Nghiên cứu một số kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng nâng cao chất lượng truyền thông không dây

1

TĂNG THỊ HIỀN THƢƠNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG CHẤT
LƢỢNG TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY, ỨNG DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
TRUYỀN THƠNG KHƠNG DÂY

: 60 48 01

TĨM TẮT

PGS.TS. PHẠM VIỆT BÌNH

2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây. ...................................................... 9
Hình 1.2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. .................................................... 11
Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây ................................... 12
Hình 1.4: Phân chia kênh vơ tuyến trong dải 24Ghz. .......................................... 13
Hình 1.5: Mơ hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến khơng dây ....................... 15
Hình 1.6: Mơ hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến khơng dây .................. 15
Hình 1.7: Mơ hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến khơng dây .................... 16

Hình 1.8: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp ...................... 22
Hình 1. 9: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong mơi trường ....................... 23
Hình 1. 10: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông ...................... 23
Hình 1. 11: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong dân dụng ........................ 24
Hình 1. 12: Minh họa cách tính ETX của 1 liên kết ........................................... 27
Hình 1.13: Minh họa cách tính ETX của 1 tuyến ................................................ 27
Hình 2.1: Lưu đồ cập nhật ETX (LQI) ................................................................ 30
Hình 2.2: Lưu đồ q trình gửi gói tin beacon (ETX). ........................................ 32
Hình 2.3: Lưu đồ q trình nhận gói tin beacon trong kỹ thuật ETX. ................ 32
Hình 2.4: Lưu đồ quá trình xử lý gói beacon nhận được (ETX).......................... 33
Hình 2.5: Lưu đồ cập nhật EXT của kỹ thuật DE ................................................ 35
Hình 2.6: Lưu đồ q trình thêm hàng xóm của kỹ thuật DE .............................. 36
Hình 2.7: Lưu đồ cập nhật hàng xóm của kỹ thuật DE ........................................ 36
Hình 2.8: Lưu đồ cập nhật ETX của kỹ thuật Extend - DE ................................. 38
Hình 2.9: Lưu đồ q trình quản lý hàng xóm của 4B......................................... 40
Hình 2.10: Lưu đồ quá trình cập nhật ETX của kỹ thuật 4B ............................... 41
Hình 3.1: Lưu đồ quá trình cập nhật ETX của kỹ thuật kết hợp .......................... 45
Hình 3.2: Sơ đồ mơ phỏng mạng cảm biến không dây trên nền tảng Zolertia
bằng hệ điều hành Contiki.................................................................................... 56
Hình 3.3: Màn hình mơ phỏng trên hệ điều hành Contiki .................................. 57
Hình 3.4: So sánh tỷ lệ truyền thành cơng gói tin giữa kỹ thuật DE, LQI và LQIDE......................................................................................................................... 58
Hình 3.5: So sánh chi phí truyền gói tin giữa kỹ thuật DE, LQI và LQI-DE ..... 59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Stt

Từ viết
tắt

Tiếng Anh

1

WSNs

Wirless Sensor Networks

2

IoT

Internet of Things

3

SN

Sink Node

Nút chủ

4

IP

Base Station

Trung tâm

5

ADC

Analog Digital Converter

Chuyển đổi tương tự - số

6

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Chuẩn IEEE

7

SH

Smart Home

8
9

10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

PDR
PL
PQ
PDC
ETX
LQI
SNR
DE
4B
MAC
PAN
FFDs

20

RSSI

Packet Delivery Ratio
Path Length

Path Quality
Packet Delivery Cost
Expected Transmission Count
Link Quality Indicator
Signal-to-Noise Ratio
Direct Estimate
Four - Bit
Media Access Control
Personal Area Network
Full Functional Dependencies
Received Signal Strength
Indicator
Signal to Noise Ratio
Collection Tree Protocol
Acknowledged Packet
Time Division Multiple Access
Reduced-function Devices

21 SNR
22 CTP
23 ACK
24 TDMA
25 RFDs

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Tiếng Việt
Mạng cảm biến không dây
Tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối với nhau

Ngơi nhà thơng minh
Tỷ lệ nhận gói
Số chặng
Chất lượng của qng đường
Chi phí gửi tin
Số lần truyền kỳ vọng
Kỹ thuật LQI
Tín hiệu nhiễu sóng
Kỹ thuật de
Kỹ thuật 4B
Lớp liên kết dữ liệu
Mạng cá nhân
Chức năng đầy đủ
Chỉ số cường độ tín hiệu nhận
được
Chỉ số tín trên tạp
Giao thức cây thu thập
Thông báo gửi tin
Đa truy cập phân chia thời gian
Thiết bị có chức năng hạn chế

/>

4

Mục lục
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 6
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ƣớc lƣợng chất
lƣợng tuyến ........................................................................................................... 8

1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây .................................................... 8
1.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................... 8
1.1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ........................................... 10
1.1.3. Cấu trúc của nút cảm biến .................................................................. 11
1.1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây .................................. 12
1.1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây ................... 14
1.1.6. Một số thách thức của mạng WSNs .................................................... 18
1.1.7. Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ............................... 21
1.2. Ước lượng chất lượng tuyến ...................................................................... 24
1.2.1. Giới thiệu ............................................................................................ 24
1.2.2. Một số thông số đánh giá kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến ........ 25
1.2.3. Thông số ETX ..................................................................................... 26
Chƣơng 2: Một số kỹ thuật đánh giá chất lƣợng tuyến trong mạng cảm biến
không dây ............................................................................................................ 28
2.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 28
2.2. Kỹ thuật LQI (Link Quality Indicator) ...................................................... 29
2.2.1. Ý tưởng của kỹ thuật LQI .................................................................... 29
2.2.2. Mô tả kỹ thuật LQI .............................................................................. 29
2.2.3. Nhận xét kỹ thuật LQI ......................................................................... 30
2.3. Kỹ thuật ETX (Expected Transmission Count) ........................................ 31
2.3.1. Ý tưởng của kỹ thuật ETX ................................................................... 31
2.3.2. Mô tả kỹ thuật ETX ............................................................................. 31
2.3.3. Nhận xét kỹ thuật ETX ........................................................................ 34
2.4. Kỹ thuật DE (Direct Estimate) .................................................................. 34
2.4.1. Ý tưởng của kỹ thuật DE ..................................................................... 34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

2.4.2. Mô tả kỹ thuật DE ............................................................................... 34
2.4.3. Nhận xét kỹ thuật DE .......................................................................... 37
2.5. Kỹ thuật Extend - DE ( Extend - Direct Estimate) .................................... 37
2.5.1. Ý tưởng kỹ thuật E-DE ........................................................................ 37
2.5.2. Mô tả kỹ thuật E-DE ........................................................................... 37
2.5.3. Nhận xét kỹ thuật E-DE ...................................................................... 39
2.6. Kỹ thuật 4B ( Four - Bit) ........................................................................... 39
2.6.1. Ý tưởng kỹ thuật 4B ............................................................................ 39
2.6.2. Mô tả kỹ thuật 4B ................................................................................ 39
2.6.3. Nhận xét kỹ thuật 4B ........................................................................... 42
2.7. Kỹ thuật kết hợp DE-LQI .......................................................................... 43
2.7.1. Mơ tả bài tốn ..................................................................................... 43
2.7.2. Ý tưởng kỹ thuật .................................................................................. 43
2.7.3. Mô tả kỹ thuật ..................................................................................... 44
Chƣơng 3: Cài đặt và đánh giá hiệu năng một số kỹ thuật ƣớc lƣợng tuyến
.............................................................................................................................. 46
3.1. Dẫn nhập .................................................................................................... 46
3.2. Cài đặt kỹ thuật LQI, kỹ thuật DE và kỹ thuật kết hợp DE-LQI ............. 46
3.2.1. Kỹ thuật LQI ....................................................................................... 50
3.2.2. Kỹ thuật DE ........................................................................................ 51
3.2.3. Kỹ thuật DE-LQI................................................................................ 51
3.3. Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của DE, LQI, DE-LQI ......................... 53
3.3.1. Yêu cầu thực hiện đánh giá kỹ thuật ước lượng tuyến bằng mô phỏng
trên hệ điều hành Contiki ............................................................................. 53
3.3.2. Thiết lập thông số cho q trình mơ phỏng ........................................ 54
3.4. Đánh giá kết quả mơ phỏng ....................................................................... 57
3.4.1. Q trình thu nhận kết quả ................................................................. 57
3.4.2. Đánh giá kết quả mô phỏng ................................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 64

PHỤ LỤC ............................................................................................................ 65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây (WSNs - Wirless Sensor Networks) với đặc
điểm nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa năng đang ngày càng được nghiên cứu
phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của xã hội như quốc phịng,
an ninh, nơng lâm nghiệp, cơng nghiệp, y tế và dân dụng.
Tuy nhiên, với đặc điểm là truyền thông không dây đa chặn, nên những vấn
đề như mất liên kết truyền thông, nhiễu đường truyền và sự di động của nút sẽ
dẫn đến mất mát dữ liệu trong q trình truyền thơng, gây ảnh hưởng đến hiệu
năng của q trình truyền thơng trong mạng cảm biến không dây.
Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh hưởng đến
chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến khơng dây đó chính là chất lượng
tuyến. Tức là, nếu chúng ta xác định được chất lượng tuyến trước khi thực hiện
truyền thơng thì hiệu năng của q trình truyền thơng khơng dây sẽ được cải
thiện. Bởi vậy, việc xác định được chất lượng tuyến trước khi thực hiện truyền
thông là vấn đề mấu chốt quyết định đến chất lượng truyền thông không dây
không chỉ đối với mạng cảm biến khơng dây.
Chính vì vậy, chủ đề nghiên cứu về lĩnh vực chất lượng tuyến và đánh giá
chất lượng tuyến, cũng như xây dựng những kỹ thuật, kỹ thuật mới để xác định
chất lượng tuyến hiệu quả đang được cộng đồng khoa học quan tâm và nghiên
cứu.
Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “ Nghiên cứu một số kỹ thuật ước lượng
chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng nâng cao chất
lượng truyền thơng khơng dây” khơng chỉ có mục tiêu nghiên cứu về kỹ thuật

hay kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến trong mạng cảm biến khơng dây, mà
cịn thực hiện việc đánh giá về các kỹ thuật này. Kết quả của luận văn sẽ làm nền
tảng cho hướng nghiên cứu tiếp theo về chủ đề ước lượng tuyến trong mạng cảm
biến không dây. Bố cục của luận văn gồm các nội dung chính sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

Chương 1
Tổng quan mạng cảm biến không dây và ước lượng chất lượng tuyến
Trình bày về kiến trúc, phương thức truyền thông, cũng như những thách
thức truyền thông đối với mạng cảm biến không dây trong việc đánh giá chất
lượng tuyến của mạng.

Chương 2
Một số kỹ thuật đánh giá chất lượng tuyến
trong mạng cảm biến khơng dây
Trình bày chi tiết về các kỹ thuật tiêu biểu trong việc xác định chất lượng
tuyến trong mạng cảm biến không dây như LQI, DE,… Căn cứ vào những đánh
giá về những kỹ thuật này, tôi nghiên cứu một kỹ thuật kết hợp nhằm nâng cao
việc đánh giá chất lượng tuyến trong mạng cảm biến khơng dây và trình bày ở
chương 3.

Chương 3
Cài đặt và đánh giá hiệu năng một số kỹ thuật
ước lượng chất lượng tuyến
Trình bày chi tiết về thuật tốn kết hợp DE-LQI nhằm nâng cao việc đánh

giá chất lượng tuyến trong mạng cảm biến khơng dây. Đồng thời, phân tích về
kết quả mô phỏng giữa các kỹ thuật dựa trên việc mô phỏng và triển khai kết quả
trên môi trường thực tế.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

8

Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ƣớc lƣợng
chất lƣợng tuyến
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1. Giới thiệu chung
Trong những năm qua, với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ thông
tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông đã tạo thuận lợi và xu thế hội tụ
công nghệ trong các hệ thống hiện đại với nhiều khả năng, và thông minh hơn.
Trong khi đó, khả năng thơng minh của các hệ thống hiện đại dựa chủ yếu vào
thành phần cảm biến của mình. Dựa vào những thơng tin được thiết bị cảm biến
mà hệ thống đưa ra những đáp ứng phù hợp. Bởi vậy, việc phát triển công nghệ
cảm biến sẽ đem lại nhiều khả năng và pham vị ứng dụng cho các hệ thống hiện
đại.
Bên cạnh đó, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things)
đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai
mạng hệ thống thông minh trên tồn cầu. Chính điều này đã đặt ra yêu cầu cần
phải liên kết các nút cảm biến với nhau để tạo ra mạng cảm biến - WSNs
(Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa dữ liệu, nâng cao
khả năng và tính kinh tế trong q trình triển khai hệ thống.
Mạng WSNs có thể hiểu đơn giản là sự liên kết và kết nối giữa các nút cảm
biến với nhau nhằm để trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu của người dùng.

Mỗi nút cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý,
và các cảm biến. Mạng cảm biến không dây sẽ liên kết các nút cảm biến với nhau
thơng qua giao tiếp khơng dây trong đó các nút trong mạng thường là các (thiết
bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có
số lượng lớn, được phân bố một cách khơng có hệ thống hoặc có hệ thống trong
một phạm vi hoặc có thể liên kết với các mạng khác để tạo ra mạng cảm biến có
phạm vi rộng hơn. Các nút cảm biển có thể sử dụng nguồn năng lượng hạn chế
(pin), nên có giới hạn về thời gian hoạt động. Các nút cảm biến này có nhiệm vụ
cảm nhận, đo đạc, tính tốn, thu thập, hoặc đáp ứng yêu cầu của người dùng như
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

theo dõi, chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết bị điện, hay ở chế độ ngủ. Hình 1.1
dưới đây minh họa về mơ hình mạng cảm biến khơng dây điển hình.

Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây.
Qua hình 1.1, chúng ta thấy rằng các nút cảm biến được phân bố một cách
phù hợp theo vị trí thu thập thông tin và đảm bảo liên kết truyền thông với nhau,
dữ liệu có thể truyền đa chặn để tới nút chủ (sink node). Các nút cảm biến thường
có chức năng như thu thập số liệu môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm,
ánh sáng; theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động,… Các nút này
giao tiếp theo mơ hình ad-hoc và có khả năng chuyển tiếp gói tin của các nút
khác để truyền tới nút chủ. Nút chủ hay còn gọi là nút trung tâm (base station) có
khả năng thu thập số liệu của các nút khác, cũng như đưa ra những yêu cầu tới
từng nút theo nhiệm vụ riêng của mình. Thơng qua nút chủ, dữ liệu mạng cảm
biến có thể được chia sẻ qua hệ thống mạng IP như mạng Internet, hay mạng viễn
thơng theo mục đích của người dùng. Nhờ vậy, phạm vi hoạt động của mạng cảm

biến không những không bị hạn chế, mà cịn có thể phát triển thành liên kết giữa
các mạng cảm biến với nhau. Từ đó, chúng ta có thể kế thừa và phát triển nhiều
ứng dụng khác trong cộng đồng trên phạm vi toàn cầu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

1.1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Khác với mạng cảm biến thông thông, mạng cảm biến không dây có những
đặc điểm tiểu tiểu như sau:
 Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng,
số lượng node cảm biến lớn và có thể được phân bố một cách ngẫu nhiên,
hoặc theo quy luật xác định. Các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi
sơ đồ bố trí mạng. Do vậy, mạng cảm biến khơng dây có tính linh động và
các nút cảm biến của mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình nhằm
đảm bảo ổn định cho mạng WSNs
 Mạng WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thơng phổ
biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà địi hỏi phải có cơ chế và giao
thức truyền vô tuyến riêng.
 Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp và yêu cầu hoạt động trong một
thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng
nhất trong mạng cảm biến khơng dây.
 Có khả năng chịu lỗi: trong trường hợp một số các nút cảm biến có thể
khơng hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do
ảnh hưởng của môi trường. Bởi vậy, khả năng chịu lỗi của mạng WSNs thể
hiện ở việc mạng này vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những chức
năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động. Ở đây, người ta

sử dụng phân bố Poisson để xác định xác suất khơng có sai hỏng trong
khoảng thời gian (0,t):
a. Rk (t) = e –λkt
b. Trong đó:
c. λk : tỉ lệ lỗi của nút k
d. T :khoảng thời gian khảo sát
e. Rk(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm biến
 Khả năng mở rộng: Khi triển khai mạng cảm biến không dây thì số lượng
các nút cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

11

từng ứng dụng. Bởi vậy mạng WSNs có khả năng làm việc với sự biến
động về số lượng nút mạng
 Dễ triển khai là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây.
Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông
khi làm việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành cơng, WSN cần
phải tự cấu hình. Thêm vào đó, sự truyền thơng giữa hai nút có thể bị ảnh
hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn.
Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều
này.
1.1.3. Cấu trúc của nút cảm biến

Hình 1.2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như sau:
Đơn vị cảm biến (sensing unit)

Đơn vị xử lý (processing unit)
Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
Bộ nguồn (power unit)
 Đơn vị cảm biến: bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số
(ADC). Dựa vào những hiện tượng quan sát được, đo lường được, tín hiệu
tương tự tạo ra bởi cảm biến được số hóa bằng bộ chuyển đổi tương tự - số
ADC (Analog Digital Converter), sau đó được đưa vào bộ xử lý.
 Đơn vị xử lý: là bộ xử lý có khả năng lưu trữ, xử lý dữ liệu cũng như việc
chấp hành yêu cầu của mạng theo ngữ cảnh khác nhau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12

 Đơn vị truyền dẫn: là phần thu phát vô tuyến thực hiện việc thu phát tín
hiệu qua mơi trường không dây giữa các nút cảm biến, thông thường chuẩn
truyền thông trong mạng cảm biến như Zigbee.
 Bộ nguồn: cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động của nút cảm biến.
Tùy thuộc vào nút cảm biến khác nhau, mà nguồn có thể được bổ sung từ
năng lượng bên ngồi như song điện từ, năng lượng mặt trời.
Ngoài ra nút có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng
dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power
generator) và bộ phận di động (mobilizer).
1.1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc mạng WSNs bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các
mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có
hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút
cảm biến không dây. Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng thành phần của
kiến trúc giao thức mạng cảm biến.

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
1.1.4.1. Các mặt phẳng quản lý
 Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng
nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi
nhận được một bản tin. Khi mức cơng suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ
quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng
của nó thấp và nó khơng thể tham gia vào q trình định tuyến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

13

 Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút cảm biến. Các nút cảm biến giữ việc theo dõi xem nút nào
là nút hàng xóm của chúng.
 Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút
trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện
nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.
1.1.4.2. Lớp vật lý:
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vơ tuyến hoạt
động, phương thức điều chế vơ tuyến, và mã hóa tín hiệu vơ tuyến. Lớp vật lý
của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến
được cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vơ tuyến cục bộ, nên tần số
chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới. Trong mỗi băng tần,
có một số kênh quy định, như trong hình 1.4. Channel 0 được quy định chỉ ở
châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa
Kỳ trên băng 902-982MHz.

Hình 1.4: Phân chia kênh vơ tuyến trong dải 24Ghz.
Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 được quy định
trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh
là 5MHz. IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số
kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó
các kênh từ 11-26 sử dụng khố dịch pha vng góc (QPSK). Trên tất cả các
kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).
Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vơ
tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14

Bởi vì 802.11 có một cơng suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng 802.11 làm
nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.4 cho thấy sự chồng lấn giữa
802.15.4 và 802.11. Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc
bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, thì có 2
kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng
802.11. Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những
khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian. Kênh 25 và 26
không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11
được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11.
1.1.4.3. Lớp liên kết dữ liệu
Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các
kênh truyền vơ tuyến. Bởi vì kênh truyền vơ tuyến được chia sẻ giữa tất cả các
nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp
cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi

các bản tin. Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác
nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra,
802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia
thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền.
1.1.4.4. Lớp mạng
Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải.
1.1.4.5. Lớp truyền tải
Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung
cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.
1.1.4.6. 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.
1.1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến khơng dây
1.1.5.1. Mơ hình truyền thơng trong mạng cảm biến khơng dây
Mơ hình truyền thơng cho các nút mạng cảm biến khơng dây có thể được
chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm. Mỗi mơ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

15

hình truyền thơng được sử dụng trong các trường hợp khác nhau. Nhiều ứng
dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thơng này.
b) Mơ hình truyền thơng Điểm-Điểm

Hình 1.5: Mơ hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến khơng dây
Với mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm sẽ diễn ra khi một nút mạng cảm biến
không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác. Tuy nhiên,
việc truyền thơng có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác. Trong hình

phía dưới, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau, nhưng có hai nút
mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thơng, bởi vì chúng chuyển tiếp
các gói tin giữa các điểm đầu cuối của q trình truyền thơng.
c) Mơ hình truyền thơng Điểm-Đa điểm
Mơ hình truyền thơng Điểm – Đa điểm được minh họa như ở hình 2. Mơ
hình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là
tất cả các nút khác trong mạng. Mơ hình truyền thơng này có thể được sử dụng
để gửi một lệnh thiết lập các nút trong mạng.

Hình 1.6: Mơ hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến khơng dây
Có nhiều hình thức truyền thơng trong mơ hình Điểm – Đa điểm. Tùy thuộc
vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau.
Nếu yêu cầu độ tin cậy cao, thì giao thức truyền thơng có thể phải truyền lại các
bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành cơng được gói tin. Nếu độ
tin cậy khơng u cầu q khắt khe, thì giao thức truyền thơng có thể khơng cần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

16

phải truyền lại bất kỳ bản tin nào: Giao thức truyền thông hy vọng rằng kênh
truyền thông đủ độ tin cậy để các bản tin có thể đến được các nút nhận.
Nhiều cơ chế và giao thức đã được thiết kế để thực hiện truyền thông Điểm
– Đa điểm trong mạng cảm biến không dây. Dạng đơn giản của truyền thông
Điểm – Đa điểm là mạng tràn lan. Điều này được thực hiện bằng cách từng nút
quảng bá bản tin được gửi đi. Khi một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá
được phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút
khác xung quanh nó. Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một

khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại các bản tin. Hiệu quả của cơ chế
này là bản tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu
vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến. Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc
tốt trong một số trường hợp nhưng nó khơng phải là cơ chế đáng tin cậy. Các bản
tin bị mất do nhiễu hoặc xung đột cần được truyền lại. Để đạt được độ tin cậy
trong truyền thông Điểm – Đa điểm thì giao thức truyền thơng phải phát hiện
được các bản tin bị mất và phát lại chúng.
d) Mơ hình truyền thơng Đa điểm-Điểm
Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm thường được sử dụng để thu thập dữ
liệu từ các nút trong trường cảm biến. Với mơ hình truyền thơng Đa điểm Điểm, một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút. Nút này thường được gọi là
Sink. Hình 3 minh họa mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm.

Hình 1.7:Mơ hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến khơng dây
Truyền thơng Đa điểm - Điểm có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cảm
biến chẳng hạn như nhiệt độ từ các nút trong mạng, nhưng nó cũng được sử dụng
truyền thơng tin trạng thái các nút trong mạng. Các nút gửi các báo cáo trạng thái
định kỳ tới Sink. Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ hiệu năng của mạng tới người
quan sát bên ngồi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

17

Trong truyền thơng Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink trong
mạng. Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thể được gửi tới
thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi. Điều này cho
phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao hơn.
Để thiết lập truyền thơng Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc
cây với gốc của nó ở nút Sink. Sink thơng báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp

lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bước nhảy bằng
khơng tính từ nút Sink. Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại
các bản tin để thông báo chúng có bước nhảy là một tính từ nút Sink. Lần lượt,
các nút hàng xóm của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bước nhảy là hai tính từ
nút Sink. Với phương thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết
có bao nhiêu bước nhảy chúng phải trải qua được tính từ nút Sink và biết được
các nút lân cận gần Sink hơn. Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến
nút lân cận gần Sink hơn. Mặc dù phương thức xây dựng tuyến đường định tuyến
dựa trên việc đếm số bước nhảy là đơn giản nhưng nó cũng có một số vấn đề cần
được quan tâm. Một nút với số bước nhảy rất ngắn đến Sink có thể nằm ở vị trí
phủ sóng rất kém, trong khi một nút với nhiều bước nhảy tới Sink có thể ở vị trí
phủ sóng rất tốt. Để gửi gói tin đến được Sink, có thể sẽ tốt hơn khi gửi gói tin đó
tới nút có vùng phủ sóng tốt mặc dù có nhiều bước nhảy tới Sink hơn, bởi vì gói
tin có cơ hội nhận được cao hơn mà khơng phải truyền lại gói tin.
1.1.5.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công
suất thấp, tốc độ dữ liệu thấp. Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho mạng cá nhân
(PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE). IEEE
802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa 1mW.
Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét. Điểm
chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu
phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho IEEE 802.15.4 phổ biến với
mạng cảm biến không dây. Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo chuẩn
IEEE 802.15.4. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

18

Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền
vô tuyến vật lý như thế nào. Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động
khác nhau. Kênh 0 được quy định chỉ ở Châu Âu và nằm trên băng 868 MHz.
Kênh từ 1- 10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902 – 982 MHz, khoảng
cách kênh là 2MHz. Kênh 11-26 quy định trên băng tần 2,4 GHz, khoảng cách
kênh là 5MHz.
Lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC): Mục đích của lớp MAC là
để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến. Chỉ rõ các bản tin đến từ
các lớp vật lý sẽ được giải quyết như thế nào.
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: thiết bị có chức năng đầy
đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs). Các FFDs có nhiều khả năng
hơn RFDs và có thể đóng vai trị như một điều phối viên các mạng PAN. RFDs
là các thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá
thành rẻ hơn. RFDs chỉ có thể truyền thơng với FFDs. Các FFDs có thể truyền
thông được với cả RFDs và FFDs.
1.1.6. Một số thách thức của mạng WSNs
1.1.6.1. Thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng các cảm biến khơng dây, những thách thức chính ở cấp độ nút
cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành. Cơng
suất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến khơng dây
bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn năng
lượng thấp bên ngồi. Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố
kích thước và hình thức quyết định các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến
không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kích thước nhỏ gọn. Giá
thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi các nút
mạng cảm biến không dây thường được triển khai với quy mô lớn.
Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến
việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc
mạng. Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện
phần cứng có cơng suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dịng rị cũng như hỗ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

19

trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng. Phần mềm chạy trên các nút mạng
cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng. Kích
thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần cứng lẫn
phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì thì cần phải có kích thước nhỏ
gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít. Phần mềm cho các nút mạng cảm biến
không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà cịn phải có khả năng chạy
trong một mơi trường hạn chế nghiệm ngặt về mặt tài nguyên.
1.1.6.2. Thách thức ở cấp độ mạng
Thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là
vấn đề quy mơ nhỏ của nguồn tài ngun sẵn có, trong khi những thách thức ở
cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng các đối tượng
thơng minh .
Mạng cảm biến khơng dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các
nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút. Trong nhiều
trường hợp, các nút mạng cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ
nhiều điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng riêng biệt bao gồm hàng ngàn các
nút cảm biến không dây.
Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến
cả hiệu năng mạng xét về số lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc
độ dữ liệu có thể được vận chuyển thành công qua mạng, và hơn hết là khoảng
thời gian tồn tại của mạng được đảm bảo. Trong mạng cảm biến khơng dây, việc
truyền thơng tin địi hỏi năng lượng. Các nút thực truyền thông tin nhiều sẽ mất
năng lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ. Vì vậy, giao
thức định tuyến phải chọn lựa thông tin một cách đầy đủ khi lập kế hoạch vận

chuyển bản tin qua mạng. Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn đầy đủ thông
tin định tuyến thì nó u cầu các thơng tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút
lân cận gần nhất. Thông tin này yêu cầu bộ nhớ. Tuy nhiên, như chúng ta đã biết,
mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa
chọn một cách kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận
cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

20

Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền không
đáng tin cậy, điều này càng làm cho vấn đề trở nên xấu hơn. Tính chất khơng
đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là “tổn hao”. Tổn hao nên
được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến khơng dây. Ngay cả
khi các nút mạng cảm biến sử dụng công nghệ thơng tin liên lạc khác ít có tổn
hao hơn thì cũng cần phải chuẩn bị cho tình huống xấu nhất để mạng có thể hoạt
động ổn định trong tất cả các trường hợp mạng có tổn hao và khơng có tổn hao.
Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là một
vấn đề vô cùng khó khăn. Với mạng cảm biến khơng dây quy mơ có thể lên tới
hàng ngàn nút lên việc quản lý mạng theo cách truyền thống không thể áp dụng
ngay được. Mạng khơng có thành phần quản lý tập trung mà nên tự tổ chức quản
lý chính nó.
1.1.6.3. Sự chuẩn hóa
Tiêu chuẩn là một yếu tố thành công then chốt đối với các mạng cảm biến
không dây. Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi số lượng lớn
các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn bởi một số lượng đáng kể các tiêu
chuẩn khác nhau, các nhà sản xuất và công ty khác nhau quan tâm đóng góp cho
cơng nghệ. Các cơng nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau.

Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức
khơng chỉ về mặt cơng nghệ mà cịn trong điều khoản của các tổ chức. Các mạng
cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ. Mỗi cấp độ
cơng nghệ lại có một thách thức kỹ thuật riêng nhưng quan trọng hơn đó là việc
chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bởi các nhóm khác nhau.
1.1.6.4. Khả năng cộng tác
Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung
cấp khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Khả năng cộng tác là điều cần thiết
giữa các nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở
hạ tầng mạng hiện có.
Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến khơng dây phải có khả năng cộng tác
ở nhiều mặt. Các nút mạng phải tương thích với nhau từ lớp vật lý cho đến lớp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

21

ứng dụng hoặc lớp tích hợp. Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị
từ các hăng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau. Ở cấp độ vật lý, các nút
mạng không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số vô tuyến để thực
hiện truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu được truyền. Ở cấp độ
mạng, các nút phải thống nhất về định dạng thông tin được gửi và nhận trên các
kênh vật lý cũng như các nút mạng được đánh địa chỉ như thế nào, các bản tin sẽ
được vận chuyển qua mạng bằng cách nào. Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp,
các nút mạng phải chia sẻ một quan điểm chung là cách thức để dữ liệu được gửi
vào hoặc lấy ra từ mạng các đối tượng thông minh, cũng như làm thế nào để nút
mạng có thể được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài.
Cũng như sự chuẩn hóa thì khả năng cộng tác đặt ra một số thách thức cho
mạng các đối tượng thông minh. Thứ nhất là kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối

tượng thông minh vẫn còn là một vấn đề mở. Trong cuốn sách này, chúng ta
chọn kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối tượng thông minh là kiến trúc IP. Thứ
hai là mặc dù một số tiêu chuẩn cho mạng các đối tượng thông minh vẫn đang
được phát triển nhưng các tiêu chuẩn đã tồn tại vẫn có thể được sử dụng lại.
1.1.7. Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.1.7.1. Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp.
Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng
rộng lớn để đưa ra các cảnh báo và hành động kịp thời.
Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để
kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây.
Trong lâm nghiệp, các sensor được triển khai trên các cánh rừng để cảnh
báo cháy rừng. Các nút sensor cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có
thể giám sát sự di chuyển cũng như thân nhiệt hay hành vi của chúng, góp phần
khơng nhỏ trong việc bảo vệ các loài động vật quý hiếm cũng như nghiên cứu tập
quán hoạt động của một số loài chim di trú.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

22

Hình 1.8: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp
1.1.7.2. Ứng dụng WSNs trong y tế
Các nút cảm biến có thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da để đo các
thông số của máu, nhịp tim,… Từ đó, hệ thống cảm biến sẽ xử lý và đưa ra
những cảnh báo và phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh
sẽ dễ dàng hơn. Trên thực tế, đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt
vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hồn tồn, nguồn ni của thiết bị
này đủ để hoạt động trong 24 giờ. Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên

trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật. Các bác sĩ
có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị.
1.1.7.3. Ứng dụng WSNs trong môi trường
Một số ứng dụng môi trường của mạng cảm biến không dây là dùng để 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,
phát hiện lũ lụt, cháy rừng, ơ nhiễm khí quyển... Đồng thời, hệ thống có thể
cảnh báo lũ lụt, thiên tai thơng qua các cảm biến đo thông số môi trường và
truyền về trung tâm khí tượng thủy văn để phân tích và đánh giá. Những hệ thống
cảnh báo lũ này đã và đang được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt
thành công trên thị trường Mỹ. Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có một số hệ thống
đo mực nước ở sông Hồng sử dụng mạng cảm biến khơng dây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

23

Hình 1.9: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trường
1.1.7.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông
Với phạm vi ứng dụng này, thì các cảm biến được gắn trên các phương tiện
giao thơng để chúng có thể xác định được vị trí của nhau, nhận biết được các
biển báo hay tắc đường, từ đó định tuyến nhằm giảm thiểu ách tắc, tai nạn giao
thông giúp cho việc điều khiển luồng tốt hơn. Hiện nay một số nước đã ứng dụng
hệ thống thu phí tự động sử dụng cảm biến khơng dây tại các trạm thu phí - làm
giảm bớt đáng kể thời gian và các thủ tục phiền hà trong thu phí giao thơng.

Hình 1.10: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông
1.1.7.5. Ứng dụng WSNs trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các

phòng để đo nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy... Điển hình ngày của ứng dụng loại
này là ngôi nhà thông minh (Smart Home). Smart Home kết nối sản phẩm điện tử
gia dụng thành mạng thiết bị và hoạt động theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

24

mơi trường sống tiện nghi, an tồn và tiết kiệm năng lượng. Chẳng hạn, khi có
người bước vào nhà, hệ thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị cảm biến hồng ngoại.
Đèn chiếu sáng cịn có thể điều chỉnh ánh sáng, màu sắc... theo sở thích của chủ
nhân. Khi thiết bị chiếu phim hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm độ sáng, rèm
cửa cũng tự động khép lại để tạo khơng khí của một phịng chiếu phim. Tùy theo
nhu cầu, người sử dụng có thể cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản
bất kỳ như lập trình hẹn giờ tắt đèn khi đi ngủ, đổ thức ăn vào bể cá khi vắng
nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas..., khi tới cơng sở, họ có thể gửi tin nhắn qua
điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa.

Hình 1.11: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong dân dụng
1.2. Ƣớc lƣợng chất lƣợng tuyến
1.2.1. Giới thiệu
Như chúng ta đã biết, mạng cảm biến không dây là lĩnh vực nhận được rất
nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. WSN được ứng dụng chủ yếu trong quá
trình thu thập dữ liệu của hệ thống. Quá trình thu thập dữ liệu khó có thể áp dụng
trong mạng cảm biến truyền thống, bởi việc điều khiển mạng cảm biến truyền
thống rất khó khăn và chi phí cao. Vì vậy, mạng cảm biến khơng dây ra đời với
những ưu điểm như là: chi phí thấp, tiêu tốn ít năng lượng, kích thước nút cảm
biến nhỏ và có thể truyền thông vô tuyến qua những khoảng cách ngắn.
Tuy nhiên, liên kết vô tuyến trong mạng WSN lại là liên kết khơng tin cậy,

có tính bất đối xứng, thường thay đổi theo thời gian và không gian. Chất lượng
của liên kết vô tuyến ảnh hưởng rất nhiều tới hiệu suất của mạng vì ảnh hưởng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

25

tới quá trình định tuyến trong mạng WSNs, cũng như cấu trúc mạng do sự thay
đổi về hình trạng của mạng.
Bởi vậy, để đảm bảo độ tin cậy cho quá trình truyền thơng khơng dây trong
mạng WSNs thì chúng ta cần phải đảm bảo xác định được rằng chất lượng tuyến
truyền đó là đáng tin cậy thơng qua các kỹ thuật đánh giá được chất lượng tuyến,
hay ước lượng được chất lượng tuyến trước khi thực hiện truyền thông.
1.2.2. Một số thông số đánh giá kỹ thuật ƣớc lƣợng chất lƣợng tuyến
Có rất nhiều thơng số có thể được chọn làm chỉ tiêu để đánh giá hiệu năng của
kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến. Do đó, tùy thuộc vào những yêu cầu của các
ứng dụng cụ thể mà một hoặc tất cả những thông số dưới đây được sử dụng.
 Tỷ lệ nhận gói (Packet delivery ratio - PDR): là tỷ lệ các gói tin truyền
thành cơng về sink, đánh giá độ tin cậy của mạng. Giá trị PDR càng cao,
mạng càng đáng tin cậy.
 PDR: Được tính bằng tổng số gói nhận được tại sink / tổng số gói phát đi
tại các nút nguồn.
 Path length: Số chặng (hops) trung bình mà gói tin phải đi qua để tới sink.
Thông số này thể hiện chiều sâu của một nút trong định tuyến trong mạng.
Path length đánh giá độ trễ của gói tin và hiệu suất sử dụng năng lượng
trong mạng.
 Path quality: Thông số đánh giá chất lượng của quãng đường từ nút tới
sink, được tính bằng tích của các link quality từng tuyến trên đường từ nút
tới sink, với link quality từng tuyến tính bằng tỷ lệ gửi gói tin thành cơng

trên tuyến đó.
 Chi phí gửi tin (Packet delivery cost - PDC): Thông số thể hiện mức độ
tiêu thụ năng lượng đã sử dụng trong mạng. Chi phí gửi gói được xác định
bằng tổng số gói tin gửi đi được truyền đi trên toàn mạng trên các bản tin
dữ liệu được nhận tại sink.Với tất cả các gói tin được gửi đi trên các nút
gồm các gói bản tin dữ liệu (data msg), các gói thăm dị (beacon packet),
các gói thơng báo (announcement packet), các gói xác nhận (ACK) và các
gói tin được gửi lại (retransmitted packet).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>