3. Các định tuyến chính hay đƣợc dùng trong mạng WSN[5],[11]
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.