Như đã đề cập ở trên, các nút WSN sẽ trở thành nguồn năng lượng bắt buộc
cho giới hạn của các loại pin. Một loại pin kiềm, ví dụ, cung cấp 50Wh năng
lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút trong chế độ tích cực gần một tháng hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho một mạng rộng,
thời gian sống dài hơn được thiết kế. Trong thực tiễn, rất cần thiết trong rất nhiều
ứng dụng để bảo đảm rằng mạng tự động cảm biến không dây có thể sử dụng
không cần sự thay thế nào cho vài năm sử dụng. Sự cải thiện của phần cứng trong
thiết kế pin và kỹ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong các giải pháp.
Đây cũng là lý do mà các giao thức thiết kế tốt nhất của mạng cảm nhận không dây được thiết kế rõ ràng với năng lượng đạt hiệu quả như một thành công đầu tiên. Đương nhiên, thành công này phải cân bằng lại một số quan tâm khác.
1.4.2. Đáp ứng
Một giải pháp đơn giản nhất để mở rộng thời gian sống của mạng là tác động vào nút trong chu trình nhiệm vụ với một khoá tuần hoàn giữa chế độ ngủ và thức. Trong khi đồng bộ quá trình ngủ đó thì kích thích vào chính nó, một mối quan tâm lớn là giai đoạn ngủ kéo dài một cách tuỳ ý có thể làm giảm đáp ứng và hiệu lực của các cảm biến. Trong các ứng dụng mà ở đó điều then chốt là các sự kiện tự nhiên phải được dò ra và thông báo nhanh chóng , những khả năng
tiềm ẩn gây ra bởi quá trình ngủ phải được giữ trong một giới hạn sít sao, thậm
chí có thể là sự xuất hiện của tắc nghẽn mạng.
1.4.3. Sức mạnh
Cái nhìn của mạng cảm nhận không dây được cung cấp ở phạm vi rộng lớn, các thông tin đưa ra chưa mịn, điều này thúc đẩy việc sử dụng một số lượng lớn
các thiết bị rẻ. Tuy nhiên các thiết bị có thể không đáng tin cậy và dễ hỏng. Tốc độ của thiết bị gây lỗi cũng có thể trở nên cao bất cứ khi nào các thiết bị cảm nhận được triển khai thô trong các điều kiện khắc nghiệt. Vì vậy các thiết kế
giao thức phải gắn liền với cơ khí để cung ứng về sức mạnh. Cần thiết để đảm
bảo rằng hiệu suất toàn cầu của hệ thống không bị hỏng khi một cá thể riêng bị
lỗi. Xa hơn nữa, nó cũng rất cần thiết để hiệu suất hệ thống suy thoái chậm nhất
có thể với sự lưu tâm đến các thiết bị lỗi.
Luật Moore đưa ra một kỹ thuật đảm bảo rằng khả năng của thiết bị trong giới hạn của năng lượng xử lý, bộ nhớ, lưu trư, hiệu suất truyền bức xạ radio, thậm chí là cải thiện nhanh chóng độ chính xác của cảm biến. Tuy nhiên nếu xét
về kinh tế thì giá của mỗi nút sẽ được giảm mạnh từ 100$ xuống vài cent, rất có thể khả năng của mỗi nút riêng biệt sẽ còn phải xét đến ở một vài phạm vi. Vì vậy, thách thức đặt ra là thiết kế các giao thức bổ trợ, nó đảm bảo hệ thống hoạt động không lỗi hơn là chỉ kết hợp khả năng của các thành phần đơn lẻ. Giao thức này cũng đòi hỏi kết hợp hiệu quả việc sử dụng bộ lưu trữ, tính toán và các
nguồn giao tiếp.
1.4.5. Mở rộng phạm vi
Trong rất nhiều các ứng dụng cảm nhận được, các tổ hợp của cảm biến có
nhân và ở một vùng rộng lớn bao gồm các mạng cảm nhận không dây có khả
năng hoạt động ở một vùng cực rộng (10 ngàn, thậm chí 1triệu nút trong một giới hạn về độ dài). Giao thức này vốn phải được phân bố, bao gồm các giao tiếp
khoanh vùng, và các mạng cảm biến phải được sử dụng theo cấu trúc thứ bậc để
cung cấp cho mở rộng này. Tuy nhiên, nhìn nhận ở số lượng lớn các nút vẫn chưa thực hiện được trên thực tiễn cho đến khi một vài vấn đề cơ bản, như vận hành lỗi hay tái lập trình, được thực hiện một cách trơn tru trong những cài đặt
nhỏ, bao gồm 10 đến hàng trăm nút. Cũng có một vài giới hạn chủ yếu về lượng số liệu đưa vào và dung lượng tác động tới hoạt động của mạng mở rộng (cấp
bậc).
1.4.6. Tính không đồng nhất
Có một sự không đồng nhất giữa năng lượng của các thiết bị ( chú ý đến
việc tính toán, giao tiếp và cảm biến) trong những cài đặt thực tế. Tính không đồng nhất này có thể có một số kết quả thiết kế quan trọng. Ví dụ: Việc xuất hiện một số ít các thiết bị có khả năng tính toán lớn với một số lượng lớn các
thiết bị khả năng thấp có thể làm chúng hợp lại thành một kiến trúc mạng và sự xuất hiện của rất nhiều phương thức cảm nhận đòi hỏi kỹ thuật cảm nhận dung hoà một cách thích hợp. Chìa khoá của bài toán thường xác định bởi tổ hợp chính xác của các dung lượng thiết bị không đồng nhất cho các ứng dụng đưa ra.
Do sự phân chia và bản chất của các ứng dụng, mạng cảm nhận không dây vốn đã là một hệ thống phân bố không cần theo dõi. Vì vậy hoạt động độc lập là thách thức để thiết kế chính. Đầu tiên, các nút trong mạng cảm nhận có thể được
cấu hình trong mạng topo riêng; định vị, đồng bộ, định cỡ cho bản thân; xử lý
các giao tiếp trong nút và xác định các thông số hoạt động quan trọng khác.
1.4.8. Tự đánh giá và thích nghi
Thông thường các hệ thống kiến trúc được đánh giá là điều ưu tiên để hoạt
động hiệu quả trong một điều kiện chuẩn. Trong mạng cảm nhận không dây, có
thể không chắc chắn về các điều kiện hoạt động bề mặt để triển khai. Dưới
những điều kiện như vậy, cần thiết phải có một loại thiết bị nội có khả năng tự học từ các cảm biến và thông số mà mạng thu được theo thời gian và sử dụng chúng để tiếp tục cải thiện hiệu suất. Ngoài ra, bên cạnh các điều kiện ưu tiên không chắc chắn, thì môi trường mà các mạng cảm nhận hoạt động có thể thay
đổi mạnh theo thời gian. Các giao thức WSN còn có thể thích ứng trong những
môi trường tích cực như vậy trong phương thức trực tuyến.
1.4.9. Thiết kế hệ thống
Như ta đã thấy, các mạng cảm nhận không dây có thể là các ứng dụng phức tạp cụ thể. Đó là bài toán cân bằng các yếu tố chưa biết trước, có thể áp dụng sâu, tiệm cận với việc khai thác các đặc tính của các ứng dụng cụ thể để thu được
hiệu suất và tính mềm dẻo, dễ dàng thực hiện phương thức thiết kế. Trong khi
việc đánh giá là rất quan trọng đưa ra một tài nguyên khắt khe với mạng cảm nhận không dây, phương thức thiết kế hệ thống, cho phép dừng, điều chỉnh, đáp ứng theo thời gian là cần thiết cho các điều kiện thực tế.
1.4.10 An ninh và bảo mật
Ơ một bề mặt rộng, thông thường và nhạy cảm của thông tin thu đuợc bởi WSN làm tăng lên số lượng các chìa khoá cuối cùng của bài toán để bảo đảm an ninh và bảo mật.
Chương 2.
TRIỂN KHAI MẠNG
2.1. Tổng quan
Vấn đề triển khai của mạng cảm nhận không dây có thể được khái quát như sau: Với mỗi ứng dụng cụ thể, một miền hoạt động và một bộ thiết bị cảm nhận không dây, đặt các nút như thế nào và ở đâu?
Mạng triển khai phải giữ được hai phần khách quan: truyền tin và kết nối.
Truyền tin gắn liền với bản chất của ứng dụng cụ thể của thông tin thu nhận được từ môi trường bởi các thiết bị cảm nhận mạng. Kết nối gắn liền với topo mạng qua đó lộ trình của thông tin được sắp xếp. Các phát sinh khác, như giá vật liệu
thiết bị, giới hạn năng lượng, và nhu cầu về sức mạnh cũng có thể kể đến.
Một số câu hỏi cơ bản khi xem xét việc triển khai mạng cảm nhận không dây:
- Triển khai kết cấu hay ngẫu nhiên: Mạng bao gồm sắp xếp cấu trúc nhân tạo hay thông qua các nút robot tự động hay triển khai ngẫu nhiên một cách rời rạc?
- Triển khai toàn cục hay triển khai dần: Để có thể chống lại các nút gây
lỗi và suy yếu năng lượng, mạng cảm nhận được triển khai ưu tiên với các nút dư thừa hoặc có thể thêm hoặc thay thế dần khi cần thiết. Trong
dạng này, chu trình ngủ đòi hỏi mở rộng thời gian sống của mạng.
- Topo mạng: Topo mạng có thể là topo dạng sao đơn giản, hoặc dạng
lưới hoặc mạng lưới bước nhảy tuỳ ý hay cụm thứ bậc 2 mức. Cách kết nối nào được chọn lựa?
- Triển khai đồng bộ với không đồng bộ: Tất cả các nút cảm biến đều cùng thuộc một loại hay có sự trộn lẫn giữa các thiết bị dung lượng lớn và nhỏ? Trong trường hợp không đồng bộ có thể là các thiết bị gateway/sink phức tạp. (Các nodes mà sensor của nó truyền thông tin thông qua người sử dụng bên ngoài có thể truy cập vào mạng cảm
- Kiểu dáng hình học: Đâu là loại thông tin cảm biến lấy từ môi trường và đo chúng ra sao? Có thể là nền tảng của việc dò tìm và khả năng cảnh báo lỗi hoặc cũng có thể mỗi sự kiện có thể được cảm nhận bởi nodes K
xác định…
2.2. Triển khai một cách có cấu trúc hay triển khai ngẫu nhiên
Việc triển khai ngẫu nhiên tiến gần tới những ứng dụng cho tương lai cho một vùng rộng lớn, tại đó các nodes được rải từ trên không hoặc cố định trên bề mặt trước khi được nhúng vào một hệ thống thông minh. Tuy nhiên rất nhiều WSN nhỏ và trung bình cần được triển khai theo cách có cấu trúc thông qua việc sắp xếp một cách cẩn thận bằng tay của các node mạng. Trong cả hai trường hợp, giá thành và sự sẵn sàng của thiết bị mang ý nghĩa bắt buộc.
Ta có thể minh họa thông qua việc xem xét đặc điểm phương pháp luận của
một sắp xếp cấu trúc:
- Đặt thiết bị sink/gateway ở vị trí có thể cung cấp được các mạng có dây
và các kết nối năng lượng cần thiết.
- Đặt các node sensor ưu tiên tại các vùng hoạt động mà cần các sensor
đo.
- Nếu cần thiết, thêm vào một số node để cung cấp các kết nối mạng cần
thiết.
Bước tiếp theo có thể gặp khó khăn nếu không rõ ràng vị trí các sensor đo,
trong trường hợp này, một cách sắp đặt đồng dạng (grid-like) có thể được lựa
chọn. Thêm các node để đảm bảo việc kết nối mạng không dây cũng có thể đáng
lưu tâm, đặc biệt khi có các vị trí bắt buộc trong môi trường đã cho, nó quyết định vị trí đặt các node. Nếu số node sẵn sàng là nhỏ so với kích thước vùng hoạt
động và đòi hỏi đưa thông tin, một cân bằng sẽ được lập giữa các node được chỉ
định để đo và các node được dùng để kết nối routing.
Sensor triển khai ngẫu nhiên có thể còn gặp khó khăn hơn trong một vài
khía cạnh, vì nó không có cách để cấu hình vị trí chính xác của thiết bị. Thêm các cơ chế triển khai tự cấu hình đòi hỏi phải đạt được việc truyền và các kết nối cần thiết. Trong trường hợp triển khai ngẫu nhiên một cách đồng dạng các thông số duy nhất có thể điều khiển tiền nghiệm là số lượng các node và một vài cài
đặt liên kết trên node đó, đó chính là khoảng truyền. Ngay cả khi không quan
tâm đến việc triển khai là ngẫu nhiên hay có cấu trúc thì tính chất kết nối của topo mạng vẫn có thể được điều chỉnh sau khi triển khai bởi điều chỉnh năng lượng truyền.
2.3. Topo mạng.
Mạng giao tiếp có thể được cấu hình thành các topo riêng khác.
Hình 3. Topo mạng
Các dạng topo triển khai:
a) Bước nhảy đơn kết nối dạng sao b) Dạng lưới đa bước nhảy phẳng c) Cấu trúc lưới
2.3.1. Single-hop dạng sao
Dạng topo WSN đơn giản nhất là dạng topo sao single-hop (hình a) Mỗi
node trong topo này giao tiếp với các phép đo của nó trực tiếp qua gateway. Do vậy các thiết kế là đơn giản. Tuy nhiên giới hạn và sức mạnh của mạng là nhỏ. Nếu trong một vùng lớn, các node có khoảng cách với gateway thì chất lượng
đường truyền là tồi.
2.3.2. Multi-hop dạng lưới và ô
Cho các vùng mạng lớn, multi-hop routing là cần thiết. Phụ thuộc vào cách đặt mà các node có thể hoạt động theo dạng lưới tuỳ ý như hình b hay cũng có thể hoạt động theo cấu trúc của ô vuông 2D như hình c.
2.3.3. Cụm (cluster) phân cấp 2 tầng
Kiểu kiến trúc thuyết phục nhất cho mạng WSN là dạng kiến trúc triển khai mà ở đó phần lớn các node ở trong một vùng địa lý sẽ thông báo cho các cluster đầu. Có một vài cách cấu trúc phân tầng được tiến hành. Cách tiếp cận này sẽ
đặc biệt thuyết phục trong cài đặt không đồng nhất khi node cluster đầu mạnh
hơn trong giới hạn của khả năng tính toán/khả năng giao tiếp. Tiện ích của cách
tiếp cận phân tầng cluster chính là phân tích tự nhiên ở một vùng rộng lớn trong
các vùng tách rời mà dữ liệu được xử lý, việc kết hợp có thể được tiến hành một
cách cục bộ. Mỗi một cluster có thể giao tiếp theo cả single-hop và multi-hop.
Khi dữ liệu truyền tới cluster đầu, nó có thể được dẫn đường để qua tầng mạng
thứ 2, được cấu tạo bởi các cluster đầu đến các cluster đầu khác hoặc gateway.
Tầng mạng thứ 2 có thể sử dụng một băng tần sóng radio lớn hơn thậm chí cũng
có thể là một loại mạng có kết nối dây nếu các node của tầng thứ 2 có thể kết nối
tất cả thành một cơ sở hạ tầng có dây nối. Có một mạng có kết nối dây cho tầng
thứ 2 là liên kết dễ nhất cho dạng kết cấu nhưng không phải cho dạng triển khai
ngẫu nhiên cho các vị trí từ xa. Trong triển khai ngẫu nhiên, có thể không thiết
kế một vài cluster đầu, có thể xác định bởi một vài xử lý của việc tự tuyển chọn.
2.4. Kết nối trong dạng sơ đồ ngẫu nhiên
Đặc tính của việc kết nối (và truyền tin) của triển khai ngẫu nhiên có thể được phân tích tốt nhất khi sử dụng lý thuyết sơ đồ ngẫu nhiên RGT( random
Một sơ đồ ngẫu nhiên mẫu là hệ thống miêu tả của một vài thí nghiệm ngẫu nhiên. Các mẫu này thường chứa các thông số điều chỉnh để thay đổi mật độ
trung bình của sơ đồ kiểu cấu trúc ngẫu nhiên. Sơ đồ ngẫu nhiên Bernoulli G(n,
p), nghiên cứu trong RGT truyền thống được hoạt động bởi đặt các đỉnh n và đặt
các cạnh một cách ngẫu nhiên giữa các cặp đỉnh không phụ thuộc vào xác suất p.
Một sơ đồ mẫu ngẫu nhiên giới thiệu một cách chặt chẽ hơn về mạng multi-hop không dây là sơ đồ hình học ngẫu nhiên G(n, R). Trong sơ đồ hình
học ngẫu nhiên G(n, R), n node được đặt ngẫu nhiên với những phân bố đồng dạng trong một vùng kích thước đơn vị hình vuông( tổng quát hơn là hình lập phương cạnh d). Có một cạnh (u, v) giữa mỗi cặp node u và v bất kỳ nếu khoảng cách Euclid giữa chúng là nhỏ hơn R.
Hỡnh 4. Minh hoạ sơ đồ hỡnh học ngẫu nhiờn thưa thớt ( hỡnh a- với R nhỏ) và dày đặc ( hỡnh b- với R lớn)
Hình 4 minh hoạ G(n, R) cho n= 40 tại 2 giá trị R khác nhau. Khi R nhỏ,
mỗi node chỉ có thể kết nối tới các node khác trong một khoảng ngắn. Và sơ đồ kết quả là thưa thớt. Mặt khác, với R lớn sẽ cho phép đường dẫn và kết quả của mật độ kết nối dài hơn.
So sánh với sơ đồ ngẫu nhiên Bernoulli, sơ đồ hình học ngẫu nhiên G(n, R)
cần các kỹ thuật phân tích khác. Đó là bởi vì sơ đồ hình học ngẫu nhiên không