Chia ra làm 2 loại ứng dựng theo mô hình: Hệ thống điểm - điểm dùng định tuyến tĩnh và hệ thống phức tạp dùng giao thức định tuyến động. Sự hội tụ của Internet, thông tin vô tuyến và kĩ thuật thông tin đã tạo cho công nghệ cảm biến sự phát triển đầy tiềm năng. Phần cứng WSN, đặc biệt là các vi xử lí giá thành thấp, cảm biến nhỏ gọn, phần thu phát vô tuyến tiêu thụ công suất thấp trở thành các tiêu chuẩn chung. Mạng cảm biến thông thường hoạt động ở tần số 900MHz (868-và 915-MHz), hệ thống thương mại (IEEE 802.11b hay
28 IEEE 802.5.4) trong dãy tần 2.4-GHz.
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu về WSN đã đạt được những bước phát triển mạnh mẽ các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất …
1.4.1. Các ứng dụng về môi trƣờng
Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất,núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt…. Một số ứng dụng quan trọng như:
- Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng: Bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một mạng Ad hoc được tạo nên một cách tự phát, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được. Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang học. Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất có hiệu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ hàng tháng và hàng năm. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập được truyền multi-hop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.
- Cảnh báo lũ lụt: Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai ở Mỹ. Hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm.
- Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: Các cảm biến về độ rung
đặt rải rác ở mặt đất các cảm biến hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện
29
1.4.2. Các ứng dụng trong y học
Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: Trong tương lai, các nút cảm biến có thể được gắn vào cơ thể như dưới da, đo các thông số của máu để phát hiện sớm các bệnh như ung thư. Nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn. Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h. Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật. Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị.
1.4.3. Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.
1.4.4. Trong công nghiệp
Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: Giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ hàng hóa. Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời kì lưu trữ và bảo quản. Trong mỗi lần kiểm kê, một truy vấn tới kho lưu trữ dưới dạng bản tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời truy vấn đó để bộc lộ các đặc điểm của chúng. Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút. Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm. Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, sensor sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo. Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn. Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container ở cảng. Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm biến và có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác. Tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất quán. Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và
30
container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database).
1.4.5.Trong nông nghiệp
Ứng dụng trong trồng trọt: Các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp.
Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát .
1.4.6. Trong quân sự
Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống chỉ huy tự động C4ISRT (chỉ huy, kiểm soát, thông tin liên lạc, máy tính, tình báo, giám sát và trinh sát) vì nó có các đặc tính triển khai nhanh, tự cấu hình, và chịu lỗi. Các ứng dụng của mạng cảm biến trong quân sự như là giám sát quân đội, giám sát trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, quân địch, dò tấn công bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch.
1.4.7. Trong giao thông
Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc được gắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau và với đường và các biển báo giúp các phương tiện đi an toàn, tránh tai nạn giao thông, điều khiển luồng tốt hơn.
1.5. Kết luận chƣơng 1
Chương này, tác giả đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường... Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến.
31
CHƢƠNG 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1. Giới thiệu
Mạng không dây có khả năng ứng dụng rộng rãi trong giám sát và điều khiển như hình 2.1.
Hình 2.1. Các ứng dụng trong mạng WSN
Giao tiếp đơn giản nhất là trao đổi trực tiếp từ các nút đến trạm trung tâm được gọi là liên kết dựa trên truyền một chặng (Single-hop). Tuy nhiên, khi thực hiện liên kết theo kiểu truyền một chặng như vậy thì có một vấn đề nảy sinh đó là suy giảm năng lượng nhanh chóng của các nút khi các nút ở cách xa trạm trung tâm, do đó làm cho thời gian sống của mạng giảm đi. Để giải quyết nhược điểm này, dữ liệu trao đổi giữa các nút đến trạm trung tâm được truyền đa chặng (Multi-hop). Các liên kết đa chặng có thể mở rộng khoảng cách giữa các nút đến trạm trung tâm và đưa ra một đường đi hợp lý hơn. Phương pháp này tiết kiệm hiệu quả năng lượng và giảm đáng kể can nhiễu giữa các nút 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 trên hình 2.2. Khi một nút phát đi một gói dữ liệu đến các nút khác thì các nút này sẽ gửi lại cho nút đó một thông tin trả lời là đã nhận được và gói tin này được truyền qua nhiều chặng thông qua các nút trung gian để đến trạm trung tâm.
32
Hình 2.2: Mô hình truyền dữ liệu đa chặng
Trong truyền Multi-hop, các nút trung gian tham gia vào quá trình chuyển tiếp các gói tin từ nguồn đến đích. Xác định các nút trung gian phải đi qua là nhiệm vụ của thuật toán định tuyến. Cùng với những đặc tính của WSN như tiết kiệm năng lượng và băng thông hạn chế cùng với những vấn đề như thỏa mãn yêu cầu lưu lượng và kéo dài thời gian sống của mạng thì thuật toán định tuyến càng trở lên cần thiết hơn.
Để thực hiện chức năng định tuyến, lớp mạng sử dụng một giao thức định tuyến và một thuật toán định tuyến. Giao thức định tuyến là cơ chế mà các nút sử dụng để trao đổi thông tin mạng. Thuật toán định tuyến phụ trách việc tìm kiếm con đường tốt nhất có thể từ nguồn đến đích. Một khi các giao thức và thuật toán định tuyến được chạy thì mỗi nút trong mạng đều phải có một bảng định tuyến, cho biết nút nào là nút hàng xóm hợp lý nhất đề chuyển tiếp gói tin đến được đích bằng con đường tốt nhất có thể. Bảng định tuyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào thay đổi xảy ra trong mạng để có được thông tin định tuyến hiện tại chính xác.
Trong mạng cảm biến không dây, năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu, 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. Do đó, khi thiết kế các giao thức và thuật toán định tuyến phải đặc biệt chú ý các khía cạnh sau đây: [4]
+ Đơn giản: Các thuật toán định tuyến phải được đơn giản hóa để thực hiện và phải có ít tính toán phức tạp. Bình thường, các chức năng tối ưu hóa phức tạp được tránh trong WSN cho khả năng tính toán hạn chế của các nút. Mặc dù các thuật toán tối ưu hóa multiple objective vẫn tồn tại nhưng các thuật toán tối ưu hóa single metric vẫn thường được áp dụng.
33
+ Năng lượng hiệu quả: Giao thức định tuyến phải được thiết kế sao cho số lượng thông tin định tuyến trao đổi là tối thiểu.
+ Khả năng mở rộng: Giao thức và thuật toán định tuyến phải được mở rộng với số nút. Điều này là rất quan trọng cho những ứng dụng cần một số lượng rất lớn các nút. Trong những trường hợp này, sự phức tạp của thuật toán và chi phí cho giao thức định tuyến không nên tăng theo số nút. Khả năng mở rộng cũng được kết hợp với việc sử dụng các thông tin định tuyến địa phương hoặc toàn cục. Thông thường, chức năng định tuyến khi sử dụng thông tin địa phương có khả năng mở rộng hơn khi sử dụng thông tin toàn cục, đặc biệt là trong các triển khai lớn.
2.2 Các giao thức định tuyến trong WSN
Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến là một thách thức khó khăn đòi hỏi phải cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng và hiệu quả. Sự cân bằng này yêu cầu sự cần thiết thích hợp khả năng tính toán và truyền dẫn của các nút cảm biến ngược với mào đầu yêu cầu thích ứng với điều kiện này. Trong mạng cảm biến không dây, mào đầu được đo chính là lượng băng thông được sử dụng, tiêu thụ công suất và yêu cầu xử lý của các nút di động. Việc tìm ra chiến lược cân bằng giữa sự cạnh tranh này cần thiết tạo ra một nền tảng chiến lược định tuyến.
Việc thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải xem xét giới hạn về công suất và tài nguyên của mỗi nút mạng, chất lượng thay đổi theo thời gian của các kênh vô tuyến và khả năng mất gói và trễ. Nhằm vào các yêu cầu thiết kế này một số các chiến lược định tuyến trong mạng cảm biến được đưa ra. Theo [40] định tuyến trong WSN có thể được chia thành:
- Loại thứ nhất giao thức phân tuyến thông qua kiến trúc phẳng (hay còn gọi là giao thức phân tuyến ngang hàng ) trong đó các nút có vai trò như nhau. Kiến trúc phẳng có một vài lợi ích bao gồm số lượng mào đầu tối thiểu để duy trì cơ sở hạ tầng, và có khả năng khám phá ra nhiều đường giữa các nút truyền dẫn để chống lại lỗi và tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng như nhau.
- Loại thứ hai là phân cấp theo cụm, lợi dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định, sự mở rộng. Trong loại giao thức này
34
các nút mạng tự tổ chức thành các cụm trong đó một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác và đóng vai trò là nút chủ. Nút chủ thực hiện phối hợp hoạt động trong cụm và chuyển tiếp thông tin giữa các cụm với nhau. Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng.
- Loại giao thức phân tuyến thứ ba là giao thức phân tuyến dựa theo vị trí tùy thuộc vào cấu trúc mạng. Trong đó vị trí của các nút cảm biến được sử dụng để phân tuyến số liệu
Một giao thức phân tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lượng khả dụng. Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thức phân tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các giao thức phân tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích. Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu cầu. Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên. Khi các nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức phân tuyến theo bảng hơn là với các giao thức tương tác. Một lượng công suất đáng kể được sử dụng để tìm đường và thiết lập các giao thức tương tác. Một số giao thức khác dựa vào định thời và thông tin vị trí. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn phân tuyến). Việc phân loại và so sánh các giao thức phân tuyến trong WSN được chỉ ra trong hình 2.3
35
Hình 2.3. Phân loại giao thức định tuyến [40]
Trong chương này sẽ trình bày ba loại giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến phẳng (Flat Routing), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location based protocol) được sử dụng nhiều trong mạng cảm biến ngày nay.
2.2.1 Giao thức định tuyến phẳng (Flat Routing)
Các loại giao thức định tuyến đầu tiên là giao thức định tuyến phẳng (ngang hàng). Trong giao thức định tuyến ngang hàng các nút có vai trò như nhau và các nút cảm biến cộng tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến. Do số lượng các nút lớn lên, nó không khả thi để chỉ định một định dạng toàn cầu cho mỗi nút. Điều này xem xét đã dẫn đến trung tâm dữ liệu phân tuyến nơi mà những BS (các nút cơ sở) gửi truy vấn đến một số vùng và chờ đợi dữ liệu từ vị