Định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến không dây WSN

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
KHOA VIỄN THƠNG I
==========

Đề tài

NCKHSV:
ĐỊNH

TUYẾN PHÂN CẤP TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
Sinh viên:
Nguyễn Hồng Sơn – D07VT3 (chủ trì)
Nguyễn Đình Quang – D07VT3
Lê Minh Ngọc
– D08VT3
Vũ Mạnh Thắng
– D08VT3
GVHD: ThS. Nguyễn Thị Thu Hằng
Bộ môn: Mạng Viễn Thông

Hà Nội,
T11/2010


Định tuyến phân cấp trong
WSN

MC LC

03-SV-2010-RD-VT

2


Định tuyến phân cấp trong
WSN

DANH MC HèNH

03-SV-2010-RD-VT

3


Định tuyến phân cấp trong
WSN

THUT NG VIT TT
T vit tt
CDMA
CSMA
DS-SS
GAF
GEAR
IEEE
ISM
LEACH
LEACH-C
LEACH-F
MAC

PAN
PEGASIS
QoS
SAR
SMP
SPIN
SPIN-BC

Ting Anh

Tiếng Việt

Code Division Multiple Access
Carrier Sense Multiple Access
Direct Sequence - Spread Spectrum
Geographic Adaptive Fidelity
Geographic and Energy-Aware
Routing
Institute of Electrical and Electronic
Engineers
Industrial, scientific, and medical
Low-Energy Adaptive Clustering
Hierarchy
Low-Energy Adaptive Clustering
Hierarchy-Centralized
Low-Energy Adaptive Clustering
Hierarchy-Fixed
Media Access Control
Personal Area Network
Power-efficient Gathering in Sensor

Information System
Quality of Service
Sensor Aggregates Routing
Sensor Management Protocol
Sensor Protocols for Information via
Negotiation
Sensor Protocols for Information via
Negotiation - Broadcast media

Đa truy nhập phân chia theo mã
Đa truy nhập cảm nhận theo sóng mang
Trải phổ chuỗi trực tiếp
Chính xác tương thích địa lý
Định tuyến dựa theo sự nhận biết về địa
lý và năng lượng

SPIN-EC

SPIN-PP with a low energy
threshold

SPIN-PP

Sensor Protocols for Information via
Negotiation – Point to Point

SPIN-RL

SPIN-BC for lossy networks

TDMA
UWB
WPAN
WSN

Task Assignment and Data
Advertisement Protocol
Ultra-Wideband
Wireless Personal Area Network
Wireless Sensor Network

03-SV-2010-RD-VT

Viện kỹ thuật điện và điện tử
Công nghiệp, khoa học, y tế
Phân nhóm phân bậc tương thích năng
lượng thấp
Phân nhóm phân bậc tương thích năng
lượng thấp - tập trung
Phân nhóm phân bậc tương thích năng
lượng thấp - Cố định
Điều khiển truy nhập môi trường
Mạng vùng cá nhân
Tập trung hiệu suất năng lượng trong
hệ thống thông tin cảm biến
Chất lượng dịch vụ
Giao thức cảm biến kết hợp
Giao thức quản lý cảm biến
Giao thức thông tin cảm biến thông qua
sự đàm phán

Giao thức thông tin cảm biến thông qua
sự đàm phán – môi trường quảng bá
Giao thức thông tin cảm biến thông qua
sự đàm phán – điểm điểm với mức
ngưỡng năng lượng thấp
Giao thức thông tin cảm biến thông qua
sự đàm phán – điểm điểm
Giao thức thông tin cảm biến thông qua
sự đàm phán – môi trường quảng bá
cho mạng suy hao
Đa truy nhập và phân chia theo thời
gian
Băng siêu rộng
Mạng vô tuyến cá nhân
Mạng cảm biến không dây

4


Định tuyến phân cấp trong
WSN

LI NểI U
Ngy nay xó hi phát triển mạnh mẽ nên song song với đó là nhu cầu trao đổi thơng tin,
giải trí, tự động hóa… không ngừng tăng lên. Những hệ thống dây cáp phức tạp lại không
thể đáp ứng đầy đủ ở những khu vực xa xôi chật hẹp, và nhu cầu “mọi lúc mọi nơi” của
người sử dụng. Do đó nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học kỹ thuật và công
nghệ, sự phát triển của mạng cảm biến không dây WSN được tạo nên từ những cảm biến giá
thành rẻ, đa chức năng và tiêu thụ ít năng lượng đã nhận được những sự chú ý đáng kể.
Bên cạnh những ưu thế có được, mạng WSN đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức,

một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp
lại. Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng
hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong đó đáng chú
ý nhất là phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phân cấp để tìm đường đi giữa các
node mạng qua đó kéo dài đáng kể thời gian sống của mạng WSN. Việc nghiên cứu này sẽ
góp phần từng bước làm rõ hoạt động của giao thức định tuyến phân cấp đồng thời hướng
tới cải thiện phương pháp định tuyến trong WSN đáp ứng nhu cầu ứng dụng của mạng thực
tế.
Trước thực tế đó, được sự định hướng và chỉ dẫn của ThS. Nguyễn Thị Thu Hằng, nhóm
sinh viên chúng em đã chọn tên đề tài “Định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến khơng
dây WSN”. Đề tài được trình bày trong 4 chương:
 Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến.
 Chương II: Định tuyến trong mạng cảm biến.
 Chương III: Giao thức định tuyến phân cấp LEACH và PEGASIS.
 Chương IV: Mô phỏng hoạt động định tuyến trong mạng WSN.
Chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn tới các thầy cơ giáo trong khoa Viễn Thông 1, đặc biệt
tới ThS. Nguyễn Thị Thu Hằng và ThS. Nguyễn Ngọc Điệp, các thầy cơ đã tận tình chỉ bảo
và cho chúng em những lời khuyên quan trọng trong suốt quá trình chúng em nghiên cứu đề
tài này.
Do kiến thức và khả năng của chúng em cịn hạn chế nên đề tài này khơng tránh khỏi
thiếu sót, chúng em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cơ, các bạn sinh viên để nội
dung của đề tài được hoàn thiện hơn nữa.
Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2010
03-SV-2010-RD-VT

5


Định tuyến phân cấp trong
WSN Nhúm sinh viờn

03-SV-2010-RD-VT

6


Định tuyến phân cấp trong
WSN

Chng I: TNG QUAN V MNG CẢM BIẾN
1.1. Khái niệm mạng cảm biến
1.1.1. Định nghĩa
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một cấu trúc mạng được
tạo ra bởi sự liên kết của các node cảm biến với nhau trên một hệ thống kiến trúc mạng
khơng dây linh hoạt, trong đó các node thường là các thiết bị đơn giản và nhỏ gọn, giá
thành rẻ… tạo nên sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành
phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích, phản ứng lại với các sự kiện, hiện
tượng xảy ra trong môi trường xung quanh.

1.1.2.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến
Một mạng cảm biến cơ bản bao gồm 4 phần:
 Các cảm biến được phân bố theo mơ hình tập trung hay phân bố rải rác.
 Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (hữu tuyến hay vô tuyến).
 Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)
 Bộ phận xử lí dữ liệu trung tâm

Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến thơng thường

1.1.3. Đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến
Một node trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến

(Sensor) hoặc điều khiển (MCU - Micro Controller Unit) và phần giao tiếp vô tuyến
03-SV-2010-RD-VT

7


Định tuyến phân cấp trong
WSN
(RF transceiver). Do s lng node trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo
trì, nên u cầu thơng thường đối với 1 node mạng là giá thành thấp (10 – 50 USD) và
kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài đến vài chục cm 2).
Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp, giá thành 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.
Một trong những ưu điểm lớn của WNS là chi phí triển khai và lắp đặt được giảm
thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng. Mạng có thể được mở rộng
theo ý muốn và tùy theo mục đích sử dụng mà có thể thiết kế các nút mạng sao cho
phù hợp. Các nút cảm nhận có bộ vi xử lý bên trong thay vì gửi dữ liệu thơ tới nút đích
có thể xử lý đơn giản và gửi dữ liệu đã được xử lý theo yêu cầu.
Các nút mạng có thể hoạt động trong các điều kiện mơi trường khắc nghiệt chính
vì vậy ngày nay WSN đã trở thành một giải pháp hấp dẫn vì mang đến sự tiện lợi về
nhiều phương diện và đặc điểm trong nhiều trường hợp kể cả việc làm giảm sự nguy
hiểm cho con người trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt. Một hệ thống
WSN hồn thiện có khả năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn của môi trường
hoặc định vị sự di chuyển của các đối tượng trong phạm vi của nó.

1.1.4. Một số chuẩn mạng cảm biến
Do phạm vi ứng dụng cua WSN rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ
thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các phịng thí nghiệm vẫn
thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù

hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên
thị trường. Một số chuẩn WSN được biết đến là:
 ALOHA system (U. of Hawaii)
 PRNET system (U.S. Defense)
 WINS (U. of California)
 PicoRadio (U. of California)
 MicroAMPS (M.I.T)
 MANET (Mobile ad-hoc Network)
 Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4

1.2. Mơ hình giao thức mạng
Mơ hình giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải,
lớp ứng dụng và khi chia theo mặt phẳng quản lý thì bao gồm phần quản lý năng
lượng, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ. Mơ hình giao thức mà nút chủ
và các nút cảm biến sử dụng được trình bày như trong hình 1.2:
03-SV-2010-RD-VT

8


Định tuyến phân cấp trong
WSN

qun lý nhim v
qun lý di động
quản lý năng lượng

Lớp ứng dụng
Lớp truyền tải
Lớp mạng

Lớp liên kết dữ liệu
Lớp vật lý

Hình 1.2: Mơ hình giao thức của mạng cảm biến
03-SV-2010-RD-VT

9


Định tuyến phân cấp trong
WSN
1.2.1. Theo mụ hỡnh OSI
- Lp ứng dụng: Tùy từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng
dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng
có một số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng sensor (SMP), giao thức
quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP), giao thức phân phối
dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP).
- Lớp truyền tải: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu khi ứng dụng mạng cảm
biến yêu cầu. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm
vụ) có thể là giao thức UDP hay TCP thơng qua internet hoặc vệ tinh. Cịn giao tiếp
giữa sink và các nút cảm biến yêu cầu các giao thức kiểu UDP do các nút cảm biến
hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ cơng suất,
tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu .
- Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu cung cấp bởi lớp truyền
tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến ẩn chứa rất nhiều thách thức như mật
độ các nút dày đặc, năng lượng hạn chế… Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm
biến phải tuân thủ các nguyên tắc sau:
 Tính hiệu quả về năng lượng phải được đặt lên hàng đầu.
 Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí.
Nhìn chung, lớp mạng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng: định tuyến
ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Về mặt hoạt động, chúng
được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy
vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyến theo chất lượng dịch vụ
(QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based).
- Lớp liên kết dữ liệu: chịu trách nhiệm ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu,
điều khiển lỗi và truy nhập mơi trường. Nó đảm bảo giao tiếp điểm - điểm, điểm - đa
điểm tin cậy. Mơi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động nên 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.
- Lớp vật lý: chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập
mã và tách sóng.
Bên cạnh đó, các phần quản lý công suất, quản lý di chuyển và quản lý nhiệm vụ sẽ
giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm
biến. Những phần này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ
công suất tổng thể thấp hơn.
03-SV-2010-RD-VT

10


Định tuyến phân cấp trong
WSN
1.2.1. Theo mt phng qun lý
-Phn quản lý năng lượng: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví
dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân
cận tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Tương tự, khi mức công suất của nút cảm biến
thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thơng báo nó có mức cơng suất
thấp và khơng thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Cơng suất cịn lại sẽ được

dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
- Phần quản lý di động: phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để
duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút cảm
biến lân cận. Nhờ đó, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa cơng suất của nó và
nhiệm vụ thực hiện.
- Phần quản lý nhiệm vụ: cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong
một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đều phải thực
hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm nên một số nút cảm biến thực hiện
nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức cơng suất của nó.
Những phần quản lý này cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau sử
dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân
chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

1.3. Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến
1.3.1. Cấu trúc phẳng (flat architecture)
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất cả các nút đều ngang hàng và
đồng nhất về mặt hình dạng và chức năng. Chúng giao tiếp với sink qua multihop sử
dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng.

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng

03-SV-2010-RD-VT

11


Định tuyến phân cấp trong
WSN
Vi phm vi truyn c nh, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp
sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết tất cả các nguồn đều sử dụng cùng một

tần số để truyền dữ liệu, do đó chia sẻ thời gian là có thể. Mặc dầu vậy, hiệu quả chỉ
đạt được khi có nguồn chia sẻ đơn lẻ như thời gian, tần số…

1.3.2. Cấu trúc tầng (tiered architecture)
Đối với cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), các cụm được tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào
kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ cụm (cluster head).
Trong cấu trúc này, các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc, mỗi nút ở một mức xác
định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.4: Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính tốn và phân phối dữ liệu khơng
đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực
hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa tính tốn, cịn cấp cao nhất cùng phân phối dữ
liệu (hình 1.5)

03-SV-2010-RD-VT

12


Định tuyến phân cấp trong
WSN
Hỡnh 1.5: Cu trỳc mng phõn cấp chức năng theo lớp

Nói cách khác, những nhiệm vụ xác định có thể được chia khơng đồng đều giữa các
lớp, mỗi lớp có thể đảm nhận một nhiệm vụ xác định trong tính tốn. Khi đó, các
sensor ở cấp thấp nhất có vai trị là một bộ lọc thơng dải đơn giản, tách nhiễu khỏi dữ
liệu, đồng thời các nút ở cấp cao hơn ngừng lọc dữ liệu này. Sự phân tích chức năng

của các mạng cảm biến phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các nút, còn gọi là sự phân
biệt theo logic. Ví dụ, một tập hợp con các nút với khả năng truyền thông ở phạm vi
rộng có thể tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.6).

Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân lớp xếp tầng

Như vậy, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic
bởi chúng đại diện thực hiện một nhiệm vụ cho các nút khác. Những chức năng như
vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xương sống, hoặc kết
hợp định tuyến giữa các nút. Những qui tắc logic này tạo nên mạng phân cấp logic
(hình 1.7). và có thể thay phiên nhau định kì để đảm bảo sự công bằng.

03-SV-2010-RD-VT

13


Định tuyến phân cấp trong
WSN

Hỡnh 1.7: Cu trỳc mng phõn cấp logic

Khi các nút có khả năng tính tốn cao hơn hoạt động, các nhiệm vụ tính tốn sẽ
được chuyển sang các nút này từ các nút ít khả năng hơn. Nếu khơng có “computer
servers” như vậy, một cụm các sensor cần chọn ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ
như tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có nút có tài nguyên vật
lý thích hợp thích hợp cho việc thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Một nút với hệ thống
định vị toàn cầu (global positioning system - GPS) đóng vai trị chủ chốt trong việc
định vị hoặc đồng bộ thời gian là một ví dụ. Do vậy, rất nhiều các mạng cảm biến hiện
nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp là điều tất yếu.

Qua những phân tích trên ta thấy mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt
động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng do:
- Tuổi thọ cao hơn mạng phẳng: trong trường hợp phải tính tốn nhiều, một bộ xử lý
nhanh, các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng sẽ
hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính tốn. Tuy nhiên, với các
nhiệm vụ cảm nhận trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp
với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.
- Độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu cầu,
thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng, qua

phân tích, thơng lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là
là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ.
03-SV-2010-RD-VT

 W




 n 

, trong đó W

14


Định tuyến phân cấp trong
WSN
- Tớnh kinh t ca cu trúc tầng: định vị các tài nguyên ở vị trí hoạt động hiệu quả
nhất. Quả thực, nếu triển khai các phần cứng thống nhất, chỉ cần một lượng tài nguyên

tối thiểu để mỗi nút thực hiện tất cả nhiệm vụ. Do số lượng các nút cần thiết phụ thuộc
vào vùng phủ sóng xác định, nên chi phí tồn mạng sẽ khơng cao. Thay vào đó, nếu
một số lượng lớn các nút với chi phí thấp thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng
nhỏ hơn các nút với chi phí cao hơn được chỉ định phân tích dữ liệu, định vị và đồng
bộ thời gian, chi phí tồn mạng sẽ giảm.
Tóm lại, dùng cấu trúc tầng đem lại sự tương thích giữa các chức năng trong mạng.

1.4. Các kĩ thuật truyền dẫn sử dụng trong mạng cảm biến
1.4.1. Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện điện tử giao tiếp với
nhau trong khoảng cách ngắn bằng song vô tuyến thông qua băng tần chung ISM
(Industrial Scientific Medical) trong dải tần 2,4 – 2,8 GHz dành riêng cho các thiết bị
không dây trong công nghiệp, khoa học, y tế.
Đặc điểm của Bluetooth là công suất tiêu thụ thấp, giá thành rẻ . Bluetooth dùng kỹ
thuật trải phổ, song cơng hồn tồn . Khi kết nối điểm điểm .cho phép cùng lúc kết nối
với 7 thiết bị đồng thời trong đó Bluetooth đóng vai trị như “master” cịn các thiết bị
khác đóng vai trị “slave”.
Bluetooth có thể giúp các thiết bị giao tiếp được với nhau ngay cả khi chúng khơng
được để chung trong một phịng chỉ cần chúng được để trong khoảng cách tối đa là
100m, và tùy thuộc vào mức năng lượng của thiết bị đó. Các thiết bị có thể kết nối với
nhau nằm trong 3 mức năng lượng:
• Mức 3 (1 mW): phổ biến nhất cho phép kết nối trong phạm vi 10m
• Mức 2 (2,5 mW): ít thấy nhất, cho phép kết nối trong phạm vi 20m
• Mức 3 (100 mW): là mức có phạm vi kết nối xa nhất, tối đa là 100m
Tuy nhiên Bluetooth cũng có những nhược điểm nhất đinh như tốc độ truyền tin
thấp (khoảng 720kbps).

1.4.2. WLAN
Là mạng LAN khơng dây với đặc điểm nổi bật là tính linh động, tốc độ cao hơn và
cung cấp cho số lượng người dùng với mật độ cao. Chuẩn IEEE802.11g và 802.11n là

cần thiết cho ứng dụng băng thông rộng và mật độ cao. Chuẩn IEEE802.11e là công
nghệ cung cấp chất lượng dịch vụ cao qua giao tiếp không dây. Chuẩn IEEE802.11i
đáp ứng tốt yêu cầu bảo mật thông tin.
03-SV-2010-RD-VT

15


Định tuyến phân cấp trong
WSN
Tuy vy WLAN cng mang mt số đặc điểm hạn chế như môi trường kết nối khơng
dây là khơng khí nên khả năng bị tấn cơng của người dùng là khá cao, tín hiệu bị nhiễu
do tác động của các thiết bị khác. Bên cạnh đó, một mạng chuẩn với các thiết bị chuẩn
chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét, nếu muốn mở rộng thì phải mua
thêm repeater hay access point dẫn đến chi phí tăng.

1.4.3. Zigbee
Zigbee là một cơng nghệ được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE, đáp ứng cho sự
phát triển rộng khắp của mạng WSN.Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 cung cấp chuẩn tốc
độ dữ liệu thấp với thời gian sử dụng pin nhiều tháng tới nhiều năm và ít phức tạp.
Zigbee mang một số đặc điểm sau:
• Tốc độ truyền dữ liệu thấp
• Phạm vi hoạt động tốt của Zigbee là 10m – 75m.
• Sử dụng cấu hình chủ tớ cho phép kết nối tối đa 254 node mạng.
• Node mạng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các gói
tin trong khoảng 15ms.

1.5. Ứng dụng
WSN có rất nhiều ứng dụng trong thực tế:
- Quân sự : theo dõi, định vị các mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công nguyên

tử, sinh hóa, ….

Hình 1.8: Ứng dụng trong qn sự

- Y tế : giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển các trang thiết
bị từ xa
- Gia đình : thiết kế ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, thiết bị sưởi ấm,
giám sát an ninh

03-SV-2010-RD-VT

16


Định tuyến phân cấp trong
WSN

Hỡnh 1.9: Ngụi nh thụng minh sử dụng cảm biến

- Môi trường : giám sát cháy rừng, thiên tai và các biến đổi khí hậu
- Thương mại : điều khiển trong môi trường công nghiệp và văn phịng, giám sát các
phương tiện giao thơng.
- Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn.

Hình 1.10: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

1.6. Khả năng mở rộng và phát triển
Tiếm năng của WSN là rất lớn nhưng những ứng dụng thực tế của nó thì chưa được
khai thác triệt để. Một hệ thống mạng giao tiếp thông minh, tiện dụng, tiết kiệm năng
lượng cùng với những ích lợi mà WSN đem lại sẽ khiến WSN trở nên phổ biến và là

03-SV-2010-RD-VT

17


Định tuyến phân cấp trong
WSN
mi quan tõm ln ca con người trong thế kỷ 21. Khả năng mở rộng của mạng cảm
biến không dây phụ thuộc vào sự khắc phục các nhược điểm của chính nó.
Nhược điểm đầu tiên đó là năng lượng, vì các node sensor có kích thước nhỏ, nên
nguồn của nó cũng ít, nếu như chúng ta có thể nạp lại năng lượng cho các sensor thì
thời gian hoạt động và công suất phát của các node sẽ tăng lên.
Nhược điểm thứ hai là dải thông bị giới hạn do nguồn cung cấp cho việc phát tín
hiệu bị hạn chế, hiện nay việc truyền dữ liệu giữa các node là khoảng 10-100Kbits/s.
Do sự giới hạn băng thông gây nên sự khó khăn trong giao tiếp giữa các sensor, ảnh
hướng đến việc đồng bộ hóa.
Hạn chế tiếp theo là về vi xử lý và bộ nhớ của các sensor. Tốc độ thấp gây nên khó
khăn về việc xử lý thơng tin. Bộ nhớ ít gây nên khó khăn trong việc lưu trữ và tổng
hợp dữ liệu. Giải quyết được vấn đề này mà khơng làm tăng kích cỡ cũng như thời
gian sống của các sensor thì việc mở rộng ứng dụng của mạng cảm biến không dây sẽ
không còn là tương lai xa.

1.7. Kết luận
Khả năng ứng dụng của WSN là gần như vô hạn nhưng những ứng dụng thiết thực
của nó lại chưa được khai thác triệt để. Một hệ thống mạng giao tiếp thông minh, tiết
kiệm năng lượng cùng với khả năng áp dụng thực tế cao sẽ là một ưu thế tốt để WSN
có thể phổ biến rộng khắp với giá thành rẻ - một chuẩn cho tương lai.

03-SV-2010-RD-VT

18


Định tuyến phân cấp trong
WSN

Chng II: NH TUYN TRONG MNG CẢM BIẾN
2.1. Thách thức trong vấn đề định tuyến
Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng adhoc có
dây và khơng dây nhưng chúng cũng biểu lộ một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho
chúng tồn tại thành mạng riêng. Chính những đặc tính này làm cho tập trung mũi nhọn
vào yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức
định tuyến trong các mạng adhoc có dây và khơng dây. Việc nhằm vào đặc tính này đã
đưa ra một tập các thách thức lớn và riêng đối với WSN.
Chính vì những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuyến trong
mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức sau:
 Mạng cảm biến có một số lượng lớn các nút, cho nên ta không thể xây dựng
được sơ đồ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai số lượng lớn các nút đó vì lượng
mào đầu để duy trì ID quá cao.
 Dữ liệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và
truyền đến sink.
 Các nút cảm biến bị ràng buộc khá chặt chẽ về mặt năng lượng, tốc độ xử lý, lưu
trữ.
 Hầu hết trong các ứng dụng mạng cảm biến các nút nói chung là tĩnh sau khi
được triển khai ngoại trừ một vài nút có thể di động.
 Mạng cảm biến là những ứng dụng riêng biệt.
 Việc nhận biết vị trí là vấn đề rất quan trọng vì việc tập hợp dữ liệu thơng
thường dựa trên vị trí.
 Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao vì các nút cảm biến thu lượm dữ liệu dựa trên
hiện tượng chung.

Mục đích chính của mạng cảm biến là truyền thơng dữ liệu trong mạng trong khi cố
gắng kéo dài thời gian sống của mạng và ngăn chặn việc giảm các kết nối bằng cách
đưa ra những kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt. Trong khi thiết kế các giao thức
định tuyến, chúng ta thường gặp phải các vấn đề sau:
 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng
 Ràng buộc về tài nguyên
 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến
 Cách truyền dữ liệu

03-SV-2010-RD-VT

19


Định tuyến phân cấp trong
WSN

2.2. Cỏc giao thc nh tuyn
2.2.1. Định tuyến truyền trực tiếp
Truyền tin trực tiếp là một giao thức định tuyến dữ liệu ở trung tâm mạng WSN.
Chức năng chính của giao thức là tiết kiệm năng lượng cho mạng bằng cách tạo ra sự
tương tác giữa các node qua sự trao đổi thông điệp trong phạm vi lân cận.
Thành phần chính của giao thức này là gồm các thông điệp interests, data messages,
gradients và reinforcements. Khi một node nào đó cần giữ liệu, nó sẽ phát quảng bá
theo chu kỳ gói interests đến các node xung quanh để xác định xem có node nào có dữ
liệu mà nó đang cần khơng. Hình 2.1 miêu tả q trình truyền thơng điệp interest.

Hình 2.1: Truyền thơng điệp Interest.

Sau khi truyền thơng điệp interest, trong mạng hình thành việc xây dựng gradient

(có thể xem như hướng và tốc độ truyền) tại các node mạng hình thành liên kết giữa
trạm gốc và các node có dữ liệu. Trong q trình cài đặt gradient trạm gốc sẽ tạo ra
nhiều tuyến. Đường có chất lượng tốt nhất sẽ được giữ lại trong khi các đường có năng
lượng thấp hơn sẽ bị loại bỏ. Hình 2.2 mơ tả q trình pha cài đặt gradient.

03-SV-2010-RD-VT

20


Định tuyến phân cấp trong
WSN

Hỡnh 2.2: Pha ci t Gradient

Sau khi thiết lập được đường truyền, quá trình truyền dữ liệu bắt đầu. Trong suốt
quá trình truyền dữ liệu, nếu đường truyền bị hỏng hoặc năng lượng của mạng không
đáp ứng được u cầu thì một đường truyền khác có năng lượng thấp hơn sẽ được sử
dụng. Hình 2.3 mơ tả đường truyền dữ liệu được chọn có năng lượng cao nhất.

Hình 2.3: Đường truyền dữ liệu được chọn có năng lượng cao nhất

Kỹ thuật truyền tin trực tiếp có hiệu suất sử dụng năng lượng cao, ổn định với mơi
trường có đặc tính động.
03-SV-2010-RD-VT

21


Định tuyến phân cấp trong

WSN
2.2.2. nh tuyn thụng qua s thỏa thuận
Đối tượng chính của định tuyến này là tính hiệu quả của việc phát thông tin từ một
node nào đó đến tất cả các node trong mạng. Các giao thức đơn giản nhất là flooding
và gossiping. Flooding yêu cầu mỗi node gửi một bản sao dữ liệu cho tất cả các node
lân cận cho tới khi dữ liệu được truyền tới đích. Gossiping dùng tính ngẫu nhiên để
giảm số bản sao và yêu cầu chỉ một node nhận được một gói dữ liệu và sau đó chuyển
tiếp tới các node đã được chọn trước.
Sự đơn giản của flooding và gossiping do quy luật hoạt động đơn giản và không địi
hỏi cấu hình mạng phức tạp. Tuy nhiên, do các node được chọn trước nên có thể
đường truyền dữ liệu khơng phải là đường có năng lượng cao nhất dẫn đến việc gây
lãng phí tài nguyên mạng. Đặc điểm của giao thức này là các node cùng gửi bản sao
dữ liệu gây ra bùng nổ các gói, sự trễ gói là giảm chất lượng của mạng.
Các gói sau khi nhận được gói quảng cáo, nếu muốn nhận gói dữ liệu phải gửi một
gói yêu cầu cho các node nguồn. Do đó các node chỉ gửi dữ liệu cho các các node
quan tâm, hạn chế khả năng bị bùng nổ gói như trong flooding và giảm đáng kể lưu
lượng dư thừa trong mạng. Đây là đặc điểm của giao thức SPIN nhằm giải quyết hạn
chế của giao thức truyền thống. Trong giao thức này, mỗi node mạng có thể theo dõi
sự tiêu thụ năng lượng trước khi phát hay xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng xuống
thấp, node sẽ ngừng gửi dữ liệu, việc truyền dữ liệu sẽ do một node khác có năng
lượng cao hơn đảm nhiệm do đó SPIN giúp kéo dài thời gian sống của các node.

2.2.3. Định tuyến theo vị trí
Mục tiêu của giao thức này là dùng thơng tin về vị trí để tìm ra tuyến liên lạc
hiệu quả nhất từ nguồn tới đích. Trong giao thức này, một gói dữ liệu từ node nguồn sẽ
được gửi tới các node trong phạm vi lân cận đã được khoanh vùng trước. Vùng giới
hạn này sẽ do node nguồn quyết định hoặc cũng có thể do các node trung gian đảm
nhiệm để tránh việc gói dữ liệu bị gửi lòng vòng trong mạng. Đặc điểm nổi bật của
giao thức này là mỗi node chỉ cần biết thông tin về node lân cân trực tiếp của nó do đó
giao thức này giảm đáng kể overhead và năng lượng tiêu thụ do quá trình truyền chỉ

qua một chặng. Vì vậy giao thức này phù hợp với cấu hình mạng có năng lượng thấp.
Tuy nhiên hiệu quả truyền tin cịn phụ thuộc vào mật độ mạng, vị trí xác suất của các
node và quan trọng hơn là quy ước truyền gói tới đích.
Phần quan trọng của giao thức này là quy ước truyền gói tới đích cuối cùng.
Trong q trình truyền tin, mỗi node sẽ quyết định bước tiếp theo dựa vào vì trí của
nó, vị trí của các node lân cận và node đích. Do chất lượng của việc truyền tin phụ
thuộc vào sự hiểu biết của node đó về cấu hình tồn mạng, điểu này khơng phù hợp
03-SV-2010-RD-VT

22


Định tuyến phân cấp trong
WSN
trong mng WSN do nng lng trong mạng là hạn chế. Để giải quyết vấn đề này một
số các giải pháp đã được đưa ra. Dưới đây là một ví dụ cụ thể.
Xét mơ hình như trên hình 2.4, node hiện tại có dữ liệu cần truyền là MH. Quá
trình chọn lựa các node trung gian tiếp theo trên nguyên tắc node gần node đích hơn
MH sẽ được chọn.
Chiến thuật most – forward - within – R (MFR) sẽ chọn node nằm xa MH nhất
trong số các node nằm trong vùng được định sẵn. Theo đó, bước kế tiếp được chọn bởi
MH để chuyển tiếp dữ liệu là MFR.
Một chiến thuật khác là nearest – forward – progress, lựa chọn node gần MH
nhất. Do đó node NFP sẽ được chọn.
Mơ hình compassing routing chọn node có góc nhỏ nhất được tạo bởi đường nối
từ MH tới đích và từ MH tới node được chọn.Do đó CMP sẽ là node được chọn.
Mơ hình low – energy forward chọn node tối thiểu năng lượng được yêu cầu
.Node LEF sẽ được chọn.

Hình 2.4: Các chiến lược chuyển tiếp gói.

Mặc dù đơn giản, nhưng khơng phải lúc nào cũng tìm được tuyến hay định tuyến
hiệu quả. Mơ hình ở hình 2.5 cho thấy rõ hơn về trường hợp này. Node cần chuyển gói
dữ liệu cho D, nhưng trong mơ hình thì khoảng cách từ S2 và S3 tới D đều xa hơn so
với khoảng cách từ S1 tới D.

03-SV-2010-RD-VT

23


Định tuyến phân cấp trong
WSN

Hỡnh 2.5: Gii thut nh tuyn khơng hiệu quả

Định tuyến theo vị trí phù hợp với mạng WSN vì u cầu ít thơng tin cho điều khiển
và tương tác, tuy nhiên các liên kết bất đối xứng và các đường giao nhau làm tăng độ
phức tạp của giao thức.

2.2.4. Định tuyến phân cấp.
Định tuyến phân cấp là loại định tuyến dự trên sự phân cấp theo cụm hoặc theo
chuỗi, lợi dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định, sự
mở rộng. Trong loại giao thức này các nút mạng được chỉ định hoặc tự tổ chức thành
các cụm (hoặc chuỗi) trong đó một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác sẽ
đóng vai trị là nút chủ. Nút chủ thực hiện phối hợp hoạt động trong cụm và chuyển
tiếp thông tin giữa các cụm (hoặc chuỗi) với nhau. Việc tạo thành các cụm (hoặc
chuỗi) có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và mở rộng thời gian sống của mạng.
Định tuyến phân cấp gồm 2 thuật toán tiêu biểu là : LEACH và PEGASIS. Cụ thể
về 2 thuật toán này sẽ được đề cập rõ hơn trong chương III.

03-SV-2010-RD-VT

24


Định tuyến phân cấp trong
WSN

Chng III: GIAO THC NH TUYN PHÂN CẤP
LEACH VÀ PEGASIS
3.1. LEACH
3.1.1. Tổng quan về LEACH:
LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là giao thức phân cấp theo
cụm thích ứng năng lượng thấp dùng trong mạng cảm biến WSN. Đây là giao thức thu
thập và phân phát dữ liệu tới các sink, đặc biệt là các trạm cơ sở. Với mục tiêu chính
của LEACH là:
 Kéo dài thời gian sống của mạng
 Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng
 Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm số bản tin truyền trong mạng

3.1.2. Hoạt động của LEACH:
Hoạt động của LEACH được chia thành các vòng (round), mỗi vòng được bắt đầu
với pha thiết lập (set-up phase), khi các cluster tự thiết lập, sau đó là pha ổn định
(steady-state phase), khi xảy ra quá trình truyền dữ liệu đến trạm gốc (base station). Để
giảm thiểu chi phí overhead, trong đó pha ổn định dài hơn so với pha thiết lập.

Hình 3.1: Trạng thái các phase của LEACH

3.1.2.1. Pha quảng bá (Advertisement Phase)

Ban đầu, khi các cluster được tạo, mỗi node quyết định có hay khơng trở thành
cluster-head cho vòng hiện tại. Sự quyết định này dựa trên tỷ lệ phần trăm mong muốn
trở thành cluster-head trong mạng (xác định ưu tiên) và số lần node đó đã trở thành
03-SV-2010-RD-VT

25