Luận văn:Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng pdf

Đồ án tốt nghiệp đại học



oOo





BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless
Sensor và đánh giá bằng mô phỏng














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 phương pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập
thông tin trong đó mạng Wireless Sensor hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới
và đang dần xâm nhập vào nước ta.
Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng Wireless Sensor như vấn đề năng lượng, vấn đề
đồng bộ sensor, vấn đề mở rộng mạng Năng lượng 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 dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lượng càng trở
lên quan trọng.
Trước thực tế này, được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng,
phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật
Bưu Điện, em đã chọn đề tài đồ án: “Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor
và đánh giá bằng mô phỏng”.
Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng lượng trong mạng
Wireless Sensor, từ đó đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng và tận
dụng các nguồn năng lượng sạch trong tự nhiên.
Đồ án gồm 4 chương:
1 - Chương I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor
2 - Chương II : Năng lượng trong mạng Wireless Sensor
3 - Chương III : Phần mềm mô phỏng cho mạng Wireless Sensor
4 - Chương IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor
Do còn hạn chế về kiến thức và năng lực nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót.
Mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát
triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, đã hướng dẫn
em về chuyên môn cũng như phương pháp làm việc để em có thể hoàn thành đồ án.
Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô trong Khoa Viễn

Thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính - Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho
em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội ngày 31 tháng 10 năm 2005
Sinh viên
Phan Viết Thời

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIRELESS SENSOR

1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Các thiết bị cảm biến (Sensor) được kết nối thành mạng, phối hợp với nhau để thực
hiện các nhiệm vụ với quy mô lớn, được đặt nhiều hy vọng nhằm cách mạng hóa trong
lĩnh vực thu 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 tượng 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 trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút Sensor không dây có
thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra
môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp;
y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình
địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây
truyền thống được.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng
mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến
hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một
môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không
dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như

các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở
các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp

1.2. Nền tảng phát triển mạng
Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc không dây
và được 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, được triển
khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện như 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 như tổng đài, trạm thu phát gốc
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
hay bất kì một trung tâm điều khiển nào. Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc
được 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 như một bộ định tuyến nhờ khả năng
tìm và duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng. Các giao thức định tuyến trong mạng
Ad hoc có thể chia thành hai loại:
- Các giao thức định tuyến theo bảng: mỗi nút mạng sẽ duy trì và cập nhật thông tin
định tuyến tới mọi nút mạng khác.
- Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: Việc định tuyến chỉ được thực hiện khi có
yêu cầu chuyển gói, nhờ cơ chế tìm đường.
Hiện nay có bốn giao thức định tuyến được sử dụng trong mạng Ad hoc:
a) Định tuyến theo chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự
Trong Định tuyến theo chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự (Destination-Sequenced
Distance-Vector - DSDV), mọi trạm di động đều có một bảng định tuyến trong đó ghi
các đích hiện tại, số các bước nhảy để đến được đích và số thứ tự được gán cho nút
đích. Số thứ tự này được sử dụng để phân biệt các tuyến và như vậy tránh được sự
hình thành các vòng lặp. Các trạm định kỳ gửi bảng định tuyến của nó cho các nút lân
cận của nó. Một trạm cũng gửi bảng định tuyến nếu một thay đổi đáng kể trong bảng

so với lần gửi cập nhật cuối cùng được phát hiện. Như vậy, việc cập nhật được thực
hiện cả theo thời gian và theo sự kiện.
Các bảng định tuyến có thể được gửi cập nhật theo hai cách: chuyển toàn bộ (“full
dump”) hay cập nhật phần gia tăng. Theo cách chuyển toàn bộ, bảng định tuyến sẽ
được gửi trọn vẹn đến các nút lân cận và nó có thể bao gồm nhiều gói tin. Ngược lại,
theo cách cập nhật phần gia tăng, chỉ những mục ghi mới của bảng định tuyến so với
lần cập nhật cuối cùng mới được gửi đi và phải vừa trong một gói tin. Khi mạng tương
đối ổn định, các gói cập nhật phần gia tăng được sử dụng để tránh việc lưu lượng tăng
cao và việc chuyển toàn bộ (full dump) ít được sử dụng hơn. Trong các mạng thay đổi
nhanh, số lượng các gói cập nhật phần gia tăng có thể trở lên rất lớn nên việc chuyển
toàn bộ bảng được thực hiện thường xuyên hơn.
b) Định tuyến bằng thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian
Định tuyến bằng thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian (Temporally Ordered
Routing Algorithm - TORA) là một giao thức định tuyến trên cơ sở một thuật toán
“đảo liên kết” (“Link Reversal”). Nó được thiết kế để tìm các tuyến đường theo yêu
cầu, cung cấp nhiều tuyến tới một đích, thiết lập tuyến nhanh và giảm tới mức tối thiểu
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
phần phụ tải (overhead) bằng thuật toán khoanh vùng chống lại các thay đổi về hình
trạng mạng có thể sảy ra. Việc tối ưu định tuyến (tìm đường ngắn nhất) được coi là thứ
yếu và việc định tuyến với các đường dài hơn được sử dụng thường xuyên để tránh
phần phụ tải khi tìm đường mới.
Hoạt động của giao thức TORA được hình dung giống như đưa nước chảy dốc
xuống qua một mạng các đường ống và hướng tới một điểm đích. Các đường ống mô
tả các liên kết giữa các nút mạng, các điểm nối các đường ống này mô tả các nút mạng
và nước chảy trong các ống mô tả các gói tin được định tuyến hướng tới đích. Mỗi nút
có một độ cao so với đích được 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 được hoàn toàn
tuyến đường gồm các liên kết dẫn tới đích. Các tuyến đường này được lưu 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 chưa nhận biết được tuyến đường, nó sẽ sử dụng một tiến trình tìm đường
(Route Discovery) để xác định một tuyến. Tiến trình tìm đường sẽ gửi tràn lan vào
trong mạng các gói yêu cầu tuyến (Route Request-RREQ). Mỗi nút nhận được RREQ
lại tiếp tục quảng bá nó, trừ khi nút đó là nút đích hoặc có một tuyến tới đích được lưu
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 được định tuyến trở lại nguồn. Các gói
RREQ và RREP cũng được định tuyến theo nguồn. Các gói RREQ lập lên một tuyến
xuyên qua mạng. Gói RREP định tuyến trở lại nguồn bằng cách đi ngược trở lại theo
tuyến đường này. Thông tin về tuyến được mang trở lại bằng gói RREP và được lưu
tại nguồn để sử dụng.
Nếu một liên kết trên một tuyến bị sự cố, nút nguồn được 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 đường 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.
d) Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời
Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời (Ad hoc On-Demand
Distance- Vector Routing - AODV) có điểm giống DSR là nó cũng tìm các đường có
yêu cầu thông qua một bằng một tiến trình tìm đường tương tự. Tuy nhiên, AODV sử
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
dụng một cơ chế rất khác để lưu giữ thông tin định tuyến. Nó sử dụng các bảng định
tuyến truyền thống, mỗi mục là một đích. Đây là điểm ngược lại DSR (DSR có thể lưu
giữ nhiều mục cho mỗi đích). Không có định tuyến nguồn, AODV dựa vào các mục
trong bảng định tuyến để truyền một RREP trở về nguồn và sau đó,được sử dụng để
định tuyến các gói số liệu được tới đích. AODV sử dụng các số thứ tự được lưu tại mỗi
đích để xác định tính mới của thông tin định tuyến và chống lại các vòng lặp định

tuyến. Tất cả các gói đều mang theo các số thứ tự này.
Một đặc điểm quan trọng của AODV là lưu giữ các trạng thái định giờ căn bản trong
mỗi nút để tận dụng các mục trong bảng định tuyến đơn. Một mục trong bảng định
tuyến có thể bị xoá nếu nó không được sử dụng trong thời gian gần.
Giao thức DSDV là giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức DSR, TORA,
AODV thuộc loại giao thức định tuyến theo yêu cầu.
1.2.2. Nền tảng công nghệ
Các tiến bộ trong công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử rất nhỏ giá rẻ với công suất
thấp và phân hóa chức năng cao, các bước tiến trong công nghệ mạng không dây và
trong lĩnh vực vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thu
thập dữ liệu. Việc sử dụng các bộ vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phát
vô tuyến và các thiết bị cảm biến tương tự, số khác nhau cho phép một mạng các thiết
bị cảm biến không dây hoạt động bằng nguồn acquy có thể thu thập dữ liệu về môi
trường trong phạm vi lớn. Dữ liệu này có thể được tải đến một máy tính và được lưu
trong cơ sở dữ liệu. Sau đó, có thể được phân tích thông qua một phần mềm ứng dụng.
Kết quả có thể được truy xuất trực tiếp hoặc bởi một trình duyệt Web chuẩn ở bất cứ
đâu trên Internet. Các mạng Sensor ngày nay có những cải tiến đáng kể so với các
Sensor truyền thống theo hai hướng:
- Các Sensor có thể đặt ở xa hiện tượng tức là các thông tin về hiện tượng có được
nhờ năng lực cảm biến và phân tích. Theo hướng này, yêu cầu các Sensor lớn sử dụng
một số kỹ thuật phức tạp để nhận biết được các đích từ các tạp âm môi trường ở
khoảng cách xa.
- Nhiều Sensor chủ yếu chỉ hoạt động cảm biến được triển khai. Vị trí các Sensor và
hình trạng thông tin được tính toán cẩn thận. Chúng được liên kết thành một mạng để
truyền thông tin về các diễn biến của hiện tượng được thăm dò tới các nút trung tâm,
nơi tiếp nhận và xử lý dữ liệu.
Một mạng Sensor bao gồm một số lượng lớn các nút được triển khai dày đặc bên
trong đối tượng cần thăm dò hoặc ở rất gần nó. Vị trí của các Sensor phải không cần
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor

định trước. 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 trưng 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
được yêu cầu và đã qua xử lý sơ bộ.
Các đặc điểm trên đưa đến một phạm vi ứng dụng lớn của mạng Sensor. Một số lĩnh
vực được ứng dụng là y tế, quân sự và an ninh. Ví dụ như 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 được sử dụng để phát
hiện các tác nhân hóa học trong không khí và nước. Chúng giúp chỉ ra kiểu, sự cô lại
và vị trí của các chất. Về cơ bản, các mạng Sensor cung cấp cho người sử dụng sự hiểu
tốt hơn, thông minh hơn về môi trường. Chúng ta có thể thấy rằng trong tương lai, các
mạng wireles Sensor sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống, giống như 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 được sử dụng cho
các mạng Wireless Ad hoc truyền thống nhưng chúng không phù hợp lắm với các đặc
tính và yêu cầu ứng dụng của mạng Sensor, Để minh hoạ điểm này, sự khác nhau giữa
mạng Sensor và mạng Wireless Ad hoc được được phác hoạ dưới đây :
- Số lượng nút Sensor trong mạng Sensor có thể được yêu cầu ở mức lớn hơn rất
nhiều so với các mạng Ad hoc.
- Các nút Sensor được triển khai với mật độ lớn hơn.
- Các nút Sensor thường gặp trục trặc
- Hình trạng mạng Sensor thay đổi rất thường xuyên.
- Các nút Sensor thường sử dụng mô hình thông tin quảng bá ngược lại các mạng
Ad hoc sử dụng truyền thông điểm- điểm.
- Các nút Sensor có hạn chế về công xuất, khả năng tính toán và bộ nhớ.
- Các nút Sensor có thể không có nhận dạng toàn cục do số lượng nút Sensor lớn.

Vì một số lượng lớn nút Sensor được triển khai dày đặc nên các nút lân cận có thể rất
gần nhau. Do đó, truyền thông đa liên kết (Multihop) được chọn để công suất sử dụng
thấp hơn so với truyền thông đơn liên kết truyền thống (Single hop).Hơn nữa, công
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
suất truyền dẫn có thể giữ ở mức thấp, điều này rất cần cho các hoạt động ngầm.
Truyền thông đa liên kết còn có một số hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền
thông khoảng cách xa.
Một hạn chế quan trọng nhất của các nút Sensor là yêu cầu phải tối thiểu công suất
tiêu thụ. Các nút Sensor chỉ tích trữ được nguồn năng lượng hạn chế và không được
thay thế. Vì vậy, trong khi các mạng truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất
lượng dịch vụ (QoS) cao thì các giao thức trong mạng Sensor phải chú trọng đến sự
bảo tồn nguồn năng lượng. Người sử dụng phải chọn giữa tuổi thọ của mạng với hạn
chế về thông lượng hay độ trễ truyền dẫn lớn.
1.3. Mô tả hệ thống
1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát
Các nút Sensor được triển khai trong một trường Sensor (Sensor field) được minh
họa trên hình 1.1. Mỗi nút Sensor được phát tán có khả năng thu thập thông số liệu,
định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định
tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor. Số liệu
được định tuyến về phía bộ thu nhận (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ
sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các
trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể
liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián
tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite).


Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút Sensor
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor

Một nút Sensor được 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 như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động.
Các thành phần trong một nút Sensor được minh hoạ trên hình 1.2. Bộ cảm biến
thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển
đổi tương tự / số (ADC). Các tín hiệu tương tự có được từ các Sensor trên cơ sở cảm
biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới
được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường 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
lượng cho nút Sensor và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là
giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như 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 thường
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 được phân công.


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.
Bộ nguồn
Bộ sinh năng
l
ư
ợ
ng

Sensor

Thiết bị xử
lý


Bộ thu phát

Hệ thống tìm vị trí Thiết bị di động

ADC

Thiết bị nhớ

B
ộ
c
ả
m
B
ộ
x
ử

lý

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor

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 trường
như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây
công suất thấp được gọi là các “hạt cảm biến” (Sensor motes). Dữ liệu này được
chuyển tới một máy chủ và được lưu trong một cơ sở dữ liệu. Một chương trình Web
sẽ nhận dữ liệu phân tích và hiển thị trên trình duyệt Web.
Mỗi hạt Sensor được tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến, các
phần tử cảm biến môi trường và nguồn nuôi. Một hệ điều hành thời gian thực được gọi
là TinyOS (Tiny Operation System) được sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà
vẫn cung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạt động tập trung
đồng thời.
b) Sơ đồ hệ thống WISENET
Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data Analysis
Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần chính là
trạm chủ (Server), trạm người dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor mote
network).

Hình 1.3; Sơ đồ hệ thống WISENET
Các hệ thống con chính là:
- Hệ thống con phân tích số liệu: Hệ thống con này chỉ gồm phần mềm . Nó dựa trên
cơ sở hạ tầng Internet và Web hiện tại (HTTP) để truyền thông tin giữa máy tính chủ
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
(Server) và máy truy cập (Client). Nhiệm vụ của hệ thống con này là chọn lấy các dữ
liệu môi trường thích hợp chưa được xử lý, có được nhờ hệ thống thu nhận dữ liệu,
phân tích và gửi kết quả đến người dùng theo yêu cầu.
- Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu môi
trường và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý. Hệ thống
con bao gồm mạng các Sensor được kết hợp với máy tính chủ được cài đặt phần mềm

hệ thống (TinyOS Daemon).
Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:
- Trạm người dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhưng là thành phần bên
ngoài. Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệt Web (Web
browser) và được nối mạng Internet. Nó chỉ đóng vai trò là giao diện của người sử
dụng đối với hệ thống phân tích số liệu. Nó đưa ra yêu cầu số liệu của người 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 được
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 đưa lại trang theo yêu cầu đến máy tính người
dùng (Client). Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có một trình tiện ích hoạt động ngầm
(Daemon) được 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 đưa đến được xử lý rất ít và
được chuyển vào cơ sở dữ liệu. Như 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 chương trình Web cần phải được 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 được tóm tắt
như sau:

Kiểm tra
các tham
số điều
kiện
hợp lệ.
Nhận số

liệu từ cơ
sở dữ liệu,
tuỳ theo
ràng buộc
c
ủ
a tr
ạ
m
Tạo
trang
Web với
dữ liệu
đã được
yêu c
ầ
u

Client

yêu
cầu số
liệu
với
các
đ
i
ề
u
Gửi

trang
Web
đến
Client.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
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 trường và chuyển các số liệu này đến trạm
chủ. Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về số liệu hay tải
chương trình mới. Có hai phần tử thuộc thành phần này. Thứ nhất là các hạt thông
thường (Standard mote). Các hạt này có nhiệm thu thập các thông tin cảm biến từ môi
trường, bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến gateway.
Chúng truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz
và đảm bảo tất cả các gói đều được đưa tới Gateway. Chúng còn có phần cứng hiệu
chỉnh và giám sát công suất nguồn. Hạt cổng (Gateway mote) là phần tử thứ hai của
mạng Sensor motes. Mục đích chính của nó là liên lạc giữa trạm chủ và mạng Sensor
qua liên kết vô tuyến RS-232 và chuyển tất cả các gói số liệu tới WiseDB. Cả hai phần
tử Standard mote và Gateway mote đều có cùng phần cứng và phần mềm, chúng chỉ
khác nhau vế chức năng.

Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor gồm:
Các thành phần trong hạt Sensor được 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 tương tự-
số (ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điều hành TinyOS,
phần mềm) được tích hợp trên vi mạch CC1010.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor

- 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 được 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 được sử dụng trong bộ thu nhận (nút Sink) và tất cả các nút
Sensor được minh họa trong hình 1.6.
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp
số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi
trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút Sensor. Ngăn xếp giao thức
bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng
(Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt
bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động
(Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management
Plane).
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor

Hình 1.6: Ngăn xếp giao thức mạng Sensor
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và
sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng
của mạng Sensor yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung
cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút Sensor có thể di động được,
giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc
phát quảng bá với các nút lân cận . Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và

nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng
lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển
và nhiệm vụ giữa các nút Sensor. Các mặt bằng này giúp cho các nút Sensor có thể
phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ.
Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một nút Sensor sử dụng năng lượng của
nó như thế nào. Ví dụ, nút Sensor có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ
một trong các nút lân cận. Điều này có thể tránh được việc nhận bản tin tới hai lần.
Ngoài ra, khi mức năng lượng của nút Sensor thấp, nút Sensor sẽ thông báo tới tất cả
các nút lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia
vào việc định tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm
biến. Mặt bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của nút Sensor, vì thế
một tuyến đường hướng tới nút user luôn được duy trì và các nút Sensor có thể theo
dõi được các nút Sensor lân cận. Với việc nhận biết được các nút Sensor lân cận, nút
Sensor có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng 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
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
cả các Sensor trong vùng đó được 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 lượng của chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút
Sensor có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, 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, như 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 được vạch rõ và được đề xuất, các
giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng Sensor vẫn còn là một vùng rộng lớn
chưa được khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng
quan trọng là giao thức quản lý 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 được 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 như Internet được định hướng 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 hưởng 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 như
nhiều mạng khác, mạng Sensor bao gồm các nút không có các số nhận dạng ID
(IDentify ) toàn cục và chúng thường không có cơ sở hạ tầng mạng. Vì thế SMP cần
phải truy nhập tới các nút bằng cách sử dụng đặt tên thuộc tính cơ sở và đánh địa chỉ
vị trí cơ sở.
SMP là một giao thức quản lý cung cấp hoạt động phần mềm cần thiết để thực hiện
nhiệm vụ quản trị mạng sau:
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
- Đưa ra các quy tắc liên quan tới việc tập hợp số liệu, đặt tên thuộc tính cơ sở, tập
hợp các nhóm nút Sensor thành cụm.
- Trao đổi số liệu liên quan tới các thuật toán tìm vị trí
- Đồng bộ thời gian cho các nút Sensor
- Di chuyển các nút Sensor
- Bật và tắt các nút Sensor
- Truy vấn cấu hình mạng Sensor và trạng thái nút, định dạng lại cấu hình mạng

Sensor
- Xác nhận, phân phối khoá và bảo mật trong truyền thông số liệu
1.4.1.2. Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu
Một hoạt động quan trọng khác trong mạng Sensor là phổ biến yêu cầu về số
liệu. Người sử dụng có thể gửi yêu cầu này tới một nút Sensor, tới một mạng con hoặc
tới toàn mạng. Yêu cầu này có thể là về một thuộc tính nào đó của hiện tượng mục tiêu
hoặc một sự kiện đáng quan tâm. Sau đó, các Sensor liên quan sẽ gửi các số liệu được
yêu cầu tới người sử dụng. Một phương pháp khác là quảng cáo các số liệu có sẵn.
Trong phương pháp này, các nút Sensor quảng cáo các số liệu có sẵn cho người dùng
và truy vấn người sử dụng về số liệu mà họ quan tâm tới . Một giao thức lớp ứng dụng
cung cấp cho người dùng phần mềm với giao diện cho việc truyền đạt yêu cầu hỗ trợ
rất hiệu quả cho các hoạt động của lớp thấp hơn, như định tuyến
1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu
SQDDP cung cấp cho người sử dụng những ứng dụng bao gồm giao diện truy vấn,
phản hồi truy vấn và thu thập phản hồi gửi tới. Cần lưu ý rằng hầu hết các truy vấn
không được đưa ra cho từng nút riêng. Thay vào đó, việc đặt tên thuộc tính cơ sở và vị
trí cơ sở được sử dụng nhiều hơn. Ví dụ: “vị trí của những nút mà cảm biến được nhiệt
độ cao hơn 70 độ F ” là một truy vấn thuộc tính cơ sở. Tương tự như 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 được định nghĩa bằng từ khóa receive, every and expire. Từ khóa receive định
nghĩa các sự kiện được tạo ra bởi nút Sensor khi nút Sensor nhận được 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
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
không còn hiệu lực. Nếu một nút Sensor nhận được 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

được sử dụng duy nhất cho từng ứng dụng.
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 người sử dụng. Lớp giao vận đặc
biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng
bên ngoài khác. Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn chưa phù hợp với đặc
trưng của môi trường mạng Sensor hiện nay. Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu
cuối từ các nút Sensor trực tiếp đến nút quản lý của người sử dụng là không hiệu quả.
Phương pháp phân tách TCP là cần thiết để mạng Sensor tương tác với các mạng khác
ví dụ như Internet. Trong phương pháp này, kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa
nút quản lý của người sử dụng và nút thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận
phù hợp với môi trường mạng Sensor được sử dụng cho truyền thông giữa nút thu
nhận và các nút Sensor. Kết quả là truyền thông giữa nút người 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 như UDP, bởi vì các nút Sensor có bộ nhớ hạn chế.
Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền thông đầu cuối
(end to end) trong mạng Sensor không địa chỉ toàn cục. Các phương pháp này dựa trên
việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu. Các nhân tố như tiêu
thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các đặc trưng như định tuyến tập trung số liệu
khiến cho mạng Sensor cần phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận. Yêu cầu
này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận.
1.4.3 Lớp mạng
Các nút Sensor được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong
các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa bước
phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-
hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của
mạng Sensor được thiết kế theo những nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng
- Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
- Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của
các nút Sensor .
- Một mạng Sensor lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở
và vị trí.
1.4.4. Liên kết liên mạng
Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp sự liên kết mạng với các
mạng bên ngoài như các mạng Sensor khác, các hệ thống phát lệnh và điều khiển hay
Internet. Trong một mô hình mạng, các nút Sink được sử dụng như một cổng
(Gateway) đến các mạng khác. Trong một mô hình mạng khác, một đường trục được
tạo ra bằng việc kết nối các nút Sink với nhau và đường trục này được truy nhập tới
các mạng khác thông qua một Gateway.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor

Các giao thức Mô tả giao thức
SMECN Tạo một lược đồ con của mạng Sensor gồm đường ME
Tràn

Quảng bá số liệu tới tất cả các nút lân cận mà không quan tâm
đến việc chúng đã nhận nó hay chưa
Dây truyền
SPIN

Gửi số liệu tới một nút lân cận được lựa chọn ngẫu nhiên
Chỉ gửi các số liệu tới các nút Sensor nếu chúng được 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
bước tới nút lân cận từ nút Sink; chọn một cây cho số liệu để
định tuyến trở lại bộ nhận theo tài nguyên năng lượng và việc
đo QoS bù.
LEACH Tạo các cụm (Cluster) để tối thiểu hóa tiêu thụ năng lượng
Truyền tin có
định hướng
Thiết lập các chỉ hướng 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 trường 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 dưới sẽ trình bày về chiến lược truy nhập môi trường truyền dẫn và
điều khiển sửa lỗi cho mạng Sensor.
1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn
Giao thức MAC trong mạng Sensor tự tổ chức đa bước không dây (Wireless
Multihop Self-organizing Sensor network) phải đạt được hai mục tiêu. Thứ nhất là
phải tạo ra cơ sở hạ tầng mạng. Vì hàng nghìn nút Sensor được phân bố dày đặc trong
một trường Sensor nên giao thức MAC phải thiết lập được 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 bước 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.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
Các giao thức MAC truyền thống có thể được phân loại dựa trên các cơ chế phân bổ
tài nguyên. Bảng 2.3 cung cấp một sự phân tích các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng
dụng của các loại này.

Phân loại Kiểu chia sẻ tài
nguyên
Phạm vi ứng dụng Nhược điểm
Chỉ định
riêng hay
phân bổ cố
định
Phân bổ cố định được
xác định trước
Thích hợp với lưu
lượng liên tục và
cung cấp hạn chế trễ
Không hiệu quả
với lưu lượng cao
Dựa trên
nhu cầu
Tuỳ thuộc vào nhu
cầu hay yêu cầu của
người dùng
Hữu ích đối với tốc
độ biến đổi và lưu
lượng đa phương tiện
Làm tăng phụ tải
(Overhead) và trễ
do tiến trình đăng
kí trước tài nguyên
Truy nhập
ngẫu nhiên
(dựa trên cạnh
tranh)

Tranh dành kênh khi
cần chuyển gói
Phù hợp với lưu
lượng cao
Không hiệu quả
với lưu lượng 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 phương pháp điều khiển sửa lỗi quan trọng trong mạng truyền
thông là sửa lỗi trước (Forward Error Correction-FEC) và yêu cầu lặp lại tự động
(Automatic Repeat Request-ARQ). Phương pháp ARQ chưa được áp dụng trong mạng
Sensor mặc dù đã có nhiều dạng ARQ có khả năng thích ứng và hiệu quả đã được áp
dụng cho các mạng di động khác. Khả năng ứng dụng của phương pháp ARQ trong
mạng Sensor bị hạn chế do việc tăng chi phí trước khi truyền dẫn và phụ tải. Mặt khác,
độ phức tạp trong mã hoá của phương 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 phương pháp này, vấn đề quan trọng là phải xem xét kỹ lưỡng 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
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
không ổn định của sự đụng độ kênh trong các ứng dụng khác nhau. Một số các ứng
dụng như 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
)
và mức công xuất phát P
out
. Giả sử một phương pháp mã hoá với tỷ lệ R được sử dụng.
Nếu tốc độ truyền kí hiệu số liệu được giữ không đổi so với trước khi mã hoá thì tốc
độ truyền kí hiệu tổng phải tăng đến R
s
/ R. Ngoài ra, nếu công suất truyền dẫn không
đổi thì năng lượng thu được trên một kí hiệu giảm đến RE
s
. BER đo được ở đầu vào bộ
giải mã, BER của tín hiệu chưa được xử lý, lớn hơn BER của tín hiệu sau giải mã.
Điều này có được nhờ bộ giải mã bằng cách khai thác phần dư thừa và cầu trúc của bộ
mã để hiệu chỉnh một số lỗi đường truyền. Trong thực tế, một mã sửa lỗi tốt được đánh
giá qua mức độ giảm BER và độ lợi chung. Độ lợi mã được đánh giá bằng công suất
phát thêm vào cần thiết trong trường hợp không dùng mã sửa lỗi để đạt được cùng
BER của tín hiệu sau giải mã.
Việc truyền thông số liệu một cách tin cậy có thể được cung cấp bằng cách tăng công
xuất phát ra (P
out
) hoặc sử dụng cơ chế FEC phù hợp. Vì một nút Sensor có nguồn
năng lượng giới hạn nên việc tăng công suất phát là không khả thi. Do đó, phải tập
trung vào FEC vì FEC có thể giảm đáng kể BER với bất kì giá trị P
out
được cho. Tuy
nhiên, cũng phải tính đến công suất xử lý tăng thêm do mã hoá và giải mã. Công suất

xử lý này gây bất lợi do giới hạn nguồn năng lượng của các nút Sensor. Điều này rất
quan trọng đối với mạng Sensor mặc dù có thể không đáng kể với các mạng không dây
khác. Nếu công xuất xử lý phát sinh này lớn hơn độ lợi mã hoá thì cả quá trình này là
không hiệu quả về năng lượng 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 được.
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 đưa đến kết luận rằng năng lượng 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 thường 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 lượng cho
mạng Sensor.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
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 được xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu
ứng phát sóng, hiệu xuất năng lượng và các phương 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 lượng và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng
Sensor, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn
đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đường. Thông
thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ
với d
n
, trong đó 2 ≤ n < 4.

Số mũ n gần 4 với 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, người 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 bước
nhảy trong mạng Sensor có thể vượt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu
ứng suy hao đường truyền nếu mật độ nút mạng đủ lớn. Tương tự, trong khi suy hao
đường truyền và dung lượng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử
dụng lại tần số theo không gian.
Việc lựa chọn phương thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin cậy
trong truyền thông của mạng Sensor. Các phương pháp điều chế cơ hai và cơ số M
được so sánh trong [36]. Trong khi một phương pháp điều chế cơ số M có thể giảm có
thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm
tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô tuyến. Với điều kiện công suất
khởi kích (được giới thiệu trong phần 2.1.8) vượt trội thì phương pháp điều chế cơ số
hai có hiệu quả về năng lượng hơn. Vì thế, phương pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi
với các hệ thống có công suất khởi kích thấp.
Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (Impulse
Radio-IR) từng được sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống
đo khoảng cách, gần đây được chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạng
không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên không cần các tần số
mang hoặc trung tần. Thông thường, điều chế vị trí xung được sử dụng. Ưu điểm chính
của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với hiên tượng phát đa đường. Việc sử
dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích
hợp với các mạng Sensor.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor
1.5.1. Kích thước vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp
Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu thụ luôn
chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các
phần cứng cho mạng Sensor phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với

yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu
quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.
1.5.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng Sensor là cảm biến và vận
chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận một
lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến có thể được thu nhận
đồng thời bởi các Sensor, được thao tác và truyền lên mạng. Hoặc dữ liệu có thể được
nút Sensor nhận từ các nút Sensor khác và được hướng tới định tuyến đa liên kết hay
liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu
giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi. Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng
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 lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi của
liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng Sensor thấp hơn nhiều trong các hệ
thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến (Sensor ) hay bộ truyền động (actuator)
cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn. Ngược
lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp
với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus
phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lý trên vi
mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ
xử lý kết hợp.
1.5.4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị Sensor được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ
thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một phạm
vi ứng dụng Sensor rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau.
Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các thành phần phần
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor

mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng. Như vậy, các loại thiết bị này
cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng
phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng
riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài
ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng
công nghệ.
1.5.5. Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng
cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy
của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc tăng độ tin cậy
của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của
ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ.
Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng
phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
1.6. Ứng dụng của mạng Sensor
Mạng Sensor có thể gồm các kiểu cảm biến khác nhau như động đất, từ trường với
tốc độ lấy mẫu thấp, nhiệt độ, hình ảnh, hồng ngoại, âm thanh và dò vô tuyến (radar)
qua đó có thể kiểm tra được rất nhiều tính chất của môi trường xung quanh như :
- Nhiệt độ
- Độ ẩm
- Sự di chuyển của xe cộ
- Các trạng thái chớp nhoáng
- Áp suất
- Thành phần đất trồng
- Mức tạp âm
- Các thành phần hiện diện hay vắng mặt của đối tượng.
- Các mức ứng suất của các đối tượng tiếp xúc với nhau.
- Các đặc tính tức thời như tốc độ, phương hướng và kích thước của một đối
tượng
Các nút Sensor có thể được sử dụng để thăm dò liên tục, phát hiện sự kiện, nhận

dạng sự kiện, cảm biến về vị trí hoặc để điều khiển. í tưởng về vi cảm biến và kết nối
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I. Tổng quan về mạng Wireless
Sensor
vô tuyến giữa các nút mạng hứa hẹn nhiều lĩnh vực ứng dụng mới. Có thể phân loại
các ứng dụng theo lĩnh vực quân sự, y tế, môi trường, gia đình và các ứng dụng thương
mại khác. Có thể mở rộng sự phân chia này với nhiều loại khác như thăm dò không
gian, xử lý hóa học, giảm rủi ro.
1.6.1. Ứng dụng trong quân sự
Các mạng Wireless Sensor là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự
ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền
thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Các đặc tính triển khai
nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng Sensor cho thấy đây
là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các mạng Sensor dựa trên
cơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ
một số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các Sensor truyền thống nên
chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng của mạng Sensor là : kiểm tra
lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch,
tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học -
sinh học - hạt nhân (NCB).
- Kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược: Các lãnh đạo và chỉ huy có thể kiểm tra
thường xuyên tình trạng của quân đội, điều kiện và khả năng sẵn sàng chiến đấu của
các trang bị, đạn dược trong một chiến trường bằng việc sử dụng các mạng Sensor.
Mỗi người lýnh, xe cộ, trang bị đều được gắn một Sensor để thông báo trạng thái. Các
thông báo này được tập hợp tại một nút thu dữ liệu (Sink nút ) và được gửi tới người
chỉ huy. Các số liệu này có thể được hướng tới các cấp cao hơn trong phân cấp chỉ huy
cùng với các số liệu từ các đơn vị khác tại mỗi cấp.
- Theo dõi chiến trường : Tại các vùng quan trọng, các tuyến tiếp cận, các con đường
và eo biển, các mạng Sensor có thể được triển khai nhanh chóng để theo dõi hoạt động
của đối phương một cách rõ ràng, bí mật. Khi bản đồ công tác đã được chuẩn bị, các
mạng Sensor có thể được triển khai bất cứ lúc nào để theo dõi đối phương.

- Trinh sát vùng và lực lượng đối phương: Khi các mạng Sensor được triển khai tại
các vùng chiến lược, các thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời có thể được
thu thập trong một vài phút trước khi bị đối phương ngăn chặn.
- Tìm mục tiêu: Các mạng Sensor có thể được kết hợp chặt chẽ với các hệ thống
hướng đạo trong các quân trang thông minh.