TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) 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 về đối tượng mục tiêu.
Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node 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 node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích
chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; 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 như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi
trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. 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 thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt
động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với
mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng
rất khó thấy trước đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
như 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 trường sinh vật
phức tạp, v.v...
1.2 Mô tả hệ thống tổng quát
Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field)
được minh họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khả
năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới
người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node
Sink đến các node cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (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, như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với

phân công.
Hình 1.: Các thành phần của node cảm biến
1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây
1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần với
nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong các bổ
xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth. Ví dụ các thiết bị cho
các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các huy hiệu, được
cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vài năm.
Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầu thời
gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giám sát
không được thỏa thuận. Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường các
vùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không thể thay đổi
nguồn thường xuyên. Hơn nữa, các ứng dụng nào đó không thể tận dụng một
nguồn cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng này phải nhận nguồn năng
lượng nhờ quá trình khai thác và lọc năng lượng từ môi trường. Một ví dụ của kiểu
này là cảm biến áp suất lốp xe, mong muốn nhận được năng lượng từ các nguồn
năng lượng cơ hoặc nhiệt hiện diện trong các lốp ô tô thay vì một nguồn có thể yêu
cầu được thay thế trước khi lốp chạy.
Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chính với
khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn năng lượng
đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống.
1.3.2 Chi phí thấp
Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí sản
xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi phí của
mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm biến
là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ ở
mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn 1Dollar
thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài các thành phần
chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý, nguồn

mạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu thụ nguồn. Để được
xác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>256
node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng dụng thẻ báo giá trong
siêu thị).
1.3.5 Bảo mật
Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng -
bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết do
người sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng. Việc nhận biết bảo mật là
vấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của
họ (hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để
nhận. Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một
phiên bản có dây mà người sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các
cấp tải thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận
được thông tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận. Ứng dụng
không dây phải làm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng
lớn được yêu cầu với chi phí thấp hơn.
Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin. Thực tế, trong
nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bản
tin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến không
dây. Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin được
nhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó.
Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thể
xen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thể
nguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên. Các yêu cầu này là một kiểu
bảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn của
bản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity Code) phụ
thuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát. (Trong các trường bảo
mật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication Code) nhưng MIC
được sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có thể với lớp MAC của
ngăn xếp giao thức OSI). Người thu mong muốn và người gửi chia sẻ một khoá, nó

hợp nhất cho ứng dụng trong tầm kiểm soát.
Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phân
chia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạng
rộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý. Mặc dù việc thiết kế
một mạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, người
thiết kế của một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ. Các yêu cầu về
nguồn và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc trong các phạm vi
khác.
1.3.6 Thông lượng dữ liệu
Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các yêu
cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với các
mạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mong
muốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là
512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện. Tốc độ dữ liệu điển hình
được mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trong
một vài ứng dụng. Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữ
liệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể.
Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số lượng
overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quả truyền
thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi các gói
TCP/IP có thể dài 1500 byte. Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn, hiệu
quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng: người
thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyền thông,
thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao thức.
1.3.7 Trễ bản tin
Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúng không
hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông lượng dữ liệu
ngăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong nhiều ứng
dụng. Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy rất thoải mái
trong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng dụng, một độ trễ

cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn.
Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời
kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một
cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình
vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời,
tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp.
1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng
cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một
phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật
lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các
thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng. Như
vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để
có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết
để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không
cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng
với phần mềm trong khả năng công nghệ.
1.4.5 Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng
dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ
tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc tăng
độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ
tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của
thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không những
mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây
Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các
node cảm biến được minh họa trong hình 1.3.
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết
hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông

phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại
cùng một thời điểm. Kết quả là một vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều
hơn các node khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng. Những mặt quản lý này rất
cần thiết, như vậy, các node cảm biến có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả
về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động và
chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Nếu không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ
làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng cảm biến,
sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế
cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
1.5.1 Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đề
xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là một
vùng rộng lớn chưa được khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao
thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor
Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP
(Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến
và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất
cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới
những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến. Tất cả các giao thức lớp
ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở.
1.5.2 Lớp giao vận
Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các node cảm
biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người 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
chưa phù hợp với đặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay. Do đó, việc
thiết lập một liên kết đầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp đến node quản lý của
người sử dụng là không hiệu quả. Phương pháp phân tách TCP là cần thiết để
mạng cảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet. Trong phương
pháp này, kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa node quản lý của người sử

trường truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng cảm biến.
1.5.5 Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế
và mã hoá số liệu. Kế hoạch chọn tần số đã được trình bày trong bảng 1.2. Việc tạo
tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ không
được xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng,
hiệu suất năng lượng và các phương pháp điều chế trong mạng cảm biến.
Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về
năng lượng và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng
cảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài ra còn
các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa
đường. Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một
khoảng cách d tỷ lệ với d
n
, trong đó 2 ≤ n < 4. Số mũ n gần 4 với antenna tầm thấp
và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng cảm biến. Nguyên nhân là do sự
triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất. Để giải quyết vấn đề này, người
thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt
để. Ví dụ, truyền thông qua nhiều bước nhảy trong mạng cảm biến có thể vượt qua
một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đường truyền nếu mật độ
node mạng đủ lớn. Tương tự, trong khi suy hao đường truyền và dung lượng kênh
hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theo không
gian.
Dải tần (kHz) Tần số trung tâm (kHz)
6765 - 6795 6780
12.553 - 13.567 14
26.957 - 27.283 27
40.66 - 40.70 40.68
433.05 - 434.79 433.92
902 - 928 915