1.6.1 Thời gian sông bên ngoài
Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn. Ví dụ: một loại pin kiềm cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cực gần 1 tháng hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho một mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế. Trong thực tế, pin rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng cần thay thế trong vài năm. Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin
1.6.2 Tiêu thụ nguồn mức thấp
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần với nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong các bổ xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth. Ví dụ các thiết bị cho các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các huy hiệu, được cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vài năm. Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầu thời gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giám sát không được thỏa thuận. Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường các vùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không thể thay đổi nguồn thường xuyên. Hơn nữa, các ứng dụng nào đó không thể tận dụng một nguồn cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng này phải nhận nguồn năng lượng nhờ quá trình khai thác và lọc năng lượng từ môi trường. Một ví dụ của kiểu này là cảm biến áp suất lốp xe, mong muốn nhận được năng lượng từ các nguồn năng lượng cơ
hoặc nhiệt hiện diện trong các lốp ô tô thay vì một nguồn có thể yêu cầu được thay thế trước khi lốp chạy.
Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chính với khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn năng lượng đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống
1.6.3 Chi phí thấp
Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí sản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi phí của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm biến là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ ở mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn 1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài các thành phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý, nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, di động, tạo năng lượng, v.v... tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Do đó, chi phí sản xuất trở thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá thành thấp hơn 1 Dollar.
1.6.4 Thông lượng dữ liệu
Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các yêu cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với các mạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mong muốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là 512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện. Tốc độ dữ liệu điển hình được mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trong một vài ứng dụng. Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữ liệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể.
Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số lượng overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quả truyền thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi các gói TCP/IP có thể dài 1500 byte. Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn, hiệu quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng:
người thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyền thông, thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao thức.
1.6.5 Bảo mật
Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng - bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết do người sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng. Việc nhận biết bảo mật là vấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của họ (hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để nhận. Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một phiên bản có dây mà người sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các cấp tải thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận được thông tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận. Ứng dụng không dây phải làm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng lớn được yêu cầu với chi phí thấp hơn.
Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin. Thực tế, trong nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bản tin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến không dây. Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin được nhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó.
Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thể xen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thể nguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên. Các yêu cầu này là một kiểu bảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn của bản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity Code) phụ thuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát. (Trong các trường bảo mật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication Code) nhưng MIC được sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có thể với lớp MAC của ngăn xếp giao thức OSI). Người thu mong muốn và người gửi chia sẻ một khoá, nó được sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với người nhận để phê chuẩn tính nguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi. Để tránh “replay attacks”, trong một máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếm
hoặc bộ định thời bản tin được gộp lại trong trường tính toán MIC. Trong cách này, không có hai bản tin xác thực - thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng.
Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phân chia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạng rộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý. Mặc dù việc thiết kế một mạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, người thiết kế của một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ. Các yêu cầu về nguồn và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc trong các phạm vi khác
1.7 Ứng dụng của mạng WSN
WSN là tập hợp các kích thước nhỏ gọn, cụ thể là các node cảm biến với giá thành thấp, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường tự nhiên hoặc đo đạc các thông số khác và đưa ra thông tin đến trung tâm cho các xử lý phù hợp. Các node trong mạng WSN có thể liên lạc với các node xung quanh nó và còn có thể có các xử lý dữ liệu thu được trước khi gởi đến các node khác.WSN cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích.
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được bước phát triển mạnh mẽ, các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trường, an toàn năng lượng, an toàn thực phẩm và sản xuất…
Một số ứng dụng cơ bản của WSN • Cảm biến môi trường
o Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân đội… o Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng,độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ… o Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, ánh sáng
• Cảm biến điều khiển
o Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự …
o Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot… o Môi trường: giám sát lũ lụt, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm… o Y tế: theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp… • Hệ thống giao thông thông minh
o Giao tiếp giữa các biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu lượng công cộng, kẹt xe…
o Hệ thống định vị, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao thông
• Gia đình
o Nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị di động
WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet...)
CHƯƠNG 2:ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu. Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng. Chương này trình bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location – based protocol).
2.1 Giới thiệu
Mặc dù mạng cảm biến không dây có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng thành mạng riêng. Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây và không dây.
2.2 sự phân phối và tập hợp dữ liệu
Mạng WSN có khả năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển như hình 2.1. Các dữ liệu được thông tin giữa các trạm trung tâm và các node phân bố là một khía cạnh quan trọng và cơ bản của WSN
Hình 2.1.Các ứng dụng mạng WSN
Cách đơn giản để thực hiện là trao đổi trực tiếp từ từ các node đến base. Tuy nhiên, liên kết dựa trên truyền một chặng (single-hop) gặp vấn đề suy giảm năng lượng nhanh chóng của các node nếu cách xa trạm trung tâm, do đó làm giới hạn thời gian sống của mạng. Đây là vấn đề quan trọng đối với các mạng cảm biến không dây được xây dựng phân bố trên phạm vi rộng hay các node di động có thể di chuyển ra xa trạm trung tâm.
Để giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đổi giữa các cảm biến và base station được truyền đa chặng (multihop). Các liên kết đa chặng có thể kéo dài khoảng cách và đưa ra một đường đi linh hoạt hơn. Phương pháp này tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể can nhiễu giữa các node đang tranh chấp truy cập kênh truyền, đặc biệt trong những mạng WSN có mật độ cao. Mô hình truyền dữ liệu được minh họa trong hình 2.2. Gói yêu cầu được phát đi, các node đáp lại bằng gói trả lời hoặc đáp ứng các sự kiện xảy ra, dữ liệu thu thập từ các node cảm biến phải đi qua nhiều chặng để đến trạm trung tâm.
Trong truyền multihop, các node trung gian phải tham gia cào việc chuyển các gói dữ liệu giữa nguồn và đích. Xác định các node trung gian cần phải đi qua là nhiệm vụ của giải thuật định tuyến. Định tuyến trong mạng cỡ lớn gặp nhiều khó khăn, thiết kế phải đảm bảo sự chính xác, tính ổn định và khả năng tối ưu. Cùng với
các đặc tính của mạng WSN như tiết kiêm năng lượng và băng thông hạn chế tạo nhiều thách thức cho giải thuật định tuyến để thỏa mãn yêu cầu lưu lượng và kéo dài thời gian sống của mạng.
Hình 2.2.Truyền dữ liệu đa chặng 2.3 Thách thức trong vấn đề định tuyến
2.3.1 Tính động của mạng
Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các node cảm ứng, node sink và các sự kiện cần giám sát. Trừ một vài trường hợp thiết lập các node cảm ứng di động, còn lại hầu hết các node cảm biến được giả thiết cố định. Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả node gốc và các node cảm biến có thể di truyền, khi đó các bản tin chọn đường được lấy từ các node di động hay được chuyển đến các node di động sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng… Các sự kiện cảm nhận có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng.
2.3.2 Sự triển khai các node
Việc phân bố node trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được xác định trước hoặc phân bố. Trong trường hợp được xác định trước, các node được đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định. Tuy nhiên trong các hệ thống tự tổ chức, các node cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một cấu trúc theo kiểu ad hoc. Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các node chủ cũng góp phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt động của mạng. Trong hầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các node cảm biến thường có
cự ly ngắn do các hạn chế về năng lượng và băng thông, do đó việc chọn đường sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy.
2.3.3 Tài nguyên hạn chế
Các node cảm biến được thiết kế với độ phức tạp ít nhất và giá thành thấp để đáp ứng cho các mạng cỡ lớn. Năng lượng là vấn đề quan tâm nhiều nhất trong mạng WSNs, phải tạo ra hoạt động lâu dài trong điều kiện nguồn pin hạn chế. Truyền đa đường qua mạng không dây chính là nguồn gây tiêu tốn công suất nhiều nhất. Vấn đề quản lý nguồn năng lượng trở thành một thách thức với mạng WSN trong nhiều ứng dụng quan trọng
Các kiểu dữ liệu trao đổi giữa các node phụ thuộc vào đặc điểm riêng của từng ứng dụng cụ thể. Có những ứng dụng yêu cầu thu thập dữ liệu theo chu kỳ hay khi có sự xuất hiện của node sự kiện nào đó. Trường hợp khác dữ liệu lại được tập hợp, lưu trữ, xữ lý bởi một node sau đó được chuyển tiếp cho các node khác. Đối với mạng qui mô lớn, số lượng lớn node cảm biến phân bố trên khu vực rộng, các kiểu dữ liệu phức tạp cần có các giao thức định tuyến tối ưu để đảm bảo chất lượng thông tin và thời gian sử dụng của mạng. Do đó thiết kế giải thuật định tuyến hiệu quả là yêu cầu quan trọng đảm bảo khả năng mở rộng qui mô và tính ổn định của mạng WSNs cũng như sự phát triển mạnh mẻ các ứng dụng trong tương lai.
2.4 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN
Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong WSN. Ngoài cách chia làm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến