Phan Viết Thời, D2001VT
1
Mục lục
Mục lục .................................................................................................................. 1
Thuật ngữ viết tắt ................................................................................................... 4
Lời nói đầu ............................................................................................................. 6
Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor ................................................. 7
1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây ........................................................ 7
1.2. Nền tảng phát triển mạng ........................................................................... 7
1.2.1. Mạng Ad hoc không dây ..................................................................... 7
1.2.2. Nền tảng công nghệ .......................................................................... 10
1.3. Mô tả hệ thống.......................................................................................... 12
1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát .................................................................. 12
1.3.2. Hệ thống WISENET .......................................................................... 13
1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng ................................................................... 17
1.4.1. Lớp ứng dụng .................................................................................... 18
1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor ...................................................................... 18
1.6. ứng dụng của mạng Sensor ...................................................................... 27
1.6.1. ứng dụng trong quân sự..................................................................... 27
1.6.2. ứng dụng về môi trờng .................................................................... 29
1.6.3. ứng dụng trong y tế ........................................................................... 30
1.6.4. ứng dụng trong gia đình .................................................................... 30
1.6.5. Các ứng dụng thơng mại khác ......................................................... 31
Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor ........................................ 33
2.1. Tính đặc thù của mạng ............................................................................. 33
2.1.1. Hạn chế phần cứng ............................................................................ 33
2.1.2. Môi trờng hoạt động ........................................................................ 34
2.1.3. Môi trờng truyền dẫn ....................................................................... 35
2.2. Sự tiêu thụ năng lợng .............................................................................. 36
2.2.1. Năng lợng cho nhiệm vụ cảm biến .................................................. 37
Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT
2.3.3.3. Cảnh báo "Low Battery" ....................................................................... 53
2.3.4. Tận dụng các nguồn năng lợng trong tự nhiên ................................ 54
2.3.1.1. Tế bào quang điện ................................................................................. 55
2.3.1.2. Các nguồn năng lợng khác ................................................................. 56
Chơng III : Phần mềm mô phỏng năng lợng cho mạng Wireless Sensor ........ 57
3.1. Mô hình hoá mô phỏng ............................................................................ 57
3.1. Mô hình nguồn năng lợng ...................................................................... 57
3.3. Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor ............................. 58
3.3.1. Phần mềm NS-2 ................................................................................. 58
3.3.2. Cơ sở phát triển mô phỏng mạng Sensor trên nền NS-2 .................... 61
3.3.3. Các định dạng mới trong NS-2 .......................................................... 62
3.3.4. Thay đổi trong NS-2 .......................................................................... 64
3.4. Thiết lập mã lập trình mô phỏng .............................................................. 66
3.4.1. Thiết lập kênh hiện tợng và kênh dữ liệu ........................................ 66
3.4.2. Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon ...................... 66
4.2.3. Tốc độ giảm năng lợng khi mật độ mạng không đổi ...................... 78
Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT
3
4.2. Đánh giá ................................................................................................... 79
Kết luận ............................................................................................................... 80
Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 81
Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT
4
Thuật ngữ viết tắt
Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
ADC Analogue/Digital converter Bộ chuyển đổi tơng tự / số
AODV Ad Hoc On-Demand Distance-
Vector
Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng
theo yêu cầu tạm thời
API Application program interface Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng
ARC Adaptive transmitssion rate
control
Điều khiển tốc độ truyền dẫn thích ứng
ARQ automatic repeat request Cơ chế sửa lỗi bằng yêu cầu lặp lại tự
động
MH Minimum hop Số bớc nhảy cực tiểu
NAM Network AniMator Mô tả mạng bằng hình ảnh động
NS-2 Network Simulator version 2 Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2
Otcl Object-oriented tool command
language
Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hớng
đối tợng
PA Power available Mức năng lợng hiện tại
Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT
5
QoS Quality of service Chất lợng dịch vụ
REQ Request message Bản tin yêu cầu
RERR Route error packet Gói báo lỗi tuyến
RREP Route reply packet Gói đáp ứng yêu cầu tuyến
RREQ Route request packet Gói yêu cầu tuyến
RS-232 Serial Radio Link - 232 Liên kết vô tuyến nối tiếp theo chuẩn
RS-232
SAR Sequential assignment routing Định tuyến chỉ định liên tục
SMECN Small minimum energy
communication network
Mạng truyền thông với năng lợng cực
tiểu loại nhỏ
SMACS Self Organizing MAC for
Sensor network
Giao thức MAC tự tổ chức cho mạng
sensor
SMP Sensor management protocol Giao thức quản lý sensor
SPIN Sensor protocols for
WISENET WIreless SEnsor NETwork Hệ thống mạng sensor không dây
WISENET
WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây
WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây
Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT
6
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công
nghệ vi mạch điện tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều
ứng dụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất kỳ điều kiện
và vùng địa lý nào. Có nhiều phơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông
tin trong đó mạng Wireless Sensor hiện đang đợc dùng phổ biến trên thế giới và đang
dần xâm nhập vào nớc ta.
Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng Wireless Sensor nh vấn đề năng lợng, vấn đề
đồng bộ sensor, vấn đề mở rộng mạng... Năng lợng luôn là yếu tố quan trọng của tất
cả các loại mạng. Với mạng Wireless Sensor do tính đặc thù của mạng là hạn chế về
phần cứng và ứng dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lợng càng trở lên
quan trọng.
Trớc thực tế này, đợc sự định hớng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng,
phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật
Bu Điện, em đã chọn đề tài đồ án: Vấn đề năng lợng trong mạng Wireless Sensor
và đánh giá bằng mô phỏng.
Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng lợng trong mạng
Wireless Sensor, từ đó đa ra các giải pháp tiết kiệm năng lợng trong mạng và tận
dụng các nguồn năng lợng sạch trong tự nhiên.
Đồ án gồm 4 chơng:
1 - Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor
2 - Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor
trờng mạng công cộng nh Internet hay vệ tinh. Các nút Sensor không dây có thể
đợc triển khai cho các mục đích chuyên dụng nh giám sát và an ninh; kiểm tra môi
trờng; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y
tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu nh trong bất kì loại hình
địa lý nào kể cả các môi trờng nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây
truyền thống đợc.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng
mới cho con ngời. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến
hoàn toàn có thể gắn trong một kích thớc rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một
môi trờng dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không
dây ngày nay, ngời ta đã có thể khám phá nhiều hiện tợng rất khó thấy trớc đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh
các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở
các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trờng sinh vật phức tạp...
1.2. Nền tảng phát triển mạng
Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc không dây và
đợc thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ công nghệ.
1.2.1. Mạng Ad hoc không dây
Mạng Ad hoc không dây là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, đợc triển
khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện nh để
tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp,.v.v. Mạng
Ad hoc không cần các thành phần cơ sở hạ tầng nh tổng đài, trạm thu phát gốc hay
bất kì một trung tâm điều khiển nào. Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc đợc
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phan Viết Thời, D2001VT
8
liên kết động với nhau một cách tuỳ ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài.
cầu, cung cấp nhiều tuyến tới một đích, thiết lập tuyến nhanh và giảm tới mức tối thiểu
phần phụ tải (overhead) bằng thuật toán khoanh vùng chống lại các thay đổi về hình
trạng mạng có thể sảy ra. Việc tối u định tuyến (tìm đờng ngắn nhất) đợc coi là thứ
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phan Viết Thời, D2001VT
9
yếu và việc định tuyến với các đờng dài hơn đợc sử dụng thờng xuyên để tránh
phần phụ tải khi tìm đờng mới.
Hoạt động của giao thức TORA đợc hình dung giống nh đa nớc chảy dốc xuống
qua một mạng các đờng ống và hớng tới một điểm đích. Các đờng ống mô tả các
liên kết giữa các nút mạng, các điểm nối các đờng ống này mô tả các nút mạng và
nớc chảy trong các ống mô tả các gói tin đợc định tuyến hớng tới đích. Mỗi nút có
một độ cao so với đích đợc tình toán bởi giao thức định tuyến và độ cao giảm dần trên
tuyến, nhờ vậy có thể chuyển gói tin một cách tuần tự để tới đích.
c) Giao thức định tuyến nguồn động
Điểm cơ bản của giao thức định tuyến nguồn động ( Dynamic Source Routing - DSR)
là việc sử dụng định tuyến nguồn. Tức là, nơi gửi nhận biết đợc hoàn toàn tuyến
đờng gồm các liên kết dẫn tới đích. Các tuyến đờng này đợc lu trong bộ nhớ định
tuyến (Route Cache). Các gói dữ liệu mang theo thông tin định tuyến nguồn trong tiêu
đề gói. Khi một nút trong mạng Ad hoc muốn gửi một gói tin tới một đích mà nó cha
nhận biết đợc tuyến đờng, nó sẽ sử dụng một tiến trình tìm đờng (Route Discovery)
để xác định một tuyến. Tiến trình tìm đờng sẽ gửi tràn lan vào trong mạng các gói yêu
cầu tuyến (Route Request-RREQ). Mỗi nút nhận đợc RREQ lại tiếp tục quảng bá nó,
trừ khi nút đó là nút đích hoặc có một tuyến tới đích đợc lu trong bộ nhớ định tuyến.
Các nút này trả lời các gói RREQ bằng các gói hồi âm định tuyến (Route Reply-
RREP). Các gói này đợc định tuyến trở lại nguồn. Các gói RREQ và RREP cũng
đợc định tuyến theo nguồn. Các gói RREQ lập lên một tuyến xuyên qua mạng. Gói
RREP định tuyến trở lại nguồn bằng cách đi ngợc trở lại theo tuyến đờng này.
trong lĩnh vực vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thu
thập dữ liệu. Việc sử dụng các bộ vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phát
vô tuyến và các thiết bị cảm biến tơng tự, số khác nhau cho phép một mạng các thiết
bị cảm biến không dây hoạt động bằng nguồn acquy có thể thu thập dữ liệu về môi
trờng trong phạm vi lớn. Dữ liệu này có thể đợc tải đến một máy tính và đợc lu
trong cơ sở dữ liệu. Sau đó, có thể đợc phân tích thông qua một phần mềm ứng dụng.
Kết quả có thể đợc truy xuất trực tiếp hoặc bởi một trình duyệt Web chuẩn ở bất cứ
đâu trên Internet. Các mạng Sensor ngày nay có những cải tiến đáng kể so với các
Sensor truyền thống theo hai hớng:
- Các Sensor có thể đặt ở xa hiện tợng tức là các thông tin về hiện tợng có đợc
nhờ năng lực cảm biến và phân tích. Theo hớng này, yêu cầu các Sensor lớn sử dụng
một số kỹ thuật phức tạp để nhận biết đợc các đích từ các tạp âm môi trờng ở khoảng
cách xa.
- Nhiều Sensor chủ yếu chỉ hoạt động cảm biến đợc triển khai. Vị trí các Sensor và
hình trạng thông tin đợc tính toán cẩn thận. Chúng đợc liên kết thành một mạng để
truyền thông tin về các diễn biến của hiện tợng đợc thăm dò tới các nút trung tâm,
nơi tiếp nhận và xử lý dữ liệu.
Một mạng Sensor bao gồm một số lợng lớn các nút đợc triển khai dày đặc bên
trong đối tợng cần thăm dò hoặc ở rất gần nó. Vị trí của các Sensor phải không cần
định trớc. Điều này cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận
hoặc trong các hoạt động tránh sự nguy hiểm. Điều này cũng có nghĩa là các thuật toán
và giao thức phải có khả năng tự tổ chức. Một đặc trng nữa của mạng Sensor là khả
năng cộng tác của các Sensor. Các Nút Sensor phải có bộ xử lý gắn trong. Thay vì
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phan Viết Thời, D2001VT
11
chuyển các dữ liệu thô đến các nút có nhiệm vụ xử lý, các nút Sensor sẽ sử dụng khả
năng tính toán của nó để thực hiện các xử lý đơn giản và chỉ chuyển đi các dữ liệu
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phan Viết Thời, D2001VT
12
Một hạn chế quan trọng nhất của các nút Sensor là yêu cầu phải tối thiểu công suất
tiêu thụ. Các nút Sensor chỉ tích trữ đợc nguồn năng lợng hạn chế và không đợc
thay thế. Vì vậy, trong khi các mạng truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất
lợng dịch vụ (QoS) cao thì các giao thức trong mạng Sensor phải chú trọng đến sự bảo
tồn nguồn năng lợng. Ngời sử dụng phải chọn giữa tuổi thọ của mạng với hạn chế về
thông lợng hay độ trễ truyền dẫn lớn.
1.3. Mô tả hệ thống
1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát
Các nút Sensor đợc triển khai trong một trờng Sensor (Sensor field) đợc minh họa
trên hình 1.1. Mỗi nút Sensor đợc phát tán có khả năng thu thập thông số liệu, định
tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới ngời dùng (User) và định tuyến các
bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor. Số liệu đợc định
tuyến về phía bộ thu nhận (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng
nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát
gốc hay các trung tâm điều khiển, nh trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực
tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của ngời dùng hoặc gián tiếp thông qua
Internet hay vệ tinh (Satellite). Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút Sensor
Một nút Sensor đợc tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ
thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút Sensor còn có thể có các
thành phần bổ xung nh hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lợng và thiết bị di động. Các
thành phần trong một nút Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.2. Bộ cảm biến thờng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Sensor
Thiết bị xử lý
Bộ thu phát
Hệ thống tìm vị trí Thiết bị di động
ADC
Thiết bị nhớ
Bộ cảm biến Bộ xử lý
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phan Viết Thời, D2001VT
14
chuyển tới một máy chủ và đợc lu trong một cơ sở dữ liệu. Một chơng trình Web sẽ
nhận dữ liệu phân tích và hiển thị trên trình duyệt Web.
Mỗi hạt Sensor đợc tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến, các
phần tử cảm biến môi trờng và nguồn nuôi. Một hệ điều hành thời gian thực đợc gọi
là TinyOS (Tiny Operation System) đợc sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà
vẫn cung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạt động tập trung
đồng thời.
b) Sơ đồ hệ thống WISENET
Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data Analysis
Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần chính là
trạm chủ (Server), trạm ngời dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor mote
network).
Hình 1.3; Sơ đồ hệ thống WISENET
Các hệ thống con chính là:
chuyển vào cơ sở dữ liệu. Nh vậy, cơ sở dữ liệu SQL là cầu nối giữa hai hệ thống thu
nhận và xử lý số liệu. Vì cơ sở dữ liệu SQL liên lạc thông qua TCP/IP nên chỉ trạm chủ
HTTP và chơng trình Web cần phải đợc đặt trong cùng một tổ chức vật lý. Trạm chủ
HTTP, cơ sở dữ liệu SQL, wiseDB có thể đặt trong các tổ chức vật lý khác nhau và kết
nối thông qua Internet. Trình tự hoạt động của Server đợc tóm tắt nh sau:
Hình 1.4: Trình tự hoạt động của Server
Mạng các hạt Sensor: Mạng các Sensor là thành phần trọng tâm của hệ thống. Các
Sensor đảm nhận việc thu thập số liệu môi trờng và chuyển các số liệu này đến trạm
chủ. Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về số liệu hay tải chơng
trình mới. Có hai phần tử thuộc thành phần này. Thứ nhất là các hạt thông thờng
(Standard mote). Các hạt này có nhiệm thu thập các thông tin cảm biến từ môi trờng,
bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến gateway. Chúng
truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz và đảm
Kiểm tra
các tham
số điều
kiện hợp
lệ.
Nhận số liệu
từ cơ sở dữ
liệu, tuỳ
theo ràng
buộc của
trạm khách
Tạo
trang
Web với
dữ liệu
đã đợc
số (ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điều hành TinyOS,
phần mềm) đợc tích hợp trên vi mạch CC1010.
- Phần mềm hệ thống (drivers) giao tiếp RS-232 (chỉ trong gateway), bộ thu phát vô
tuyến và antent.
-Bộ nguồn nuôi (gồm acquy, mạch giám sát nguồn).
c) Các tiêu chuẩn đợc áp dụng
* Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP).
* Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc (SQL).
* Liên kết vô tuyến nối tiếp RS-232.
* Liên kết nối tiếp vi điều khiển (I2C).
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phan Viết Thời, D2001VT
17
* Quy định FCC (dải tần công nghiệp, khoa học, y tế ISM).
1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng
Ngăn xếp giao thức đợc sử dụng trong bộ thu nhận (nút Sink) và tất cả các nút
Sensor đợc minh họa trong hình 1.6.
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lợng, kết hợp
số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lợng thông qua môi
trờng không dây và tăng cờng sự hợp tác giữa các nút Sensor. Ngăn xếp giao thức
bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng
(Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt
bằng quản lý năng lợng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động
(Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management
Plane).
Hình 1.6: Ngăn xếp giao thức mạng Sensor
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể đợc xây dựng và
Sensor sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng
Sensor, sẽ hiệu quả hơn nếu các nút Sensor có thể hoạt động hợp tác với nhau, nh thế
cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
1.4.1. Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng Sensor đợc vạch rõ và đợc đề xuất, các
giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng Sensor vẫn còn là một vùng rộng lớn
cha đợc khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng
quan trọng là giao thức quản lý Sensor (Sensor Management Protocol-SMP), giao thức
phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu (Task Assignment and Data Advertisement
Protocol-TADAP), giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu (Sensor Query and
Data Dissemination Protocol-SQDDP), rất cần thiết cho mạng Sensor trên cơ sở những
sơ đồ đợc đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng
Sensor. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính
mở.
1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor
Việc thiết kế một giao thức quản lý lớp ứng dụng có nhiều thuận lợi. Mạng Sensor có
nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau và việc truy nhập đến các Sensor thông qua các
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phan Viết Thời, D2001VT
19
mạng nh Internet đợc định hớng trong một số các dự án hiện nay. Một giao thức
quản lý lớp ứng dụng làm cho phần cứng và phần mềm của các lớp thấp trở lên trong
suốt với các ứng dụng quản lý mạng Sensor. Tức là, việc sử dụng các phần cứng và
phần mềm nào cho lớp thấp không ảnh hởng tới hoạt động của các ứng dụng quản lý
mạng Sensor.
Các nhà quản trị hệ thống tác động tới mạng Sensor nhờ sử dụng SMP. Không nh
nhiều mạng khác, mạng Sensor bao gồm các nút không có các số nhận dạng ID
(IDentify ) toàn cục và chúng thờng không có cơ sở hạ tầng mạng. Vì thế SMP cần
phản hồi truy vấn và thu thập phản hồi gửi tới. Cần lu ý rằng hầu hết các truy vấn
không đợc đa ra cho từng nút riêng. Thay vào đó, việc đặt tên thuộc tính cơ sở và vị
trí cơ sở đợc sử dụng nhiều hơn. Ví dụ: vị trí của những nút mà cảm biến đợc nhiệt
độ cao hơn 70 độ F là một truy vấn thuộc tính cơ sở. Tơng tự nh vậy, nhiệt độ đọc
ra bởi những nút trong vùng A là một ví dụ đặt tên vị trí cơ sở.
Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ Sensor (Sensor Query And Tasking Language-
SQTL) là một ứng dụng cung cấp một tập hợp lớn dịch vụ. SQTL hỗ trợ ba loại sự kiện
đợc định nghĩa bằng từ khóa receive, every and expire. Từ khóa receive định nghĩa
các sự kiện đợc tạo ra bởi nút Sensor khi nút Sensor nhận đợc một bản tin
(Message); từ khóa Every định nghĩa các sự kiện xảy ra định kỳ theo một bộ định thời
gian (Timer), từ khóa Expire định nghĩa các sự kiện xảy ra khi một bộ định thời gian
không còn hiệu lực. Nếu một nút Sensor nhận đợc một thông báo dành cho nó và bao
gồm một đoạn mã lệnh, nút Sensor sẽ thực hiện đoạn lệnh đó. Ngoài SQTL, các loại
SQDDP khác có thể phát triển cho những ứng dụng khác nhau. Các SQDDP có thể
đợc sử dụng duy nhất cho từng ứng dụng.
1.4.2 Lớp giao vận
Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các nút Sensor có
báo cáo cần chuyển tới nút thu nhận (Sink) và nút ngời sử dụng. Lớp giao vận đặc biệt
cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên
ngoài khác. Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn cha phù hợp với đặc trng
của môi trờng mạng Sensor hiện nay. Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ
các nút Sensor trực tiếp đến nút quản lý của ngời sử dụng là không hiệu quả. Phơng
pháp phân tách TCP là cần thiết để mạng Sensor tơng tác với các mạng khác ví dụ nh
Internet. Trong phơng pháp này, kết nối TCP đợc sử dụng để liên lạc giữa nút quản
lý của ngời sử dụng và nút thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với
môi trờng mạng Sensor đợc sử dụng cho truyền thông giữa nút thu nhận và các nút
Sensor. Kết quả là truyền thông giữa nút ngời sử dụng và nút thu nhận có thể sử dụng
giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh. Mặt khác, việc truyền thông
giữa nút thu nhận và các nút Sensor chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu nh UDP,
bởi vì các nút Sensor có bộ nhớ hạn chế.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phan Viết Thời, D2001VT
22
Các giao thức Mô tả giao thức
SMECN Tạo một lợc đồ con của mạng Sensor gồm đờng ME
Tràn
Quảng bá số liệu tới tất cả các nút lân cận mà không quan tâm
đến việc chúng đã nhận nó hay cha
Dây truyền Gửi số liệu tới một nút lân cận đợc lựa chọn ngẫu nhiên
Chỉ gửi các số liệu tới các nút Sensor nếu chúng đợc yêu cầu;
có 3 loại bản tin : ADV, REQ và DATA
SPIN
SAR Tạo nhánh nhiều nhánh cây với gốc của mỗi nhánh cây là một
bớc tới nút lân cận từ nút Sink; chọn một cây cho số liệu để
định tuyến trở lại bộ nhận theo tài nguyên năng lợng và việc đo
QoS bù.
LEACH Tạo các cụm (Cluster) để tối thiểu hóa tiêu thụ năng lợng
Truyền tin có
định hớng
Thiết lập các chỉ hớng cho số liệu từ nguồn tới nút Sink trong
quá trình phổ biến sự quan tâm
Bảng 1.1: Tổng quan về lớp mạng
xác định trớc
Thích hợp với lu
lợng liên tục và cung
cấp hạn chế trễ
Không hiệu quả
với lu lợng cao
Dựa trên
nhu cầu
Tuỳ thuộc vào nhu
cầu hay yêu cầu của
ngời dùng
Hữu ích đối với tốc
độ biến đổi và lu
lợng đa phơng tiện
Làm tăng phụ tải
(Overhead) và trễ
do tiến trình đăng
kí trớc tài nguyên
Truy nhập
ngẫu nhiên
(dựa trên cạnh
tranh)
Tranh dành kênh khi
cần chuyển gói
Phù hợp với lu
lợng cao
Không hiệu quả
với lu lợng nhạy
cảm với trễ
Bảng 1.2: Phân loại giao thức MAC
mức công xuất phát P
out
. Giả sử một phơng pháp mã hoá với tỷ lệ R đợc sử dụng.
Nếu tốc độ truyền kí hiệu số liệu đợc giữ không đổi so với trớc khi mã hoá thì tốc độ
truyền kí hiệu tổng phải tăng đến R
s
/ R. Ngoài ra, nếu công suất truyền dẫn không đổi
thì năng lợng thu đợc trên một kí hiệu giảm đến RE
s
. BER đo đợc ở đầu vào bộ giải
mã, BER của tín hiệu cha đợc xử lý, lớn hơn BER của tín hiệu sau giải mã. Điều này
có đợc nhờ bộ giải mã bằng cách khai thác phần d thừa và cầu trúc của bộ mã để
hiệu chỉnh một số lỗi đờng truyền. Trong thực tế, một mã sửa lỗi tốt đợc đánh giá
qua mức độ giảm BER và độ lợi chung. Độ lợi mã đợc đánh giá bằng công suất phát
thêm vào cần thiết trong trờng hợp không dùng mã sửa lỗi để đạt đợc cùng BER của
tín hiệu sau giải mã.
Việc truyền thông số liệu một cách tin cậy có thể đợc cung cấp bằng cách tăng công
xuất phát ra (P
out
) hoặc sử dụng cơ chế FEC phù hợp. Vì một nút Sensor có nguồn năng
lợng giới hạn nên việc tăng công suất phát là không khả thi. Do đó, phải tập trung vào
FEC vì FEC có thể giảm đáng kể BER với bất kì giá trị P
out
đợc cho. Tuy nhiên, cũng
phải tính đến công suất xử lý tăng thêm do mã hoá và giải mã. Công suất xử lý này gây
bất lợi do giới hạn nguồn năng lợng của các nút Sensor. Điều này rất quan trọng đối
với mạng Sensor mặc dù có thể không đáng kể với các mạng không dây khác. Nếu
công xuất xử lý phát sinh này lớn hơn độ lợi mã hoá thì cả quá trình này là không hiệu
quả về năng lợng và hệ thống chẳng cần phải mã hoá sửa lỗi. Mặt khác, FEC là rất
quan trọng với mạng Sensor nếu tổng công suất mã hoá và giải mã nhỏ hơn công suất
cố hữu và khai thác chúng một cách triệt để. Vi dụ, truyền thông qua nhiều bớc nhảy
trong mạng Sensor có thể vợt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy
hao đờng truyền nếu mật độ nút mạng đủ lớn. Tơng tự, trong khi suy hao đờng
truyền và dung lợng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng
lại tần số theo không gian.
Việc lựa chọn phơng thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin cậy
trong truyền thông của mạng Sensor. Các phơng pháp điều chế cơ hai và cơ số M
đợc so sánh trong [36]. Trong khi một phơng pháp điều chế cơ số M có thể giảm có
thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm
tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô tuyến. Với điều kiện công suất
khởi kích (đợc giới thiệu trong phần 2.1.8) vợt trội thì phơng pháp điều chế cơ số
hai có hiệu quả về năng lợng hơn. Vì thế, phơng pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi với
các hệ thống có công suất khởi kích thấp.
Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (Impulse
Radio-IR) từng đợc sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đo
khoảng cách, gần đây đợc chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạng
không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên không cần các tần số
mang hoặc trung tần. Thông thờng, điều chế vị trí xung đợc sử dụng. Ưu điểm chính
của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với hiên tợng phát đa đờng. Việc sử
dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích
hợp với các mạng Sensor.
1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor
1.5.1. Kích thớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp
Trong bất kỳ hớng phát triển công nghệ nào, kích thớc và công suất tiêu thụ luôn
chi phối khả năng xử lý, lu trữ và tơng tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các
phần cứng cho mạng Sensor phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với
Copyright: Tài liệu đại học ©