phải tiếp cận một cách tinh vi để kết hợp các thông tin qua các trục không gian và thời gian Các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực cảm biến từ xa và thu thập dữ liệu tự động cho phép độ phân giải không gian, quang phổ và thời gian cao tại một đơn vị diện tích Dựa vào công nghệ hiện nay, các nút Sensor có thể đợc kết nối Internet, điều này cho phép ngời sử dụng từ xa có thể điều khiển, kiểm tra và theo dõi các thành phần sinh học trong môi trờng.

Mặc dù các hệ thống cảm biến vệ tinh và trên máy bay rất hữu ích cho việc theo dõi tính đa dạng sinh học vĩ mô nhng chúng không đủ tinh vi để tiếp cận các thành phần sinh học có kích cỡ nhỏ Do đó cần thiết phải sử dụng mạng Sensor để theo dõi chi tiết các thành phần sinh học một cách đầy đủ.

- Phát hiện lũ lụt: một ví dụ về ứng dụng phát hiện lũ lụt là hệ thống ALERT đợc

triển khai tại Mỹ Nhiều kiểu Sensor đợc triển khai trong hệ thống ALERT là các cảm biến về lợng ma, mức nớc và thời tiết Các Sensor này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm Các dữ liệu này đợc tính toán, phân tích để đa ra dự báo về tình hình nguy cơ lũ lụt.

- Các tính toán cho nông nghiệp: một số các hỗ trợ trong nông nghiệp là kiểm tra,

tính toán kịp thời mức độ mầm bệnh trong nớc uống, mức độ xói mòn đất và mức độ ô nhiễm.

1.6.3 ứng dụng trong y tế

Một số ứng dụng trong y tế của mạng Sensor là cung cấp khả năng giao tiếp cho ngời khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dợc phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con ngời; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.

- Kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con ngời: Các số liệu về sinh lý thu thập đợc

bằng các mạng Sensor có thể đợc lu trữ trong thời gian dài và có thể đợc sử dụng để khảo sát y học Mạng Sensor còn đợc sử dụng để kiểm tra và phát hiện tình trạng của ngời cao tuổi nh sự đột quỵ Các nút Sensor nhỏ này cho phép các đối tợng có thể di chuyển tự do trong phạm vi rộng và các bác sĩ có thể phát hiện các triệu chứng đợc định nghĩa trớc một cách dễ dàng Các mạng Sensor này tạo thuận lợi hơn cho các bệnh

nhân so với việc đến các trung tâm điều trị Một nhóm có tên là “Health Smart Home’’ đợc tổ chức tại khoa y học của Grenoble – France để đánh giá, công nhận tính khả thi của các hệ thống này.

- Giám sát và kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện: Mỗi bệnh nhân

có các nút Sensor nhỏ và nhẹ đợc gắn với họ Mỗi nút Sensor có một nhiệm vụ riêng Ví dụ, một nút có thể theo dõi nhịp tim, trong khi một nút khác theo dõi huyết áp Các bác sĩ cũng có thể mang theo các nút Sensor để các bác sĩ khác biết đợc vị trí của họ trong bệnh viện.

- Quản lý dợc phẩm trong bệnh viện: Các bệnh nhân đợc gắn các nút Sensor có thể

nhận biết các dị ứng thuốc và các dợc phẩm cần thiết Nh vậy, có thể giảm tối đa các sai sót trong việc kê đơn thuốc và sử dụng thuốc của bệnh nhân.

1.6.4 ứng dụng trong gia đình

- Tự động hóa trong gia đình: Với các tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các nút Sensor và

các bộ điều khiển thông minh có thể đợc gắn trong các thiết bị gia đình nh máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, Các nút này có thể tơng tác với các nút khác và mạng bên ngoài thông qua Internet hoặc vệ tinh Nhờ vậy, ngời sử dụng có thể giám sát, điều khiển các thiết bị gia đình từ xa một cách dễ dàng.

- Môi trờng thông minh: môi trờng thông minh đợc thiết kế có thể gồm hai khối khác

nhau là phần con ngời (human- centered) và phần kỹ thuật (technology – centered ) (G.D Abowd, J.P.G Sterbenz, Final report on the interagency workshop on research issues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000) Trong phần con ngời, môi trờng thông minh phải đáp ứng các yêu cầu của ngời sử dụng thông qua giao tiếp vào/ra Về phần kỹ thuật, các kỹ thuật phần cứng, các giải pháp mạng và các dịch vụ phần sụn (middleware) đợc phát triển Các nút Sensor có thể đợc gắn vào các độ dùng và thiết bị gia đình và chúng có thể thông tin với các nút khác và trạm chủ căn phòng (room Server) Các room Server cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi các công việc cần phải làm hoặc cần đợc hỗ trợ nh việc in ấn, quét ảnh và fax Các room Server và các nút Sensor kết hợp với các thiết bị trong gia đình trở thành một hệ thống thích nghi với khả năng tự tổ chức và tự điều chỉnh trên cơ sở các trờng điều khiển.

1.6.5 Các ứng dụng thơng mại khác

Các ứng dụng thơng mại có thể đợc kể đến là : kiểm tra sự mệt mỏi cơ thể; xây dựng các bàn phím ảo; quản lý sự kiểm kê; kiểm tra chất lợng sản phẩm; xây dựng các không gian làm việc thông minh; điều khiển môi trờng trong các toà nhà công sở; các robot điều khiển và chỉ đạo trong các môi trờng chế tạo tự động; đồ chơi tơng tác; các bảo tàng thông minh; nhà máy điều khiển tự động; kiểm tra các vùng nguy hiểm; kiến trúc thông minh với các nút Sensor gắn trong; các máy chẩn đoán; vận tải; kiểm tra và phát hiện vụ trộm xe; giám sát xe cộ;

- Điều khiển môi trờng trong các toà nhà công sở: các trạng thái không khí và nhiệt

độ của hầu hết các công sở đợc điều khiển đợc từ một trung tâm Bởi vậy, nhiệt độ trong một căn phòng có thể đợc thay đổi trong một phạm vi nhỏ, nơi này có thể có nhiệt độ ấm hơn một nơi khác vì chỉ có một bộ điều khiển trong một căn phòng mà

dòng không khí chảy từ một hệ thống trung tâm lại không đợc phân bố đồng đều Một hệ thống mạng Wireless Sensor phân tán có thể đợc thiết lập để điều khiển không khí và nhiệt độ tại các phần khác nhau của căn phòng Kĩ thuật phân tán này giảm đợc rất nhiều chi phí năng lợng cho điều hoà không khí và giảm đáng kể lợng carbon sinh ra.

- Bảo tàng tơng tác thông minh: trong tơng lai, trẻ em có thể tơng tác với các đối

t-ợng trong bảo tàng để hiểu hơn về chúng Các đối tt-ợng này có thể phản ứng lại các va chạm hay lời nói Ngoài ra, trẻ em còn có thể tham gia vào các thí nghiệm nguyên nhân - kết quả theo thời gian thực để học tập về khoa học và môi trờng Thêm vào đó, các mạng Wireless Sensor có thể cung cấp thứ tự và sự định vị bên trong bảo tàng Một ví dụ là bảo tàng thám hiểm San Francisco Exploratorium, trng bày kết hợp sự đo lờng số liệu và các thí nghiệm nguyên nhân – kết quả.

- Phát hiện trộm cắp xe hơi: Các nút Sensor có thể đợc triển khai để phát hiện và

nhận ra kẻ trộm trong vùng địa lý và thông báo cho chủ nhân thông qua Internet.

- Quản lý sự kiểm kê: mỗi thứ trong kho đợc có thể gắn một Sensor Ngời sử dụng có

thể tìm thấy chính xác vị trí của của đối tợng và kiểm kê số lợng của các đối tợng cùng loại Nếu ngời sử dụng muốn thêm một sự kiểm kê mới thì phải liên lạc với các nút Sensor thích hợp Qua đó có thể giám sát và định vị các đối tợng trong bản kê bất cứ lúc nào.

- Giám sát và theo dõi xe cộ: có hai phơng pháp giám sát và theo dõi xe cộ Thứ nhất,

đờng đi của xe đợc xác định trong các cụm và đợc chuyển tới trạm gốc, thứ hai là các số liệu cha qua xử lý từ các nút Sensor đợc chuyển tới trạm gốc, tại đây chúng đợc phân tích để xác định vị trí các xe.

Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor

2.1 Tính đặc thù của mạng

2.1.1 Hạn chế phần cứng

Tất cả các thành phần của nút Sensor phải đặt vừa vào trong một khối Thông thờng kích cỡ đợc yêu cầu nhỏ hơn 1 centimet khối, đôi khi, phải đủ nhẹ để có thể treo trên không trung Ngoài các yêu cầu về kích cỡ, khối lợng, việc thiết kế các nút Sensor còn bị hạn chế bởi các yêu cầu nghiêm ngặt khác là :

+ Công suất tiêu thụ phải vô cùng thấp + Hoạt động trong mật độ thể tích cao

+ Giá thành sản xuất thấp và có thể bị bỏ qua mà không ảnh hởng tới toàn mạng + Có thể tự động tổ chức, quản trị và hoạt động không cần can thiệp

+ Thích nghi đợc với môi trờng.

Vì các nút Sensor thờng không tiếp cận đợc nên thời gian tồn tại của một mạng Sensor phụ thuộc vào tuổi thọ nguồn năng lợng của nút Năng lợng cũng là tài nguyên hiếm do bộ nguồn có kích cỡ giới hạn Ví dụ, tổng năng lợng dự trữ trong một hạt Sensor thông minh là 1J Trong mạng Sensor tích hợp vô tuyến (WINS), dòng điện trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30 A để đảm bảo thời gian sống dài Các nút WINS đợc cung cầp năng lợng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đờng kính 2.5 cm dày 1cm) Ngoài ra, có thể tăng thời gian sống của mạng bằng cách tìm lấy năng lợng từ môi trờng Các ô pin mặt trời là một ví dụ.

Bộ thu phát của các nút Sensor có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến (RF) Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọc thông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở lên đắt và phức tạp Ngoài ra, suy hao đờng truyền tín hiệu giữa hai nút Sensor tỷ lệ theo luỹ thừa bậc bốn của khoảng cách do các nút Sensor sử dụng antent đẳng hớng Tuy nhiên, truyền thông vô tuyến đợc quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trong mạng Sensor có kích thớc nhỏ , tốc độ số liệu thấp (thờng nhỏ hơn 1 Hz) và khả năng sử dụng lại tần số cao do khoảng cách truyền thông ngắn Các đặc điểm này tạo ra cho thấy hệ số sử dụng hệ thống vô tuyến là thấp Tuy nhiên, việc thiết kế các mạch vô truyến có hiệu quả về năng lợng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ Các kỹ thuật vô tuyến thơng mại hiện nay vẫn không đợc nh mong muốn vì chúng còn tiêu thụ nhiều năng lợng.

Mặc dù đã có các bộ xử lý công suất tính toán cao với kich thớc nhỏ nhng hiện tại chúng vẫn cha đợc phổ biến Ví dụ, một vi hạt thông minh (smart dust mote) nguyên bản là một bộ vi điều khiển 4 MHz Atmel AVR 8535 với 8 Kb bộ nhớ tốc độ cao, 512 byte RAM và 512 byte EEPROM (ROM lập trình bằng điện) Hệ điều hành TinyOS đ-ợc sử dụng trong bộ xử lý này, với 3500 byte không gian chứa mã OS và 4500 byte không gian có sẵn Bộ xử lý của một nút Sensor nguyên bản khác, gọi là AMPS (-Adaptive Multi-domain Power aware Sensors-Vi cảm biến nhận biết năng lợng đa miền

thích ứng), có một vi xử lý 59 – 206 MHz SA – 1110 sử dụng hệ điều hành đa nhiệm -OS.

Hầu hết các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu có một sự hiểu biết về vị trí Vì các nút Sensor thờng đợc triển khai ngẫu nhiên và hoạt động tự động, nên chúng cần phải có một hệ thống tìm đờng Hệ thống này cũng đợc yêu cầu bởi nhiều giao thức định tuyến Thông thờng, các nút Sensor còn đợc trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS có độ chính xác nhỏ hơn 5m Nhờ vậy, chúng có thể tự động tìm vị trí thích hợp và có khả năng định vị chính xác các hiện tợng đích.

2.1.2 Môi trờng hoạt động

Các nút Sensor đợc triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong hiện tợng để quan sát Vì thế, chúng thờng hoạt động tự động tại các vùng cách xa Chúng có thể làm việc trong các môi trờng sau:

+ Trong các phần tiếp giáp + Bên trong các bộ phận lớn + Đáy biển

+ Bên trong các hiện tợng phức tạp + Trên mặt biển, trong một thuỷ lôi + Các vùng ô nhiễm sinh hoá

+ Trong các đờng ống hay dòng sông theo dòng chảy

Nh vậy, các nút Sensor phải làm việc với các điều kiện rất khó khăn: dới áp suất cao dới đáy biển; ở các môi trờng khắc nghiệt nh vùng chiến sự hay các đống đổ nát; dới sức nóng hay độ lạnh; trong các môi trờng tạp âm lớn Với mỗi loai phải có một kế hoạch thiết kế thích hợp.

2.1.3 Môi trờng truyền dẫn

Trong một mạng Sensor đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môi trờng không dây Các liên kết này có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hay các tín hiệu quang Việc chọn môi trờng thông tin liên quan đén yêu cầu nhiệm vụ của mạng và chúng phải đảm bảo các quy định quốc tế về thông tin trong không gian để có thể hoạt động đợc ở mọi nơi.

Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần công nghiệp, khoa học và y học (Industrial, Scientific and Medical-ISM) Các dải tần này đợc thông tin tự do trong hầu hết các nớc Bảng phân phối tần số quốc tế nằm trong khoản S5 trong quy định tần số chỉ ra một số dải tần dành cho các ứng dụng ISM (Bảng 2.1).

Bảng 2.1 Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM

Một số các dải tần này đã đợc sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay và mạng nội bộ không dây (Wireless LAN) Các mạng Sensor sử dụng bộ thu phát kích cỡ nhỏ, giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp Do các hạn chế về phần cứng và sự cân bằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mang thuộc dải tần rất cao (UHF) Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433 MHz ISM ở châu Âu và 915 MHz ở Bắc Mỹ Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổ rộng và thông dụng Chúng không vợt khỏi các tiêu chuẩn riêng, do đó có thể phù hợp với các kế hoạch tiết kiệm năng lợng Mặt khác, còn có các hạn chế khác nh giới hạn công suất và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai do các dải tần ISM không đợc quản lý.

Một kiểu truyền thông khác trong mạng Sensor là sử dụng hồng ngoại Thông tin hồng ngoại đợc sử dụng tự do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết bị điện Các bộ thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo Ngày nay, các máy tính xách tay, máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại Trở ngại chính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đờng nhìn thẳng giữa nơi gửi và nơi nhận Điều nay làm cho hồng ngoại khó đợc sử dụng trong trờng hợp mạng Sensor.

Một hớng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi trờng truyền dẫn quang học Có hai phơng pháp truyền thông tin: thứ nhất là truyền thông thụ động sử dụng một máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật (Corner-cube-retroreflector (CCR)); thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các gơng chuyển động Hiện nay các diode lazer tại nơi phát đợc gắn trên bảng mạch, có thể chuyển động lái chùm sáng vào chính xác nơi nhận.

Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi trờng truyền dẫn phức tạp hơn Ví dụ, với các ứng dụng dới biển thì môi trờng truyền dẫn là môi trờng nớc Do đó phải sử dụng bức xạ bớc sóng dài để đi xuyên trong nớc Với các vùng khí hậu khắc nghiệt hay các vùng chiến sự, thì phải vợt qua đợc các sai lỗi và nhiễu lớn Ngoài ra, các antent của Sensor thấp hơn và có công suất bức xạ nhỏ hơn các thiết bị vô tuyến khác Do đó,môi trờng

Dải tần Tần số trung tâm

truyền thông phải đợc hỗ trợ bằng các phơng thức điều chế và mã hoá chống lỗi phù hợp với đặc điểm từng loại kênh truyền.

2.2 Sự tiêu thụ năng lợng

Nút Wireless Sensor là một thiết bị điện rất nhỏ nên chỉ đợc trang bị nguồn năng lợng hạn chế (<0.5Ah, 1.2V) Trong hầu hết các ứng dụng, việc tiếp thêm năng lợng là không thực hiện đợc Cho nên, thời gian tồn tại của nút Sensor phụ thuộc chủ yếu vào tuổi thọ của nguồn năng lợng Trong mạng Sensor đa liên kết, mỗi nút đóng hai vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu Sự trục trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình trạng mạng, phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng Do đó, việc bảo tồn nguồn năng lợng và quản lý nguồn năng lợng là rất quan trọng Do các nguyên nhân này mà nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc thiết kế các thuật toán và giao thức nhận biết, tính toán năng lợng cho mạng Sensor.

Trong các mạng đa liên kết và di động khác, việc tiêu thụ năng lợng là một vấn đề quan trọng trong thiết kế song không phải vấn đề chính vì nguồn năng lợng có thể đợc ngời sử dụng thay thế Điều quan trọng hơn là vấn đề cung cấp chất lợng dịch vụ (QoS) Tuy nhiên, trong các mạng Sensor, hiệu quả năng lợng là một vấn đề vô cùng quan trọng vì nó ảnh hởng trực tiếp tới tuổi thọ của mạng Các giao thức riêng cho từng ứng dụng đợc thiết kế để có đợc sự cân bằng thích hợp giữa các vấn đề về độ trễ và thông lợng với hiệu quả năng lợng.

Nhiệm vụ chính của một nút Sensor trong trờng Sensor là theo dõi các sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu Công suất tiêu thụ bởi ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu.

2.2.1 Năng lợng cho nhiệm vụ cảm biến

Năng lợng tiêu thụ của bộ cảm biến và các thành phần của nó có thể thay đổi tuỳ theo ứng dụng cụ thể Việc cảm biến rời rạc sẽ tiêu thụ công suất nhỏ hơn so với việc theo dõi các hiện tợng một cách liên tục Độ phức tạp của nhiêm vụ quan sát hiện tợng đóng vai trò quyết định trong việc xác định mức năng lợng tiêu hao Các mức tạp âm biên độ cao là nguyên nhân làm tăng độ phức tạp trong việc quan sát hiện tợng của các Sensor Do đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho nhiệm vụ cảm biến.

2.2.2 Năng lợng cho truyền thông

Trong ba thành phần nêu trên trong một nút Sensor, phần truyền thông số liệu tiêu thụ năng lợng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu Đặc điểm truyền thông trong mạng Sensor là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp (~ 0 dbm), chi phí năng lợng cho việc phát và thu là gần nh nhau Trong mạch thu phát, các bộ trộn, các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khoá pha (PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể Điều quan trọng là tính toán này không chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởi phát trong mạch thu phát Thời gian khởi phát lên tới hàng trăm micro giây làm công suất khởi phát trở lên đáng kể Giá trị cao của thời gian khởi phát đợc cho là do thời gian khoá của vòng khoá pha (PLL) Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiểm u thế so với công suất tích cực Kết quả là việc chuyển trạng thái

(thu, phát) giữa ON va OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một khối lợng điện năng lớn mỗi lần chuyển trạng thái về ON.

Công suất vô tuyến tiêu thụ đợc tính nh sau:

Pc = NT [ PT ( Ton + Tst ) + Pout ( Ton )] + NR [ PR (Ron + Rst ) ]

Trong đó, PT/R là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu; Pout là công suất đầu ra của bộ phát; T/Ron là khoảng thời gian phát/thu trạng thái ON; T/Rst là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu; NT/R là số lần mạch phát/thu chuyển mạch sang ON trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phơng thức điều khiển truy nhập môi tr-ờng Ton có thể viết lại bằng L/R , trong đó, L là kích thớc gói, R là tốc độ số liệu.

Với tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các bộ thu phát vô tuyến thờng có PT và PR khoảng 20 dbm và Pout gần 0 dbm Giá trị mục tiêu của Pc khoảng –20 dbm.

2.2.3 Năng lợng cho xử lý

Năng lợng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lợng dành cho truyền thông số liệu Do ảnh hởng của fading và do sự suy giảm đờng truyền theo luỹ thừa bậc bốn nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyền thông tăng Trong khi đó, bộ xử lý thờng không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ

Một nút Sensor phải có khả năng tính toán và tơng tác với môi trờng xung quanh Giới hạn về chi phí và kích thớc dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán dẫn oxit kim loại (CMOS) cho bộ vi xử lý Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế về hiệu quả năng l-ợng

Ngoài ra, trong nút Sensor còn có các mạch mã hoá và giải mã, các mạch tích hợp các ứng dụng đặc biệt Khi thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng, phải tính toán các ảnh hởng đến công suất tiêu thụ của các thành phần này.

2.3 Các giải pháp tiết kiệm năng lợng

2.3.1 Giải pháp định tuyến

Việc định tuyến trong mạng sensor cũng nh trong các mạng khác đợc thực hiện tại lớp mạng.

Các nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tợng mục tiêu nh trong hình 1.1 Giao thức định tuyến không dây đa bớc phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-hoc thông thờng không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor Lớp mạng của mạng Sensor đợc thiết kế theo những nguyên tắc sau :

- Hiệu suất năng lợng luôn là yếu tố quan trọng - Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung

- Việc tập hợp số liệu chỉ đợc thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút Sensor

- Một mạng Sensor lý tởng phải nhận biết đợc việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí.

2.3.1.1 Các phơng pháp định tuyến tối u về năng lợng

Các phơng pháp đợc sử dụng để chọn tuyến đờng có hiệu suất năng lợng cao đợc minh hoạ trên hình 2.1.

Hình2.1: Hiệu quả năng lợng trong định tuyến

Trong đó, T là nút nguồn cảm biến hiện tợng mục tiêu Nó có bốn đờng có thể liên lạc với bộ thu nhận (Sink) nh sau :

Đờng 1 : Sink - A - B - T, tổng PA = 4 , tổng α =3 Đờng 2 : Sink - A - B - C - T , tổng PA = 6 , tổng α = 6 Đờng 3 : Sink - D - T , tổng PA = 3 , tổng α = 4

Đờng 4 : Sink - E - F - T , tổng PA = 5 , tổng α = 6

Với PA là mức năng lợng hiện tại của nguồn nuôi tại nút (Available Power) và αi là năng lợng cần thiết để truyền một gói số liệu qua kết nối liên quan Theo các tiêu chí khác nhau, có bốn phơng pháp chọn đờng có hiệu quả cao nhất về năng lợng.

1) Đờng tổng mức năng lợng nguồn nuôi hiện tại (PA:power available) cực đại: là

đ-ờng có tổng các mức năng lợng nguồn nuôi hiện tại của các nút liên quan lớn nhất PA tổng đợc tính bằng tổng các PA của mỗi nút dọc theo đờng Theo phơng pháp này, đ-ờng 2 đợc lựa chọn Tuy nhiên, đđ-ờng 2 lại bao gồm những nút trong đđ-ờng 1 và một nút mở rộng Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nhng nó không phải là đờng có hiệu suất năng lợng cao nhất Nh vậy, những đờng nhận đợc từ việc mở rộng các đờng có thể kết nối Sensor tới Sink sẽ không đợc tính Loại trừ đờng 2, đờng 4 là đờng có hiệu suất năng l-ợng cao nhất khi sử dụng phơng pháp PA tối đa.

2) Đờng năng lợng cực tiểu (ME: minimum energy): đờng mà năng lợng tiêu thụ cực

tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút Sensor đợc gọi là đờng ME Nh vậy đờng ME là đờng có tổng các α nhỏ nhất Trong ví dụ này, đờng 1 là đờng ME

3) Đờng có số bớc nhảy cực tiểu (MH: minimum hop): là đờng có số liên kết từ nút

Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất Đờng 3 trong ví dụ này là đờng có hiệu suất cao nhất theo tiêu chí này Lu ý rằng phơng pháp ME sẽ chọn ra đờng tơng tự nh phơng pháp MH khi năng lợng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các liên kết đều nh nhau, tức là tất cả α ở mọi liên kết đều bằng nhau Vì thế, khi các nút phát quảng bá với cùng mức năng lợng mà không có bất kì sự điều khiển năng lợng nào, MH là tơng đơng với ME.

4) Đờng có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đờng mà dọc theo

nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đờng khác Theo tiêu chí này, đờng 3 là đờng có hiệu suất năng lợng cực đại và đờng 1 là đờng có hiệu suất lớn thứ hai Ph-ơng pháp này ngăn ngừa việc sử dụng các nút Sensor có PA thấp sớm trong khi có thể sử dụng các nút khác có PA cao hơn Nh thế có thể tránh đợc hiện tợng một số nút bị cạn nguồn năng lợng sớm làm ảnh hởng đến hoạt động toàn mạng.

2.3.1.2 Phơng pháp định tuyến số liệu tập trung

Một vấn đề quan trọng khác của lớp mạng là định tuyến có thể dựa trên việc tập trung số liệu Trong định tuyến số liệu tập trung, việc phổ biến các yêu cầu (các nội dung đ -ợc quan tâm) đ-ợc thực hiện nhằm phân nhiệm vụ cảm biến tới các nút Sensor Có hai phơng pháp đợc sử dụng để phổ biến yêu cầu là: nút Sink phổ biến nội dung đợc quan tâm tới các nút Sensor cần thiết và các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo cho số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu về các số liệu này.

Định tuyến số liệu tập trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính cơ sở Nguyên nhân cần phải đặt tên thuộc tính cơ sở là ngời sử dụng thờng quan tâm tới truy vấn thuộc tính của hiện tợng hơn là truy vấn tới một nút riêng lẻ Ví dụ, “những khu vực nơi nhiệt độ v ợt quá 70 độ F” là một truy vấn đợc sử dụng thờng xuyên hơn là “nhiệt độ đợc đọc bởi một nút nào đó” Việc đặt tên thuộc tính cơ sở đợc sử dụng để truy vấn về các thuộc tính của hiện tợng Với việc đặt tên thuộc tính cơ sở, các phơng thức phát quảng bá, phát đến một nhóm theo thuộc tính cơ sở (attribute-based multicasting), phát theo địa lý (geo-casting), phát bất kỳ ( any-casting ) trở lên quan trọng đối với mạng Sensor

Tập hợp số liệu là một kỹ thuật đợc sử dụng để giải quyết những vấn đề trùng lặp và chồng chéo trong định tuyến số liệu tập trung Trong kỹ thuật này, một mạng Sensor đ-ợc mô tả với cấu trúc cây phát đa điểm đảo ngđ-ợc (reverse multicast tree) nh trong hình 2.2.

Hình 2.2: Ví dụ về tập hợp số liệu

Bộ thu nhận (Sink) yêu cầu các nút Sensor báo cáo về trạng thái xung quanh hiện t-ợng Số liệu từ nhiều nút Sensor đợc tập hợp lại khi chúng tới cùng một nút trên đờng đến nút Sink nếu chúng cùng chỉ về một thuộc tính của hiện tợng Trong ví dụ trên, nút Sensor E tập hợp số liệu từ các nút Sensor A và B Trong khi đó, nút Sensor F tập hợp số liệu từ các nút Sensor C và D Việc tập hợp số liệu có thể đ ợc hiểu nh là một nhóm các phơng pháp tự động kết hợp số liệu tới từ nhiều nút Sensor thành một tập thông tin có nghĩa Về mặt này, việc tập hợp số liệu đợc xem nh là hợp nhất số liệu Ngoài ra, sự cẩn trọng là rất cần thiết khi tập hợp số liệu bởi các đặc trng của số liệu, nh vị trí của những nút Sensor báo cáo, không cho phép đợc bỏ sót Những đặc trng nh vậy có thể rất cần thiết cho một ứng dụng nào đó.

2.3.1.3 Các giao thức lớp mạng khác đợc đề xuất cho mạng Sensor

a) Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu loại nhỏ ( SMECN : Small MinimumEnergy Communication Network ): giao thức MECN đợc phát triển để tính toán một

mạng con có hiệu suất năng lợng cao trong một mạng truyền thông nhất định Một thuật toán mới đợc gọi là SMECN đợc đề xuất cũng nhằm cung cấp một mạng con nh vậy Mạng con, tức là một lợc đồ con, đợc cấu trúc bởi SMECN nhỏ hơn mạng con đợc cấu trúc bởi MECN nếu vùng phát quảng bá là hình tròn với công suất nhất định Lợc đồ con G của lợc đồ G’, mô tả mạng Sensor, tối thiểu năng lợng sử dụng với các điều kiện sau: số cạnh trong lợc đồ con G nhỏ hơn trong lợc đồ G’ gồm tất cả nút trong G’,

nếu hai nút u và v đợc kết nối trong G’ , chúng cũng đợc kết nối trong G; năng lợngcần thiết để truyền số liệu từ nút u tất cả các nút lân cận trong lợc đồ con G nhỏ hơn

năng lợng cần thiết để truyền số liệu tới tất cả các nút lân cận trong G’ SMECN cũng tuân theo đặc tính ME mà MECN sử dụng để cấu trúc nên mạng con Đặc tính ME là

có tồn tại một đờng ME trong lợc đồ con G giữa u và v với mọi cặp (u,v) đợc kết nối

trong G’.

Công suất cần thiết để truyền số liệu giữa u và v tính nh sau: p(u,v) = td(u,v)n , với t là một hằng số, d(u,v) là khoảng cách giữa u và v và n ≥ 2 là hàm mũ suy giảm bởi

truyền dẫn vô tuyến Ngoài ra, công suất cần thiết để nhận số liệu là c Vì p(u,v) tănglên theo luỹ thừa n (n ≥ 2) của khoảng cách giữa u và v, công suất chuyển tiếp số liệucó thể nhỏ hơn công suất truyền dẫn số liệu trực tiếp giữa nút u và v Đờng dẫn giữa u

(tức là u0) và v ( ví dụ uk) đợc đặc trng bởi r , với r = ( u0, u1, ,uk) trong lợc đồ con G = (V,E) là một dãy có thứ tự của các nút nh cặp (ui, ui+1) thuộc E Ngoài ra, độ dài của rlà k Tổng công suất tiêu thụ giữa các nút u0 và uk là:

Với p(ui,ui+1) là công suất cần thiết để truyền dẫn số liệu giữa nút ui và ui+1; và c là công suất cần thiết để nhận số liệu Tuyến đờng r là một đờng ME từ u0 tới uk nếu C(r) ≤ C(r)’ với mọi đờng r’ giữa nút u0 và uk trong G’ Nh vậy, một lợc đồ con có đặc tính

ME nếu với tất cả các cặp (u,v) thuộc V, có tồn tại một đờng r trong G là một đờng MEgiữa u và v trong G’

b) Giao thức tràn (Flooding): thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng đợc sử dụng

để định tuyến trong mạng Sensor Trong thuật tràn, mỗi nút đang nhận một gói số liệu hoặc một gói điều khiển lặp lại nó bằng cách phát quảng bá, trừ khi gói này đã đạt đ ợc số bớc nhảy cực đại cho phép hoặc gói đã tới đích Thuật tràn là một kỹ thuật phản ứng và nó không cần duy trì kiến trúc mạng đắt tiền và thuật toán tìm đờng phức tạp Tuy nhiên, nó có một vài hạn chế nh :

+ Sự trùng lặp (Implosion): trùng lặp là một trạng thái mà các bản sao của gói tin đợc gửi tới cùng một nút Ví dụ, nếu một nút Sensor A có N nút Sensor lân cận mà đó cũng là những nút lân cận của nút Sensor B, nút Sensor B nhận N bản sao của bản tin đ ợc gửi đi bởi nút Sensor A.

+ Sự chồng lấn (Overlap): nếu hai nút chia sẻ cùng một vùng quan sát, cả hai nút có thể cảm nhận cùng một kích thích tại cùng một thời điểm Kết quả là các nút lân cận nhận đợc các bản tin sao lại.

+ Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): giao thức tràn không đa vào báo cáo các tài nguyên năng lợng hiện tại Một giao thức nhận biết đợc tài nguyên năng lợng phải đa vào báo cáo mức năng lợng của các nút tại mọi thời điểm

c) Giao thức dây truyền (Gossiping): với giao thức dây truyền, các nút không phát

quảng bá mà gửi đi những gói tới tới một nút lân cận đợc chọn ngẫu nhiên Một nút Sensor lựa chọn ngẫu nhiên một trong các nút lân cận để gửi số liệu Khi nút lân cận đó nhận đợc số liệu, nó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút Sensor khác Mặc dù phơng pháp này tránh đợc vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tại một nút bất kỳ, nhng nó phải mất một thời gian khá dài để truyền bản tin tới tất cả các nút Sensor.

d) Các giao thức thông tin Sensor thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols forInformation via Negotiation-SPIN): một họ các giao thức có khả năng thích ứng đợc

gọi là SPIN đợc thiết kế để khắc phục nhợc điểm của giao thức tràn (Flooding) cổ điển bằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên Họ giao thức SPIN đợc thiết kế dựa trên hai ý tởng cơ bản: 1) Các nút Sensor hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồn năng lợng bằng cách chỉ gửi các số liệu mô tả về số liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ