ĐÁNH GIÁ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - Full 10 điểm

UBND TỈNH QUẢNG NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

----------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài:
ĐÁNH GIÁ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Sinh viên thực hiện
NGUYỄN ĐÌNH DƢƠNG

MSSV: 2116100108
CHUYÊN NGÀNH: QUẢN TRỊ MẠNG

KHÓA 2016 – 2020
Cán bộ hướng dẫn
ThS. LÊ THỊ THANH BÌNH

MSCB: ………

Quảng Nam, tháng 06 năm 2020.

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của
trường Đại học Quảng Nam, đặc biệt là các thầy cô khoa Công nghệ thông tin của

trường đã tạo điều kiện cho em thực tập ở khoa để có nhiều thời gian cho khóa luận
tốt nghiệp. Và em cũng xin chân thành cám ơn cơ Lê Thị Thanh Bình đã nhiệt tình
hướng dẫn hướng dẫn em hồn thành tốt khóa thực tập.

Trong quá trình thực tập, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo thực tập,
khó tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy, cơ bỏ qua. Đồng thời do trình độ lý luận
cũng như kinh nghiệm thực tiễn cịn hạn chế nên bài báo cáo khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp thầy, cơ để em học thêm
được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn bài báo cáo tốt nghiệp sắp tới.

Em xin chân thành cảm ơn!

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt
AODV
ADV Ad hoc On - Demand Distance - Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu
Vector Routing Ad hoc

Advertise Bản tin quảng bá

BS Bastation(Sink) Trạm gốc

GAF Geographic Adaptive Fidelity Giải thuật chính xác theo địa lý
GEAR Geographic and Energy- Aware
Routing Định tuyến theo vùng địa lý sử
LEACH Low Energy Adaptive Clustering dụng
Hierarchy hiệu quả năng lượng
MAC Medium Access Control Giao thức phân cấp theo cụm
REQ Request thích ứng năng lượng thấp

Điều khiển truy nhập môi
trường
Bản tin yêu cầu

REQ Request Bản tin yêu cầu

PEGASIS Power-Efficient Gathering in Giao thức phân cấp thu thập
SPIN Sensor Information Systems thông tin trong hệ thống cảm
Sensor Protocols or Information bGiiếano thức định tuyến thông tin
via Negotiation qua sự thỏa thuận
Mạng nội hạt vô tuyến
WLAN Wireless Local Area Network

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vùng cá nhân vô tuyến

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

MỤC LỤC
Phần 1. MỞ ĐẦU ......................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1
2. Mục tiêu của đề tài................................................................................................1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu .....................................................................................1
5. Cấu trúc đề tài.......................................................................................................2
Phần 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................3
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây ............................................3
1.1 Giới thiệu .............................................................................................................3
1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây .........................................................3
1.3 Kiến trúc các giao thức trong mạng cảm biến không dây ..............................6

1.4 Phân loại các giao giao thức định tuyến trong WSN.......................................7
1.5 Một số thách thức của mạng cảm biến không dây ..........................................9
1.6 Một số ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây .................................11
Chƣơng 2 Một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây ........15
2.1. Giao Thức Spin.................................................................................................15
2.2. Giao thức Directed Diffusion ..........................................................................17
2.3 Giao Thức LEACH ...........................................................................................20
2.4 Giao thức Flooding............................................................................................24
Chƣơng 3: Mô phỏng một số giao thức định tuyến trong mạng.........................25
cảm biến không dây ................................................................................................25
3.1. Giới thiệu về ns2 ...............................................................................................25
3.2 Mô phỏng Leach ................................................................................................26
3.3 Mô phỏng Flooding ...........................................................................................30
3.4 Mô phỏng Spin...................................................................................................33
Phần 3 Kết Luận và Kiến Nghị ..............................................................................37
3.1 Kết Luận ............................................................................................................37
3.2 Kiến nghị ............................................................................................................37
Phần 4. TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................38

PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật
cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một
thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-
WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm
biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời
sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông....

Tuy nhiên do mạng cảm biến không dây sử dụng truyền dẫn thông tin bằng

môi trường vô tuyến, nên với cách thức truyền thông này xảy ra sự mất mát dữ liệu
do môi trường vô tuyến không ổn định. Đây là thách thức lớn đối với q trình
truyền thơng trong WSN, cũng như cần phải thiết kế được những mạng cảm biến
truyền thơng đa chặng và có thể giảm thiểu tối đa sự mất mát dữ liệu trong quá trình
truyền thơng.

Trong khi đó, các nghiên cứu về WSN đã chỉ ra rằng có tới trên 70% năng
lượng của hệ thống mạng bị tiêu hao là do q trình truyền thơng. Bởi vậy, việc tiết
kiệm năng lượng trong quá trình định tuyến cho giao thức định tuyến là bài toán
đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm bởi tính khoa học và khả năng ứng dụng
trong thực tiễn.

Nhận thấy tầm quan trọng này, em đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Đánh giá
các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây”. Đề tài đánh giá một số
một số giao thức trong định tuyến khơng dây. Từ đó so sánh được giao thức nào tối
ưu hơn và dễ dàng chọn trong các trường hợp cụ thể khác nhau.
2. Mục tiêu của đề tài

Đánh giá được các giao thức và lựa chọn được giao thức tối ưu nhất
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
4. Phƣơng pháp nghiên cứu

Tìm hiểu tài liệu, mơ phỏng giao thức, đánh giá

1

5. Cấu trúc đề tài
Đề tài gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến khơng dây
Chương 2: Tìm hiểu một số giao thức trong mạng cảm biến không dây
Chương 3: Đánh giá một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

2

PHẦN 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu
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 nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với
quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến
không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp
thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet
hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích
chun dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không
gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nơng nghiệp; trong lĩnh
vực 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 cảm
biến có dây truyền thống.
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ
gọn tạo nên một thiết bị cảm biến khơng dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về
khơng gian. Chúng có thể hoạt động trong mơi trường dày đặc với khả năng xử lý
tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô
nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển
giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các

ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số luợng lớn các nút cảm biến,
các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng luợng rất
khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền
thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như
sau:

3

+ Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không
hoạt động nữa do thiếu năng luợng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh huởng của
môi truờng. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thuờng, duy
trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.

+ Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tuợng, số luợng các nút cảm
biến đuợc triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng
con số này có thể vuợt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng
mở rộng để có thể làm việc với số luợng lớn các nút này.

+ Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số luợng lớn các
nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí
của tồn mạng. Nếu chi phí của tồn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu
truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút
cảm biến phải giữ ở mức thấp.

+ Ràng buộc về phần cứng : Vì số luợng các nút trong mạng rất nhiều nên các
nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thuớc phải
nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ cao,
chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động khơng cần có người kiểm sốt,

thích nghi với mơi trường.

+ Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà
không cần giám sát ở những vùng xa xơi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các
máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ơ nhiễm hóa học hoặc sinh
học, ở gia đình hoặc những tịa nhà lớn.

+ Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết
nối bằng những phương tiện khơng dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi
sóng vơ tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự hoạt
động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn
phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa
vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô
tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.

4

Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại.
Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn. Cả
hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn
thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.

+ Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, mật độ
các nút có thể lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải
thiết lâp một cấu hình ổn định.

+ Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến khơng dây,
có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới
hạn (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng khơng

thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc
mạnh vào thời gian sống của pin. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng
đóng một vai trị quan trọng. Do đó hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về
các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính
của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử
lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng
lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và
xử lý dữ liệu (data processing).
* ưu điểm của mạng cảm biến không dây so với mạng ad-hoc truyền thống:

Wireless ad-hoc network (mạng tùy biến không dây) là tập hợp gồm nhiều hơn
một nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà không
cần hỗ trợ của sự quản trị trung tâm. Mỗi nút trong mạng tùy biến không dây hoạt
động như một nút chủ vừa như một thiết bị định tuyến.

Mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút cịn mạng cảm hiến có
thể lên đến hàng nghìn nút mạng.

WSN có thể hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, mạng được
xây dựng phụ thuộc vào ứng dụng.

Thêm các dịch vụ như thơng tin định vị có thể được u cầu trong mạng cảm
biến không dây, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số lỉệu
cảm biến từ nhiều nút tới một nút gốc.

5

Các nút mạng ad-hoc truyền thống cạnh tranh tài nguyên như băng thơng
nhưng trong mạng cảm biến có sự hợp tác hơn.
Truyền thơng trong WSN diễn ra với dạng gói tin rất ngắn

1.3 Kiến trúc các giao thức trong mạng cảm biến không dây
1.3.1 Lớp vật lý

Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo tàn số sóng mạng, phát hiện tín hiệu, điều
chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ đuợc sử dụng rộng rãi trong mạng
cảm biến.
Một vài đặc điểm quan trọng của lớp vật lý trong mạng cảm nhận là:

+ Tiêu thụ năng luợng thấp
+ Truyền công suất thấp tuơng ứng với khoảng cách truyền ngắn.
+ Phần cứng có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng luợng.
+ Tốc độ dữ liệu thấp từ vài chục tới vài trăm kilobits trên
giây + Cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ
+ Có khả năng chịu đựng sự thay đổi của môi truờng cao
1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu : lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện
các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì mơi
trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập
môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề cơng suất và phải có khả năng tối thiểu hố
việc va chạm với thơng tin quảng bá của các nút lân cận.
1.3.3 Lớp mạng
Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc
sau : Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng. Mạng cảm biến
chủ yếu là tập trung dữ liệu. Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó khơng cản
trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến.
1.3.4 Lớp truyền tải
Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua
mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.

6

1.3.5 Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác

nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.4 Phân loại các giao giao thức định tuyến trong WSN
1.4.1 Định tuyến tĩnh

Định tuyến tĩnh là quá trình router thực hiện chuyển gói dữ liệu tới địa chỉ mạng
đích dựa vào địa chỉ IP đích của gói dữ liệu. Để chuyển được gói dữ liệu đến đúng
đích thì router phải học thông tin về đường đi tới các mạng khác. Thông tin về
đường đi tới các mạng khác sẽ được người quản trị cấu hình cho router. Khi cấu
trúc mạng thay đổi, người quản trị mạng phải tự thay đổi bảng định tuyến của
router.

Kỹ thuật định tuyến tĩnh đơn giản, dễ thực hiện, ít hao tốn tài nguyên mạng và
CPU xử lý trên router (do không phải trao đổi thơng tin định tuyến và khơng phải
tính tốn định tuyến). Tuy nhiên kỹ thuật này không hội tụ với các thay đổi diễn ra
trên mạng và khơng thích hợp với những mạng có quy mơ lớn (khi đó số lượng
route quá lớn, không thể khai báo bằng tay được).

- Ưu điểm:
+ Sử dụng ít bandwidth hơn định tuyến động.
+ Không tiêu tốn tài ngun để tính tốn và phân tích gói tin định tuyến.
- Nhược điểm:
+ Khơng có khả năng tự động cập nhật đường đi.
+ Phải cấu hình thủ cơng khi mạng có sự thay đổi.
+ Phù hợp với mạng nhỏ, rất khó triển khai trên mạng lớn.
- Một số tình huống bắt buộc dùng định tuyến tĩnh:
+ Đường truyền có băng thơng thấp

+ Người quản trị mạng cần kiểm soát các kết nối.
+ Kết nối dùng định tuyến tĩnh là đường dự phòng cho đường kết nối dùng
giao thức định tuyến động.
+ Chỉ có một đường duy nhất đi ra mạng bên ngoài (mạng stub).
+ Router có ít tài nguyên và không thể chạy một giao thức định tuyến động.

7

+ Người quản trị mạng cần kiểm soát bảng định tuyến và cho phép các giao
thức classful và classless
1.4.2 Định tuyến động

Các router sẽ trao đổi thông tin định tuyến với nhau. Từ thông tin nhận được,
mỗi router sẽ thực hiện tính tốn định tuyến từ đó xây dựng bảng định tuyến gồm
các đường đi tối ưu nhất đến mọi điểm trong hệ thống mạng. Với định tuyến động,
các router phải chạy các giao thức định tuyến (routing protocol). Giao thức định
tuyến động không chỉ thực hiện chức năng tự tìm đường và cập nhật bảng định
tuyến, nó cịn có thể xác định tuyến đường đi tốt nhất thay thế khi tuyến đường đi
tốt nhất không thể sử dụng được. Khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi mạng là
lợi thế rõ rệt nhất của giao thức định tuyến động so với giao thức định tuyến tĩnh.
- Ưu điểm:

+ Đơn giản trong việc cấu hình.
+ Tự động tìm ra những tuyến đường thay thế khi mạng thay đổi.
- Nhược điểm:
+ Yêu cầu xử lí của CPU của router cao hơn so với định tuyến tĩnh.
+ Tiêu tốn một phần băng thông trên mạng để xây dựng bảng định tuyến.
Tất cả các giao thức định tuyến động được xây dựng dựa trên giải thuật. Định
tuyến động chia thành hai trường phái: các giao thức định tuyến ngoài - Exterior
Gateway Protocol (EGP) và các giao thức định tuyến trong - Interior Gateway

Protocol (IGP).
Các giao thức định tuyến ngoài (EGP) với giao thức tiêu biểu: BGP (Border
Gateway Protocol) là loại giao thức được dùng để chạy giữa các router thuộc các
AS khác nhau, phục vụ cho việc trao đổi thông tin định tuyến giữa các AS. AS -
Autonomous System - tạm dịch là Hệ tự trị là tập hợp các router chung một chính
sách về định tuyến.
Các giao thức định tuyến trong (IGP) gồm các giao thức tiêu biểu như: RIP,
OSPF, EIGRP. Trong đó, RIP và OSPF là các giao thức chuẩn quốc tế, EIGRP là
giao thức của Cisco, chỉ chạy trên thiết bị Cisco. IGP là loại giao thức định tuyến
chạy giữa các router nằm bên trong một AS.

8

1.5 Một số thách thức của mạng cảm biến không dây
Đối với mạng cảm biến không dây, vấn đề trở nên phức tạp hơn khi quy mô

của hệ thống được gia tăng. Những vấn đề gặp phải với mạng Internet vẫn đúng với
IoT nhưng phức tạp hơn rất nhiều. Một số thách thức có thể kể đến như:

Phạm vi hoạt động của domain: Internet ngày càng thâm nhập sâu hơn vào
cuộc sống con người thông qua dịch vụ của IoT, không chỉ thông qua các ứng dụng
mới mà cịn qua các cơng nghệ truyền thơng (ICT). Điển hình là thẻ RFID có thể
kiểm sốt chuỗi giá trị đến từng mặt hàng trên toàn cầu.

Mơ hình kinh doanh: nền tảng Web 2.0 đã dẫn đến sự đa dạng hóa và phương
thức kinh doanh mới, xu hướng này sẽ còn phát triển mạnh hơn khi IoT trở thành
một phần của Internet trong tương lai.

Sở hữu tài nguyên: cơ sở của Internet hiện tại là sở hữu và độc quyền sử dụng
tài nguyên, tuy nhiên với IoT thì mọi thứ sẽ hồn tồn khác. Nhiều hệ thống phức

tạp, ví dụ như mạng cảm biến tồn thành phố, sẽ khơng chỉ được sở hữu bởi một
người hay nhóm người, và sự ảnh hưởng của các nhóm phi sở hữu cũng sẽ tăng lên.

Phạm vi đối tượng liên quan: số lượng các đối tượng được cảm nhận, theo dõi
và điều khiển thông qua mạng IoT sẽ tăng lên nhiều lần. Các đối tượng có thể là các
vật thể ở thế giới micro-nano như vi khuẩn, nanobots,... cho tới những vật thể ở thế
giới vĩ mô như các hành tinh.

Thời gian và độ tin cậy: IoT sẽ được áp dụng tới các khu vực mà điều khiển
thời gian thực với độ chính xác cao là bắt buộc (nhà máy, trạm không lưu,...) hay ở
các ứng dụng giám sát nơi mà kết quả được thu thập cứ mỗi vài giây hay thậm chí
là vài phút. Quy mơ của những thách thức kể trên sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề phức
tạp khác trong hệ thống IoT và điều này dẫn đến mối quan tâm và thúc đẩy sự tham
gia của nhiều lĩnh vực khác nhau. Những nhà thiết kế hệ thống IoT sẽ gặp phải
những yêu cầu đa dạng và khắt khe từ người dùng, đồng thời sẽ có nhiều hơn một
lời giải đáp cho cùng một vấn đề từ những nhóm thiết kế khác nhau. Các nền tảng
khác nhau sẽ khiến cho việc điều hành không đồng nhất, tăng chi phí khi liên kết
giữa các khu vực với nhau. Việc này ảnh hưởng rất lớn đến chi phí đầu tư và vận
hành của hệ thống, ảnh hưởng xấu đến tính khả thi của việc triển khai các hệ thống

9

IoT. Vấn đề này khơng thể nào tự nó giải quyết, cái ta cần là sự thống nhất về nền
tảng kiến trúc và sự nâng cấp của các module hệ thống sau mỗi lần triển khai. Một
bản tham chiếu chuẩn và tư vấn cấp cao có lẽ sẽ giúp giải quyết vấn đề chất lượng,
đồng thời tránh được khác biệt về cấu trúc giữa các mô-đun.

Việc cài đặt các thiết bị cảm biến của mạng không dây sẽ tăng nhanh trong
những năm tới do nhu cầu của việc giám sát tồn diện (ví dụ: quy trình trong nhà
máy hay vận tải).

Theo ABI Research, trong 10 năm tới sẽ có 50 tỉ thiết bị được lắp đặt mới, và
việc vận hành số thiết bị đó sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề: Lượng dữ liệu được tạo ra
từ mạng cảm biến khơng dây có thể tăng từ mức EiB (10246 bytes) lên mức ZiB
(10247 bytes). Theo số liệu của IDC, năm 2009 lượng dữ liệu toàn cầu là 0.8 ZiB
nhưng sẽ tăng lên 35 ZiB vào năm 2020. Phần lớn dữ liệu sẽ đến từ các nút cảm
biến hơn là do con người. Vấn đề lưu trữ, truyền tải và thời gian xử lý sẽ trở thành
những vấn đề chưa từng thấy của những người làm kĩ thuật. Vận hành cơ sở vật
chất ln cần đến sự an tồn, tiết kiệm năng lượng, tính hiệu quả và tiện lợi. Hiện
nay quyết định điều hành từ con người được đưa ra sau khi thu thập và xử lý dữ
liệu. Tuy nhiên, trong tương lai hình thức này sẽ khơng cịn phù hợp nữa. Khi đó, trí
tuệ nhân tạo sẽ đảm nhiệm vai trị phản hồi khi có bất cứ sự thay đổi nào xảy ra.
Các vấn đề phải được xử lý theo thời gian thực, phản hồi được hệ thống đưa ra dựa
trên dữ liệu thu thập được. Việc đó yêu cầu nền tảng điều khiển phải rất tốt để đảm
bảo độ an toàn và tin cậy của hệ thống. Khi càng có nhiều thiết bị trong mạng, độ
trễ của mỗi thiết bị khi điều khiển cũng sẽ tăng lên. Với công nghệ hiện tại, việc
điều khiển dưới 100 thiết bị ở lưới điện sẽ cho độ trễ dưới 2ms, nhưng khi quy mơ
mạng tăng lên thì u cầu sẽ trở nên khắt khe hơn rất nhiều. Một số điểm yếu của
cơng nghệ hiện tại có thể kể đến như sau:

Công nghệ truy cập theo thời gian, dự trữ lưu lượng, phân bổ tài nguyên,... để
đảm bảo độ tin cậy trong truyền thông cũng đồng thời khiến cho mạng không được
sử dụng hết khả năng.

Truy cập tranh chấp đến từ nhiều nguồn khác nhau sẽ khiến cho hiệu suất của
mạng giảm đi.

10

Hai công nghệ giao tiếp mới đã được đưa ra để giải quyết các vấn đề trên, thứ

nhất là giao tiếp không dây dựa trên nền tảng Bluetooth dành cho cảm biến và bộ
chấp hành (WISA), thứ hai là mạng không dây dựa trên nền tảng IEEE 802.11 dành
cho công nghiệp tự động.

Công nghệ Bluetooth hiện nay vận hành trong khoảng 2400 MHz đến 2483.5
MHz, có 79 kênh và trao đổi dữ liệu trong khoảng cách ngắn. Bluetooth có thể được
sử dụng ở lớp vật lý để đáp ứng các yêu cầu lưu lượng cao. Bên cạnh đó, lớp MAC
(Media Access Control) cũng được thiết kế để hỗ trợ truy cập theo phiên (TDMA),
chia tần (FDM) và nhảy tần (FH). Thơng qua sóng cao tần, ta cịn có thể cấp năng
lượng cho hệ thống.
1.6 Một số ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây

Như trên ta đã đề cập đến các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến không dây. Cụ
thể ta sẽ xem xét kỹ một số ứng dụng như sau để hiểu rõ sự cần thiết của mạng cảm
biến không dây. Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau
như cảm biến động đất, cảm biến từ trường tốc độ lấy mẫu thấp, cảm biến thị giác,
cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar... mà có thể quan sát vùng rộng các
điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm:

> Độ ẩm.
> Nhiệt độ
> Sự chuyển động của xe cộ.
> Điều kiện ánh sáng.
> Áp suất.
> Sự hình thành đất.
> Mức nhiễu.
> Sự có mặt hay vắng mặt một đối tượng nào đó.
> Mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn.
> Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng.
Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện

sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ bộ phận phát

11

động. Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiều
vùng ứng dụng mới. Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong qn đội, mơi
trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.

Mạng cảm biến khơng dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống điều
khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính tốn thơng minh, trinh sát, theo dõi mục
tiêu. Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể bị lỗi của mạng cảm biến làm
cho chúng hứa hẹn kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân đội. Vì mạng cảm
biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự
phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của quân
đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm
biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường. Một vài ứng dụng quân đội của mạng
cảm biến là quan sát lực lượng, hang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến trường do
thám địa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ nguy hiểm
của chiến trường, phát hiện và do thám việc tấn cơng bằng hóa học, sinh học, hạt
nhân.
Giảm sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược:

Những người lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân
đội, điều kiện và sự có sẵn của các 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 có thể gắn
liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thơng báo về trạng thái. Những bản báo
cáo này được tập họp lại tại các nút sink để gửi tới lãnh đạo trong quân đội. Dữ liệu
cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn.
Giảm sát chiến trường:

Địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể
nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thể theo dõi các hoạt
động của quân địch. Khi các hoạt động này được mở rộng và kế hoạch hoạt động
mới được chuẩn bị một mạng mới có thể được triển khai bất cứ thời gian nào khi
theo dõi chiến trường.

12

Giám sát địa hình và lực lượng quân địch:
Mạng cảm biến có thể được triển khai ở những địa hình then chốt và một vài

nơi quan họng, các nút cảm biến cần nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung
dữ liệu gửi về trong vài phút trước khi quân địch phát hiện và có thể chặn lại chúng.
Đánh giả sự nguy hiểm của chiến trường:

Trước và sau khi tấn cơng mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng
mục tiêu để nắm được mức độ nguy hiểm của chiến trường.
Phát hiện và thăm dò 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 ừọng 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 một hệ thống cảnh báo sinh học và
hóa học có thể cung cấp thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh
thương vong nghiêm trọng.

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư
của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi
trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc
lớn đối với việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dị các hành tinh, phát
hiện sinh-hóa, nơng nghiệp chính xác, quan sát mơi trường, trái đất, mơi trường

vùng biển và bầu khí quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa
lý, phát hiện lũ lụt, sắp đặt sự phức tạp về sinh học của môi trường và nghiên cứu sự
ô nhiễm.
Phát hiện cháy rừng:

Vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách ngẫu nhiên, có chiến lược
với mật độ cao trong rừng, các nút cảm biến sẽ tìm nguồn gốc của lửa để thơng báo
cho người sử dựng biết trước khi lửa lan rộng khơng kiểm sốt được. Hàng triệu các
nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây
hoặc quang học. Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng cơng suất
có hiểu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến bị bỏ lại khơng có chủ hàng
tháng và hàng năm. Các nút cảm biến sẽ cộng tác với nhau để thực hiện cảm bỉến
phân bố và khắc phục khó khăn, như các cây và đá mà ngăn trở tầm nhìn thẳng của
cảm biến có dây.

13

Phát hiện lũ lụt:
Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ. Một vài loại cảm

biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mức nước, thời tiết.
Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống cơ sở dữ liệu đã
được định nghĩa trước.

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân,
các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý
bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và
bệnh nhân trong bệnh viện.

Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện:

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 con cảm
biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các
bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong bệnh viện.
Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng
để đo nhiệt độ. Khơng những thế, chúng cịn được dùng để phát hiện những sự dịch
chuyển trong phịng và thơng báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong
trường hợp khơng có ai ở nhà.

14

CHƢƠNG 2 MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1. Giao Thức Spin
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức phân tuyến

thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Mục tiêu chính của giao thức này đó là tập
trung việc quan sát mơi 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. SPIN khai thác tên dữ liệu nhờ đó mà các nút sẽ kết hợp miêu tả
dữ liệu (metadata) với dữ liệu mà chúng tạo ra và sử dụng sự miêu tả này để thực
hiện việc giàn xếp dữ liệu trước khi truyền dữ liệu thực tế. 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 đến 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. Hơn nữa việc sử
dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ khả năng chồng lấn vì các nút có thể chỉ giới

hạn về tên loại dữ liệu mà chúng quan tâm đến.

Việc thích ứng tài nguyên cho phép các nút cảm biến chạy SPIN có thể thích
ứng với trạng thái hiện tại của tài nguyên năng lượng. Mỗi nút có thể dị 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 cịn lại thấp các nút này có 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.
Hoạt động của SPIN gồm 6 bước như hình sau:

15

+ Bước 1: ADV để thông báo dữ liệu mới tới các nút.
+ Bước 2: REQ 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 màn 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 khơng quan
tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu khơng thể đến được đích.
Giao thức SPIN được chia thành các loại :
* SPIN - PP : Giao thức này được thiết kế cho truyền thông điểm điểm, giả sử
như 2 nút có thể giao tiếp với nhau mà không ảnh hưởng tới truyền thông của các nút
khác. Khi nút có dữ liệu để gửi nó sẽ gửi ADV tới nút hàng xóm, nếu nút nào muốn

nhận thơng tin đó nó sẽ trả lời bằng bản tin REG. Khi đó nút vừa gửi bản tin ADV sẽ
gửi gói dữ liệu tới nút vừa gửi bản tin REG. Và quá trình cứ tiếp diễn như vậy.

16