3. Các định tuyến chính hay đƣợc dùng trong mạng WSN[5],[11]
3.3. Định tuyến phân cấp
3.3.1. Giao thức LEACH
LEACH (Low Engergy Adaptive Clustering Hierachy) là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lƣợng thấp.
Mục đích của LEACH là:
- Mở rộng thời gian sống của mạng
- Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền dẫn trong mạng.
LEACH lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm các nút chủ, do đó việc tiêu hao năng lƣợng khi liên lạc với nút gốc đƣợc trải đều cho tất cảcác nút cảm biến trong mạng. Quá trình hoạt động của LEACH đƣợc chia thành hai bƣớc là bƣớc thiết lập và bƣớc ổn định.Thời gian của bƣớc ổn định kéo dài hơn so với thời gian của bƣớc thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển.Trong bƣớc thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số này nhỏ hơn ngƣỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) đƣợc tính nhƣ sau:
nếu n thuộc G
Trong đó:
p: tỉ lệ phần trăm nút chủ r: chu kì hiện tại
G: tập hợp các nút không đƣợc lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối.
Khi dùng LEACH thì giảm đƣợc sự hao phí năng lƣợng so với truyền trực tiếp và so với các giải thuật định tuyến truyền năng lƣợng tối thiểu. Các nút có thể ngừng hoạt động ngẫu nhiên và các cụm động sẽ làm tăng thời gian sống của mạng. Giao thức LEACH còn có thêm 2 loại mở rộng của LEACH thông thƣờng:
- LEACH – C (LEACH Centralized)
LEACH – C cũng giống nhƣ LEACH thông thƣờng, nó chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase) cụm và nút chủ cụm, còn pha ổn định (Steady – state Phase) thì giống hệt với LEACH. Trong LEACH thì mỗi nút sẽ có 1 xác suất để nó có thể đƣợc chọn làm nút chủ cụm.
- LEACH – F: Fixed Cluster, Rotating Cluster Head
Trong LEACH – F thì các cụm là cố định còn nút chủ cụm sẽ quay vòng. Dùng LEACH – F thì sẽ không yêu cầu pha thiết lập cho các vòng khác nhau, mà các nút biết đƣợc khi nào nó là nút chủ khi nào nó không là nút chủ. Cũng giống nhƣ LEACH – C, pha ổn định của LEACH – F giống hệt LEACH.
LEACH – F không thích hợp với những hệ thống có tính động. Nó không cho phép thêm 1 nút mới vào hệ thống và cũng không xử lý đƣợc những nút di động.
3.3.2. Giao thức PEGASIS
Power-efficient Gathering in Sensor Information Systems (PEGASIS) là giao thức cải tiến lên từ LEACH, giao thức định tuyến và tập trung thông tin trong mạng cảm biến.
Thay vì việc hình thành các cụm, PEGASIS tạo thành chuỗi từ các nút cảm biến để mỗi nút truyền và nhận từ nút lân cận và chỉ có một nút đƣợc chọn từ chuỗi đó để truyền đến trạm gốc. Dữ liệu tập hợp đƣợc truyền từ nút này sang nút kia, tập trung lại và dần dần truyền đến trạm gốc.
Nút C0 truyền dữ liệu của nó đến nút C1. Nút C1 tập hợp dữ liệu của nút C0 và dữ liệu của nó, sau đó truyền đến nút chính. Sau khi nút C2 chuyển thẻ bài cho nút C4, nút C4 truyền dữ liệu của nó cho nút C3. Nút C3 tập hợp dữ liệu của C4 với dữ liệu của chính nó và sau đó truyền đến nút chính. Nút C2 đợi để nhận dữ liệu từ cả hai nút lân cận và sau đó tập hợp dữ liệu của nó với dữ liệu của các nút lân cận. Cuối cùng, C2 truyền một bản tin đến trạm gốc.
3.4. Định tuyến dựa vào vị trí
Hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến đều yêu cầu thông tin về vị trí của các nút cảm biến, để có thể tính toán khoảng cách giữa hai nút xác định, từ đó có thể ƣớc lƣợng đƣợc năng lƣợng cần thiết. Vì mạng cảm biến không có chế độ địa chỉ nào nhƣ địa chỉ IP và chúng đƣợc triển khai trong không gian ở một vùng nào đó, vì vậy thông tin về vị trí cần phải đƣợc sử dụng trong các dữ liệu định tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lƣợng.
3.4.1. Giao thức GAF
Giải thuật chính xác theo địa lý (GAF- Global Assessment of Functioning) dựa trên vị trí có hiệu quả về mặt năng lƣợng đƣợc thiết kế chủ yếu cho các mạng ad hoc di động, nhƣng cũng có thể áp dụng cho mạng cảm biến.
GAF dự trữ năng lƣợng bằng cách tắt các nút không cần thiết trong mạng mà không ảnh hƣởng đến mức độ chính xác của định tuyến. Nó tạo ra một lƣới ảo cho vùng bao phủ. Vì vậy GAF có thể tăng đáng kể thời gian sống của mạng cảm biến khi mà số lƣợng các nút tăng lên.
Một ví dụ cụ thể đƣợc đƣa ra ở dƣới, nút 1 có thể truyền đến bất kì nút nào trong số các nút 2, 3 và 4 và các nút 2, 3, 4 có thể truyền tới nút 5. Do đó các nút 2, 3, và 4 là tƣơng đƣơng và 2 trong số 3 nút đó có thể ở trạng thái nghỉ.
Hình 2- 8 Tạo lưới ảo trong mạng
Các nút chuyển trạng thái từ nghỉ sang hoạt động lần lƣợt để cho các tải đƣợc cân bằng. Có ba trạng thái đƣợc định nghĩa trong GAF, đó là phát hiện, để xác định các nút lân cận trong lƣới, hoạt động, thể hiện sự tham gia vào quá trình định tuyến và nghỉ khi sóng đƣợc tắt đi. Nghỉ Hoạt động Phát hiện Sau Ta Sau Td Nhận bản tin phát hiện từ các nút mạng cao hơn Sau Ts
Hình 2- 9 Sự chuyển trạng thái trong GAF
Nút nào nghỉ trong bao lâu liên quan đến các thông số đƣợc điều chỉnh trong quá trình định tuyến. Để điều khiển độ di động, mỗi nút trong lƣới ƣớc đoán thời gian rời khỏi lƣới của nó và gửi thông tin này đến nút lân cận. Các nút đang không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ của chúng phù hợp các thông tin nhận đƣợc từ các nút lân cận đó để giữ cho việc định tuyến đƣợc chính xác. Trƣớc khi thời gian rời khỏi lƣới của các nút đang hoạt động quá hạn, các nút đang nghỉ thoát khỏi trạng thái đó và một trong số các nút đó trở nên hoạt động.
GAF đƣợc triển khai cho cả những mạng bao gồm các nút không di động (GAF cơ bản) và mạng bao gồm các nút di động (GAF thích ứng di động).GAF cố gắng giữ
mạng hoạt động bằng cách giữ cho các nút đại diện luôn ở chế độ hoạt động trong mỗi vùng ở lƣới ảo của nó.
3.4.2. Giao thức GEAR
Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) dùng sự nhận biết về năng lƣợng và các phƣơng pháp thông báo thông tin về địa lý tới các nút lân cận.
GEAR hỗ trợ mạnh mẽ trong việc tìm một cùng xác định để gửi tin trong mạng cảm biến. GEAR cải tiến hơn Truyền tin trực tiếp ở điểm này và vì thế dự trữ đƣợc nhiều năng lƣợng hơn.
Trong giao thức GEAR, mỗi một nút giữ một estimated cost và một learned cost trong quá trình đến đích qua các nút lân cận. Estimated cost là sự kết hợp của năng lƣợng còn dƣ và khoảng cách đến đích. Learned cost là sự cải tiến của estimated cost giải thích cho việc định tuyến xung quanh các nút trong mạng.
Có 2 pha trong giải thuật này:
- Chuyển tiếp gói đến vùng đích: GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựa trên sự nhận biết về năng lƣợng và vị trí địa lý để định tuyến gói đến vùng đích - Chuyển tiếp gói trong vùng: nếu gói đƣợc chuyển đến vùng, nó có thể truyền dữ
liệu trong vùng đó có thể bằng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy hoặc flooding có giới hạn. Flooding có giới hạn áp dụng tốt trong trƣờng hợp các sensor triển không dày đặc. Ở những mạng có mật độ sensor cao, flooding địa lý đệ quy lại hiệu quả về mặt năng lƣợng hơn là flooding có giới hạn. Trong trƣờng hợp đó, ngƣời ta chia vùng thành 4 vùng nhỏ và tạo ra 4 bản copy của gói đó. Việc chia nhỏ này và quá trình chuyển tiếp tiếp tục cho đến khi trong vùng chỉ còn 1 nút.
4. Kết luận
Chƣơng 2 đã trình bày một số phƣơng pháp định tuyến chính hay dùng cho mạng cảm biến không dây mà cụ thể là ba phƣơng pháp: phƣơng pháp đinh tuyến trung tâm dữ liệu, phƣơng pháp định tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí. Ở từng phƣơng pháp định tuyến, luận văn đã trình bày khái niệm và phân tích các giao thức định tuyến cụ thể trong từng phƣơng pháp. Tùy thuộc vào sự phức tạp và yêu cầu về mức năng lƣợng, tính ổn định của hệ thống mà ngƣời thiết kế lựa chọn giao thức định tuyến cho mạng của mình. Trong khuôn khổ và phạm vi của đề tài, số nút đặt ra là cố định, có 1 nút gốc, các nút con chỉ truyền thông số của nó tới nút gốc và xử lý truyền vào máy tính giám sát, hệ thống mạng cần tính ổn định và chính xác, cho nên luận văn chọn định tuyến phân cấp qua giao thức PEGASIS.
CHƢƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Nhƣ chúng ta đã biết đến các chuẩn giao tiếp không dây khá phổ biến hiện nay nhƣ: Wimax, 3G, Bluetooth... Nhƣng đối với những mạng quản lý các sensor trong các ứng dụng điều khiển - tự động hóa của các thiết bị trong nhà hay bệnh viện thì Wifi hay BlueTooth lại không thể đáp ứng đƣợc. Chúng có nhiều khuyết điểm nhƣ sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện năng không cần thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn giản (BlueTooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn. Và để giải quyết những vấn đề đó, một công nghệ giao tiếp không dây đƣợc ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hiện nay đã ra đời nhằm mục đích phục vụ những yêu cầu ứng dụng có giá thành và công suất thấp nhƣng lại có khả năng linh động trong phạm vi rộng đó là chuẩn ZigBee. Trong chƣơng này sẽ đi sâu phân tích mô hình của chuẩn này.
1. Tổng quan về chuẩn Zigbee[1]
Zigbee là một tiêu chuẩn đƣợc định nghĩa: là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp. Tín hiệu truyền trong giao thức Zigbee chính là tín hiệu radio nên nó đƣợc hỗ trợ các dải tần số sau:
- Dải 868.3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu.Trong dải này, tốc độ truyền là 20kb/s. - Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thƣờng
là 40kb/s.
- Dải 2.4 Ghz – 2.835 Ghz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s.
Trong đề tài luận văn này, em sử dụng giao thức Zigbee ở dải tần 2.4 Ghz vì đây là dải tần phổ biến đƣợc hỗ trợ bởi nhiều thiết bị nên dễ kiếm dễ tìm. Hơn nữa ở dải tần này cho ta 16 kênh tín hiệu, mỗi kênh cách nhau 5MHz với tốc độ truyền cao 250 kb/s. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của Zigbee:
Bảng 3- 1 Ƣu và nhƣợc điểm của Zigbee
Ƣu điểm Nhƣợc điểm
Giá thành thấp Lỗi ở một điểm chính có thể gây lỗi hệ thống
Tiêu thụ công suất nhỏ Tốc độ truyền thấp 20 – 250 kb/s
Kiến trúc linh hoạt Chƣa có đầy đủ các thiết bị để phát triển Đƣợc hỗ trợ bởi nhiều công ty Chƣa thực sự đƣợc phát triển ở Việt Nam Có thể mở rộng lên đến 65000 nút Cần có thời gian để tối ƣu hệ thống, tối ƣu
năng lƣợng Cài đặt, bảo trì dễ dàng
Độ tin cậy cao
Ngoài ra cũng có thể so sánh thêm Zigbee với chuẩn Bluetooh để thấy rõ đƣợc ƣu điểm và khuyết điểm ở trên nhƣ bảng 3-2:
Bảng 3- 2 So sánh Zigbee và Bluetooh
Đặc tính Zigbee Bluetooth
Tiêu thụ công suất 10mA 100mA
Giá thành ( đầu 2005) 1,1 $ 3$
Độ nhạy -92dbm(0,63pW) -62dbm(6,2pW)
Độ linh hoạt 65536 nút (trong sơ đồ sao) 7 nút (trong sơ đồ sao) Độ an toàn 128 bit mã hóa 64/128 bit mã hóa Vùng làm việc Hiệu quả ở 10 - 75m Hiệu quả ở < 10m
Qua đây ta khẳng định thêm rằng Zigbee chủ yếu đƣợc nhắm tới cho các ứng dụng chạy pin có tốc độ dữ liệu thấp, chi phí nhỏ, và thời gian sử dụng pin dài.Trong nhiều ứng dụng của Zigbee, tổng thời gian mà thiết bị không dây thực sự hoạt động rất ít; thiết bị sử dụng hầu hết thời gian của nó trong chế độ tiết kiệm năng lƣợng, hay chế độ ngủ (sleep mode). Kết quả là, Zigbee cho phép các thiết bị có khả năng hoạt động trong nhiều năm trƣớc khi cần phải nạp lại pin hoặc thay pin mới.
2. Mô mình mạng Zigbee[10]
Chuẩn ZigBee có 3 cấu hình mạng cơ bản, tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà ta thiết lập mạng theo các cấu hình khác nhau: mạng hình sao hay mạng hình mắt lƣới hay mạng hình cây.
2.1. Mạng hình sao (Star Network)
Mạng chỉ có Coordinator (ZC) và các End Device (ZED). Khi ZC đƣợc kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với các FFD và RFD khác. ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau.
2.2. Mạng hình lƣới (Mesh Network)
Mạng hình lƣới có ƣu điểm là cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đƣờng đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập đƣợc kết nối. Mỗi nút trong lƣới đều có khả năng kết nối và định tuyến giao thông với các nút lân cận.
Đặc điểm: hình thành tƣơng tự nhƣ mạng hình sao, song trong mạng này có thêm sự xuất hiện của ZR. ZR đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và nó cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu nhƣ một nút bình thƣờng.
Hình 3- 1 Mô hình mạng Zigbee
2.3. Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc hình lƣới, trong đó đa số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng nhƣ một nút rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây.Bất kì một FFD nào cũng có thể hoạt động nhƣ một coordinator, cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác. Vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.Trong loại cấu hình mạng này, mặc dù có thể có nhiều coordinator nhƣng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator).
3. Cấu trúc tầng trong chuẩn Zigbee[2]
Cũng giống nhƣ truyền thông trong công nghiệp, khi thực hiện một giao thức truyền thông ngƣời ta thƣờng hay so sánh mô hình đó với mô hình cấu trúc chuẩn. Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể qui chiếu tới một lớp một lớp nào đó trong một mô hình của một cấu trúc tƣơng ứng. Ta đã đƣợc biết đến mô hình truyền thông công nghiệp 7 tầng OSI. Trong giao thức Zigbee ngƣời ta định nghĩa một kiến
trúc giao tiếp, đó là kiến trúc Zigbee, kiến trúc này cũng giống với mô hình OSI nhƣ hình bên dƣới
Hình 3- 2 Cấu trúc của giao thức Zigbee
Zigbee đƣợc xây dựng ở trên của hai lớp MAC và lớp vật lý PHY. Lớp MAC và lớp PHY đƣợc định nghĩa theo chuẩn IEEE 802.15.4 dành cho các ứng dụng WLAN tốc độ thấp. Đặc tính kỹ thuật Zigbee sau đó thêm vào 4 lớp chính: lớp mạng, lớp ứng dụng, lớp các đối tƣợng thiết bị Zigbee (ZDO - Zigbee Device Object) và lớp các đối tƣợng ngƣời dùng cho phép tùy biến, linh động trong chuẩn đó.
Bên cạnh việc tích hợp thêm hai lớp mức cao hơn trên các lớp nền, một sự tích hợp rất quan trọng nữa là thêm vào các ZDO. Các ZDO chịu trách nhiệm cho nhiều tác vụ, trong đó bao gồm: định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu để truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị...
4. Tầng vật lý (PHY)[10]
Tầng vật lý (PHY) gồm 2 hai dịch vụ:
- Dịch vụ dữ liệu PHY: Điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý.
- Dịch vụ quản lý tầng vật lý: Có giao diện quản lý gắn liền với tầng vật lý. Chức năng của PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận nhận