Mục lục
Mục lục ...................................................................................................................... 1
Thuật ngữ viết tắt ....................................................................................................... 4
Lời nói đầu ................................................................................................................ 6
Ch ơng 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 ............................................................................................. 11
1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát ...................................................................... 11
1.3.2. Hệ thống WISENET ............................................................................. 13
1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng ....................................................................... 16
1.4.1. Lớp ứng dụng ........................................................................................ 18
1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor ..................................................................... 18
1.4.1.2. Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu ................................... 19
1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu ..................................... 19
1.4.2 Lớp giao vận ......................................................................................... 20
1.4.3 Lớp mạng ............................................................................................... 20
1.4.4. Liên kết liên mạng ................................................................................ 20
1.4.5 Lớp liên kết số liệu ............................................................................... 22
1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi tr ờng truyền dẫn ......................................... 22
1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi ................................................................................. 23
1.4.6 Lớp vật lý ............................................................................................... 24
1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor ........................................................... 25
1.5.1. Kích th ớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp .................................... 25
1.5.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao ............................................ 25
1.5.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế ..................... 25
1.5.4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng ................................................ 26
1.5.5. Hoạt động tin cậy .................................................................................. 26
1.6. ứng dụng của mạng Sensor .......................................................................... 26
2.3.4. Tận dụng các nguồn năng l ợng trong tự nhiên ..................................... 51
2.3.1.1. Tế bào quang điện ............................................................................... 52
2.3.1.2. Các nguồn năng l ợng khác .................................................................. 53
Ch ơng III : Phần mềm mô phỏng năng l ợng cho mạng Wireless Sensor ............... 54
3.1. Mô hình hoá mô phỏng ................................................................................ 54
3.1. Mô hình nguồn năng l ợng ............................................................................ 54
3.3. Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor ................................. 54
3.3.1. Phần mềm NS-2 .................................................................................... 55
3.3.2. Cơ sở phát triển mô phỏng mạng Sensor trên nền NS-2 ....................... 58
3.3.3. Các định dạng mới trong NS-2 ............................................................. 59
3.3.4. Thay đổi trong NS-2 ............................................................................. 61
3.4. Thiết lập mã lập trình mô phỏng .................................................................. 63
3.4.1. Thiết lập kênh hiện t ợng và kênh dữ liệu ............................................. 63
3.4.2. Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon ......................... 63
3.4.3. Thiết lập các nút Phenomenon với giao thức "định tuyến" Phenom ... 63
3.4.4. Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon ................................... 64
3.4.5. Định hình nút Sensor ............................................................................ 65
3.4.6. Thiết lập các nút Non-Sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) .......... 66
3.4.7. Gắn kết các tác nhân Sensor ................................................................. 66
3.4.8. Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng Sensor cho mỗi nút ............. 67
3.4.9. Khởi động ứng dụng Sensor .................................................................. 67
Ch ơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor ......................................................... 68
4.1. Mục đính mô phỏng ..................................................................................... 68
4.2. Thực hiện mô phỏng .................................................................................... 69
4.2.1. Mã ch ơng trình ..................................................................................... 69
4.2.1. Phân tích kết quả ................................................................................... 70
4.2. Kết quả ......................................................................................................... 71
4.2.1. Sự tổn hao năng l ợng ............................................................................. 72
4.2.2. Tốc độ giảm năng l ợng khi tăng số nút mạng ...................................... 74
4.2.3. Tốc độ giảm năng l ợng khi mật độ mạng không đổi ............................ 75
ISM band Industrial, Scientific and Medical
band
Dải tần sử dụng cho các ứng dụng công
nghiệp, khoa học và y học
LEACH Low energy adaptive clustering
hierarchy
Phân cấp cụm thích ứng với năng lợng
thấp
MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi trờng truyền
dẫn
MANET Mobile ad hoc network Mạng di động ad hoc (tạm thời, không có
cơ sở hạ tầng)
ME Minimum energy Năng lợng tiêu thụ cực tiểu
MECN Minimum energy communication
network
Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu
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
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
TCP/IP Transmission Control
Protocol/Internet Protocol
Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao
thức Internet
TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian
TORA Temporally Ordered Routing
Algorithm
Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng
tuần tự theo thời gian
WINS Wireless Integrated network
sensors
Mạng các thiết bị cảm biến tích hợp thiết
bị thu phát không dây
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
Phan Viết Thời, D2001VT
5
Đồ án tốt nghiệp đại học
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
thập thông tin ở bất kì điều kiện và vùng địa lý nào. 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 tợng mục tiêu. 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 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 liên kết động với nhau một cách tuỳ
ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài. Tất cả các nút này đều có thể hoạt động
Phan Viết Thời, D2001VT
7
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 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
Phan Viết Thời, D2001VT
8
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
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.
Thông tin về tuyến đợc mang trở lại bằng gói RREP và đợc lu tại nguồn để sử dụng.
Nếu một liên kết trên một tuyến bị sự cố, nút nguồn đợc thông báo bằng một gói lỗi (Route
Error-RERR). Nguồn sẽ xoá tuyến này trong bộ nhớ định tuyến và bắt đầu một tiến trình
tìm đờng mới nếu tuyến này còn cần thiết. Trong DSR không cần một cơ chế đặc biệt
nào để phát hiện các vòng lặp định tuyến.
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 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 đợc yêu cầu và đã qua xử lý sơ bộ.
Các đặc điểm trên đa đến một phạm vi ứng dụng lớn của mạng Sensor. Một số lĩnh vực đ-
ợc ứng dụng là y tế, quân sự và an ninh. Ví dụ nh các bác sỉ sẽ kiểm tra từ xa các dữ liệu về
sinh lý bệnh nhân. Điều này vừa thuận tiện cho bệnh nhân vừa giúp các bác sĩ hiểu rõ hơn
về tình trạng bệnh nhân. Mạng Sensor còn đợc sử dụng để phát hiện các tác nhân hóa học
trong không khí và nớc. Chúng giúp chỉ ra kiểu, sự cô lại và vị trí của các chất. Về cơ bản,
các mạng Sensor cung cấp cho ngời sử dụng sự hiểu tốt hơn, thông minh hơn về môi trờng.
Chúng ta có thể thấy rằng trong tơng lai, các mạng wireles Sensor sẽ là một phần không thể
thiếu trong cuộc sống, giống nh máy tính cá nhân hiện nay.
Các ứng dụng thực tế của mạng Sensor yêu cầu phải sử dụng công nghệ mạng Wireless Ad
hoc. Mặc dù vậy, có nhiều thuật toán và giao thức đã đợc sử dụng cho các mạng Wireless Ad
hoc truyền thống nhng chúng không phù hợp lắm với các đặc tính và yêu cầu ứng dụng của
Phan Viết Thời, D2001VT
10
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
mạng Sensor, Để minh hoạ điểm này, sự khác nhau giữa mạng Sensor và mạng Wireless Ad
hoc đợc đợc phác hoạ dới đây :
11
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
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 thờng gồm hai đơn vị thành
phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tơng tự / số (ADC). Các tín hiệu tơng
tự có đợc từ các Sensor trên cơ sở cảm biến các hiện tợng đợc chuyển sang tín hiệu số bằng bộ
chuyển đổi ADC, rồi mới đợc đa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thờng kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân
tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện
nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút Sensor và mạng bằng kết nối không dây,
có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của
nút Sensor là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lợng cho nút
Sensor và không thay thế đợc nên nguồn năng lợng của nút thờng là giới hạn. Bộ nguồn có thể
đợc hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lợng, ví dụ nh các tấm pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng Sensor và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu
phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút Sensor thờng phải có hệ
thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút Sensor
theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ đợc phân công.
Phan Viết Thời, D2001VT
12
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Hình 1.2: Các thành phần của nút Sensor
Để minh hoạ rõ hơn về mạng Sensor không dây trong thực tế, phần tiếp sau đây sẽ giới
thiệu một hệ thống mạng Sensor điển hình. Đó là hệ thống WISENET.
1.3.2. Hệ thống WISENET
a) Giới thiệu hệ thống WISENET
WISENET (Wireless Sensor NETwork) là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trờng nh ánh
sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây công suất thấp
ờng và lu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý. Hệ thống con
bao gồm mạng các Sensor đợc kết hợp với máy tính chủ đợc cài đặt phần mềm hệ
thống (TinyOS Daemon).
Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:
- Trạm ngời dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhng là thành phần bên
ngoài. Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệt Web (Web
browser) và đợc nối mạng Internet. Nó chỉ đóng vai trò là giao diện của ngời sử dụng
đối với hệ thống phân tích số liệu. Nó đa ra yêu cầu số liệu của ngời sử dụng với trạm
chủ và thu lấy các số liệu đã yêu cầu.
Trạm chủ (Server): Đây là thành phần then chốt của hệ thống, là mối liên lạc giữa hai
hệ thống con thu nhận và phân tích số liệu. Về mặt phân tích số liệu nó là một máy chủ
HTTP (HTTP Server) mang một ứng dụng Web (Web program). Khi nhận đợc một yêu
cầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web này nhận số liệu từ cơ sở dữ liệu
(SQL Database), phân tích và đa lại trang theo yêu cầu đến máy tính ngời dùng
Phan Viết Thời, D2001VT
14
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
(Client). Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có một trình tiện ích hoạt động ngầm
(Daemon) đợc gọi là wiseDB để trao đổi thông tin dễ dàng với mạng Sensor. WiseDB
đảm nhận việc gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp (gateway
mote) để chuyển tới mạng Sensor. Nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng
Sensor (cũng thông qua gateway mote). Số liệu đa đến đợc xử lý rất ít và đợc 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
liệu
với các
điều
kiện
Gửi
trang
Web
đến
Client.
15
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor gồm:
Các thành phần trong hạt Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.5, bao gồm:
- Các Sensor cảm biến ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ (Light, Humidity, Temp); các LED trạng
thái.
- Mạch thu phát vô tuyến, mạch giao tiếp RS-232 (UARTS), các bộ chuyển tơng tự-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).
* 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.
động của nút Sensor, vì thế một tuyến đờng hớng tới nút user luôn đợc duy trì và các nút
Sensor có thể theo dõi đợc các nút Sensor lân cận. Với việc nhận biết đợc các nút Sensor lân
cận, nút Sensor có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lợng sử dụng. Mặt bằng quản lý
nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả
các Sensor trong vùng đó đợc yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết
quả là một vài nút Sensor thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lợng
của chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, nh vậy, các nút Sensor có thể làm việc
cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lợng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng
Sensor di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút Sensor. Nếu không, mỗi nút 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 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
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.
Phan Viết Thời, D2001VT
19
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
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.
Không giống các giao thức kiểu nh TCP, các phơng pháp truyền thông đầu cuối (end to end)
trong mạng Sensor không địa chỉ toàn cục. Các phơng pháp này dựa trên việc đặt tên thuộc
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
SPIN
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
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
1.4.5 Lớp liên kết số liệu
Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung số liệu,
điều khiển truy nhập môi trờng và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối điểm -điểm
(Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền thông. Hai phần
dới sẽ trình bày về chiến lợc truy nhập môi trờng truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng
Sensor.
1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trờng truyền dẫn
Giao thức MAC trong mạng Sensor tự tổ chức đa bớc không dây (Wireless Multihop Self-
organizing Sensor network) phải đạt đợc hai mục tiêu. Thứ nhất là phải tạo ra cơ sở hạ tầng
mạng. Vì hàng nghìn nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng Sensor nên giao thức
MAC phải thiết lập đợc những liên kết thông tin để truyền số liệu. Việc này sẽ lập lên cơ
sở hạ tầng nền tảng cần thiết cho truyền thông không dây đa bớc và tạo cho mạng Sensor khả
năng tự tổ chức. Nhiệm vụ thứ hai là chia sẻ tài các nguyên thông tin một cách hiệu quả và
cân bằng giữa các nút Sensor. Các giao thức MAC truyền thống có thể đợc phân loại dựa trên
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
1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi
Một chức năng quan trọng khác của lớp liên kết số liệu là điều khiển sửa lỗi cho số liệu
truyền dẫn. Hai phơng pháp điều khiển sửa lỗi quan trọng trong mạng truyền thông là sửa lỗi
trớc (Forward Error Correction-FEC) và yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request-
ARQ). Phơng pháp ARQ cha đợc áp dụng trong mạng Sensor mặc dù đã có nhiều dạng ARQ có
khả năng thích ứng và hiệu quả đã đợc áp dụng cho các mạng di động khác. Khả năng ứng
dụng của phơng pháp ARQ trong mạng Sensor bị hạn chế do việc tăng chi phí trớc khi truyền
dẫn và phụ tải. Mặt khác, độ phức tạp trong mã hoá của phơng pháp FEC tăng theo khả năng
hiệu chỉnh lỗi. Xét về mặt này, việc sử dụng các mã đơn giản là giải pháp tốt nhất cho
mạng Sensor. Trong thiết kế của phơng pháp này, vấn đề quan trọng là phải xem xét kỹ lỡng
đặc điểm của kênh và kỹ thuật mã. Phần tiếp theo sẽ trình bày động lực ứng dụng và cơ sở
thiết kế thủ tục FEC theo yêu cầu của mạng Sensor.
FEC: Độ tin cậy của liên kết là tham số quan trọng trong thiết kế bất kì một mạng không
dây nào, điều này càng quan trọng hơn với mạng Sensor do tính chất gay gắt và không ổn
định của sự đụng độ kênh trong các ứng dụng khác nhau. Một số các ứng dụng nh giám sát di
động và điều hành máy móc đòi hỏi độ chính xác số liệu cao. Tỷ số lỗi bít (BER) là tham
số quan trọng để đánh giá độ tin cậy của liên kết. BER tỷ lệ thuận với tốc độ kí hiệu R
s
và
tỷ lệ nghịch với tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (E
s
/ N
0
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 phát tiết kiệm đợc.
Giả thiết một kênh có Fading Rayleigh chậm không chọn lọc tần số và sử dụng mã hoá soắn
để hiệu chỉnh lỗi. Các phân tích đã đa đến kết luận rằng năng lợng tiêu thụ trung bình
cho một bit có ích tăng hàm mũ theo độ dài hạn chế của mã và không phụ thuộc vào tỷ lệ mã.
Ngoài ra, FEC thờng không hiệu quả nếu giải mã bằng một vi xử lý và nghiên cứu này giới
thiệu một bộ giải mã Viterbi chuyên dụng gắn trên bảng mạch. Các kỹ thuật mã đơn giản có
thể giải quyết vấn đề hiệu quả năng lợng cho mạng Sensor.
1.4.6 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. Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ
không đợc xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng, hiệu
xuất năng lợng và các phơng pháp điều chế trong mạng Sensor.
Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về năng lợng
và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng Sensor, việc tối thiểu
hoá năng lợng đợc 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 đờng. Thông thờng, 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 antent tầm thầp và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng Sensor. Nguyên nhân là
do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất. Để giải quyết vấn đề này, ngời
thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng 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.
trong nhỏ nên việc đệm một khối lợng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi.
Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lợng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức
cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó, các
nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
1.5.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Số lợng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi của liên kết
xử lý - lu trữ - chuyển mạch trong mạng Sensor thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông th-
ờng. Điển hình, bộ cảm biến (Sensor ) hay bộ truyền động (actuator) cung cấp một giao diện
Phan Viết Thời, D2001VT
25
Copyright: Tài liệu đại học ©