tổng quan về mạng cảm ứng không dây Wireless Sensor Netwơrk-WSN

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, em đã
nhận được sự động viên, giúp đỡ tận tình của PGS.TS Vương Đạo
Vy. Em xin chân thành cảm ơn thầy và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến Thầy
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ
môn Điện Tử Viễn Thông -Khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa
Học đã dạy bảo em trong suốt 5 năm học đại học, để em có được
những kiến thức như ngày hôm nay và cụ thể là qua kết quả đồ án
đã phần nào thể hiện điều này.
Ngoài ra, trong quá trình làm đồ án xa nhà , em cũng được
sự trợ giúp, động viên hết sức to lớn về mặt vật chất cũng như tinh
thần từ gia đình, người thân và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn.
Huế, ngày 28 tháng 0 4 năm 2009
Người thực hiện đồ án
Nguyễn Duy Thanh
Đồ án tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những
năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá
thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực
thông tin. Hiện nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng không dây
để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm ứng được ứng dụng rất nhiều
trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây
đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất
trong mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất nhiều nghiên
cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong
từng lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai các ứng dụng của mạng cảm ứng không
dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống.
Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm ứng không
dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô phỏng

và đánh giá 3 giao thức cơ bản trong mạng cảm biến không dây. Đó là các giao thức
LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 2
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
I.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới phát
triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá
trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…
Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên
Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ
sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm
nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị đơn
giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ
thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt
động lâu dài.
Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạng
phạm vi ở nhà (Bluetooth). Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được hỗ
trợ internet không dây. Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng với tính
di động cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần
Doppler. Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao. Bluetooth và Home RF đích đến
là tại nhà. Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính
di động cũng thấp.
WSN khác với các mạng trên. Nó có 1 số lượng lớn các node. Khoảng cách
giữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng trên. Do WSN hoàn toàn chỉ là
các node, chi phí cho mỗi node là ít. Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều, bởi vì
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 3
Đồ án tốt nghiệp
việc thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả. Tốc độ dữ liệu

và tính di động trong WSN cũng thấp hơn.
Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhận
không dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo thành một cách công khai, sẵn
sàng để thương mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể
dễ dàng sử dụng thiết bị này. Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley. Sự
tiện ích của các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy
đủ, với giá tương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đã mang lại một
vai trò đầy đủ trong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận không dây.
Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley
I.2 Cấu trúc mạng WSN
I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN
Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu
thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy
theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về
năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông
số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả
năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu
thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý
(a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 4
Đồ án tốt nghiệp
hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ
phận di động (mobilizer)
Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.
Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng quan
sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ
ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định

các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ
liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.
Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có
thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng,
nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.
Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu
cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di
động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các
nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.
Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là
phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự
hoạt động, và thích ứng với môi trường.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 5
Đồ án tốt nghiệp
I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì
giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản.
Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy
cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các
mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop.
Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn
mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không
dây.
Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số
một các tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông
qua các nút khác (gọi là tự định vị).
Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến
không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu

thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng
thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới
gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.
Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:
 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận
Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.4. Mỗi một
nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu
được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp
với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 6
Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN
Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được
định tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua
internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm
biến (hình 1.5)
Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.
Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số
liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và
sự tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên
kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần
quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 7
Đồ án tốt nghiệp
 Lớp ứng dụng :Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần
mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng

dụng. Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thức
quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor Management Protocol), giao thức
quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task
Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy
vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination).
 Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến
yêu cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng
bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận
chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là
giao thức gói ngừời dùng (UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức
điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol) thông qua
internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cần
các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ.
Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính
mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu .
 Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp
truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất
nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…
Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc
sau:
 Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.
 Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí
Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không
dây. Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là
định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo
hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-
based), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến thỏa thuận (negotiation-
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 8

Đồ án tốt nghiệp
based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS – Quanlity of Service), định tuyến
kết hợp (coherent-based).
 Lớp kết nối dữ liệu: Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép
các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi
trường. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao
thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC – Media Access Control)
phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va
chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
 Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng
mang, điều chế, lập mã và tách sóng.
 Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm
biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một
bản tin từ một nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống
nhau. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng
bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không
thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Công suất còn lại sẽ được dành
riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
 Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm
biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến. Nhờ xác
định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng
giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.
 Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong
một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó
điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là
một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo
mức công suất của nó.
Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng
nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong
mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 9
Đồ án tốt nghiệp
I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN
I.4.1 Thời gian sống bên ngoài
Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn. Ví dụ: một loại pin kiềm
cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cực
gần 1 tháng hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho
một mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế. Trong thực tế, pin rất cần
thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng
không cần thay thế trong vài năm. Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và
kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin.
I.4.2 Sự đáp ứng
Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển
các node trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: chế độ ngủ
(mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active). Trong khi quá trình đồng bộ ở chế
độ ngủ là 1 thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ 1
cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các sensor.
Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiên được tìm thấy và thông báo
nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở giới hạn chính xác, thậm chí trong sự
tồn tại của nghẽn mạng.
I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness)
Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao phủ chính xác
(fine-grained coverage). Mục tiêu này phổ biến ở số lượng lớn các thiết bị không đắt
tiền. Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi. Tốc độ
lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắc
khe và trong vùng của kẻ địch. Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng kỹ sảo
để có thể đáp ứng tốt. Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầu của hệ
thống là không bị hỏng với các thiết bị lỗi.
I.4.4 Hiệu suất (Synergy)
Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị

về các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện
nhanh chóng sự chính xác của bộ cảm biến. Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được đặt ra ở
đây là giá cả trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài cent), nó
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 10
Đồ án tốt nghiệp
có thể làm cho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhất định. Đó là lý
do để thiết kế các giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ
có dung năng lớn hơn so với dung năng của các thành phần trong nó cộng lại. Các
giao thức cung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính và các tài nguyên
thông tin.
I.4.5 Tính mở rộng (Scalability)
WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn 10 ngàn, thậm
chí là hàng triệu node trong một giới hạn về độ dài).Có một vài hạn chế về thông
lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến scalability của hoạt động mạng.
I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity)
Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trình cài
đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến). Sự không đồng nhất
sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế.
I.4.7 Tự cấu hình
Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ thống phân phối
không cần chủ. Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong thiết kế. Ngay
từ khi bắt đầu, các node trong WSN có thể được cấu hình theo topo mạng của
chúng; tự đồng bộ, tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác.
I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi
Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạt
động trước khi triển khai. Dưới những điều kiện đó, việc xây dựng những máy móc
để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học
được đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng.
Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường mà WSN hoạt
động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian. Các giao thức WSN sẽ làm cho thiết bị có

thể thích nghi với môi trường năng động trong khi nó đang sử dụng.
I.4.9 Thiết kế có hệ thống
WSN có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng, nên cần có sự
cân bằng giữa hai yếu tố:
 Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng riêng để đưa ra
những hoạt động phát triển cao.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 11
Đồ án tốt nghiệp
 Tính mềm dẻo: các phương pháp thiết kế phải phổ biến cho các hoạt động
I.4.10 Cách biệt và bảo mật
Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng, nhạy của thông tin thu được bởi vì
WSN làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm sự cách biệt và bảo mật.
I.5 Ứng dụng của mạng WSN
WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát
triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi
trường, y tế ... WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và
dân dụng.
Một số ứng dụng cơ bản của WSN:
 Cảm biến môi trường:
 Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…
 Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…
 Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…
 Điều khiển:
 Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…
 Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
 Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải...
 Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…
 Hệ thống giao thông thông minh:
 Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu
thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…

 Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao
thông,…
 Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các
thiết bị thông minh,…
WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết
bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống
viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…)
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 12
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG II
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không
dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra
để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu. Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu
cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng. Chương này
trình bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến
trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol)
và định tuyến dựa vào vị trí (location-based protocol).
II.1 Giới thiệu
Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng
adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà
tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng. Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức
định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc
có dây và không dây.
II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến
II.2.1 Tính động của mạng
Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm ứng, nút sink và
các sự kiện cần giám sát. Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút cảm ứng di động,
còn lại hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định. Tuy nhiên trong một số
ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển . Khi đó các bản tin chọn

đường được lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút di động sẽ phải đối
mặt với nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng
băng... Các sự kiện cảm nhận có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng.
II.2.2 Sự triển khai các node
Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được xác
định trước hoặc tự phân bố. Trong trường hợp được xác định trước, các nút được
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 13
Đồ án tốt nghiệp
đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định. Tuy nhiên
trong các hệ thống tự tổ chức, các nút cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một
cấu trúc theo kiểu ad hoc. Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các nút
chủ cũng góp phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt động
của mạng. Trong hầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thường
có cự ly ngắn do các hạn chế về năng lượng và băng thông. Do đó việc chọn đường
sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy.
II.2.3 Tính đến năng lượng
Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến bị ảnh hưởng mạnh bởi
năng lượng. Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến là một hàm suy hao theo
khoảng cách và đặc biệt suy giảm mạnh trong trường hợp có nhiều vật cản, định
tuyến đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp.
Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu đề (overhead) để
điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền. Định tuyến trực tiếp sẽ
tốt hơn trong trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các
trường hợp các nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định tuyến
đa bước nhảy hay được sử dụng hơn. Trong WSN đa bước nhảy, mỗi nút đóng hai
vai trò là truyền số liệu và chọn đường. Một số nút cảm biến hoạt động sai chức
năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng
và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng.
II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu
Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu trong WSN

có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc ghép
lại các phương pháp này.
Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng yêu cầu giám
sát số liệu định kỳ. Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm biến và bộ phận
phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian
xác định.
Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến
sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuất
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 14
Đồ án tốt nghiệp
hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút
gốc hay các nút khác trong mạng.
Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thời
gian. Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo số
liệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa năng lượng và sự ổn định tuyến.
II.2.5 Khả năng của các node
Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là có khả
năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau. Tuy nhiên
phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện các chức
năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chức năng
trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút đó.
Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kĩ thuật
liên quan đến định tuyến. Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp nhiều sensor để
kiểm tra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịch
chuyển thông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh của
các vật chuyển động. Tốc độ đọc của các sensor này có thể khác nhau, vì thế với
những môi trường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó
khăn hơn. Ví dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút
cảm biến bình thường khác. Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút
cảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất, băng

thông và bộ nhớ. Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập trung bởi một
nhóm các nút chủ nhóm.
II.2.6 Tập trung / hợp nhất dữ liệu
Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm số
lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tập trung lại.
Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc
dùng các chức năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy
trung bình (average). Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc toàn
bộ trong mỗi một nút cảm ứng. Việc tinh toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với
giao tiếp, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng kể.
Kĩ thuật này được sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến. Trong một số
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 15
Đồ án tốt nghiệp
cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉ định cho các nút
nhiều năng lượng và chuyên dụng. Tập trung dữ liệu cũng khả thi trong kỹ thuật xử
lý tín hiệu.
II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN
Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong WSN. Ngoài cách
chia làm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến
phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí việc chọn đường trong WSN còn có thể được
chia thành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựa theo
vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng. Những giao thức này cũng có thể được chia
thành các giao thức chọn đường đa đường, yêu cầu hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào
chất lượng dịch vụ -QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các giao
thức chọn đường có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc ghép
tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích. Trong các giao thức chủ
động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các
giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu cầu. Để khái quát, có thể
sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn
chọn đường). Việc phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN được

chỉ ra trong hình 2.1 và hình 2.2
Hình 2.1: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 16
Đồ án tốt nghiệp
Hình 2.2: Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 17
Đồ án tốt nghiệp
II.4 Các loại giao thức định tuyến
II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols)
Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm ứng thì việc xác định số nhận dạng
toàn cầu cho từng nút là không khả thi. Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu cùng với
việc triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra tập hợp các nút
chuyên dụng. Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi nút trong vùng triển khai với độ dư
thừa đáng kể, nên việc sử dụng năng lượng sẽ không hiệu quả. Do vậy, người ta đã
đưa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra tập hợp các nút và thực
hiện tập trung dữ liệu trong suốt quá trình truyền. Điều này đã dẫn đến ý tưởng về
giao thức trung tâm dữ liệu. Trong giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến
các vùng xác định và đợi dữ liệu từ các sensor đã được chọn trước trong vùng. SPIN
là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các
nút để giảm bớt sự dư thừa dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Sau đó Directed
Diffusion (truyền tin trực tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý
trong định tuyến trung tâm dữ liệu.
II.4.1.1 SPIN (Sensor protocols for information via negotiation)
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức định
tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Mục tiêu chính của giao thức này đó là
tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng
biệt trong toàn bộ mạng. Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng về tài
nguyên và sắp xếp dữ liệu. Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) này
là các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào
được truyền trong mạng . Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến nội dung

dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá. Điều này tạo ra sự sắp
xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm loại dữ liệu
này. Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ
liệu dư thừa qua mạng. Việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ khả năng
chồng chất vì các nút có thể chỉ giới hạn về lọai dữ liệu mà chúng quan tâm đến.
Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của mình
trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 18
Đồ án tốt nghiệp
thể giảm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu hoặc các gói.
Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của mạng.
Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử
dụng ba loại bản tin (hình 2.3).
Hình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN
Hình 2.4: Hoạt động của SPIN
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 19
Đồ án tốt nghiệp
Hoạt động của SPIN gồm 6 bước
 Bước 1: ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các nút.
 Bước 2: REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm. Sau khi nhận
được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy
dữ liệu.
 Bước 3: bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến
và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu.
 Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các
nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu
(metadata).
 Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu.
 Bước 6: là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này.
Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không quan

tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích.
II.4.1.2 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion)
Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin
trong mạng cảm biến không dây. Mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng để tăng
thời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác giữa
các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân cận
mạng. Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đường
truyền dẫn. Đặc điểm duy nhất của giao thức này là sự kết hợp với khả năng của nút
để có thể tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng.
Thành phần chính của giao thức này bao gồm 4 thành phần: interest (thông tin yêu
cầu), data message (các bản tin dữ liệu), gradient, reinforcements. Directed
disffusion sử dụng mô hình publish- and subcribe trong đó một người kiểm tra (tại
sink) sẽ miêu tả mối quan tâm (interest) bằng một cặp thuộc tính-giá trị.
Như vậy, yêu cầu dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ trong vòng 10’s và trong một
miền chi tiết như hình chử nhật có thể được trình bày như sau:
Cặp thuộc tính – giá trị mô tả
Type = temperature kiểu dữ liệu cảm biến
Start = 01:00:00 thời gian bắt đầu
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 20
Đồ án tốt nghiệp
Interval =1s báo cáo sự kiện, chu kỳ là 1s
Duration = 10s thời gian sống của interes (cho 10s)
Location = [24,48,36,40] ở trong miền này
Và dữ liệu trả lời từ node chi tiết có thể là:
Type = temperature kiểu của dữ liệu cảm biến
Valus = 38.3 giá trị nhiệt độ được đọc
Timestamp = 1:02:00 nhãn thời gian (t/g ngay tại thời điểm đọc)
Location = [30,38] báo cáo từ cảm biến trong vùng x,y
Hoạt động của Directed Dissfusion. ( hình 2.5)
 Sink sẽ gởi quảng bá bản tin interest theo chu kỳ cho các nút lân cận. Bản

tin này sẽ truyền qua tất cả các nút trong mạng như là một sự quan tâm
đến một dữ liệu nào đó. Mục đích của việc thăm dò này là để xem xét
xem có nút cảm biến nào đó có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng với
interest. Tất cả các nút đều duy trì một interest cache để lưu trữ các
interest entry khác nhau.
 Mỗi một mục (entry) trong interest cache sẽ lưu trữ một interest khác
nhau. Các entry cache này sẽ lưu trữ một số trường sau: một nhãn thời
gian (timestamp), nhiều trường gradient cho mỗi nút lân cận và và trường
duration. Nhãn thời gian sẽ lưu trữ nhãn thời gian của interest nhận được
sau cùng. Mỗi gradient sẽ lưu trữ cả tốc độ dữ liệu và chiều mà dữ liệu
được gửi đi. Trường duration sẽ xác định khoảng thời gian tồn tại của
interest. Một gradient có thể coi như là một liên kết phản hồi của nút lân
cận khi mà nhận được bản tin interest. Việc truyền bản tin interest trong
toàn mạng cùng với việc thiết lập các gradient tại mỗi nút cho phép việc
tìm ra và thiết lập các đường dẫn giữa sink để đưa ra yêu cầu về dữ liệu
quan tâm và các nút mà đáp ứng mối quan tâm đó.
 Khi một nút phát hiện một sự kiện nó sẽ tìm kiếm trong cache xem có
interest nào phù hợp không, nếu có nó sẽ tính toán tốc độ sự kiện cao nhất
cho tất cả các gradient lối ra. Sau đó nó thiết lập một phân hệ cảm biến để
lấy mẫu các sự kiện ở mức tốc độ cao này. Các nút sẽ gửi ra ngoài miêu tả
về sự kiện cho các nút lân cận có gradient. Các nút lân cận này nhận dữ
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 21
Đồ án tốt nghiệp
liệu và sẽ kiểm tra trong cache xem có entry nào phù hợp không, nếu
không nó sẽ loại bỏ dữ liệu còn nếu phù hợp nó sẽ nhận dữ liệu các nút
này, sẽ thêm bản tin vào cache dữ liệu và sau đó gửi bản tin dữ liệu cho
các nút lân cận.
Hình 2.5: Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion
 Khi nhận được một interest các nút tìm kiếm trong interest cache của nó
xem có entry nào phù hợp không, nếu không nút sẽ tạo một cache entry

mới. Các nút sẽ sử dụng các thông tin chứa trong interest để tạo ra các
thông số interest trong entry. Các entry này là một tập hợp chứa các
trường gradient với tốc độ và chiều tương ứng với nút lân cận mà interest
được nhận. Nếu như interest nhận được có trong cache thì nút sẽ cập nhật
nhãn thời gian và trường duration cho phù hợp với entry. Một trường
gradient sẽ được remove khỏi entry nếu quá hạn. Trong pha thiết lập
gradient thì các sink sẽ thiết lập một tập hợp các đường dẫn. Sink có thể
sử dụng đường dẫn này với sự kiện chất lượng cao để làm tăng tốc độ dữ
liệu. Điều này đạt được thông qua một đường dẫn được hỗ trợ xử lý (path
reinforcement process). Các sink này có thể sử dụng sự hỗ trợ của một số
các nút lân cận. Để làm được điều này sink có thể gửi lại bản tin interest
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 22
Đồ án tốt nghiệp
nguồn ở tốc độ cao thông qua các đường dẫn được chọn, nhờ việc tăng
cường các nút nguồn trên đường dẫn để gửi dữ liệu thường xuyên hơn.
Directed disffusion có ưu điểm nếu một đường dẫn nào đó giữa sink và
một nút bị lỗi, một đường dẫn có tốc độ dữ liệu thấp hơn được thay thế.
Kỹ thuật định tuyến này ổn định dưới phạm vi mạng động. Loại giao thức
định tuyến này tiết kiệm năng lượng đáng kể.
II.4.1.3 Định tuyến tải cân bằng năng lượng (Load-balanced Energy aware
routing)
Mức năng lượng cộng thêm vào của load balancing là cần thiết trong một
mạng tĩnh, kỉ thuật chuyển tiếp theo xác suất cost-based sau đấy được sử dụng.
Những node chỉ chuyển tiếp các gói tin đến các neighbor (các node lân cận), nó sẽ
bị đóng khi đến đích. Đặt cost từ đích đến node i được xem là thích hợp khi
neighbor j được định rõ là: C
i,j =
C
j
+ c

i.j
C
j
: là cost mong chờ tối thiểu từ đích đến j
c
i,j
: là kết nối bất kì của link metric (vd:
c
i
b
i
a
ji
ERT
−
,
mectric thỏa thuận ở trên).
Cho neighbor j, nó sẽ thiết lập những neighbor (N
i
) được xem là thích hợp,
node được gán với một xác suất chuyển tiếp, nó là số hạng (proportianal) từ cost
đến đích
Node i khi được tính toán là cost mong đợi nhỏ nhất đến đích cho bản thân
nó
Mỗi lần node cần định tuyến bất kì một gói tin nào đó , nó sẽ chuyển tiếp đến
bất kì các neighbor nào mà có xác suất tương ứng. Điều này cung cấp cho load
balancing, ngăn chặn một đường dẫn đơn nào đó sẽ làm cạn kiệt năng lượng nhanh
hơn.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 23
Đồ án tốt nghiệp

II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols)
Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ
năng lượng của các nút cảm ứng bằng việc đặt chúng trong giao tiếp multihop trong
một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản
tin được truyền đến sink. Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự
trữ của sensor và vùng lân cận của sensor so với các nút chủ của cụm. LEACH là
một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm ứng.
Ý tưởng của LEACH là động lực cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác
phát triển.
 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)
LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp. Đây là
giao thức thu lượm và phân phát dữ liệu tới các sink đặc biệt là các trạm cơ sở.
Mục tiêu chính của LEACH là:
 Mở rộng thời gian sống của mạng
 Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng
 Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng
LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi
cụm được quản lý bởi nút chủ. Nút chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ. Đầu tiên là thu
lượm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệu nút
chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu giống nhau.
Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trược tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến
các trạm cơ sở, việc truyền này thực hiện theo kiểu single hop. Nhiệm vụ thứ ba là
LEACH sẽ tạo ra mô hình ghép kênh theo thời gian TDMA (Time Division Multiple
Access), mỗi nút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sử dụng để
truyền tin.
Mô hình LEACH (hình 2.6). Các nút chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho
các nút thành viên trong cụm của nó. Để giảm thiểu khả năng xung đột giữa các nút
cảm biến trong và ngoài cụm, LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia theo
mã CDMA.Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha là pha thiết
lập và pha ổn định. Pha thiết lập bao gồm hai bước là lựa chọn nút chủ và thông tin

về cụm. Pha ổn định trạng thái gồm thu lượm dữ liệu, tập trung dữ liệu và truyền dữ
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 24
Đồ án tốt nghiệp
liệu đến các trạm cơ sở. Thời gian của bước ổn định kéo dài hơn so với thời gian
của bước thiết lập để giảm thiểu mào đầu.
Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH
Ở bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn 1 số ngẫu nhiên giữa 0 và 1.
Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) được tính
như sau:
Trong đó:
P : tỉ lệ phần trăm nút chủ
r : sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1
G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu kì cuối.
Sau khi được chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới của
chúng cho các nút còn lại trong mạng. Các nút còn lại trong mạng dựa vào bản tin
đó và cường độ tín hiệu nhận được hoặc một số tiêu chuẩn nào đó để quyết định
xem có tham gia vào cụm đó hay không. Và sau đó các nút này sẽ thông báo cho nút
chủ biết là mình có mong muốn trở thành thành viên của cụm do nút chủ đó đảm
nhận.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 25