NỘI

TRƯỜNG

ĐẠI

HỌC

CÔNG

NGHỆ
HỒ ĐỨC ÁI NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC HỆ THỐNG
TIÊU THỤ ÍT NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG SENSOR

LUẬN

HỌ
C
QUỐ
C
GIA

HÀ

NỘI

TRƯỜNG

ĐẠI

HỌC

CÔNG

NGHỆ
HỒ ĐỨC ÁI
NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC HỆ THỐNG
TIÊU THỤ ÍT NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG SENSOR
HÀ NỘI - 2011

1 MỤC LỤC

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3
MỞ ĐẦU 5
Chương 1- GIỚI THIỆU CHUNG 6
1.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG WLAN
[24]
6
1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WSN) VÀ ỨNG DỤNG 6
1.2.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 6
1.2.2 Công nghệ phát triển mạng
[10]
6
1.2.3 Ứng dụng của WSN
[5], [8]
7
1.3 CHUẨN 802.11 CHO MẠNG WLAN
[24]
7
1.4 CÁC CHUẨN KHÁC CÓ THỂ ÁP DỤNG CHO WLAN
[20]
8
1.4.1 Giới thiệu về chuẩn 802.15 8
1.4.2 Phân loại mạng WPAN theo chuẩn 802.15 8

3.1.1 Giới thiệu
[8]
14
3.1.2 Kiến trúc phân tầng trong mạng sensor
[7], [17]
15
3.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG CỦA NÚT SENSOR
[7],

[8], [17]
16
3.2.1 Các thành phần của nút sensor 16
2

3.2.2 Một số ví dụ về nút sensor 17
3.3. SỰ TIÊU TỐN NĂNG LƯỢNG CỦA NÚT SENSOR
[8]
17
3.3.1 Tiêu thụ năng lượng của vi điều khiển 19
3.3.2 Bộ nhớ 19
3.3.3 Bộ thu phát vô tuyến “Radio” 19
3.3.4 Mối quan hệ giữa tính toán và truyền thông 19
3.3.5 Công suất tiêu thụ của các cảm biến 19
Chương 4- CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG WSN . 19
4.1 GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN 19
4.1.1 Các phương pháp định tuyến tối ưu về năng lượng 20
4.1.2 Một số giao giao thức định tuyến 20
4.2 GIẢI PHÁP TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG TRUYỀN DẪN 21
4.2.1 Giới thiệu 21
4.2.2 Một số giao thức MAC 21

AODV
Ad-hoc On-Demand Distance Vector
APS
Application Provided Sublayer
BPSK
Binary Phase Shift Keying
CAP
Contention Access Period
CFP
Contention Free Period
CH
Cluster Head
CN
Common Node
CPU
Central Processing Unit
CSMA/CA
Carier Sense Multiple Access / Collision
Avoidance
CSMA/CD
Carier Sense Multiple Access / Collision
Detection
CTS
Clear To Send
D/A
Digital/Analog
DSDV
Destination-Sequenced Distance Vector
DSR
Dynamic Source Routing

Minimum Hop
NAM
Network Animator
NF
Noise Figure
NS-2
Network Simulator version 2
O-QPSK
Offset Quadrature Phase Shift Keying
PA
Power Available
PDA
Personal Digital Assistant
PEGASIS
Power-Efficient GAthering in Sensor
Information Systems
PHY
Physical
PSDU
PHY Service Data Unit
QoS
Quality of Service
RAM
Random Access Memory
REQ
ReQuest
RF
Radio Frequency
RFD
Reduced Function Device

Wireless Personal Area Network
WSN
Wireless Sensor Network
WWAN
Wireless Wide Area Network
ZDO
Zero Differential Overlap
ZMAC
Zebra MAC 5

MỞ ĐẦU

Khái niệm mạng cảm biến không dây – WSN (tiếng Anh) có thể được
giải thích dựa trên một phương trình đơn giản như sau:
Sensors + CPU + Radio => Hàng ngàn ứng dụng tiềm năng
Trong đó sensor là bộ cảm biến, có chức năng cảm nhận một hoặc một
số đại lượng đặc trưng cho môi trường tại vị trí đặt sensor hoặc xung quanh
nó, rồi biến đổi thành tín hiệu điện và gửi cho CPU. CPU thường là một vi
xử lý chuyên dụng, đơn giản, rẻ tiền, tiêu thụ ít năng lượng: có chức năng
nhận dữ liệu (tín hiệu) chủ yếu từ sensor, xử lý và quyết định việc gửi dữ liệu
đã xử lý tới đơn vị radio (đơn vị thu phát vô tuyến) để truyền đi.
Hầu hết các nút cảm biến đều sử dụng nguồn pin, bị hạn chế về năng
lượng trong khi yêu cầu về thời gian sống của nút cao có thể hàng năm, do
đó việc nghiên cứu, khám phá vấn đề tiêu thụ năng lượng cho WSN được ưu
tiên hàng đầu. Với tầm quan trọng của năng lượng trong WSN nên việc
“Nghiên cứu kiến trúc hệ thống tiêu thụ ít năng lượng cho mạng sensor” là
hết sức cần thiết. Trong khuôn khổ luận văn này tôi tập trung nghiên cứu, tìm

tốc độ cao trong các hộ gia đình và trở thành phương thức dễ nhất để cho
phép nhiều máy tính chia sẻ một đường truy cập băng rộng. Sau đó tiếp tục
ra đời các chuẩn như 802.11g, 802.11n…
1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WSN) VÀ ỨNG DỤNG
1.2.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây - WSN bao gồm một tập hợp các thiết bị
cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang
học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán. Mạng này có
thể liên kết trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông
qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ
tinh. Các nút sensor không dây có thể được triển khai cho các mục đích
chuyên dụng như giám sát môi trường, sức khỏe, theo dõi mục tiêu, dò tìm
đối tượng Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong
bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm mà con người khó
tiếp cận.
1.2.2 Công nghệ phát triển mạng
[10]

Việc phát triển mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ mạng
MANET và được thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ
công nghệ.
Mạng MANET
Mạng MANET là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, được
triển khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng,
thuận tiện như để tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên
trong một cuộc họp.
Công nghệ
Công nghệ điện tử phát triển rất mạnh mẽ trong mấy thập kỷ qua đã
chế tạo ra các thiết bị điện tử rất nhỏ, giá rẻ với công suất thấp và phân hóa

tuy nhiên vẫn không có ứng dụng nào trong số các ứng dụng đó có thể được
phân loại là một ứng dụng điển hình. Việc thiếu các tiêu chuẩn, chi phí cao
của các nút cảm biến và các nguồn lực hạn chế về bộ nhớ, năng lượng và
năng lực xử lý của các nút cảm biến giới hạn việc sử dụng rộng rãi của các
ứng dụng WSN. Ngoài ra để xây dựng các ứng dụng với WSN cho một lĩnh
vực cụ thể thường sẽ cần đến các chuyên gia của lĩnh vực cụ thể khác nhau
để làm việc cùng nhau trong một nhóm. Ví dụ, thiết kế hệ thống thủy lợi
thông minh sẽ đòi hỏi các kỹ sư thủy lợi, kỹ sư nông nghiệp cùng với các kỹ
sư điện cùng cộng tác để xây dựng hệ thống.
1.3 CHUẨN 802.11 CHO MẠNG WLAN
[24]

WLAN là một loại mạng cục bộ - LAN nhưng việc kết nối giữa các
thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như trong mạng LAN
thông thường, môi trường truyền thông của các thành phần trong mạng là
không khí. Các thành phần trong mạng sử dụng sóng điện từ để truyền thông
với nhau qua môi trường này. Trong phần này ta sẽ nghiên cứu các hiện
tượng đặc trưng của mạng WLAN là hiện tượng “trạm ẩn”, “trạm lộ”, dẫn
8

đến không thể sử dụng giao thức CSMA/CD cho mạng LAN có dây thông
thường. Giao thức CSMA/CA được sử dụng trong mạng WLAN.
Giao thức CSMA/CA
Vì môi trường truyền sóng vô tuyến là môi trường dùng chung nên
WLAN phải áp dụng các cơ chế để ngăn chặn hiện tượng xung đột giống
như trong mạng LAN có dây. WLAN đã sử dụng giao thức CSMA/CA
(Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance) để tránh xung đột.
CSMA/CA cũng có nhiều điểm tương tự như CSMA/CD được dùng trong
mạng LAN có dây. Điểm khác biệt lớn nhất giữa CSMA/CA và CSMA/CD
là CSMA/CA tránh xung đột và có sử dụng cơ chế biên nhận - ACK để xác

Hình 1.1 là mối quan hệ chuẩn IEEE 802.15.4 và Zigbee Alliance
trong các lớp kiến trúc mạng không dây Zigbee. Những lớp này tạo nên đặc
điểm nổi bật của Zigbee như giá thành thấp, công suất thấp, tin cậy trong
truyền dữ liệu và dữ dàng lắp đặt.
9

Dùng các thông số của IEEE 802.15.4, Zigbee tập trung vào thiết kế
liên quan đến lớp mạng, bảo mật và lớp ứng dụng; cung cấp các thông số cho
khả năng tương thích.
Hình 1.1 Mô hình tham chiếu 802.15.4 và Zigbee
- Lớp ứng dụng: Gồm lớp phụ APS, lớp đối tượng thiết bị Zigbee
(ZDO) và các đối tượng ứng dụng được định nghĩa bởi nhà sản xuất.
- Lớp bảo mật gồm các dịch vụ bảo mật cơ bản theo mô hình bảo mật
IEEE 802.15.4, đảm bảo sự an toàn dữ liệu và hạ tầng mạng.
- Lớp mạng cung cấp các chức năng đòi hỏi sự định hình mạng và phát
hiện thiết bị, liên kết hay phân chia, quản lý cấu hình, quản lý lớp MAC, định
tuyến và an ninh. Ba topo mạng là: hình sao, hình lưới, hình cây.
- Sau đây ta tìm hiểu sâu hơn về Lớp vật lý và lớp MAC.
a) Lớp vật lý (PHY)
Theo IEEE 802.15.4, đường truyền không dây có thể hoạt động ở 3
khoảng tần số chính thức sau: 868 MHz, 902-928MHz và 2.4 GHz. Dựa trên
các dải tần đó, tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dạng lớp vật lý.
Bảng 1.1 Kênh truyền và tần số
Tần số trung tâm
(MHz)
Số lượng kênh
(N)
Kênh
Tần số kênh trung
tâm (MHz)

RFD (Reduced Function Device.
- FFD là thiết bị có chức năng đầy đủ được trang bị nguồn cung cấp và
bộ nhớ đủ cho tất cả các chức năng xử lý trong mạng, nó có khả năng giao
tiếp với mọi thiết bị trong mạng và còn có khả năng giao tiếp với thiết bị bên
ngoài mạng.
- RFD là thiết bị đơn giản, chỉ bao gồm giao diện vật lý đáp ứng tiêu
chuẩn lớp MAC IEEE 802.15.4 với khả năng xử lý hạn chế, công suất tiêu
thụ thấp.
Một FFD có thể làm việc với nhiều FFD và RFD, trong khi đó một
RFD chỉ làm việc với một FFD.
Cấu trúc siêu khung “Super Frame”
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một cấu trúc siêu khung theo tùy
chọn. Định dạng của siêu khung do PAN coordinator quy định. Hình 1.4 bắt
đầu bằng beacon và được chia thành 16 khe. Khe đầu tiên dùng để phát
beacon. Mục đích chính của trường beacon là dùng để đồng bộ các thiết bị
tham gia vào mạng, xác nhận PAN, mô tả cấu trúc siêu khung. Các khe còn
lại được dùng bởi các “competing device” trong thời kỳ truy cập tranh chấp -
CAP.
1.5 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG WSN
[7], [10]

11

1.5.1 Tài nguyên phần cứng và khả năng xử lý
Số lượng các bộ điều khiển độc lập, khả năng của chúng, sự tinh vi của
liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều
so với các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến hay bộ truyền
động (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều
khiển đơn.
1.5.2 Kích thước vật lý nhỏ, giá thành rẻ, chủ yếu dùng nguồn pin

mạng sensor.
- Nghiên cứu tìm hiểu về kiến trúc của mạng sensor và sự tiêu tốn
năng lượng của nó.
12

- Nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho WSN.
- Đánh giá, đề xuất cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho WSN.

Chương 2- MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 GIỚI THIỆU
Hiện nay có khá nhiều công cụ mô phỏng mạng nói chung và mạng
cảm biến không dây nói riêng, để có cách nhìn nhận và đánh giá tổng quan
về các công cụ mô phỏng ta đi tìm hiểu một số công cụ mô phỏng và đánh
giá ưu nhược điểm của các công cụ. Các công cụ thường được sử dụng hiện
nay như NS-2, Mannasim, OMNet++, Castalia, MIXIM, OPNet, TOSSIM
2.1.1 OPNET
[12]

OPNET là phần mềm mô phỏng thương mại của Opnet Technologies,
Inc. Nó cũng có bản miễn phí dành cho nghiên cứu, nó có giao diện đồ họa
cho cấu hình kịch bản và phát triển mô hình mạng. Mã nguồn dựa trên
C/C++, có nhiều chức năng cho phép phân tích và vẽ biểu đồ dữ liệu ra.
Opnet không hỗ trợ nhiều cho việc mô phỏng mạng WSN, chẳng hạn như
vấn đề năng lượng. Vậy nên sử dụng OPNET là không thích hợp cho việc
mô phỏng WSN.
2.1.2 TOSSIM
[12]

Một điển hình của các bộ mô phỏng WSN là TOSSIM, một phần của

đó là MANASIM. MANASIM là mô đun được viết thêm vào NS-2 để phục
vụ cho mô phỏng WSN, nó sẽ trình bày chi tiết tại mục 2.2.
Thông qua nghiên cứu, tìm hiểu, cài đặt thử nghiệm khá nhiều công cụ
để mô phỏng mạng WSN phục vụ nghiên cứu của luận văn, tôi thấy 2 công
cụ Castalia và MANASIM đáp ứng tốt nhất cho mô phỏng WSN. Mặc dù
vậy việc cài đặt và sử dụng MANASIM cũng gặp khá nhiều khó khăn, tốt
khá nhiều thời gian. Tôi đã lựa chọn bộ công cụ NS2 + Mannasim để mô
phỏng đánh giá các kết quả trình bày trong Chương 5 của luận văn này.
2.2 NS-2 VÀ MÔ-ĐUN MỞ RỘNG MANNASIM
2.2.1 NS-2
[2], [21]

Giới thiệu NS-2
NS-2 là chương trình mô phỏng mạng theo phương pháp mô phỏng
các sự kiện rời rạc. NS-2 hỗ trợ mô phỏng mạng có dây và không dây, các
giao thức giao vận TCP, UDP, các giao thức truyền thông điểm-đa điểm và
các giao thức định tuyến khác nhau v.v. NS-2 được viết bằng C++ và ngôn
ngữ hướng đối tượng Tcl (Otcl: object-oriented tool command language).
So với các phần mềm mô phỏng mạng khác, NS-2 có những ưu thế
sau:
- NS-2 có mã nguồn mở miễn phí, liên tục được bổ sung và hoàn thiện.
- Có cộng đồng người sử dụng rất đông đảo, chủ yếu thuộc các trường
đại học trên thế giới.
- NS-2 có kiến trúc mở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng
- NS-2 được phát triển từ các phần mềm nổi tiếng trên thế giới như
REAL, NEST nên nó có những điểm mạnh và đã khắc phục được những yếu
điểm của các phần mềm này.
- NS-2 hỗ trợ các tính năng cơ bản của mạng IP, từ đó có thể phát triển
thêm các phần tử mạng.
- NS-2 có cấu trúc module, thuận tiện cho việc nghiên cứu và phát


Chương 3- KIẾN TRÚC HỆ THỐNG WSN

3.1 KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
3.1.1 Giới thiệu
[8]

a) Hình trạng mạng
Do đặc điểm và ứng dụng của mạng WSN nên Tô pô của mạng cảm
biến không dây thường được sử dụng với 2 dạng đó là: dạng ngang hàng và
dạng hình sao, cụm.
- Dạng ngang hàng
- Dạng hình sao
b) Giao thức của mạng
[16]

- Giao thức tầng Giao vận: UDP, TCP.
- Giao thức tầng mạng: Thuộc giao thức của MANET như: AODV,
DSR, DSDV, TORA; Một số giao thức triển khai riêng cho WSN như: SPIN,
Rumor, LEACH, PEGASIS,… Có thể phân loại giao thức tầng mạng thành 3
nhóm đó là: Data-centric, Hierarchical, Location-based.
- Giáo thức tầng MAC: MAC 802.11, MAC 802.15.4, SMAC, BMAC,
TMAC, ZMAC…
c) Các kịch bản mạng WSN
15

- Một hệ thống mạng WSN gồm các thành phần cơ bản như sau:
+ Source
+ Sink (Base Station)
+ Access Point:

vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một vài nút cảm biến thực
hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng.
Những khối quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút cảm biến có thể làm
việc cùng với nhau để có hiệu quả về năng lượng, có thể định tuyến số liệu
trong một mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm
biến. Nếu không, mỗi nút cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ mà thôi.
3.2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG CỦA NÚT SENSOR
[7],

[8], [17]

3.2.1 Các thành phần của nút sensor
Khi lựa chọn các thành phần phần cứng cho một nút cảm biến không
dây, yêu cầu của ứng dụng đóng vai trò quyết định, chủ yếu là vấn đề kích
thước, chi phí, và tiêu thụ năng lượng của các nút, đảm bảo chất lượng truyền
thông và tính toán là chấp nhận được, nhưng sự đánh đổi giữa tính năng và
chi phí là rất quan trọng. Trong một số trường hợp, một nút cảm biến nhỏ
hơn 1 cc, nặng ít hơn 100g, có thể rẻ hơn hơn 1 USD, và tiêu thụ năng lượng
dưới 100 μW. Trong tương lai thậm chí kích thước các nút giảm xuống bằng
hạt bụi. Trong nhiều ứng dụng thực tế, kích thước của một nút không phải là
quá quan trọng, và sự thuận tiện, tiết kiệm năng lượng và chi phí quan trọng
hơn.
Hình 3.3 Tổng quan về các thành phần phần cứng chính
a) Bộ điều khiển
17

Bộ điều khiển là cốt lõi của một nút cảm biến không dây. Nó thu thập
dữ liệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu, quyết định khi nào gửi/nhận dữ liệu
từ/đến các nút cảm biến khác, nó là đơn vị xử lý trung tâm (CPU) của nút.
Bộ nhớ

3.2.2 Một số ví dụ về nút sensor
Họ Mica Motes
Nút EYES
Btnodes
3.3. SỰ TIÊU TỐN NĂNG LƯỢNG CỦA NÚT SENSOR
[8]

18

Để giảm điện năng tiêu thụ của các thành phần này, cần thực hiện từ
cấp độ chip và công nghệ sử dụng cho các lớp thấp trong kiến trúc nút mạng:
Thiết kế chip năng lượng thấp nhất là điểm khởi đầu cho hiệu quả năng
lượng nút cảm biến. Nhưng đây chỉ là một giải pháp.
Hình 3.5 Năng lượng tiết kiệm và năng lượng vô ích đối với trạng thái ngủ
Đối với một bộ điều khiển, các trạng thái điển hình là hoạt động
“Active”, nhàn rỗi “Idle”, và ngủ “Sleep”, điều này sẽ làm giảm năng lượng
tiêu thụ của nó, tuy nhiên việc chuyển giữa các trạng thái cũng làm tiêu tốn
năng lượng và tăng độ trễ.
Hình 3.5 minh họa quá trình chuyển trạng thái và sự ảnh hưởng năng
lượng và thời gian trễ. Tại thời điểm t1, quyết định có hay không một thành
phần chuyển sang chế độ chế độ ngủ, để giảm điện năng tiêu thụ từ P
active

sang P
sleep
.
Nếu không chuyển sang chế độ ngủ, giả sử sự kiện tiếp theo xảy ra tại
thời điểm t
event
, thì tổng năng lượng của E

+ P
sleep
) / 2 + (t
event
- t
1
- τ
down
) * P
sleep

(3.2)
Như vậy năng lượng tiết kiệm là:
E
saved
= (t
event
- t
1
) * P
active
- (τ
down
*(P
active
+ P
sleep
) / 2 + (t
event
- t

saved
> E
overhead
, điều
này có được khi t
event
– t
1
đủ lớn, ta có công thức sau:

3.3.1 Tiêu thụ năng lượng của vi điều khiển
Các vi điều khiển được thiết kế thường hỗ trợ nhiều trạng thái hoạt
động khác nhau và có thể dễ dàng điều khiển được.
3.3.2 Bộ nhớ
Về bộ nhớ thường có hai loại bộ nhớ đó là trong vi điều khiểu “on-
chip” và ngoài vi điều khiển “off-chip”, trong thực tế off-chip ít khi được sử
dụng. Nếu là on-chip thì đã tính toán chi phí năng lượng trong phần vi điều
khiển. Nếu là off-chip “RAM” thì các thông số như số lần đọc – ghi sẽ ảnh
hưởng đến sự tiêu tốn năng lượng, mức độ tiêu tốn phụ thuộc vào nhiều yếu
tố và nó cũng tương tự như bộ nhớ FLASH của máy tính cá nhân.
3.3.3 Bộ thu phát vô tuyến “Radio”
Một bộ thu phát vô tuyến có hai nhiệm vụ: truyền và nhận dữ liệu giữa
một cặp nút. Tương tự như vi điều khiển, radio có thể hoạt động trong các
chế độ khác nhau, chẳng hạn bật hoặc tắt. Để thích ứng với tiết kiệm năng
lượng thì radio thường cho chuyển sang chế độ ngủ, chỉ hoạt động khi cần
thiết - chúng làm việc với chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) thấp. Nhưng điều
này phải trả giá bằng độ trễ thời gian và năng lượng vô ích.
Quá trình tiêu thụ năng lượng của radio và mô hình tiêu thụ năng
lượng của hai chức năng truyền và nhận:
a) Tiêu thụ năng lượng trong quá trình truyền:

E(PA=2) A(PA=3)


6
=3 D(PA=4) 
2
=2

F(PA=5) 
5
=4 B(PA=3)

7
=2 
8
=3

10
=3
Source 
9
=3 C(PA=3) Hình 4.1 Hiệu quả năng lượng trong định tuyến
Trong đó, Source là nút nguồn cảm biến mục tiêu. Nó có bốn đường
có thể liên lạc với bộ thu nhận đặt tại BS (Base Station) như sau :
Với PA là mức năng lượng hiện tại của nguồn nuôi tại một nút
(Available Power) và 
i

số liệu, mà cụ thể là ở tầng MAC.
4.2.1 Giới thiệu
Do năng lượng hạn chế, nên yêu cầu đối với giao thức MAC cho mạng
Sensor là phải có chiến lược bảo tồn nguồn năng lượng, quản lý di động và
khắc phục được những sai hỏng. Có hai kiểu “phân bổ cố định” (Fixed
Allocation) và truy nhập ngẫu nhiên (Random Access) trong truy nhập môi
trường truyền dẫn đã được đề xuất. Việc bảo tồn nguồn năng lượng có thể
đạt được bằng việc sử dụng các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng và
dùng giới hạn thời gian trong các bản tin báo nhận.
4.2.2 Một số giao thức MAC
Bao gồm khá nhiều giao thức như SMACS, SMAC, TMAC, ZMAC
[9], MAC 802.15.4… Sau đây ta tìm hiểu một số giao thức:
a) SMACS và thuật toán EAR
[8]
: giao thức SMACS (Self-
oganization MAC for Sensor network) hoàn thành việc khởi động mạng và tổ
chức lớp liên kết (Network Start-up and Link-layer Organization) còn thuật
toán EAR cho phép kết nối liền mạch (Seamless Connection) giữa các nút di
động trong mạng Sensor. SMACS là một giao thức xây dựng cơ sở hạ tầng
phân tán cho phép các nút có thể phát hiện ra các nút lân cận của chúng và
thiết lập các tiến trình truyền / nhận thông tin mà không cần tới bất kì nút chủ
(master) toàn cục hay cục bộ nào.
b) SMAC (Sensor MAC)
[18]

S-MAC là một trong những giao thức MAC đầu tiên được thiết kế cho
các mạng cảm biến. Ý tưởng cơ bản SMAC là rất đơn giản - các nút tạo ra
một lịch trình ngủ cho bản thân để xác định thời gian nào ở trạng thái thức
active (thường là 1 - 10% của khung) và thời gian nào ở trạng thái ngủ. Các
nút lân cận không nhất thiết phải đồng bộ hóa lịch trình ngủ, mặc dù điều này

suất từ môi trường đủ cho vận hành không thể đảm bảo ở tất cả thời gian. Do
đó người thiết kế phải chọn một mức độ tin cậy dựa trên các kiểu nguồn năng
lượng sạch khác nhau và thiết kế node mạng phù hợp với yêu cầu.
4.4 GIẢI PHÁP ĐỐI VỚI KIẾN TRÚC HỆ THỐNG NÚT
SENSOR
Tư tưởng cốt lõi của giải pháp này là việc thiết kế nút sensor tiết kiệm
năng lượng bằng cách sử dụng các công nghệ tiết kiệm năng lượng, tối ưu
hóa việc sử dụng năng lượng, thiết kế nhiều chế độ hoạt động với mức năng
lượng tiêu tốn khác nhau. Đây là giải pháp trực tiếp để tiết kiệm năng lượng
ngay trên từng nút sensor.
Mark Hempstead cùng cộng sự ở Đại học Havard
[11]
đã thiết kế kiến
trúc nút mạng cảm biến tiêu thụ ít năng lượng với ý tưởng chính đặt ra là ứng
dụng theo sự kiện và tối ưu hóa các thiết kế phần cứng để đạt được mức tiêu
thụ năng lượng không quá 100µW là mức công suất có thể thu nhận được từ
môi trường xung quanh của một nút mạng. Hình 4.5 mô tả chi tiết thiết kế.
23

- Hoạt động của nút: có 2 hoạt động cơ bản đó là: Cảm nhận và truyền,
Nhận và chuyển tiếp.
Hình 4.5 Kiến trúc nút sensor tiêu thụ ít năng lượng
- Hoạt động Cảm nhận và truyền:
Bước 1: Khởi tạo nút: vi điều khiển sẽ chịu trách nhiệm khởi tạo nút,
sau khi khởi tạo nút thì bộ xử lý sự kiện “Event Processor”, bộ đếm “Timer”,
bộ nhớ “Memory” bật.
Bước 2: Bật bộ cảm biến “Sensor” và bộ xử lý thông điệp “Message
Processor”, bộ xử lý sự kiện sẽ điều khiển cảm biến dữ liệu, chuyển nó sang
bộ xử lý thông điệp, tắt Sensor.
Bước 3: Tiếp theo bật khối radio và chuyển thông điệp sang khối