1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM MẠNH TOÀN

NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA MỘT SỐ
GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Vương Đạo Vy

Hà Nội - 2009
MỤC LỤC


2

Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng

6
7
8
9
11
11
11
12
14
17
19
19
19
19
19
19
20
20
20
21
21
21
21
22
22
25


3
2.3.3. Time out-MAC

41
41
41
41
42
42
42
43
44
45
45
45
47
48
48
48
49
50
51
53
53
55
60
61
62


4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT


Tiếng Việt
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Sẵn sàng nhận
Đa truy nhập phân chia theo
tần số
Yêu cầu gửi sớm
Điều khiển truy nhập đường
truyền
Yêu cầu gửi
Giao thức S-MAC
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Giao thức T-MAC
Mạng cảm biến không dây


5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Thông số tiêu thụ điện của nút cảm biến EYES
Bảng 4.2. Tiến trình mô phỏng giao thức CSMA
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng giao thức CSMA
Bảng 4.4. Tiến trình mô phỏng giao thức S-MAC
Bảng 4.5. Kết quả mô phỏng giao thức S-MAC
Bảng 4.6. Tiến trình mô phỏng giao thức T-MAC
Bảng 4.7. Kết quả mô phỏng giao thức T-MAC
Bảng 4.8. Tổng hợp kết quả mô phỏng


Trang
15
16
17
23
23
24
24
26
26
29
31
33
36
37
38


7
Hình 2.13. Thực hiện ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy
Hình 3.1. Các module đơn giản và kết hợp
Hình 3.2. Các kết nối
Hình 3.3. Truyền message
Hình 4.1. Nút cảm biến EYES
Hình 4.2. Ma trận 100 nút cảm biến phân bố đều nhau
Hình 4.3. Dòng điện tiêu thụ trung bình ứng với từng giao thức
thay đổi theo tốc độ phát sinh gói tin
Hình 4.4. So sánh T-MAC-oa với T-MAC-oa-frts

39

Ngoài bốn chương chính, bố cục luận văn còn có các phần mở đầu, kết luận
và tài liệu tham khảo. Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày trong các
chương, đánh giá các kết quả đã đạt được, đồng thời đưa ra các định hướng nghiên
cứu, phát triển tiếp theo. Nội dung các chương được tóm tắt như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, kiến trúc mạng
cảm biến, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến, một số vấn đề đặt ra
trong cơ chế điểu khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến.
Chương 2 trình bày nguyên nhân gây nên sự lãng phí năng lượng trong
mạng cảm biến không dây; nghiên cứu một số thủ tục điều khiển thâm nhập môi
trường điển hình trong mạng cảm biến không dây, các thủ tục đó bao gồm CSMA,
Sensor-MAC và Time out - MAC.
Chương 3 giới thiệu bộ chương trình mô phỏng đang được sử dụng rộng rãi
trong lĩnh vực viễn thông OMNet++. Luận văn sử dụng OMNet++ để mô phỏng
phương thức hoạt động của các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường ở trên.
Chương 4 thực hiện mô phỏng, ghi nhận kết quả và đánh giá hiệu quả sử
dụng năng lượng của các thủ tục CSMA, Sensor - MAC, Time out - MAC bằng bộ
chương trình OMNet++.
Mặc dù đã rất cố gắng, song luận văn còn những hạn chế nhất định, tác giả
rất mong nhận được những góp ý để vấn đề nghiên cứu này ngày càng được hoàn
thiện hơn. Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Vương Đạo Vy,
người thầy hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình thực hiện luận văn này,


9
xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã dạy và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập
tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.

Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Mạng cảm biến không dây


cảm biến phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy truyền thống.
Hơn nữa, năng lượng phục vụ truyền dữ liệu có thể để ở mức thấp, chủ yếu dành


11
cho các hoạt động chuyển đổi, xử lý. Truyền thông đa bước nhảy cũng khắc phục
có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa trong giao tiếp không dây.
Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là mức
độ tiêu thụ điện phải thấp. Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm biến là có
hạn và nói chung là không thể thay thế. Bởi vậy, trong khi các mạng truyền thống
tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những giao thức
mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng. Chúng phải có
những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ của mạng hay
thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao.
Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác
nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm
biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao quanh
đa dạng như:
 nhiệt độ,
 độ ẩm,
 sự chuyển động của phương tiện,
 điều kiện ánh sáng,
 sức ép,
 sự ô nhiễm,
 mức độ ồn,
 sự có mặt hoặc không những loại đối tượng nhất định,
 những đặc trưng hiện thời như tốc độ, hướng, và kích thước một đối
tượng.
Những nút cảm biến có thể được sử dụng cho cảm biến liên tục, phát hiện sự
kiện, định danh sự kiện, cảm biến vị trí, và điều khiển cục bộ thiết bị khởi động...

viện; giám sát từ xa dữ liệu vật lý của con người; kiểm tra và theo dõi bác sĩ và
bệnh nhân trong bệnh viện. Mỗi bệnh nhân có thể được gắn kết các nút cảm biến
nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ, một nút cảm biến xác định
nhịp tim, trong khi nút khác đang xác định huyết áp. Bác sĩ có thể cũng mang một
nút cảm biến cho phép những bác sĩ khác định vị bên trong phạm vi bệnh viện.
Việc những nút cảm biến có thể được gắn tới từng loại thuốc, những bệnh nhân có
nút cảm biến xác định những dị ứng của họ và yêu cầu thuốc tương ứng thì sẽ tránh
được việc chỉ định thuốc sai.


13
Trong lĩnh vực ứng dụng gia đình, khi công nghệ phát triển, những nút và
những thành phần phát sinh cảm biến nhỏ gọn có thể được trang bị bên trong
những đồ dùng gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, và thiết bị VCRs.
Những nút cảm biến này tương tác với nhau và với bên ngoài có thể nối mạng qua
Internet hoặc vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý từ xa thiết bị đồ dùng dễ dàng hơn.
Trong lĩnh vực thương mại, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc theo
dõi chất lượng sản phẩm; xây dựng văn phòng thông minh; điều khiển môi trường
trong những tòa nhà; điều khiển robot trong những nhà máy sản xuất tự động; sản
xuất đồ chơi tương tác; xây dựng bảo tàng tương tác; điều khiển tự động hóa; giám
sát thảm hoạ; điều khiển thiết bị khởi động; thiết bị chống mất cắp ô tô…Ví dụ
trong những tòa nhà văn phòng, điều hoà không khí và nhiệt độ hầu hết là điều
khiển tập trung, vì vậy nhiệt độ bên trong một phòng có thể giảm hoặc tăng một
vài độ, một mặt có thể ấm hơn mặt khác vì có duy nhất một điều khiển trong phòng
và luồng không khí từ hệ thống trung tâm thì không phải là phân tán bằng nhau.
Một hệ thống mạng cảm biến vô tuyến phân tán có thể được thiết đặt để điều khiển
luồng khí và nhiệt độ trong các bộ phận khác nhau của phòng. Công nghệ này được
đánh giá có thể giảm bớt đáng kể mức độ tiêu thụ điện năng.
Một ví dụ khác, trong tương lai trẻ em sẽ có khả năng tương tác trực tiếp với
những hiện vật trong bảo tàng. Những đối tượng, hiện vật này sẽ có thể trả lời, đáp

Kích thước yêu cầu đôi khi phải nhỏ hơn một 1cm3. Ngoài kích thước, nút cảm
biến phải thỏa mãn yêu cầu:
 Tiêu thụ điện cực nhỏ,
 Hoạt động được ở mật độ cao,
 Có chi phí sản xuất thấp và không thiết yếu,
 Không có định danh và thực hiện tự quản trị,
 Thích ứng với môi trường.


15
Những nút cảm biến thường là không tác động được, tuổi thọ của một mạng
cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của những nguồn cung cấp năng lượng cho những
nút. Vì kích thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến cũng trở thành một tài
nguyên khan hiếm.
1.1.3.2. Mạng cảm biến
Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến. Mỗi nút cảm
biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút gốc.
Việc chọn đường tới nút gốc theo đa bước nhảy được minh hoạ trong Hình 1.2.
Nút gốc có thể liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh.
Việc thiết kế mạng cảm biến như mô tả trong Hình 1.2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố
như khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng
cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất.

Hình 1.2. Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến
Kiến trúc giao thức [ 3 ] được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến ở
Hình 1.2 được trình bày trong Hình 1.3. Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công
suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất
hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc
giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng
dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.

tài nguyên giữa các nút cảm biến.


17

Lớp truyền tải
Lớp mạng
Lớp liên kết số
liệu

Phần quản lý nhiệm
vụ
Phần quản lý di
chuyển
Phần quản lý công
suất

Lớp ứng dụng

Lớp vật
lý
Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
1.2. Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC
Mạng cảm biến không dây là loại mạng đặc biệt với số lượng lớn nút cảm
biến được trang bị bộ vi xử lý, thành phần cảm biến và thành phần quản lý sóng vô
tuyến. Các nút cảm biến cộng tác với nhau để hoàn thành một nhiệm vụ chung.
Trong nhiều ứng dụng, các nút cảm biến sẽ được triển khai phi cấu trúc như mạng
ad hoc. Chúng phải tự tổ chức để hình thành một mạng không dây đa bước nhảy.
Thách thức chung trong mạng không dây là vấn đề xung đột do hai nút gửi dữ liệu
cùng lúc trên cùng kênh truyền. Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền

của tất cả các nút. Thứ hai, những nút thường được triển khai trong một kiểu cách
đặc biệt phi cấu trúc; chúng phải tự tổ chức hình thành một mạng truyền thông. Ba
là, nhiều ứng dụng cần phải sử dụng số lượng lớn những nút, và mật độ nút sẽ thay
đổi tại những địa điểm và thời gian khác nhau, với cả những mạng mật độ thưa lẫn
những nút với nhiều lân cận. Cuối cùng, đa số các lưu thông trong mạng được thúc
đẩy bởi những sự kiện cảm ứng, phân bố không đều và rất co cụm. Tất cả những
đặc trưng này cho thấy những giao thức MAC truyền thống không thích hợp cho
những mạng cảm biến không dây nếu không có những sự cải biến.

Chương 2 - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1. Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây
2.1.1. Tránh xung đột


19
Tính tránh xung đột (Collision Advoidance) [ 1, 2 ] là một yêu cầu cơ bản của
tất cả các giao thức MAC, nó xác định khi nào một nút có thể truy nhập đường
truyền và thực hiện trao đổi dữ liệu.
2.1.2. Hiệu quả năng lượng
Tính hiệu năng (Energy Efficiency) [ 1, 2 ] là một trong những thuộc tính
quan trọng nhất những giao thức MAC mạng cảm biến. Như đã đề cập ở trên, đa số
các nút cảm biến hoạt động bằng pin, rất khó để thay đổi hoặc nạp điện lại cho pin
của những nút này. Thực tế, nhiều mục đích thiết kế của những mạng cảm biến
được xây dựng bằng những nút đủ rẻ để vứt bỏ hơn là nạp lại. Trong tất cả các
trường hợp, việc kéo dài cả cuộc đời của mỗi nút là một vấn đề then chốt. Dù với
nền tảng phần cứng nào, năng lượng cho thu phát sóng vô tuyến là nguồn tiêu thụ
năng lượng chính. Lớp MAC trực tiếp điều khiển hoạt động thu phát sóng vô
tuyến, và sự tiêu thụ năng lượng của nó như thế nào ảnh hưởng đáng kể tới cả cuộc
đời của nút.

ít dữ liệu trao đổi trong mạng. Sự trễ ở mức nhỏ hơn một giây cho một khởi tạo
một thông báo sau thời kỳ nhàn rỗi thì không quan trọng bằng sự tiết kiệm năng
lượng và thời gian hoạt động của thiết bị. Nhưng ngược lại, sau khi cảm biến xác
định được sự kiện, hoạt động với độ trễ thấp thành quan mục tiêu quan trọng.
2.1.6. Thông lượng
Thông lượng (Throughput) đề cập tới số lượng của dữ liệu chuyển thành
công từ một nơi gửi đến một nơi nhận trong một khoảng thời gian cho trước. Nhiều
nhân tố ảnh hưởng đến thông lượng, bao gồm hiệu quả của sự tránh xung đột, sự
sử dụng kênh, độ trễ, và xử lý thông tin điều khiển. Giống với độ trễ, sự quan trọng
của thông lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng. Những ứng dụng cảm biến mà yêu
cầu vòng đời lâu thường chấp nhận độ trễ nhiều hơn và thông lượng thấp hơn.
Một thuộc tính liên quan gọi là goodput, thể hiện thông lượng được đo chỉ
bởi dữ liệu được nhận bởi nơi nhận mà không có bất kỳ lỗi nào.
2.1.7. Công bằng
Fairness thể hiện khả năng những người dùng, những nút hoặc những ứng
dụng khác nhau cùng nhau chia sẻ kênh truyền một cách công bằng. Nó là một
thuộc tính quan trọng trong mạng tiếng nói hoặc những mạng dữ liệu truyền thống,
một khi mỗi người dùng mong muốn một cơ hội như nhau để gửi hoặc nhận dữ
liệu cho những ứng dụng của chính mình. Tuy nhiên, trong những mạng cảm biến,
tất cả các nút hợp tác cho một nhiệm vụ chung đơn lẻ. Ở tại thời điểm đặc biệt, một
nút có thể có nhiều dữ liệu hơn để gửi so với các nút khác, như vậy, hơn là đối xử


21
với mỗi nút công bằng, thành công được đo bởi sự thực hiện của ứng dụng, Và độ
fairness đối với từng nút hoặc từng người dùng trở nên ít quan trọng hơn.
Tóm lại, các vấn đề nêu ở trên là những thuộc tính thể hiện những đặc trưng
của một giao thức MAC. Đối với mạng cảm biến không dây, những yếu tố quan
trọng nhất là sự tránh xung đột có hiệu quả, hiệu quả năng lượng, tính biến đổi và
thích ứng được với mật độ và số lượng nút. Những thuộc tính khác là thứ yếu.

những gói điều khiển không trực tiếp chuyên chở dữ liệu, chúng cũng làm giảm
goodput.
Một giao thức MAC thiết kế cho mạng cảm biến phải đạt được yêu cầu tiết
kiệm năng lượng bởi việc điều khiển thành phần sóng vô tuyến để tránh hoặc giảm
bớt tiêu phí năng lượng do những nguyên nhân trên. Việc tắt thành phần sóng vô
tuyến khi nó chưa được cần đến là một chiến lược quan trọng cho việc tiết kiệm
năng lượng. Một lược đồ quản lý năng lượng đầy đủ phải xem xét tất cả các nguồn
làm tiêu phí năng lượng, không phải là chỉ là thành phần sóng vô tuyến.
2.3. Các giao thức MAC trong mạng cảm nhận không dây
2.3.1. CSMA
Các giao thức mà trong đó các trạm làm việc lắng nghe đường truyền trước
khi đưa ra quyết định mình phải làm gì tương ứng với trạng thái đường truyền đó
được gọi là các giao thức có “cảm nhận” đường truyền (carrier sense protocol).
Cách thức hoạt động của CSMA [ 3 ] như sau: lắng nghe kênh truyền, nếu thấy
kênh truyền rỗi thì bắt đầu truyền khung, nếu thấy đường truyền bận thì trì hoãn lại
việc gởi khung.
Thế nhưng trì hoãn việc gởi khung cho đến khi nào?
Có ba giải pháp:
- Theo dõi không kiên trì (Non-persistent CSMA): Nếu đường truyền bận,
đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi tiếp tục nghe lại đường truyền.
- Theo dõi kiên trì (persistent CSMA): Nếu đường truyền bận, tiếp tục nghe
đến khi đường truyền rỗi rồi thì truyền gói tin với xác suất bằng 1.
- Theo dõi kiên trì với xác suất p (P-persistent CSMA): Nếu đường truyền
bận, tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi rồi thì truyền gói tin với xác suất bằng
p.
Dễ thấy rằng giao thức CSMA cho dù là theo dõi đường truyền kiên trì hay
không kiên trì thì khả năng tránh xung đột vẫn tốt hơn là ALOHA. Tuy thế, xung
đột vẫn có thể xảy ra trong CSMA.
Tình huống phát sinh như sau: khi một trạm vừa phát xong thì một trạm
khác cũng phát sinh yêu cầu phát khung và bắt đầu nghe đường truyền. Nếu tín


Hình 2.2. Thời gian cần thiết để truyền một khung
Bây giờ ta đặt ra câu hỏi: Sau khi truyền xong khung (hết giai đoạn truyền),
trạm sẽ bỏ ra thời gian tối đa là bao lâu để biết được là khung của nó đã bị xung
đột hoặc nó đã truyền thành công?

Hình 2.3. Phát hiện xung đột khi truyền tin
Gọi thời gian này là “cửa sổ va chạm” và ký hiệu nó là Tw. Phân tích sau đây
sẽ cho ra câu trả lời.


25

Hình 2.4. Xử lý khung xung đột
Hình 2.2 sẽ mô phỏng chi tiết về thời gian phát khung giữa hai trạm A và B
ở hai đầu mút xa nhất trên đường truyền tải.Đặt Tprop là thời gian lan truyền tín hiệu
giữa hai đầu mút xa nhau nhất trên đường truyền tải.
- Tại thời điểm t, A bắt đầu phát đi khung dữ liệu của nó.
- Tại t+Tprop - ε, B phát hiện kênh truyền rảnh và phát đi khung dữ liệu của
nó.
- Tại t+ Tprop , B phát hiện sự xung đột.
- Tại t+2Tprop - ε, A phát hiện sự xung đột.
Theo phân tích trên, thì Tw = 2Tprop
Việc hủy bỏ truyền khung ngay khi phát hiện có xung đột giúp tiết kiệm thời
gian và băng thông, vì nếu cứ tiếp tục truyền khung đi nữa, khung đó vẫn hư và
vẫn phải bị hủy bỏ.
Làm lại sau khi xung đột: Sau khi bị xung đột, trạm sẽ chạy một thuật toán
gọi là back-off dùng để tính toán lại lượng thời gian nó phải chờ trước khi gởi lại
khung. Lượng thời gian này phải là ngẫu nhiên để các trạm sau khi quay lại không
bị xung đột với nhau nữa.