mạng-cảm-biến-báo-cáo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO MÔN HỌC
MẠNG CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
Đề tài:
Nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến khơng dây
trong nơng nghiệp

Nhóm Sinh viên thực hiện

: Lý Văn Nghiệp
: Nguyễn Quang Minh
: Nguyễn Hữu Trung
: Nguyễn Đắc Chiến
: Nguyễn Hoài Nam

Lớp

: ĐTƯD - K17A

Giáo viên giảng dạy

: TS. Vũ Chiến Thắng

Thái Nguyên, ngày 1 tháng 11 năm 2021

1


MỤC LỤC

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến khơng dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng
bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính tốn và truyền thơng nhằm cung
cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện
tượng trong một mơi trường xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến
không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học…
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng thường
là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường được phân bố
trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời
gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường
khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao,…).
Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minh họa
ở hình 1.1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một
Sink/Gateway và người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến adhoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể truyền thơng
với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay bất kỳ mạng
không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không cần đến các mạng
này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối. Lưu ý rằng, có thể có
nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình 1.1.

Hình 1.1: Mạng cảm biến khơng dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong
trường cảm biến.
3

Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng đó
là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu. Do vậy, việc truyền thơng có
thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:
Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và thực
hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink.
Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc chuyển tiếp
các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp trong tuyến đường đa
chặng đến Sink.
1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây
1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút cần phải
giải quyết là cơng suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành. Công suất tiêu thụ là
một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng thường
sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn năng lượng thấp bên ngồi. Kích
thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố kích thước và hình thức quyết định
đến các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm biến
khơng dây phải có kích thước nhỏ gọn. Giá thành cũng quan trọng đối với các nút
mạng cảm biến khơng dây bởi vì mạng cảm biến khơng dây thường được triển khai
với quy mô lớn. Với việc triển khai hàng ngàn các nút mạng cảm biến thì việc tiết
kiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phép tiết kiệm được một khoản tiền
đáng kể.
Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến việc
thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc mạng. Đối với
các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện phần cứng có cơng
suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dịng rị cũng như hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về
mặt năng lượng. Phần mềm chạy trên các nút cảm biến không dây cần phải tắt các
thành phần phần cứng không sử dụng và đặt các thành phần phần cứng ở chế độ ngủ
càng nhiều càng tốt. Nhờ sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các nút mạng
cảm biến có thể chạy hệ điều hành và nó cung cấp các cơ chế hoạt động công suất thấp
giúp tiết kiệm năng lượng.

Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạng cũng như
việc thiết kế các giao thức mạng. Bởi vì q trình truyền thơng tiêu tốn nhiều năng
4


lượng nên điều quan trọng là xác định hướng các kiểu truyền thông để chúng sử dụng
hiệu quả tài nguyên sẵn có. Để giúp các giao thức mạng làm được điều này, phần cứng
và phần mềm cần biết được thông tin về sự tiêu hao năng lượng và cung cấp thơng tin
này đến tầng mạng. Ngồi ra, để tiết kiệm năng lượng, người thiết kế hệ thống cần
phải đặt các thiết bị phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Tuy nhiên, chế độ
ngủ cũng ảnh hưởng đến trễ truyền thơng của hệ thống.
Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần
cứng lẫn phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì ảnh hưởng ở đây là các
phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít, mỗi linh
kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền. Những ảnh hưởng đối với các nhà thiết kế
phần mềm là ít rõ rệt hơn. Với chi phí thấp, kích thước vật lý nhỏ, cơng suất tiêu thụ
thấp thì các bộ vi xử lý mà trên đó các phần mềm hoạt động trở nên nhỏ gọn hơn, tốc
độ tính tốn và kích thước bộ nhớ của các bộ vi xử lý cũng bị giảm bớt. Các nhà thiết
kế phần mềm cho một hệ thống mạng cảm biến khơng dây thường chỉ có vài ngàn
Byte bộ nhớ để làm việc so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte bộ nhớ trong các hệ thống
máy tính thơng dụng. Do đó, phần mềm cho các nút mạng cảm biến không dây không
chỉ cần hiệu quả năng lượng mà cịn phải có khả năng chạy trong một môi trường hạn
chế nghiêm ngặt về tài nguyên (năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý hạn chế).
1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng
Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là
sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ mạng cần
giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biến khơng dây.
Mạng cảm biến khơng dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các nút
tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút. Trong nhiều trường hợp,
các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều điểm thu thập

riêng biệt. Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến.
Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến trong mạng
cảm biến không dây. Định tuyến là quá trình mạng xác định những tuyến đường tốt
nhất để truyền bản tin qua mạng. Định tuyến có thể được thực hiện hoặc là tập trung
hoặc là phân tán. Với định tuyến tập trung thì một máy chủ tính tốn bản đồ định tuyến
cho tồn bộ mạng, cịn với định tuyến phân tán thì mỗi nút thực hiện tự quyết định lựa
chọn tuyến đường để gửi mỗi bản tin.
5


Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến cả
hiệu năng mạng xét về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc độ dữ liệu
để có thể vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng và hơn hết là khoảng thời gian tồn
tại của mạng được đảm bảo. Trong mạng cảm biến khơng dây, việc truyền thơng tin
địi hỏi năng lượng. Các nút thực hiện truyền thông tin nhiều sẽ mất năng lượng nhanh
hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa
chọn đầy đủ thông tin khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng.
Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn thông tin định tuyến thì nó u cầu các
thơng tin cả về mạng cũng như tồn bộ các nút lân cận gần nhất. Thơng tin này địi hỏi
cần phải có bộ nhớ. Tuy nhiên, mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế. Vì vậy, giao
thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin về mạng,
về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác.
Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền không đáng
tin cậy, điều này làm cho vấn đề định tuyến càng gặp nhiều khó khăn. Trong kênh
truyền thơng vơ tuyến cơng suất thấp thì khơng chắc chắn rằng nếu một bản tin đã
được gửi đi bởi một nút thì bản tin đó sẽ nhận được bởi một nút đích được dự kiến
trước trong mạng. Bản tin này có thể bị gián đoạn hoặc có thể bị chặn hồn tồn bởi
một vật lớn bằng kim loại vừa được đặt giữa phía gửi và phía nhận. Ngay cả khi bản
tin khơng bị chặn hồn tồn thì các bit của nó có thể bị thay đổi trên đường truyền.
Tính chất khơng đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là "tổn

hao". Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến khơng
dây. Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là một thách thức đối với các
giao thức định tuyến. Các giao thức định tuyến phải tính tốn vấn đề tổn hao khi quyết
định tuyến đường để truyền các bản tin và có thể bản tin cần phải được gửi lại. Các
bản tin sẽ được định tuyến sao cho các nguy cơ mất mát bản tin là thấp nhất. Nhưng
nếu một bản tin được truyền qua một tuyến đường xảy ra việc mất dữ liệu thì bản tin
cần được gửi lại một vài lần trong trường hợp bản tin không thể gửi được qua mạng
trong lần thử đầu tiên.
Tổn hao là một thuộc tính khó xác định, đặc biệt là trong các mạng khơng dây.
Tổn hao bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm của khơng khí
cũng như môi trường vật lý xung quanh của các mạng cảm biến khơng dây. Ví dụ, nếu
một lị vi sóng được bật lên, các trường điện từ mà nó tạo ra có thể can thiệp vào băng
6


tần truyền không dây 2.4GHz. Tương tự như vậy, một mạng máy tính WiFi có thể ảnh
hưởng tới một mạng cảm biến khơng dây, do đó các mạng cảm biến không dây thường
bị mất dữ liệu nhiều hơn vào ban ngày, khi mà mọi người đang sử dụng mạng WiFi
hơn là vào ban đêm. Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây cần phải
được chuẩn bị trước cho những vấn đề này.
Tính chất quy mơ lớn của các mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêm
việc định địa chỉ các nút. Trong một mạng quy mô lớn, mỗi nút phải có địa chỉ riêng
để các bản tin có thể được gửi tới nó. Các địa chỉ cần có độ dài đủ lớn sao cho mỗi nút
trong các mạng quy mơ lớn phải có một địa chỉ riêng biệt. Và ngay cả khi mạng có quy
mơ nhỏ thì nó có thể tương tác với các nút mạng khác bên ngoài. Trong trường hợp
này, địa chỉ của các nút trong hai mạng phải là duy nhất.
Vì số lượng các mạng cảm biến khơng dây có thể tương tác với các mạng khác
bên ngoài ngày tăng, nên chúng ta cần phải chuẩn bị cho quy mô phát triển theo cấp số
nhân. Do đó, cơ chế định địa chỉ cho các mạng cảm biến không dây phải xác định duy
nhất vài triệu, thậm chí vài tỷ các nút mạng riêng biệt.

Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mơ lớn là một thách
thức vơ cùng khó khăn. Với mạng cảm biến khơng dây có thể bao gồm hàng ngàn nút
thì việc thực hiện quản lý mạng theo cách truyền thống không thể áp dụng ngay được.
Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi sự điều chỉnh cơ sở hạ tầng mạng thủ công bởi
một quản trị viên hệ thống. Với các mạng cảm biến không dây ở dạng Ad-hoc, mạng
phải được chuẩn bị để tự quản lý chính nó mà khơng có bất kỳ sự điều hành mạng nào
của con người. Ngoài ra, trong mạng máy tính truyền thống, mỗi máy tính kết nối
mạng có thể u cầu cấu hình thủ cơng hoặc bán thủ cơng. Ví dụ như người dùng ở
các máy tính có thể cần phải nhập mật khẩu để truy cập mạng. Đối với mạng cảm biến
khơng dây thì điều đó là khơng khả thi khi cho một người nhập mật khẩu vào từng nút
mạng cảm biến tại các thời điểm khi cần truy cập mạng.
Một mạng cảm biến không dây cũng phải cung cấp các cơ chế truy cập từ bên
ngồi. Có những trường hợp mà một mạng cảm biến không dây được sử dụng cô lập,
nhưng thông thường các dữ liệu tạo ra bởi các mạng cảm biến không dây cần phải
được lấy ra để xử lý hoặc được lưu trữ ở một nơi khác. Ngồi ra, các mạng cảm biến
khơng dây cần phải được cấu hình lại hoặc thay đổi trong quá trình hoạt động. Trong
7


cả hai trường hợp, các mạng cảm biến không dây phải cho phép truy cập được từ bên
ngoài.
1.2.3. Sự chuẩn hóa
Tiêu chuẩn là một yếu tố then chốt đối với sự thành công của các mạng cảm
biến không dây. Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi số lượng lớn
các nút và các ứng dụng tiềm năng mà cịn được biết đến với việc có nhiều tiêu chuẩn,
nhiều nhà sản xuất và nhiều công ty khác nhau cùng quan tâm đóng góp về mặt cơng
nghệ. Các cơng nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau. Một nhà sản
xuất thiết bị cảm biến chuyên về cảm biến độ ẩm chính xác cao có thể khơng quan tâm
đến các hệ thống công nghệ thông tin. Tuy nhiên, cả hai phải làm việc cùng nhau trong
hệ thống tịa nhà tự động, ở đó các cảm biến độ ẩm tạo ra đầu vào cho việc kiểm sốt

mơi trường trong tồ nhà. Hệ thống kiểm sốt mơi trường được điều khiển bởi một hệ
thống công nghệ thông tin tiên tiến, chúng tiếp nhận đầu vào từ các cảm biến độ ẩm.
Nếu khơng có sự chuẩn hóa thì các nhà sản xuất thiết bị và các nhà tích hợp hệ
thống cần phải xây dựng toàn bộ hệ thống đối với mọi hệ thống mới được cài đặt.
Ngoài ra, nhà sản xuất và nhà tích hợp sẽ sử dụng một cơng nghệ độc quyền từ một
nhà cung cấp riêng lẻ. Công nghệ độc quyền này có thể cung cấp các lợi ích
trong thời gian ngắn, nhưng nó làm cho nhà sản xuất và nhà tích hợp đều gặp khó khăn
trong việc phát triển hệ thống của họ vượt ra ngồi cơng nghệ độc quyền bởi các nhà
cung cấp. Ngoài ra, khi cơng nghệ này là độc quyền thì các nhà cung cấp công nghệ sẽ
điều khiển tương lai của công nghệ mà không phải là các nhà sản xuất và các nhà tích
hợp.
Với việc chuẩn hóa cơng nghệ thì cơng nghệ là độc lập với nhà cung cấp, nhà
sản xuất và người dùng. Bất kỳ nhà cung cấp nào đều có thể lựa chọn để cung cấp các
hệ thống dựa trên công nghệ. Các nhà sản xuất thiết bị, các nhà tích hợp hệ thống có
thể lựa chọn để xây dựng hệ thống của họ dựa trên công nghệ từ bất kỳ nhà cung cấp
nào.
Tiêu chuẩn hóa cơng nghệ có một ưu điểm lớn đó là việc chấp nhận các điều
khoản. Khi cơng nghệ được chuẩn hóa thì các nhà cung cấp, nhà sản xuất và các nhà
tích hợp hệ thống có thể dễ dàng chọn các cơng nghệ mà khơng có rủi ro từ các nhà
cung cấp chính nữa.
8


Vấn đề chuẩn hóa cơng nghệ mạng cảm biến khơng dây là một thách thức
không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức. Các mạng cảm
biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ, từ công nghệ truyền
thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định tuyến, truy cập mức ứng dụng và tích
hợp hệ thống cơng nghệ thơng tin. Mỗi cấp độ có những thách thức kỹ thuật riêng
nhưng quan trọng hơn đó là việc chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bởi các nhóm
khác nhau.

1.2.4. Khả năng cộng tác
Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung cấp
khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữa các
nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở hạ tầng mạng
hiện có.
Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến khơng dây phải có khả năng cộng tác ở
nhiều mặt. Các nút cảm biến phải tương thích với nhau từ lớp vật lý cho đến lớp ứng
dụng hoặc lớp tích hợp. Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị từ các
hãng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau. Ở cấp độ vật lý, các nút cảm biến
không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số vô tuyến để thực hiện truyền
thơng, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu được truyền. Ở cấp độ mạng, các nút
phải thống nhất về định dạng thông tin được gửi và nhận trên các kênh vật lý cũng như
các nút mạng được đánh địa chỉ như thế nào, các bản tin sẽ được vận chuyển qua mạng
bằng cách nào. Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút cảm biến phải chia sẻ cách
thức để dữ liệu được gửi vào hoặc lấy ra từ mạng, cũng như làm thế nào để nút cảm
biến có thể được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài.
1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây
Kiến trúc ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi Sink và các nút cảm biến được
minh họa ở hình 1.2. Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kết hợp giữa vấn đề năng
lượng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng lượng, các giao thức tổng hợp dữ
liệu và truyền thông hiệu quả năng lượng qua môi trường không dây. Kiến trúc ngăn
xếp giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp
ứng dụng, cũng như các mặt phẳng đồng bộ, mặt phẳng định vị, mặt phẳng quản lý cấu
trúc liên kết mạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di động và mặt
phẳng quản lý nhiệm vụ. Lớp vật lý xác định các yêu cầu cần thiết đó là các kỹ thuật
9


điều chế, truyền dẫn, tiếp nhận dữ liệu. Bởi vì mơi trường có nhiễu và các nút cảm
biến có thể di động, nên lớp liên kết có trách nhiệm đảm bảo việc truyền thông tin cậy

nhờ các kỹ thuật điều khiển lỗi và quản lý truy nhập kênh thông tin thông qua lớp
MAC để hạn chế tối đa xung đột với các bản tin quảng bá của nút lân cận. Tùy thuộc
vào các nhiệm vụ cảm biến thì các chương trình ứng dụng khác nhau có thể được xây
dựng và được sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ
liệu từ lớp giao vận. Lớp giao vận giúp duy trì dịng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm
biến yêu cầu. Thêm vào đó là các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và quản lý
nhiệm vụ để giám sát năng lượng tiêu thụ, sự di chuyển và sự phân phối nhiệm vụ giữa
các nút cảm biến. Những mặt phẳng này giúp các nút cảm biến phối hợp với nhau
trong việc cảm nhận môi trường và giảm tổng năng lượng tiêu thụ.

Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây.
Mặt phẳng quản lý năng lượng quản lý việc sử dụng năng lượng của một nút
cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhận được một bản tin
từ một nút lân cận. Điều này nhằm tránh việc nhận được các bản tin trùng lặp. Ngoài
ra, khi mức năng lượng của một nút cảm biến xuống thấp thì nút cảm biến sẽ thơng
báo quảng bá đến các nút lân cận để các nút lân cận biết rằng năng lượng của nó đang
ở mức thấp và nó khơng thể tham gia vào việc định tuyến các bản tin. Năng lượng còn
lại chỉ để dành riêng cho việc cảm nhận và truyền dữ liệu của riêng nút đó. Mặt phẳng
quản lý di động phát hiện và đăng ký sự di chuyển của các nút cảm biến, do đó một
tuyến đường đến người dùng cuối ln ln được duy trì và các nút cảm biến có thể
10


theo dõi các nút lân cận của chúng. Bằng việc nhận biết các nút lân cận thì các nút cảm
biến có thể cân bằng giữa việc sử dụng năng lượng và nhiệm vụ của chúng. Mặt phẳng
quản lý nhiệm vụ cân bằng và lập lịch các nhiệm vụ cảm nhận cho một khu vực cụ thể.
Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đó được yêu cầu thực hiện nhiệm vụ
cảm nhận ở cùng một thời điểm. Kết quả là, một số nút cảm biến thực hiện nhiều
nhiệm vụ hơn các nút khác, tùy thuộc vào mức năng lượng của chúng. Những mặt
phẳng quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau sao cho

chúng đạt được hiệu quả cao nhất về năng lượng, về định tuyến dữ liệu trong mạng
cảm biến và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Nếu khơng có các mặt phẳng
quản lý này thì mỗi nút cảm biến chỉ có thể làm việc riêng lẻ. Từ góc độ tồn mạng thì
sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể cộng tác với nhau, nhờ đó thời gian tồn tại
của mạng có thể được kéo dài.
1.3.1. Lớp vật lý
Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mạng, phát hiện tín
hiệu và điều chế dữ liệu.
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép các dòng dữ liệu, phát hiện khung
dữ liệu, điều khiển lỗi và điều khiển truy nhập kênh truyền. Nó đảm bảo sự tin cậy của
các kết nối điểm - điểm và điểm - đa điểm trong mạng.
1.3.2.1. Điều khiển truy nhập kênh truyền
Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đa chặng và tự
tổ chức cần phải đạt được hai mục tiêu. Mục tiêu thứ nhất là tạo cơ sở hạ tầng mạng.
Bởi vì hàng trăm nút cảm biến có thể nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm
biến, nên cơ chế MAC cần phải thiết lập các liên kết truyền thông để truyền dữ liệu.
Điều này tạo thành cơ sở hạ tầng mạng cần thiết cho việc truyền thông không dây đa
chặng và cung cấp khả năng tự tổ chức. Mục tiêu thứ hai là chia sẻ hiệu quả các tài
nguyên truyền thông giữa các nút cảm biến. Những tài nguyên này bao gồm thời gian,
năng lượng và tần số. Trong suốt một thập kỷ qua, một số
giao thức MAC đã được phát triển cho các mạng cảm biến không dây để giải quyết
những yêu cầu này.
Với bất kể một cơ chế truy nhập kênh truyền nào thì vấn đề hiệu quả năng
lượng là vô cùng quan trọng. Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trợ các chế độ
11


hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến. Việc bảo tồn năng lượng rõ ràng
nhất là tắt bộ thu phát khi không cần thiết. Mặc dù phương pháp tiết kiệm năng lượng

này dường như có lợi đáng kể cho việc tiết kiệm năng lượng nhưng nó có thể cản trở
việc kết nối mạng. Sau khi bộ thu phát tắt thì nút cảm biến khơng thể nhận được bất kỳ
gói tin nào từ các nút lân cận, bởi vì nó bị ngắt kết nối mạng. Ngồi ra, việc bật và tắt
bộ thu phát vơ tuyến đều có một chi phí về năng lượng tiêu thụ do các thủ tục khởi
động và tắt bộ thu phát vô tuyến đều yêu cầu cả về phần cứng và phần mềm. Có một
số chế độ hoạt động hữu ích khác cho nút cảm biến không dây tùy thuộc vào số lượng
các trạng thái của bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi A/D và bộ thu phát. Mỗi chế độ
này được đặc trưng bởi năng lượng tiêu thụ, thời gian trễ để chuyển đổi giữa các chế
độ năng lượng đó.
1.3.2.2. Điều khiển lỗi
Một chức năng quan trọng của lớp liên kết dữ liệu là điều khiển lỗi (Error
Control - EC). Hai chế độ quan trọng của phương thức điều khiển lỗi trong các mạng
truyền thông là sửa lỗi trước (Forward Error Control - FEC), yêu cầu lặp lại tự động
(Automatic Repeat Request - ARQ). Lợi ích của ARQ trong các ứng dụng mạng cảm
biến bị hạn chế do việc tổn hao năng lượng khi truyền lại và việc giải mã cũng phức
tạp hơn ở FEC, cũng như các khả năng sửa lỗi cần phải được xây dựng. Do đó, các mã
điều khiển lỗi đơn giản với việc mã hóa và giải mã ít phức tạp có thể là các giải pháp
hiện tại tốt nhất cho các mạng cảm biến. Để thiết kế một cơ chế như vậy thì điều quan
trọng là phải hiểu rõ về các đặc tính kênh truyền.
1.3.3. Lớp mạng
Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm biến, có thể
ở gần hoặc ngay trong hiện trường như được chỉ ra trong hình 1.1. Thông tin thu thập
được liên quan đến hiện trường được truyền đến Sink có thể được đặt xa so với trường
cảm biến. Tuy nhiên, phạm vi truyền thông của các nút cảm biến bị hạn chế đã không
cho phép việc truyền thông trực tiếp giữa mỗi nút cảm biến với Sink. Điều này địi hỏi
các giao thức định tuyến khơng dây đa chặng giữa các nút cảm biến và Sink bằng việc
sử dụng các nút cảm biến trung gian để thực hiện chuyển tiếp. Các kỹ thuật định tuyến
hiện có đã được phát triển cho các mạng Ad-hoc không dây thường không phù hợp với
các yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của các mạng cảm biến thường được thiết
kế theo quy tắc sau đây:

12


-

Vấn đề hiệu quả năng lượng luôn là vấn đề được quan tâm nhất.
Các mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.
Ngoài việc định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp các dữ liệu từ các nút lân

-

cận thông qua việc xử lý cục bộ.
Do số lượng lớn các nút trong một mạng cảm biến không dây nên có thể các nút khơng
có nhận dạng duy nhất và chúng có thể cần phải được đánh địa chỉ dựa trên dữ liệu và

-

vị trí của chúng.
Một vấn đề quan trọng đối với việc định tuyến trong các mạng cảm biến khơng dây là
việc định tuyến có thể dựa trên các truy vấn tập trung dữ liệu. Dựa trên các thông tin
được yêu cầu bởi người dùng, các giao thức định tuyến sẽ xác định các nút khác nhau
trong mạng để cung cấp thông tin yêu cầu. Cụ thể là người dùng quan tâm nhiều hơn
đến truy vấn một thuộc tính của hiện trường chứ khơng phải là truy vấn một nút riêng
lẻ. Ví dụ "các khu vực có nhiệt độ trên 21 oC" là một truy vấn phổ biến hơn so với

-

"nhiệt độ đọc bởi nút số #47".
Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp kết nối liên mạng với các
mạng bên ngoài chẳng hạn như các mạng cảm biến khác, các hệ thống chỉ huy, điều

khiển và mạng Internet. Các nút Sink có thể được sử dụng như một Gateway kết nối
với các mạng khác, trong khi ở một trường hợp khác chúng tạo ra một đường trục kết
nối các nút Sink với nhau và kết nối đường trục với các mạng khác thông qua một
Gateway.
1.3.4. Lớp giao vận
Sự phát triển của các giao thức lớp giao vận là một nhiệm vụ đầy thách thức bởi
vì các nút cảm biến bị ảnh hưởng bởi những hạn chế về phần cứng như là năng lượng
và bộ nhớ hạn chế. Do đó, mỗi nút cảm biến không thể lưu trữ một lượng lớn dữ liệu
như một máy chủ trên mạng Internet.
Để thực hiện việc truyền thơng trong mạng cảm biến khơng dây thì các giao
thức lớp giao vận yêu cầu hai chức năng chính đó là: Đảm bảo độ tin cậy và điều khiển
tắc nghẽn. Do tài nguyên hạn chế và chi phí cao về năng lượng đã ảnh hưởng đến độ
tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối đến điểm cuối được sử dụng trong các
mạng cảm biến không dây. Do vậy cần thiết phải có các cơ chế đáng tin cậy. Ngồi ra,
tắc nghẽn có thể xuất hiện bởi lưu lượng lớn dữ liệu được tạo ra trong suốt quá trình
xảy ra các sự kiện trong trường cảm biến. Tắc nghẽn cần được giảm thiểu bởi các giao
thức lớp giao vận.
13


1.3.5. Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng chính cũng như một số chức năng quản
lý. Ngồi các chương trình ứng dụng cụ thể cho mỗi ứng dụng thì các chức năng quản
lý và xử lý truy vấn cũng nằm ở lớp này.
Ngoài các chức năng truyền thơng trong ngăn xếp phân lớp thì các mạng cảm
biến không dây cũng được trang bị các chức năng để hỗ trợ hoạt động cho các giải
pháp khác được đề xuất. Trong một mạng cảm biến không dây, mỗi thiết bị cảm biến
được trang bị một đồng hồ cục bộ. Mỗi sự kiện có liên quan đến sự hoạt động của thiết
bị cảm biến bao gồm cảm nhận, xử lý và truyền thông được kết hợp với thông tin định
thời được điều khiển thông qua các đồng hồ cục bộ. Vì người dùng quan tâm đến

thơng tin phối hợp từ nhiều cảm biến, nên thơng tin định thời có liên quan đến dữ liệu
ở mỗi thiết bị cảm biến cần phải được thống nhất. Ngồi ra, mạng cảm biến khơng dây
có thể sắp xếp thứ tự chính xác các sự kiện được cảm nhận bởi các cảm biến phân tán
từ đó mơ hình hóa chính xác mơi trường vật lý. Những yêu cầu đồng bộ này đã dẫn
đến sự phát triển các giao thức đồng bộ thời gian trong các mạng cảm biến không dây.
Sự tương tác chặt chẽ với các hiện tượng vật lý địi hỏi phải có các thơng tin vị
trí có liên quan. Các mạng cảm biến không dây kết hợp chặt chẽ với các hiện tượng vật
lý ở môi trường xung quanh. Thông tin thu thập được cần phải được kết hợp với vị trí
của các nút cảm biến để cung cấp cái nhìn chính xác về trường cảm biến. Ngồi ra, các
mạng cảm biến khơng dây có thể được sử dụng để theo dõi các đối tượng nhất định
trong các ứng dụng giám sát. Các ứng dụng này địi hỏi thơng tin vị trí để đưa vào các
thuật tốn theo dõi. Ngồi ra, các dịch vụ dựa trên vị trí và các giao thức truyền thơng
cũng u cầu thơng tin vị trí. Do đó, các giao thức định vị đã được đưa vào ngăn xếp
truyền thông.
Cuối cùng, một số giải pháp quản lý cấu trúc liên kết cũng cần phải có để duy
trì kết nối và vùng phủ sóng của mạng cảm biến khơng dây. Các thuật toán quản lý cấu
trúc liên kết cung cấp các phương thức hiệu quả cho việc triển khai mạng nhằm kéo
dài thời gian tồn tại của mạng và phủ sóng thơng tin một cách hiệu quả. Ngồi ra, các
giao thức điều khiển cấu trúc liên kết giúp xác định các mức công suất truyền cũng
như thời gian hoạt động của các nút cảm biến để tối thiểu năng lượng tiêu thụ trong
khi vẫn đảm bảo kết nối mạng. Cuối cùng, các giao thức phân nhóm được sử dụng để
14


tổ chức mạng thành các cụm nhằm cải thiện khả năng mở rộng và cải thiện thời gian
tồn tại của mạng.
Bản chất sự phụ thuộc vào từng ứng dụng của các mạng cảm biến không dây đã
xác định một số thuộc tính đặc trưng riêng so với các giải pháp mạng truyền thống.
Mặc dù những nghiên cứu và triển khai ban đầu của các mạng cảm biến không dây tập
trung chủ yếu vào việc truyền dữ liệu trong môi trường không dây nhưng một vài lĩnh

vực ứng dụng mới của mạng cảm biến không dây cũng đã xuất hiện. Chúng bao gồm
các mạng cảm biến và điều khiển không dây, trong đó mỗi nút cảm biến có thêm các
thiết bị truyền động để chuyển đổi thông tin cảm nhận được thành các hành động để
tác động đến môi trường và các mạng cảm biến đa phương tiện không dây hỗ trợ lưu
lượng đa phương tiện bao gồm các thông tin âm thanh và hình ảnh. Ngồi ra, hiện
trường mạng cảm biến không dây gần đây đã được áp dụng vào trong các môi trường
hạn chế như thiết lập mạng dưới nước, trong lòng đất và tạo ra các mạng cảm biến
khơng dây dưới nước và trong lịng đất. Những lĩnh vực nghiên cứu mới này đặt ra
những thách thức mới bổ sung mà chưa được quan tâm xem xét bởi một số giải pháp
đã được phát triển cho các mạng cảm biến không dây truyền thống.
Sự linh hoạt, khả năng chịu lỗi, cảm nhận độ trung thực cao, chi phí thấp và
một số đặc điểm triển khai nhanh chóng của các mạng cảm biến không dây đã tạo ra
nhiều lĩnh vực ứng dụng mới cho việc cảm nhận từ xa. Trong tương lai, một loạt các
lĩnh vực ứng dụng này sẽ làm cho các mạng cảm biến trở thành một phần không thể
thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên, việc thực hiện các này cần phải đáp
ứng được các yếu tố như khả năng chống lỗi, khả năng mở rộng, chi phí, phần cứng,
sự thay đổi cấu trúc liên kết mạng, môi trường và năng lượng tiêu thụ. Bởi vì những
ràng buộc này rất nghiêm ngặt và đặc thù cho các mạng cảm biến nên các kỹ thuật
mạng Ad-hoc không dây mới là rất cần thiết. Nhiều nhà nghiên cứu hiện đang tham gia
vào việc phát triển các công nghệ cần thiết cho các lớp khác nhau của ngăn xếp giao
thức mạng cảm biến.
1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến khơng dây
1.4.1. Mơ hình truyền thơng trong mạng cảm biến khơng dây
Mơ hình truyền thơng cho các nút mạng cảm biến khơng dây có thể được chia
thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm. Mỗi mơ hình truyền
15


thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau. Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp
các mơ hình truyền thơng này.

1.4.1.1. Mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm
Mơ hình truyền thông Điểm - Điểm xảy ra khi một nút mạng cảm biến không
dây truyền thông với một nút mạng cảm biến khơng dây khác. Tuy nhiên, việc truyền
thơng có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác. Trong hình 1.3, hai nút
mạng cảm biến khơng dây giao tiếp với nhau nhưng có hai nút mạng cảm biến khác
liên quan đến q trình truyền thơng, bởi vì chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các
điểm đầu cuối của q trình truyền thơng

Hình 1.3: Mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.
1.4.1.2. Mô hình truyền thơng Điểm - Đa điểm
Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm được minh họa như ở hình 1.4. Mơ hình
này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả các
nút khác trong mạng. Mơ hình truyền thơng này có thể được sử dụng để gửi một lệnh
thiết lập đến các nút trong mạng.

Hình 1.4: Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không dây.
16


Có nhiều hình thức truyền thơng trong mơ hình Điểm - Đa điểm. Tùy thuộc
vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau. Nếu
yêu cầu độ tin cậy cao thì giao thức truyền thơng có thể phải truyền lại các bản tin cho
đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành cơng được gói tin. Nếu độ tin cậy khơng u
cầu q khắt khe thì giao thức truyền thơng có thể khơng cần phải truyền lại bất kỳ bản
tin nào và giao thức truyền thông coi kênh truyền thông đủ tin cậy để các bản tin có
thể đến được các nút nhận.
Nhiều cơ chế và giao thức đã được thiết kế để thực hiện truyền thông Điểm Đa điểm trong mạng cảm biến không dây. Dạng đơn giản của truyền thông Điểm - Đa
điểm là mạng tràn lan. Điều này được thực hiện bằng cách từng nút quảng bá bản tin
được gửi đi. Khi một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá được phát từ một nút
bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút khác xung quanh nó. Để

tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiêntrước
khi gửi lại các bản tin. Hiệu quả của cơ chế này là bản tin cũng đến tất cả các nút trong
mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến.
Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợp nhưng
nó khơng phải là cơ chế đáng tin cậy. Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc xung đột cần
được truyền lại. Để đạt được độ tin cậy trong truyền thông Điểm - Đa điểm thì giao
thức truyền thơng phải phát hiện được các bản tin bị mất và phát lại chúng.
1.4.1.3. Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm
Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm thường được sử dụng để thu thập dữ liệu
từ các nút trong trường cảm biến. Với mô hình truyền thơng Đa điểm - Điểm, một vài
nút gửi dữ liệu đến cùng một nút. Nút này thường được gọi là Sink. Hình 1.5 minh họa
mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm.

17


Hình 1.5: Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.
Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cảm biến
chẳng hạn như nhiệt độ từ các nút trong mạng nhưng nó cũng được sử dụng truyền
thơng tin trạng thái các nút trong mạng. Các nút gửi các báo cáo trạng thái định kỳ tới
Sink. Nút Sink sau đó báo cáo tồn bộ hiệu năng của mạng tới người quan sát bên
ngồi.
Trong truyền thơng Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink trong mạng.
Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thể được gửi tới thì mạng
sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi. Điều này cho phép có nhiều
nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao hơn.
Để thiết lập truyền thơng Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc cây
với gốc của nó ở nút Sink. Sink thơng báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp lại các bản
tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bước nhảy bằng khơng tính từ
nút Sink. Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại các bản tin để thơng

báo chúng có bước nhảy là một tính từ nút Sink. Lần lượt, các nút lân cận của chúng sẽ
quảng bá thơng tin là chúng có bước nhảy là hai tính từ nút Sink. Với phương thức đơn
giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết có bao nhiêu bước nhảy chúng phải trải
qua được tính từ nút Sink và biết được các nút lân cận gần Sink hơn. Khi gửi một gói
tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần Sink hơn.
1.4.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng
công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp. Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho mạng cá
nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE). Chuẩn
IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa
1mW. Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét.
Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ
thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho chuẩn IEEE 802.15.4 phổ
biến với mạng cảm biến không dây. Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo
chuẩn IEEE 802.15.4.
Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn IEEE 802.15.4 và sự sẵn có của các bộ thu
phát vơ tuyến tương thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiều ngăn xếp vô tuyến
18


công suất thấp đã được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 như là: WirelessHART,
ISA100a, IPv6 và ZigBee.
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
-

Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền vô tuyến vật

-

lý như thế nào.

Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý
sẽ được xử lý như thế nào.
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 đã xác định rõ một vài cơ chế ở lớp vật lý và lớp
MAC nhưng không phải tất cả mọi chỉ dẫn đều được sử dụng rộng rãi. Ví dụ chuẩn
WirelessHART sử dụng các chỉ dẫn lớp vật lý và định dạng tiêu đề gói tin ở lớp MAC
nhưng không phải tất cả các quy định ở lớp MAC được sử dụng.
Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte. Các gói tin có
kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các thiết bị với tốc độ
dữ liệu thấp. Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các gói tin nên lượng dữ liệu
dành sẵn cho giao thức lớp trên hoặc lớp ứng dụng vào khoảng từ 86 đến 116 byte. Do
vậy, các giao thức ở lớp trên thường thêm vào các cơ chế phân mảnh các phần dữ liệu
lớn hơn thành nhiều khung theo chuẩn 802.15.4.
Các mạng IEEE 802.15.4 được chia thành các mạng PAN như hình 1.6. Mỗi
mạng PAN có một điều phối viên PAN và một tập các thành viên mạng PAN. Các gói
tin được truyền qua mạng PAN mang 16 bit nhận dạng cho mạng PAN để xác định
mạng PAN nào mà gói được gửi đến. Một thiết bị có thể tham gia vào một mạng PAN
như là một điều phối viên PAN và cũng đồng thời tham gia là thành viên mạng PAN
trong một mạng PAN khác.
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: Thiết bị có chức năng đầy đủ
(FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs). Các FFDs có nhiều khả năng hơn
RFDs và có thể đóng vai trị như một điều phối viên PAN. RFDs là các thiết bị đơn
giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành rẻ hơn. RFDs chỉ
có thể truyền thơng với FFDs. Các FFDs có thể truyền thơng được với cả RFDs và
FFDs.

19


Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs chấm đen và các nút RFDs
chấm trắng.

Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai mạng PAN được biểu diễn bởi những
vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều
phối viên PAN.
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba loại cấu trúc mạng được hỗ trợ là
hình sao, mạng mắt lưới và hình cây nhưng hầu hết các giao thức hoạt động ở lớp trên
khơng sử dụng các cấu hình mạng của 802.15.4. Thay vào đó, chúng xây dựng những
cấu trúc liên kết mạng của riêng nó ở phía trên lớp MAC 802.15.4. Vì lý do đó, chúng
ta khơng đi vào chi tiết các cấu trúc liên kết mạng được định nghĩa bởi chuẩn IEEE
802.15.4.
1.4.2.1. Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mỗi nút trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 có một địa chỉ 64 bit nhận dạng
thiết bị duy nhất. Do kích thước gói tin bị giới hạn bởi chuẩn IEEE 802.15.4, nên độ
dài 64 bit địa chỉ là không khả thi. Do đó, chuẩn IEEE 802.15.4 cho phép các nút sử
dụng địa chỉ với độ dài 16 bit. Các địa chỉ ngắn được gán bởi điều phối viên PAN và
chỉ có giá trị trong khn khổ của một PAN. Các nút có thể lựa chọn để gửi gói tin
bằng cách sử dụng cả hai định dạng địa chỉ.
Địa chỉ được viết dưới dạng hệ thập lục phân (Hexa) phân cách nhau bằng dấu
hai chấm. Một ví dụ về độ dài một địa chỉ 802.15.4 là 00:12:75:00:11:6 e:cd: fb.
Hình 1.7 là một ví dụ về hai địa chỉ IEEE 802.15.4 là một địa chỉ dài và một địa chỉ
ngắn.
20


Hình 1.7: Định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 địa chỉ dài (64 bit) và ngắn (16
bit).
Các địa chỉ dài là duy nhất trên thế giới và mỗi thiết bị IEEE 802.15.4 được gán
một địa chỉ khi được sản xuất. Mỗi nhà sản xuất yêu cầu 24 bit nhận dạng duy nhất
OUI của nhà sản xuất (Organizational Unique Identifier) lấy từ tổ chức IEEE. Các
OUI được sử dụng như là 24 bit địa chỉ đầu tiên của thiết bị. Còn lại 40 bit được gán
bởi nhà sản xuất và phải là duy nhất cho mỗi thiết bị.

Các địa chỉ ngắn được gán bởi các điều phối viên mạng PAN. Một địa chỉ ngắn
chỉ có hiệu lực trong phạm vi mạng PAN đó. Tuy nhiên, một thiết bị với một địa chỉ
ngắn có thể truyền thơng với các thiết bị bên ngoài mạng PAN bằng cách mang thêm
16 bit định danh mạng PAN của nó và mạng PAN của thiết bị đích trong mỗi bản tin
được gửi đi. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 khơng chỉ định bất kỳ thuật tốn cụ thể nào sẽ
được sử dụng bởi một điều phối viên PAN khi gán các địa chỉ ngắn trong phạm vi
mạng PAN.
1.4.2.2. Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóa tín hiệu.
Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí.
Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên tần số được cấp phép ở các
nước trên thế giới cũng khác nhau. Tại Hoa Kỳ, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng
tần 902-982MHz. Tại châu Âu, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 868868.8MHz. Các nước còn lại thế giới, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 24002483.5MHz.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau. Trong mỗi
băng tần có quy định một số kênh như được chỉ ra trong hình 1.8. Channel 0 được quy
21


định chỉ ở châu Âu và nằm trên băng tần 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy định
chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz.
Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Khoảng cách giữa các kênh
là 5MHz.

Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý.
Chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến tùy thuộc vào tần số
kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các
kênh từ 11-26 sử dụng khố dịch pha vng góc (QPSK). Trên tất cả các kênh, chuẩn
IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).
Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc độ
bit của kênh là 0 là 20.000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40.000 bit/s và

cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s.

Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11.
22


Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và
11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi
802.11.
Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô
tuyến của chúng với chuẩn IEEE 802.11 (WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh
802.11. Bởi vì chuẩn IEEE 802.11 có một cơng suất đầu ra cao hơn nên lưu lượng theo
chuẩn 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.9 cho thấy sự chồng
lấn giữa chuẩn 802.15.4 và chuẩn 802.11. Tất cả kênh theo chuẩn 802.15.4 ngoại trừ
kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh theo chuẩn 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11
của chuẩn 802.11 được sử dụng thì có 2 kênh của chuẩn 802.15.4 (là kênh 15 và 20)
không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng của chuẩn 802.11.
Lớp vật lý cũng cung cấp các cơ chế để đo công suất vô tuyến của một kênh
cho trước. Kết quả của phép đo này được sử dụng để lớp MAC biết một nút nào đó có
thể đang truyền dữ liệu trên một kênh cụ thể và để điều phối viên quét các kênh có sẵn
trong mạng.
Cơ chế phát hiện công suất vô tuyến cũng được sử dụng để hỗ trợ cơ chế đánh
giá kênh trống CCA (Clear Channel Assessment). Trong đó, lớp vật lý có thể đánh giá
để biết được một nút nào đó hiện đang truyền dẫn qua kênh vô tuyến. Điều này được
thực hiện bằng một trong ba cách sau: Thứ nhất là đo cơng suất vơ tuyến và so sánh nó
với một mức công suất ngưỡng được xác định trước. Thứ hai là thực hiện giải điều chế
tín hiệu vơ tuyến đến để xem nó có phải là một tín hiệu hợp lệ theo chuẩn 802.15.4.
Thứ ba là sự kết hợp của phương pháp phát hiện công suất vô tuyến và phương pháp
điều chế tín hiệu. Cơ chế CCA được sử dụng bởi lớp MAC để kiểm soát sự truy nhập
kênh truyền vô tuyến.

1.4.2.3. Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mục đích của lớp MAC là để kiểm sốt truy nhập vào các kênh truyền vơ tuyến.
Bởi vì kênh truyền vơ tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong một
khu vực lân cận với nhau nên lớp MAC cung cấp cơ chế để các nút xác định khi nào
kênh nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.
Lớp 802.15.4 MAC cung cấp cơ chế quản lý truy nhập kênh, xác nhận sự hợp lệ
các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các
cơ chế tùy chọn cho việc đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA) để truy nhập kênh
23


truyền. Trong đó, điều phối viên PAN chỉ định các khe thời gian cho thiết bị trong
mạng PAN và thực hiện việc lập lịch trình thơng qua sự truyền tải các bản tin báo hiệu.
Đây là chế độ báo hiệu, tuy nhiên không được sử dụng rộng rãi bởi các giao thức chạy
trên chuẩn 802.15.4.
Việc quản lý truy nhập kênh truyền thực hiện theo cơ chế CCA được hỗ trợ bởi
lớp vật lý. Trước khi gửi một gói tin, lớp MAC yêu cầu lớp vật lý thực hiện một kiểm
tra CCA. Nếu CCA nhận thấy rằng một nút khác hiện đang sử dụng kênh truyền thì
lớp MAC sẽ khơng thực hiện việc truyền gói tin của nó. Thay vào đó, lớp MAC sẽ đợi
một thời gian nhất định và thử gửi lại gói tin một lần nữa.
Lớp MAC thực hiện xác nhận sự hợp lệ các khung đến bằng việc tính tốn kiểm
tra dư vịng 16 bit (CRC) của tồn bộ khung. CRC được sử dụng để kiểm tra các lỗi
truyền trong khung và được tính tốn bởi nút gửi khung. Nó được thêm vào
các gói tin được truyền đi. Nếu CRC được tính tốn bởi nút nhận khơng khớp
CRC ở cuối khung thì nút nhận sẽ loại bỏ khung.
Lớp MAC cung cấp một cơ chế tự động xác nhận các khung dữ liệu. Nếu một
khung đến có thiết lập bit xác nhận thì lớp MAC sẽ gửi đi một khung xác nhận. Khung
xác nhận chỉ được gửi đi khi địa chỉ đích của khung đến giống địa chỉ của thiết bị và
nếu CRC của khung đến hợp lệ. Khung xác nhận không được định địa chỉ rõ ràng đến
nút gửi khung dữ liệu, mà được quảng bá đến tất cả các nút. Chính điều này dẫn đến

việc nhiều giao thức lớp trên chạy trên chuẩn 802.15.4 thực hiện các cơ chế xác nhận
của riêng chúng.
1.4.2.4. Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4
Các giao thức truyền thông xác định một định dạng gói tin chung sao cho tất cả
các nút biết cách để xây dựng và phân tích các gói tin từ những nút khác. Định dạng
gói tin bao gồm ba phần đó là: Phần tiêu đề, phần dữ liệu và phần kết thúc khung.
Phần tiêu đề bao gồm dữ liệu điều khiển như các địa chỉ, các số thứ tự và các cờ. Phần
dữ liệu là dữ liệu của lớp phía trên. Do đó, cấu trúc của phần dữ liệu thông thường
không xác định nhưng được chuyển đến các giao thức lớp trên để xác định rõ. Phần
kết thúc khung thường chứa một kiểm tra tổng hoặc các chữ ký mật mã. Phần kết thúc
khung này có thể được tính tốn trong khi gói tin được truyền đi. Phần kết thúc này sẽ
được gửi đi sau khi phần cịn lại của gói tin đã được gửi.
24


Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một định dạng gói tin chung cho tất cả các
gói tin được truyền đi. Định dạng gói bao gồm một phần lớp vật lý và một phần lớp
MAC. Lớp vật lý bổ sung phần tiêu đề đồng bộ hóa và lớp MAC bổ sung một phần
tiêu đề và phần kết thúc khung. Định dạng phần tiêu đề được minh họa trong hình
1.10.
Phần tiêu đề được thêm vào bởi lớp vật lý bao gồm một mở đầu khung
(Preamble), một bắt đầu giới hạn khung SFD (Start of Frame Delimiter) và một trường
độ dài. Mở đầu khung được sử dụng để đồng bộ hóa nút gửi và nút nhận để nút nhận
có thể nhận được chính xác gói tin phía sau. Bắt đầu giới hạn khung SFD
báo cho nút nhận biết được sự kết thúc phần mở đầu và bắt đầu khung. Trường độ dài
1 byte báo cho nút nhận biết có bao nhiêu byte ở phía sau. Chiều dài tối đa của gói tin
là 127 byte.
Phần tiêu đề lớp MAC gán trực tiếp ngay sau phần tiêu đề lớp vật lý. Phần tiêu
đề lớp MAC có hai byte điều khiển, được gọi là điều khiển khung. Phần chứa các cờ

để báo cho nút nhận biết cách để phân tích được phần cịn lại của tiêu đề cũng như các
cờ để xác định xem các khung có cần phải xác nhận hay khơng. Sau các byte điều
khiển khung là một byte số thứ tự. Số thứ tự được sử dụng để kết hợp với các gói tin
xác nhận. Gói tin xác nhận mang cùng số thứ tự với gói tin dữ liệu.
Sau các byte số thứ tự và điều khiển khung là các trường địa chỉ. Chúng chứa
địa chỉ của nút gửi gói tin và nút nhận gói tin cũng như các nhận dạng mạng PAN phía
gửi và phía nhận. Tất cả các trường địa chỉ này là tùy chọn. Sự có mặt của chúng được
chỉ ra bởi các cờ trong trường điều khiển khung. Các trường địa chỉ được sử dụng bởi
phía thu để xác định xem một gói tin nhận được có phải dành cho nó hay khơng. Theo
25