LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

PHẠM MINH TUẤN

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG
DÂY ẢO HĨA
Chun ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐẶNG VĂN CHUYẾT

HÀ NỘI - 2014


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi - Phạm Minh Tuấn - cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân
tơi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Văn Chuyết .
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phạm Minh Tuấn


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nghiên cứu và cố gắng của bản thân,
em xin gửi lờ i cảm ơn tới PGS.TS Đặng Văn Chuyết (Viện Công nghệ Thông tin và
Truyền thông – trường đại học Bách Khoa Hà Nội) là giáo viên trực tiếp hướng dẫn
đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em tr ong suốt quá trình thực hiện luận văn .
Em xin gửi lời cảm ơn tới T S. Ngô Quỳnh Thu (bộ mơn Truyền thơng và
Mạng máy tính – Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông, trường đại học Bách
Khoa Hà Nội) đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo của Học
viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong su ốt
quá trình học tập tại trường từ khi còn học đại học cho đến sau đại học.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo VNPT Cao Bằng, gia đình,
bạn bè và những người đã luôn ở bên cổ vũ tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi cho em
để em có thể học tập tốt.
Em xin chân thành cảm ơn!


iii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG ...........................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ..........................................................................................vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: ẢO HĨA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY .........................3
1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) .............................................3
1.1.1 Giới thiệu chung .........................................................................................3
1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ...................................................4
1.1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến khơng dây ..................................................5
1.2 Ảo hóa mạng cảm biến khơng dây ....................................................................8

1.2.1 Khái niệm ....................................................................................................8
1.2.2 Mục tiêu của ảo hóa ...................................................................................9
1.2.3 Kiến trúc của mạng cảm biến khơng dây ảo hóa .....................................10
1.3 Một số lớp ứng dụng của mạng cảm biến khơng dây ảo hóa ..........................13
CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM BIẾN
KHƠNG DÂY ẢO HĨA ............................................................................................18
2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ..................................................18
2.1.1 Thách thức của định tuyến trong mạng cảm biến không dây ...................18
2.1.2 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây .....................20
2.2 Giao thức EMRP .............................................................................................23
2.2.1 Pha thiết lập..............................................................................................23
2.2.2 Pha thành lập nhóm và chọn nhóm trưởng ..............................................25
2.2.3 Pha truyền tải dữ liệu ...............................................................................26
2.3 Định tuyến trong mạng cảm biến khơng dây ảo hóa .......................................30
2.4 Cải tiến EMRP dùng cho mạng cảm biến khơng dây ảo hóa ..........................34
2.4.1 Pha khởi tạo..............................................................................................35
2.4.2 Pha thành lập nhóm..................................................................................36


iv

2.4.3 Pha truyền dữ liệu ....................................................................................36
CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG .................................38
3.1 Cơng cụ mơ phỏng OMNeT++ .......................................................................38
3.1.1 Mơ hình mơ phỏng trong OMNeT++ .......................................................39
3.1.2 Xây dựng và chạy thử mơ hình mơ p hỏng ................................................41
3.2 Kịch bản mô phỏng .........................................................................................42
3.2.1 Thiết kế kich bản mô phỏng 1 ...................................................................43
3.2.2 Thiết kế kich bản mô phỏng 2 ...................................................................43
3.3 Cài đặt mô phỏng .............................................................................................44

3.3.1 Cài đặt OMNeT++:..................................................................................44
3.3.2 Xây dựng chương trình mơ phỏng ............................................................46
3.4 Thử nghiệm và đánh giá kết quả .....................................................................49
3.4.1 Mô phỏng thử nghiệm ...............................................................................49
3.4.2 Phân tích kết quả mơ phỏng .....................................................................51
3.4.3 Đánh giá kết quả và hướng phát triển ......................................................53
KẾT LUẬN ................................................................................................................55
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................57


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Viết đầy đủ
BS

Base Station

CH

Cluster Head

EMRP

Energy-Awared Meshed Routing Protocol

GPS

Global Positioning System

HEED

A hybrid, Energy-efficient, Distributed Clustering Approach
for Ad-hoc Networks

LEACH

Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

LLNs

Low power and lossy networks

OEDSR

Optimized Energy-Delay Sub-network Routing

OMNeT++ Objective Modular Network Tested in C++
PEGASIS

Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems

SGR

Sensor Gateway Router

SInP

Sensor Infrastructure Provider

TEEN

Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols

VSGR

Vitual Sensor Gateway Router

VSN

Virtual Sensor Network

VITRO

Virtualized dIsTributed platform of smart Object

SVNSP

Sensor Virtualization Network Service Provider

WSN

Wireless Sensor Network


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 – Thời gian sống toàn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trong
kịch bản mô phỏng 1 .................................................................................................51

Bảng 3.2 – Tỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng 1 ....52
Bảng 3.3 – Thời gian sống toàn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trong
kịch bản mô phỏng 2 .................................................................................................52
Bảng 3.4 – Tỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng 2 ....52


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 - Kiến trúc mạng VSN................................................................................11
Hình 1.2 - Ứng dụng bao phủ các không gian địa lý, các nút khác nhau bao phủ
cùng một vùng địa lý và hợp tác với nhau để truyền dữ liệu từ nguồn (A1) về đích
(S) ..............................................................................................................................13
Hình 1.3 – Sự hợp tác của các đối tượng thông minh trên các domain quản lý WSN
khác nhau và các mạng phân tán về địa lý ................................................................14
Hình 1.4 – Mạng cảm biến ảo hình thành theo yêu cầu theo dõi sự phân bố không
gian của một luồng hóa chất......................................................................................15
Hình 1.5 - Ứng dụng phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích với 2 mạng
ảo giám sát 2 thơng số khác nhau..............................................................................16
Hình 2.1 - Mơ hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập ...............24
Hình 2.2 - Mơ hình mạng hai mức liên kết trong EMRP..........................................27
Hình 2.3 - Lưu đồ hoạt động pha truyền tải dữ liệu của EMRP ...............................29
Hình 3.1 – Cấu trúc module NED .............................................................................40
Hình 3.2 – Start OMNet ++ ......................................................................................45
Hình 3.3 – Giao diện IDE của OMNeT++ ................................................................45
Hình 3.4 – Thơng số cấu hình trong file omnetpp.ini ...............................................50
Hình 3.5 – Q trình mơ phỏng ................................................................................50


1

MỞ ĐẦU
Hiện nay, rất nhiều mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network WSN) đã và đang được phát triển và chiếm vai trò rất quan trọng trong nhiều ứng
dụng như: quản lý ngơi nhà thơng minh, chăm sóc sức khỏe và tự động hóa trong
cơng nghiệp….
Tuy nhiên các WSN truyền thống chỉ cho phép chạy một ứng dụng trên nó
và khơng thể kết hợp trong WSN với các bộ cảm biến không đồng nhất để thực hiện
một nhiệm vụ chung. Vì vậy để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra khái
niệm mới là ảo hóa mạng cảm biến khơng dây (VSN).
Ảo hóa mạng cảm biến khơng dây là việc cho phép nhiề u mạng cảm biến
không đồng nhất có thể cùng tồn tại trên một hạ tầng vật lý, khiến cho các mạng trở
nên linh hoạt, đáp ứng được mục tiêu đa dạng khác nhau của nhiều loại dịch vụ.
Cho tới thời điểm hiện nay, những nghiên cứu về vấn đề ảo hóa trong mạng cảm
biến khơng dây chưa có nhiều. Đây là một đề tài tương đối mới, nhưng lại có tầm
quan trọng khơng hề nhỏ vì những lợi ích thiết thực mà ảo hóa có thể mang lại. V iệc
cho phép nhiều mạng cảm biến khơng đồng nhất có thể cùng tồn tại trên một hạ
tầng vật lý sẽ đem lại hiệu quả về mặt tiết kiệm chi phí phần cứng, chi phí quản
lý… cho các ứng dụng triển khai. Việc ảo hóa mạng cảm biến khơng dây cịn tạo ra
sự linh hoạt, đa dạng và được ứng dụng trong nhiều trường hợp tương đối phức tạp
mà mạng cảm biến không dây th ông thường khó có thể đáp ứng được.
Vấn đề định tuyến trong ảo hóa mạng cảm biến khơng dây sao cho phù hợp
với các yêu cầu như khả năng mở rộng, tiết kiệm năng lượng… đặt ra những thách
thức không nhỏ bởi các giao thức định tuyến cần có thêm một số yêu c ầu riêng so
với các giao thức định tuyến khơng có ảo hóa để đáp ứng được những u cầu mà
ảo hóa đặt ra. Chính vì vậy, cần phải có những thay đổi nhất định trên các giao thức
định tuyến để chúng có thể được sử dụng trong mạng cảm biến khơng dây ảo hóa .
Do đó trong luận văn này, em sẽ dựa vào giao thức định tuyến EMRP – là giao thức


2

định đường đa kênh có tối ưu năng lượng , cải tiến nó để đáp ứng được các yêu cầu
của mạng cảm biến khơng dây ảo hóa.
Nội dung của luận văn được tổ chức như sau:
CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
Chương này sẽ trình bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến không
dây, đặc điểm của mạng cảm biến không dây và ứng dụng của mạng cảm biến
khơng dây. Trên cơ sở đó, trình bày một số lý thuyết về ảo hóa mạng cảm biến
không dây, kiến trúc chung của mạng cảm biến khơng dây ảo hóa, mục tiêu của ảo
hóa và một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa.
CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM
BIẾN KHƠNG DÂY ẢO HĨA
Chương này sẽ trình bày về các đặc điểm khác biệt c ủa yêu cầu định tuyến
trong mạng cảm biến không dây so với định tuyến trong các mạng thơng thường.
Trình bày các u cầu định tuyến trong mạng cảm biến khơng dây ảo hóa. Giới
thiệu về giao thức định tuyến EMRP và cải tiến EMRP dùng cho ảo hóa.
CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG
Thiết kế các kịch bản mơ phỏng, thiết lập mạng, thông số định tuyến và xây
dựng các hàm mục tiêu cho các kịch bản mô phỏng. Lựa chọn công cụ mô phỏng
cài đặt thử nghiệm và đánh giá kết quả.
Do thời gian thực hiện có hạn, đề tài nghiên cứu về một vấn đề tương đối
mới do đó chắc chắn cịn rất nhiều thiếu sót cần được sửa chữa và bổ sung. Em rất
mong nhận được sự giúp đỡ cùng những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cơ
và bạn bè để em có thể tiếp tục hoàn thiện đề tài này .


3

CHƯƠNG 1: ẢO HĨA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG
DÂY

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN)
1.1.1 Giới thiệu chung
Mạng cảm biến không dây ( Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng
bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá th ành thấp,
tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác qua
các kết nối khơng dây nhằm mục đích thu thập thơng tin toàn mạng để đưa ra các xử
lý, quyết định về môi trường quan sát .
Các nút cảm biến là các cảm biến có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu thập
dữ liệu, thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu là qua kênh vô tuyến. Các
thành phần của nút cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ
phận cảm biến, bộ phận thu phát khơng dây, nguồn năng lượng. Kích thước của các
nút cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng. Mỗi nút cảm biến có khả
năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến trạm gốc. Trạm gốc (Base Station- BS)
có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh .
Trạm gốc là một thực thể, tại đó thơng tin được u cầu. Trạm gốc có thể là
thực thể bên trọng mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngồi mạng. Thực thể ngồi
mạng có thể là một thiết bị ví dụ như máy tính xách tay có thể tương tác với mạng
cảm biến, hoặc cũng có thể đơn thuần chỉ là một cầu nối để nối với mạng khác lớn
hơn như mạng Internet nơi mà có các yêu cầu thực sự đối với thông tin lấy từ các
nút cảm biến trong mạng.
Lưu lượng dữ liệu thông qua WSN là thấp và không liên tục. Do vậy để tiết
kiệm năng lượng, các nút cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động và trạng
thái nghỉ khác nhau. Thông thường thời gian một nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở
trạng thái hoạt động rất nhiều.
Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến không dây
và một mạng khơng dây khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt


4

động, cấu hình mạng, lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trong
trạng thái hoạt động.
WSN ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về mơi trường, khí hậu, phát
hiện và do thám việc tấn cơng bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đốn sự
hỏng hóc của máy móc thiết bị… để từ đó phân tích, xử lý và đưa ra các phương án
phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu.
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, robot, thiết bị thông minh, môi
trường, y tế…. WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp
dân dụng.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,
giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ra
những cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng
lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút cảm biến, các nút này có
tài nguyên hạn chế kết nối với nhau qua giao tiếp vô tuyến thực hiện nhiệm vụ theo
dõi và thu thập dữ liệu về trung tâm.
Trạm gốc là nơi nhậ n dữ liệu gửi về từ các cảm biến, xử lý và phân tích dữ
liệu để đưa ra thơng tin và phản ứng thích hợp với mơi trường. Ví dụ như điều
khiển thiết bị nhiệt độ, cảnh báo động đất hay thống kê dữ liệu về môi trường .
Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây có đặc điểm rấ t khác với mạng truyền
thống. Sau đây là một số đặc điểm nổi bật cần chú ý của mạng cảm biến không dây:
-

Môi trường hoạt động: mạng cảm biến thường là khu vực đặc biệt như
khu vực địa hình hiểm trở, khu vực ơ nhiễm, tiếp xúc trực tiếp với mơi
trường….do đó lỗi vật lý hay việc hết năng lượng có khả năng xuất hiện
trên các nút mạng.

-

Số lượng các nút cảm biến : mạng cảm biến có số lượng các nút là rất lớn
có thể tới hàng trăm, hàng nghìn nút triển khai với mật độ cao, thuật toán


5

định tuyến cần có khả năng làm việc với số lượng lớn các nút mạng phân
bổ trên diện tích rộng.
-

Năng lượng của các nút cảm biến: trong mạng cảm biến các nút thường
được cung cấp năng lượng bằng pin và được triển khai trong môi trường
khắc nhiệt, những nơi rất khó để thay thế hoặc nạp lại p in.

-

Các hạn chế khắc khe về năng lượng, khả năng tính tốn và lưu trữ: các
nút cảm biến có kích thước nhỏ, khả năng tính tốn và lưu trữ hạn chế, sử
dụng pin nên năng lượng hoạt động hạn chế .

-

Khả năng tự cấu hình: vì các nút cảm biến thường được triển khai một
cách ngẫu nhiên và chúng tự hình thành một mạng truyền thông.

-

Dư thừa dữ liệu: trong đa số ứng dụng, các nút cảm biến được triển khai
dày đặc trong một vùng quan tâm, cộng tác với nhau để hồn thành nhiệm
vụ cảm biến dữ liệu. Do đó, dữ liệu được gửi từ nhiều nút có mức độ
tương quan, dư thừa nhất định.

-

Phụ thuộc ứng dụng: một mạng cảm biến không dây thường được thiết kế
và triển khai cho một ứng dụng cụ thể. Các yêu cầu thiết kế của mạng
cảm biến thay đổi tùy theo ứng dụng của nó .

-

Kiểu lưu lượng nhiều – một: hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến,
dữ liệu cảm biến được truyền theo luồng từ nhiều nút cảm biến đổ về một
trung tâm nào đó, hình thành nên kiểu lưu lượng nhiều – một.

-

Topo thay đổi thường xuyên: Topo mạng có thể thay đổi thường xuyên
do nút bị lỗi, hỏng, hết năng lượng, được thêm vào, bỏ bớt đi….

-

Giao tiếp không dây: giao tiếp trong mạng cảm biến là giao tiếp khơng
dây do đó các vấn đề về truyền dẫn cần lưu tâm đến là khoảng cách
truyền, độ suy hao tín hiệu, năng lượng truyền dẫn…

1.1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:

Ứng dụng trong môi trường, ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, ứng dụng trong gia


6

đình, ứng dụng trong cơng nghiệp, ứng dụng trong nơng nghiệp, ứng dụng tro ng
quân đội….Cụ thể như:
1.1.3.1 Ứng dụng trong môi trường
Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của
chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ,
độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa
phun trào, cháy rừng, lũ lụt…. Một số ứng dụng quan trọng như:
Phát hiện cháy rừng: bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một
mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều
thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập
được truyền qua các nút tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát
hiện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.
Cảnh báo lũ lụt: hệ thống này bao gồm các nú t cảm biến về lượng mưa, mực
nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh
báo lụt sớm.
Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn : các cảm biến về độ rung đặt
rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xả y ra động đất, hay gần các
núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào.
1.1.3.2 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát
bệnh nhân: mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm
biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi cảm
biến khác phát hiện áp suất máu…
1.1.3.3 Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các p hòng để

đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong p hịng và thơng báo lại thơng tin
này đến thiết bị báo động trong trường hợp khơng có ai ở nhà.


7

1.1.3.4 Ứng dụng trong công nghiệp
Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng cơng việc bảo quản và lưu giữ
hàng hóa. Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời
kì lưu trữ và bảo quản. Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng
bản tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để thông báo các đặc điể m
của chúng. Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có
thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút. Cảm biến còn có
thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ
chống trộm. Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, cảm biến sẽ hoạt động và ra hiệu
cho thiết bị cảnh báo. Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong
những tịa nhà lớn.
Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các
container ở cảng. Mỗi một container sẽ có một nút mạng trong mạng cảm biến và có
thể ghi nhớ thơng tin của nó một cách xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách xa
hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác.
Thông tin về tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy
ln ln nhất quán. Nhờ đó tàu chứa các conteiner có thể dễ dàng xác định được
chính xác kiện hàng của nó và container thậm chí cịn có thể thơng báo lại nếu có
container lân cận bị lỡ, mà khơng cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global
database).
1.1.3.5 Ứng dụng trong nông nghiệp
Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm,
ánh sáng ở nhiều điểm trên các thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về
trung tâm để người nông d ân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp.

Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị
các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát .
1.1.3.6 Ứng dụng trong quân đội
Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược : các người lãnh đạo, sĩ quan
sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các


8

thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến. Quân
đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược được gắn với các thiết bị cảm biến nhỏ để có
thể thơng báo về trạng thái. Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các nút đích
để gửi tới lãnh đạo trong quân đội. Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các
cấp cao hơn.
Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường và giám sát lực lượng quân địch:
mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu và một vài nơi quan
trọng có địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mịn , các chỗ eo hẹp để có thể
giám sát đánh giá sự mức độ nguy hiểm của chiến trường, theo dõi các hoạt động
của quân địch. Phát hiện và thăm dị các vụ tấn cơng bằng hóa học, sinh học và hạt
nhân.
Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất
quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến
triển khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa
học có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh
thương vong nghiêm trọng.

1.2 Ảo hóa mạng cảm biến khơng dây
1.2.1 Khái niệm
Ảo hóa mạng cảm biến là một phương pháp tiếp cận mới cho phép các tập
hợp con các nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện một nhiệm vụ nhất định

trong một khoảng thời gian nhất định. Do đó, nhiều mạng cảm biến ảo (Virtual
Sensor Network - VSN) có thể tồn tại đồng thời trên một mạng cảm biến k hông dây
vật lý, và các thành phần của VSN có thể th ay đổi theo thời gian.
Một mạng cảm biến ảo (VSN) được hình thành bởi một tập hợp con của các
nút cảm biến của mạng cảm biến không dây WSN. Tập hợp con này là dành riêng
cho một nhiệm vụ nhất định hoặc một ứng dụng tại một thời điểm nhất định. Trong
mạng cảm biến không dây thông thường, tất cả các nút trong mạng cộng tác với
nhau như những đối tác bình đẳng để đạt được một kết quả chung. Khác với mạng
cảm biến không dây thông thường, tập hợp con của các nú t thuộc một mạng cảm


9

biến ảo VSN cộng tác với nhau để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Ngoài việc cộng
tác giữa các nút trong cùng một mạng ảo, các mạng ảo cũng phải hợp tác với nhau
để hỗ trợ nhau trong các ứng dụng, tạo nên một thể thống nhất giữa các nút trong
mạng. Vì vậy, một mạng cảm biến ảo cũng phụ thuộc vào các nút còn lại trong các
mạng cảm biến ảo khác để cung cấp chức năng hỗ trợ hoạt động nó, giúp tạo ra và
duy trì hoạt động của tồn mạng. Trong đó, nhiều mạng cảm biến ảo có thể tồn tại
đồng thời trên một mạng cảm biến không dây vật lý, và các thành viên của mỗi
mạng ảo có thể thay đổi theo thời gian. Khi các nút trong các mạng ảo được phân
tán qua cùng mạng vật lý, chúng có thể khơng có khả năng giao tiếp trực tiếp với
nhau.

1.2.2 Mục tiêu của ảo hóa
Các mục tiêu của ảo hóa trong mạng cảm biến khơng dây bao gồm:
+ Sử dụng các thiết bị, dịch vụ không đồng nhất:
Ảo hóa tài nguyên (Resource Virtualisation): Tài nguyên của mạng và nút
đóng một vai trị quan trọng ở tất cả các lớp của một mạng cảm biến không dây
VSN. Giả sử một VSN sẽ bao gồm các thiết bị không đồng nhất với khả năng và tài

nguyên kết nối khác nhau:
-

Các tài nguyên kết nối : Khi có các thiết bị khơng đồng nhất thì hệ thống
cũng có thể khác nhau về khả năng giao tiếp, để tối ưu hóa hiệu su ất hệ
thống, định tuyến có thể tận dụng các khả năng của hàng xóm khơng
đồng nhất. Như vậy, phạm vi truyền tải cảm biến hoặc các giao diện
không dây hỗ trợ sẽ được xem xét như một thuộc tính được tính đến khi
quyết định định tuyến được thực hiện.

-

Điều khiển tài nguyên động: Các thiết bị (không đồng nhất) trong một
VSN tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào một số thơng số hoạt động,
chúng có thể được điều chỉnh tự động để kéo dài tuổi thọ mạng.

Ảo hóa các dịch vụ bảo mật (Security services Virtualisation): mức độ bảo
mật khác nhau phải được hỗ trợ để cải thiện khả năng tiếp cận các điểm đến cho
các thông báo mục đích đặc biệt. Các thơng điệp này có thể bao gồm các tin nhắn


10

báo động liên quan đến dịch vụ, thông điệp phát hiện trong đó có ưu tiên cao hơn,
quan trọng hơn. Phân biệt mức độ bảo mật khác nhau có nghĩa là các ứng dụng chạy
trong VSN phải được phân loại các mức hỗ trợ. Tăng cường an ninh, một chương
trình quản lý đáng tin cậy, phù hợp sẽ được thiết kế và xác nhận.
+ Tăng khả năng trao đổi tin cậy ( Trust exchange): Các khía cạnh khác
nhau của nút không đồng nhất sẽ được theo dõi để đánh giá sự tin cậy của các nút
liên quan đến một tập hợp các chức năng.

+ Quản lý m ức năng lượng/ Trạng thái nút ( Energy level/ Node status): Để
cải thiện độ tin cậy mạng, các yêu cầu các nút báo cáo tình trạng của chúng và mức
năng lượng được thực thi. Thơng tin này cũng có giá trị cho các giao thức định
tuyến, vì có tính đế n mức độ năng lượng của nút hàng xóm.
+ Khả năng mở rộng và tính d i động ( Scalability and mobility): Nhờ lợi ích
của VSN, tất cả các nút tham gia vào VSN phải hợp tác để xây dựng sự tin cậy và
mục đích định tuyến. Mặc dù mục tiêu ảo hóa là giảm số lượng thiết bị được cài đặt
trong một khu vực bằng cách khai thác các thiết bị cảm biến đã được cài đặt, số
lượng các nút trong vùng có thể dao động trong mơi trường khơng kiểm sốt được.
Vì vậy, các giao thức bắt buộc phải hỗ trợ cả khả năng mở rộng và tính di động.

1.2.3 Kiến trúc của mạng cảm biến khơng dây ảo hóa
Kiến trúc của mạng cảm biến khơng dây ảo hóa bao gồm lớp hạ tầng vật lý,
lớp quản lý dịch vụ và lớp người sử dụng ứng dụng được mô tả như trong hình 1.1 .


11

Hình 1.1 - Kiến trúc mạng VSN

Trong WSN, nhà cung cấp cơ sở hạ tầng và cung cấp dịch vụ là cùng một
thực thể. Nhưng do nhu cầu gia tăng của các WSN dẫn đến cần phân biệt giữa vai
trò của các nhà cung cấp cơ sở hạ tầng WSN và các nhà cung cấp dịch vụ. Mục đích
chính là để giảm thiểu các chi phí thành lập và chi phí quản lý…
Sự khác biệt chính giữa những người tham gia trong mơ hình mạng cảm biến
ảo và mơ hình truyền thống là sự hiện diện của hai vai trò khác nhau: SInP- nhà
cung cấp cơ sở hạ tầng cảm biến và SVNSP – nhà cung cấp dịch vụ cảm biến.
Trong kiến trúc mạng cảm biến ảo đã được đề xuất, môi trường VSN là một tập hợp
nhiều mạng cảm biến phức tạp từ những SInPs khác nhau. Mỗi SVNSP thuê tài
nguyên từ một hoặc nhiều SInPs để tạo thành VSN, và triển khai giao thức và dịch

vụ tùy biến hơn các nguồn tài nguyên VSN được thuê. Các modun riêng biệt của
kiến trúc đề xuất được thể hiện trong hình 1.1.


12

Nhà cung cấp cơ sở hạ tầng cảm biến (Sensor Infrastructure Provider –
SInP): triển khai và quản lý các mạng cảm biến trong lớp hạ tầng vật lý. Những
mạng này bao gồm các loại cảm biến khác nhau. Giữa các nút cảm biến có một bộ
định tuyến cổng cảm biến (SGR – Sensor Gateway Router) hoạt động như nút gốc.
Tất cả các SGR được cung cấp đầy đủ năng lượng, có khả năng tính tốn và được
kết nối thơng qua mạng khơng dây tốc độ cao. SGR có thể lưu trữ bộ định tuyến
cổng cảm biến ảo (VSGR – Vitual Sensor Gateway Router) khác nhau. Chúng cung
cấp tài nguyên của chúng thơng qua các giao diện lập trình tới SVNSP khác nhau.
SInP được phân biệt thông qua các loại dịch vụ mà họ cung cấp. SInP có thể triển
khai các nút cảm biến để làm cơ sở hạ tầng riêng của họ hoặc có thể cho các nhà
cung cấp dịch vụ ảo hóa khác thuê để chạy ứng dụng cá nhân của họ. Điều đó giúp
tăng hiệu quả sử dụng của các nút cảm biến vật lý trong một mạng cảm biến liên kết
quy mơ lớn. Trong hình 1.1 các nút cảm biến khác nhau được triển khai ở các khu
vực khác nhau để tạo ra một mạng cảm biến liên kết. Tuy nhiên, người sử dụng có
thể yêu cầu các loại dịch vụ cụ thể. Dịch vụ cụ thể này có thể có sẵn cho người sử
dụng thơng qua bộ định tuyến cổng cảm biến ảo.
Nhà cung cấp dịch vụ mạng cảm biến ảo (Sensor Virtualization Network
Service Provider – SVNSP): thuê nguồn tài nguyên như bộ xử lý, bộ nhớ và băng
thông từ nhiều nhà cung cấp hạ tầng SInP để triển khai VSN trong lớp quản lý dịch
vụ. Trong hình 1.1 có 2 SVNSP là : SVNSP-1 và SVNSP-2, cả hai nhà cung cấp
dịch vụ SVNSP đều bao gồm các tài nguyên thuê từ SInP. Cả hai SVNSP cung cấp
các loại dịch vụ mạng ảo khác nhau đến người sử dụng dịch vụ trong chế động
trong suốt với người sử dụng. Các liên kết ảo giữa hai VSGR cũng là liên kết không
dây thuê từ SInP. Một S VNSP có thể cung cấp các dịch vụ mạng tới nhiều SVNSP

khác.
Người sử dụng ứng dụng (Application Level User - ALU): trong kiến trúc
VSN tương tự như những WSN hiện có, ngoại trừ sự tồn tại của nhiều SVNSP cung
cấp từ SInP cung cấp một loạt các lựa chọn. Bất kỳ người dùng nào cũng có thể kết


13

nối với nhiều VSN từ những SInP khác nhau cho nhiều ứng dụng. VSN giấu sự
phức tạp của SInP với người sử dụng dịch vụ..

1.3 Một số lớp ứng dụng của mạng cảm biến khơng dây ảo hóa
Có 4 lớp ứng dụng cơ bản của mạng cảm biế n không dây ảo hóa:
Lớp ứng dụng 1- Các ứng dụng chồng chéo địa lý: Hai hoặc nhiều mạng
cùng bao phủ một không gian địa lý với các nút cảm biến không đồng nhất được
triển khai và đem lại lợi ích nhất định từ sự cộng tác của các nút mạng chủ yếu
trong việc giảm số lượng các nút cảm biến của từng loại mà khơng làm mất đi độ
chính xác hoặc làm giảm chức năng của người dùng yêu cầu. Cách tiếp cận này góp
phần vào làm giảm chi phí một cách hiệu quả với việc sử dụng khéo léo các mạng
cảm biến triển khai trước đâ y và giúp phát triển và bổ sung thêm những loại mới
của các nút cảm biến trong tương lai mà không cần phải triển khai một mạng cảm
biến đầy đủ từ đầu.

Hình 1.2 - Ứng dụng bao phủ các không gian địa lý, các nút khác nhau bao phủ cùng
một vùng địa lý và hợ p tác với nhau để truyền dữ liệu từ nguồn (A1) về đích (S)

Lớp ứng dụng 2 – Kết nối các mạng cảm biến phân tán về địa lý: các ứng
dụng hoạt động trên các mạng địa lý phân tán tương tác với nhau như thể chúng là

14

một mạng rộng lớn cung cấp dịch vụ một cách thống nhất (theo dõi nhiều tịa nhà
hoặc các vị trí trong các thành phố, tiểu bang, theo dõi vận chuyển hàng hóa…). Nó
có thể đáp ứng cho các ứng dụng này yêu cầu sự hợp tác của các đối tượng thông
minh không đồng nhất về loai, các nền tảng và công nghệ, di động hoặc tĩnh, cảm
biến, thiết bị truyền động hoặc bộ xử lý nhúng được điều khiển bởi nhiều nhà quản
lý khác nhau.

Hình 1.3 – Sự hợp tác của các đối tượng thông minh trên các domain quản lý WSN
khác nhau và các mạng phân tán về địa lý

Lớp ứng dụng 3- Ứng dụng với các kết nối mạng vật lý biến đổi theo thời
gian: Một tình huống rất ít khi sảy ra, những nơi có sự thay đổi về không gian theo
thời gian là một trường hợp của ứng dụng VSN này. Một ví dụ là một luồng các
chất hóa học chảy dưới lịng đất có thể được coi như một hiện tượng diễn ra trong
thời gian ngắn được phân bố theo không gian và thời gian. Trong trường hợp này
một VSN triển khai có thể được chia làm hai theo thời gian hoặc ngược lại hai
luồng có thể hợp nhất thành một tùy theo dịng chảy của lu ồng hóa chất. Ở đây có
thể hình thành một VSN có thể thay đổi hoặc dự đốn sự di chuyển của luồng hóa


15

chất. Ví dụ, trong hình 1.4 các nút cảm biến với các mũi tên màu trắng tạo thành
một mạng cảm biến không dây biến đổi theo thời gian với sự tham gia của các nút
thuộc luồng. Các thành viên trong VSN hồn tồn tự động tính tốn các thơng số
khác nhau tồn tại trong kết nối của lớp vật lý, cái mà có thể thay đổi theo thời gian.

Hình 1.4 – Mạng cảm biến ảo hình thành theo yêu cầu theo dõi sự phân bố khơng

gian của một luồng hóa chất

Lớp ứng dụng 4- Phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích: Trong
trường hợp này cùng một nút vật lý được sử dụng trong hai hoặc nhiều mạng khác
nhau do các yêu cầu ứng dụng khác nhau. Một cách để sử dung chung các mạng
VSN là sự phân tách của các nút cảm biến nhiều yếu tố khác nhau trong các mạng
cảm biến khác nhau, các nút này chịu trách nhiệm theo dõi các thông số cảm biến
khác nhau trong một thời điểm nhất định. Sử dụng phương pháp này các nút sẽ
được quản lý một cách tốt h ơn và khả năng sử dụng của các nút được tăng cường, từ
đó số lượng người dùng cuối tiếp cận các dịch vụ sẽ được tăng lên và dễ dàng điều
khiển các thông tin cảm biến phụ thuộc nhu cầu người dùng.


16

Hình 1.5 - Ứng dụng phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích với 2 mạng ảo
giám sát 2 thông số khác nhau

Kết luận
Chương 1 này đã giới thiệu cơ bản về mạng cảm biến không dây, các đặc
điểm của mạng cảm biến khơng dây, một số ví dụ về ứng dụng của mạng cảm biến
không dây. Tuy nhiên các mạng cảm biến không dây truyền thống chỉ cho phép
chạy một ứng dụng trên nó và khơng thể kết hợp trong WSN với các bộ cảm biến
không đồng nhất để thực hiện một nhiệm vụ chung. Vì vậy để khắc phục nhược
điểm này người ta đưa ra khái niệm mới là ảo hóa mạng cảm biến khơng dây. Các
khái niệm, mục tiêu của ảo hóa mạng cảm biến không dây cũng như kiến trúc của
mạng cảm biến không dây ảo hóa, các ứng dụng của mạng cảm biến được trình bày
cụ thể trong chương này.
Một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến khơng dây chính là vấn đề định
tuyến do các giới hạn về năng lượng, giới hạn về tài nguyên, yêu cầu mở

rộng... Ngoài ra, do các yêu cầu của các dịch vụ rất đa dạng, phức tạp và khác nhau


17

đối với mỗi dịch vụ, kéo theo đó cơ chế định tuyến cho mỗi mạng ảo cũng khác
nhau. Vì thế định tuyến có vai trị vơ cùng quan trọng và then chốt trong trong việc
ảo hóa mạng cảm biến khơng dây. Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không
dây vào trong việc ảo hóa mạng cảm biến khơng dây sẽ được trình bày cụ thể trong
chương 2.