Nghiên cứu giải thuật phân tuyến cân bằng năng lượng mạng WSN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






ĐỖ TUẤN ANH








NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN CÂN BẰNG
NĂNG LƢỢNG MẠNG WSN






LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2014







ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




ĐỖ TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN CÂN BẰNG
NĂNG LƢỢNG MẠNG WSN



NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60520203




LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG



NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VƢƠNG ĐẠO VY



HÀ NỘI – 2014
1


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn tốt nghiệp là kết quả của việc nghiên cứu và thực hiện
của cá nhân tôi, không sao chép bất cứ nội dung văn bản của tác giả nào. Các tài liệu
tham khảo được liệt kê đầy đủ và trích dẫn rõ ràng.

Đỗ Tuấn Anh








2


Lời nói đầu
Với những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây,
các nhà nghiên cứu đã đặt sự chú ý lớn hơn đến những mạng gồm các cảm biến giá thành
rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng. Ngày nay, người ta đang tập trung xây dựng
các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm biến được sử
dụng trong rất nhiều lĩnh vực như trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh Tuy nhiên
hiện nay, mạng cảm biến không dây đang gặp phải nhiều khó khăn, thách thức, một trong
những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây là nguồn năng lượng hạn chế và
thường không thể nạp lại. Do đó có khá nhiền nghiên cứu đã tập trung vào việc cải thiện
khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong nhiều lĩnh vực khác
nhau. Trong tương lai, các ứng dụng của mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần
quan trọng trong cuộc sống con người.
Trong luận văn này, em sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các
giao thức cũng như các giao thức định tuyến thường được sử dụng, sử dụng phần mềm
mô phỏng mạng để đánh giá giao thức LEACH, đề xuất giải pháp mới giúp tăng hiệu quả
sử dụng giao thức giúp kéo dài thời gian sử dụng của mạng cảm biến không dây.
Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Chương 3: Mô phỏng giao thức định tuyến LEACH
Chương 4: Tổng kết
Để có thể hoàn thành luận văn này, em đã được học hỏi những kiến thức quý giá
của các thầy cô, bạn bè trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Em xin
trân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Vương Đạo Vy – Khoa Điện tử Viễn
Thông – Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Cuối cùng em xin cảm
ơn gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu.
Hà Nội, tháng 4 năm 2014
Đỗ Tuấn Anh
3


MỤC LỤC
Lời nói đầu Error! Bookmark not defined.
Danh sách hình vẽ Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not
defined.
1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined.
1.2.1 Cấu trúc node mạng Error! Bookmark not defined.
1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined.
1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Khả năng chịu lỗi: Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Khả năng mở rộng: Error! Bookmark not defined.
1.3.3 Chi phí sản xuất: Error! Bookmark not defined.
1.3.4 Phần cứng: Error! Bookmark not defined.
1.3.5 Môi trường hoạt động: Error! Bookmark not defined.
1.3.6 Tiêu thụ năng lượng: Error! Bookmark not defined.

1.3.7 Tính bảo mật: Error! Bookmark not defined.
1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not
defined.
2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.
2.2 Các vấn đề cần lưu ý đối với giao thức định tuyến Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến Error!
Bookmark not defined.
2.2.2 Tài nguyên hạn chế Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not
defined.
2.2.4 Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not
defined.
4


2.3 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not
defined.
2.3.1 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centic protocols) Error! Bookmark not
defined.
2.3.2 Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) Error! Bookmark not
defined.
2.3.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) Error! Bookmark not
defined.
CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG GIAO THỨC LEACH Error! Bookmark not defined.
3.1 NS2 Error! Bookmark not defined.
3.1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined.
3.1.2 Kiến trúc NS2 Error! Bookmark not defined.
3.1.3 C++ và Otcl Error! Bookmark not defined.
3.1.4 Các đặc tính của NS-2 Error! Bookmark not defined.

3.2 Lý thuyết về LEACH Error! Bookmark not defined.
3.3 Mô phỏng mạng cảm biến không dây trên NS-2 Error! Bookmark not defined.
3.3.1 Bài toán mô phỏng Error! Bookmark not defined.
3.3.2 Cấu trúc phần mềm Error! Bookmark not defined.
3.3.3 Mô phỏng Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 4 TỔNG KẾT Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.
5




Danh sách hình vẽ
Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến
Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Hình 1.3 Cấu trúc phẳng
Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp
Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Hình 2.1 Hiện tượng bản tin kép
Hình 2.2 Hiện tượng chồng chéo
Hình 2.3 Cơ chế của SPIN
Hình 2.4 Các pha trong Directed Diffusion
Hình 2.5 Chuỗi trong PEGASIS
Hình 2.6 Ví dụ về lưới ảo trong GAF
Hình 3.1: Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng
Hình 3.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS
Hình 3.3: Kiến trúc của NS-2
Hình 3.4: C++ và OTcl: Sự đối ngẫu
Hình 3.5: TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B
Hình 3.6 Giao thức LEACH

Hình 3.7 Time-line hoạt động của LEACH
Hình 3.8 Giải thuật hình thành cluster trong LEACH
Hình 3.9 Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau (nút đen là nút chủ)
6


Hình 3.10 Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái
Hình 3.11 Hoạt động của pha ổn định trong LEACH
Hình 3.12 Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng
Hình 3.13 Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng
Hình 3.14 Đồ thị so sánh năng lượng sử dụng khi có và không có tổng hợp dữ liệu cục bộ
Hình 3.15 Mô hình cấu trúc phần mềm xây dựng trên NS-2
Hình 3.16 Mô hình mạng
Hình 3.17 Số node sống giảm theo thời gian
Hình 3.18 Đồ thị thay đổi vị trí trạm cơ sở
Hình 3.19 Đồ thị thay đổi số node trong mạng
Hình 3.20 Đồ thị thay đổi năng lượng ban đầu của node mạng












7

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chương mở đầu này sẽ giới thiệu chung nhất về mạng cảm biến không dây cũng
như các thành phần của mạng, cấu trúc của 1 node mạng, các yếu tố cần xem xét khi
nghiên cứu về mạng cảm biến cũng như các ứng dụng thực tiễn vô cùng hữu ích trong
nhiều lĩnh vực cuộc sống của mạng cảm biến không dây. Ngoài ra cũng sẽ đề cập đến
một số khó khăn, thách thức cần cải thiện của mạng để đáp ứng tốt hơn với nhu cầu càng
ngày càng cao của con người.
1.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây có 2 chức năng quan trọng là: mạng và cảm nhận.
Mạng cảm biến không dây gồm các node liên kết với nhau bằng sóng vô tuyến với
các node thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có khả năng cảm nhận thông tin từ môi
trường tùy thuộc yêu cầu, giá thành thấp Mạng thường có số node mạng lớn, được phân
bố trên một diện tích nhất định, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường là pin), có
thời gian duy trì từ vài tháng đến vài năm, có thể được triển khải ở những môi trường
khắc nghiệt nhằm nhiệm vụ giám sát, cảnh báo
Các node mạng có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt
độ, độ ẩm, ánh sáng , định vị, theo dõi, thông báo các thông tin về mục tiêu cần giám
sát. Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm trung tâm để xử lý thông tin.
Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây là mạng được triển khai với số lượng
lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có nguồn năng lượng hạn chế, có khả năng cảm
nhận, tính toán và thông tin liên lạc với các thiết bị khác nhằm mục đích phát hiện, giám
sát, điều khiển trong môi trường nhất định.
Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:
 Có khả năng tự tổ chức, tự vận hành.
 Truyền thông tin quảng bá trong phạm vi nhất định.
 Triển khai với mật độ nhất định tùy thuộc yêu cầu và có khả năng kết nối giữa các
node cảm biến.

 Cấu hình mạng có thể thay đổi định kỳ tùy thuộc vào sự suy giảm các node còn
sống.
 Có giới hạn về mặt năng lượng, công suất, bộ nhớ, phạm vi thu phát.

8


1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2.1 Cấu trúc node mạng
Để xây dựng nên mạng cảm biến không dây trước hết phải chế tạo và phát triển
các node mạng cảm biến giúp cấu thành nên mạng. Các node phải thỏa mãn một số yêu
cầu nhất định tùy theo mục đích sử dụng cụ thể: Các node phải có kích thước nhỏ gọn,
giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả, có các thiết bị cảm biến có độ tin cậy cao, có khả năng
tính toán và có bộ nhớ lưu trữ đáp ứng đủ yêu cầu, phải có khả năng thu phát sóng vô
tuyến để thông tin liên lạc với các node khác và trạm cơ sở. Mỗi node cảm biến được cấu
thành bởi 4 phần cơ bản: bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý( a processing unit), bộ
thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn ( a power unit). Ngoài ra còn có thể có thêm
những thành phần khác tùy thuộc ứng dụng như hệ thống định vị (location finding
system), bộ phát nguồn ( a power generator) và bộ phận di dộng (mobilizer).

Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến
 Các bộ phận cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương
tự-số (ADC).
 Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được
chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
 Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ (storage unit), quyết định các thủ tục
làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ nhất định.
 Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu
thu được từ chính nó hoặc các node lân cận tới các node khác hoặc tới base station.
9

 Một trong số các phần quan trọng nhất của một node mạng cảm biến là bộ nguồn.
Bộ nguồn thường là một số loại pin có năng lượng hạn chế. Để các node có thời gian
sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó nên có khả năng nạp điện từ môi trường như
là năng lượng ánh sáng mặt trời.
 Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu
hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ
chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc
cần để dịch chuyển các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn
định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây
1.2.2.1 Cấu trúc mạng
Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn
tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của toàn mạng. Vì vậy thiết kế cấu
trúc mạng và kiến trúc mạng cần đáp ứng những yếu tố kĩ thuật như:
 Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính thì giao
tiếp trực tiếp giữa 2 node mạng sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hoặc vật cản. Đặc
biệt là khi node phát và node thu cách nhau càng xa thì càng cần công suất càng lớn.
Vì vậy cần có các node trung gian để làm node chuyển tiếp làm giảm công suất tổng
thể. Do đó các mạng cảm biến không dây cần dùng giao tiếp multihop.
 Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của toàn
mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật rất quan trọng trong mạng cảm biến
không dây.
 Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một
cách tự động. Chẳng hạn như các node có thể tự xác định vị trí của nó thông qua các
node khác.
 Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node
cảm biến không thu thập đủ dữ liệu cần phải có nhiều node cùng tham gia cộng tác
hoạt động để thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node tự thu thập dữ liệu rồi gửi ngay

10


dữ liệu đó đến trạm cơ sở thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp
các dữ liệu của nhiều node trong 1 phân vùng nhất định, xử lý sơ bộ sau đó mới gửi tới
trạm cơ sở giúp tiết kiệm băng thông và năng lượng tiêu thụ.
Do đó, cấu trúc mạng mới cần thiết kế thỏa mãn các yêu cầu như:
 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node lân cận nhau.
Các node cảm biến được phân bố trong 1 vùng cảm biến như hình dưới. Mỗi node
cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm cơ sở. Dữ liệu
được định tuyến lại đến trạm cơ sở bởi cấu trúc đa điểm. Các trạm cơ sở có thể giao
tiếp với các node quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh.

Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
a, Cấu trúc phẳng (flat architecture)
11



Hình 1.3 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình
dạng và chức năng. Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang
hàng làm bộ chuyển tiếp. Với phạm vi truyền cố định, các node gần trạm cơ sở hơn sẽ
đảm bảo vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lượng lớn nguồn tiêu thụ. Giả thiết tất cả
các nguồn đều dùng cùng 1 tần số để truyền dữ liệu, vì vậy cần chia sẻ thời gian. Tuy
nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời

gian hoặc tần số.
b, Cấu trúc phân cấp (tiered architecture)
Trong cấu trúc phân cấp, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một
cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc vào kích thước của cụm đến node
định sẵn, thường là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các node tạo thành một
hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi node ở 1 mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã được
định sẵn.
12



Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp
Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các node. Những chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp
nhất thực hiện các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng
phân phối dữ liệu.

Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Các nhiệm vụ xác định có thể được phân chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ
mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp này,
các cảm biến ở cấp thấp nhất đóng vài trò là bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi
13


tín hiệu, trong đó các node ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này và thực hiện các
chức năng như tính toán, phân phối dữ liệu.
Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả
hơn mạng cấu trúc phẳng bởi các lý do sau:
 Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vị các tài
nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các phần

cứng thống nhất, mỗi node chỉ cần 1 lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các
nhiệm vụ. Vì số lượng các node cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng nhất định, chi
phí của toàn mạng vì thế sẽ không quá cao. Thay vào đó, nếu số lượng lớn các node có
chi phí thấp được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ, chi phí toàn mạng
sẽ giảm xuống.
 Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng. Khi cần tính toán
nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện
tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian
dài, các node tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động
hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc phân cấp mà các chức năng mạng được phân chia
giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ giúp tăng thời gian
sống của toàn mạng.
 Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các node yêu
cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng,
qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi node trong mạng có n
node là








n
W
, trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi kích cỡ
mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi node sẽ giảm về 0.

Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc phân cấp đem lại nhiều triển vọng để khắc

phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp,
trong đó các node ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm
14


sink đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm
thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng
tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải
nhanh bằng
n
. Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức
khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong
cấu trúc phân cấp và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với
nhau.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi
dùng cấu trúc phân cấp. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về
tìm địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi node, một phần phân bố
đến tập con của các node. Giả thiết rằng các node đều không cố định và phải thay đổi địa
chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích
hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm
kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.

1.3 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
1.3.1 Khả năng chịu lỗi:
Một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do
những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở
việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một
số node mạng không hoạt động.
1.3.2 Khả năng mở rộng:
Khi triển khai mạng cảm biến nghiên cứu một hiện tượng nào đó, số lượng các

node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng
con số này có thể vượt quá hàng triệu. Những kiểu mạng mới phải có khả năng làm việc
với số lượng các node này và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm biến.
1.3.3 Chi phí sản xuất:
15


Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí
của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của
toàn 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 node cảm biến phải giữ ở mức thấp.
1.3.4 Phần cứng:
Ngoài kích cỡ nhỏ,càng nhỏ càng tốt ra, các node cảm biến còn một số ràng buộc
nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá
thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường.
1.3.5 Môi trƣờng hoạt động:
Các node 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 xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc
trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
1.3.6 Tiêu thụ năng lƣợng:
Các node mạng có nguồn năng lượng giới hạn. Trong một số điều kiện nhất định,
việc bổ sung nguồn cho các node là không thể thực hiện được. Vì thế thời gian sống của
node cảm biến phụ thuộc phần nhiều vào pin. Việc duy trì và quản lý năng lượng của
node đóng vai trò quan trọng do sự cố nếu xảy ra với một vài node có thể gây ảnh hưởng
nghiêm trọng đến toàn mạng.
1.3.7 Tính bảo mật:
Trong mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan trọng, đặc biệt là trong
quân sự. Việc truyền tín hiệu không dây luôn tiềm ẩn rủi ro mất thông tin, bị đánh cắp
thông tin rất lớn. Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu

tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận.
Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa
các tập tin, điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bít xác thực…

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
16


a, Ứng dụng trong môi trường:
 Phát hiện cháy rừng: Bằng việc triển khai mạng cảm biến không dây trong rừng,
mỗi node mạng sẽ thu thập các thông tin cần thiết như nhiệt độ, độ ẩm, khói sau đó
gửi về trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, cảnh báo và phát hiện ra cháy. Điều
này sẽ giúp sớm phát hiện và ngăn chặn các thảm họa cháy rừng.
 Cảnh báo lũ lụt: Hệ thống được triển khai bao gồm các node cảm biến về lượng
mưa, mực nước. Các node cảm biến cung cấp các thông tin cho hệ thống xử lý trung
tâm để phân tích và cảnh báo sớm.
 Giám sát các hiện tượng địa chấn: Có thể triển khai mạng cảm biến gồm các node
cảm biến về sự rung chuyển trên mặt đất hoặc trong lòng đất giúp cảnh báo sớm động
đất, sóng thần, núi lửa phun trào.
b, Ứng dụng trong y học:
 Giám sát trong y tế và chuẩn đoán: Trong tương lai không xa, các node cảm biến
có thể đủ nhỏ, đủ tin cậy để gắn lên cơ thể người giúp giám sát sức khỏe con người,
cảnh báo các nguy cơ bệnh tật nhờ đó có thể phát hiện sớm và chữa bệnh dễ dàng hơn.
c, Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày: Mạng cảm biến không dây có thể được triển
khai trong nhà giúp đo nhiệt độ. Không những thế chúng còn có thể phát hiện ra sự di
chuyển trong nhà và thông báo đến các thiết bị báo động trong trường hợp cảnh báo có
trộm.
d, Trong lĩnh vực công nghiệp:
 Trong kinh doanh: việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa sẽ được giải phóng. Các kiện
hàng có thể gắn các node cảm biến chỉ cần tồn tại trong thời gian lưu trữ. Trong mỗi

lần kiểm kê, người ta chỉ cần quảng bá 1 bản tin tới kho lưu trữ. Tất cả các kiện hàng
sẽ tự động trả lời bản tin đó giúp bộc lộ thông tin về kiện hàng. Việc này đặc biệt hữu
dụng trong việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa số lượng lớn.
e, Trong lĩnh vực nông nghiệp:
 Ứng dụng trong trồng trọt: Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai giúp
giám sát và duy trì độ ẩm đất trong trồng trọt.
17


 Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cần triển khai các
cảm biến giúp dễ dàng theo dõi và giám sát tình trạng môi trường sống cho gia súc, gia
cầm.
g, Trong quân sự:
 Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong quân sự như giám sát quân đội,
giám sát các trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, đối phương, thăm dò, tấn
công bằng vũ khí công nghệ cao.
Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây có thể chia làm 2 loại là:
 Giám sát môi trường tĩnh.
 Giám sát môi trường động.

18


CHƢƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải
đối mặt với rất nhiều vấn đề. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đề xuất rất nhiều các
giải thuật mới để giải quyết hiệu quả hơn vấn đề định tuyến dữ liệu. Các giải thuật định
tuyến cần đáp ứng được các yêu cầu về mặt ứng dụng và cấu trúc cũng như các đặc điểm
riêng của mạng tùy vào yêu cầu thiết kế. Chương này trình bày ba loại giao thức thông
dụng thường được dùng trong mạng cảm biến không dây, đó là định tuyến trung tâm dữ
liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa
vào vị trí (location-based protocol).

2.1 Giới thiệu
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều thách thức
do bản chất mạng cảm biến không dây có những đặc điểm riêng biệt khác hẳn so với các
loại mạng khác:
 Trong mạng cảm biến không dây, số lượng các node là rất lớn, nên ta không thể
xây dựng 1 chế độ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các node cảm biến, vì thế không
thể áp dụng giao thức dựa trên IP.
 Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây, các luồng dữ liệu cảm biến

đều là từ nhiều nguồn khác nhau cùng truyền về 1 node sink xác định.
 Lưu lượng thông tin truyền từ các node cảm biến sẽ có lượng thừa đáng kể vì có
thể các cảm biến trong cùng 1 vùng lân cận có thể phát đi cùng 1 dữ liệu. Những thông
tin dư thừa đó cần được xử lý sơ bộ bởi các giải thuật trước khi truyền đi giúp tăng
hiệu quả sử dụng băng thông cũng như tiết kiệm năng lượng.
 Các node cảm biến bị hạn chế bởi năng lượng truyền tải, năng lượng sử dụng, quá
trình xử lý và lưu trữ dữ liệu. Do đó nguồn năng lượng của node cần được quản lý chặt
chẽ.

2.2 Các vấn đề cần lƣu ý đối với giao thức định tuyến
19


2.2.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến
Các node cảm biến hoạt động với khả năng tính toán, lưu trữ, truyền dẫn và năng
lượng hạn chế. Tùy vào ứng dụng cụ thể, mật độ các node có thể từ ít đến nhiều. Hơn
nữa, trong nhiều ứng dụng, số lượng node có thể đạt con số hàng trăm, thậm chí hàng
nghìn node tùy ý bao phủ cả 1 vùng rộng lớn. Trong mạng này, đặc tính của các node
cảm biến là có tính thích nghi động, với yêu cầu về việc tự tổ chức cấu hình và quản lý
tốt nguồn năng lượng, các node cảm biến phải tự điều chỉnh liên tục để thích ứng với mỗi
hoạt động tại mỗi thời điểm.
2.2.2 Tài nguyên hạn chế
Các node cảm biến được thiết kế với độ phức tạp nhỏ nhất cho việc triển khai
trong phạm vi lớn để giảm thiểu chi phí cho toàn mạng. Năng lượng là vấn đề quan tâm
chủ yếu trong mạng cảm biến không dây. Làm thế nào để kéo dài thời gian sống của toàn
mạng trong khi các node hoạt động với nguồn năng lượng hạn chế. Vấn đề quản lý nguồn
năng lượng của node cũng như của toàn mạng trở thành thách thức thực sự với các nhà
khoa học trong nhiều lĩnh vực quan trọng.
2.2.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các node cảm biến với các node cao

hơn hoặc trạm gốc. Mô hình này phụ thuộc nhiều vào bản chất của ứng dụng cụ thể, các
dữ liệu được yêu cầu và sử dụng. Có một số mô hình dữ liệu được đề xuất nhằm tập trung
vào các yêu cầu về tương tác và nhu cầu tập hợp dữ liệu của nhiều ứng dụng khác nhau.
Một kiểu ứng dụng của mạng cảm biến không dây là mô hình thu thập dữ liệu dựa
vào việc lấy mẫu theo 1 chu kỳ định sẵn hoặc truyền thông tin về sự thay đổi, xảy ra các
sự kiện trong môi trường được giám sát. Trong các ứng dụng khác, dữ liệu có thể được
thu nhận, lưu trữ hoặc được xử lý sơ bộ, tập trung tại 1 node trước khi được truyền về
trạm gốc. Một loại thứ ba là mô hình dữ liệu tương tác hai chiều giữa các node cảm biến
và trạm gốc.
2.2.4 Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
Các truy vấn và dữ liệu được truyền giữa trạm gốc và các vị trí đặt các node nhằm
quan sát hiện tượng là một khía cạnh quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Một
phương pháp cơ bản để thực hiện việc này là mỗi node cảm biến có thể truyền dữ liệu
trực tiếp đến trạm cơ sở. Tuy nhiên phương pháp này có chi phí rất đắt, đặc biệt xét về
20


mặt năng lượng, các node ở xa trạm cơ sở có khả năng cao bị tiêu hao năng lượng nhanh
chóng và kéo theo làm giảm thời gian sống của toàn hệ thống.
Nhằm giảm thiểu nhược điểm của phương pháp trên thì dữ liệu trao đổi giữa các
node cảm biến và trạm cơ sở có thể được thực hiện bằng cách thức truyền dữ liệu gói đa
chặng trong phạm vi ngắn. Phương pháp này giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể ở mỗi
node và cũng giảm đáng kể sự giao thoa truyền dẫn giữa các node khi cạnh tranh nhau
kênh truyền, đặc biệt khi gặp các mạng cảm biến không dây có mật độ các node cao.
Để đáp ứng các truy vấn từ trạm cơ sở hoặc các sự kiện đặc biệt xảy ra tại môi
trường cần giám sát thì dữ liệu thu thập được từ các node sẽ được truyền đến trạm cơ sở
thông qua nhiều node trung gian bằng phương pháp truyền đa chặng.
Trong định tuyến đa chặng, các node trung gian giữ vai trò chuyển tiếp dữ liệu từ
các node cảm biến đến với trạm cơ sở. Việc xác định xem tập hợp các node nào tạo thành
đường dẫn chuyển tiếp dữ liệu cũng là 1 bài toán trong việc nghiên cứu các thuật toán

định tuyến. Nói chung việc định tuyến trong mạng với phạm vi lớn vốn đã là 1 vấn đề
khó khăn, các thuật toán nhằm vào nhiều yêu cầu thiết kế bao gồm đòi hỏi sự chính xác,
ổn định, tối ưu hóa và chú ý đến các sự thay đổi các thông số.
Với đặc tính bên trong của mạng cảm biến không dây bao gồm sự giới hạn về
băng thông và năng lượng đã tạo thêm thách thức cho các giao thức định tuyến vừa phải
thỏa mãn các yêu cầu về lưu lượng vừa phải đảm bảo càng kéo dài thời gian sống của
toàn mạng càng tốt.
2.3 Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
2.3.1 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centic protocols)
Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây thì việc xác định số nhận
dạng IP cho từng node là không khả thi. Việc thiếu IP cùng với việc triển khai ngẫu nhiên
các node gây ra khó khăn trọng việc chọn ra tập hợp các node chuyên dụng để đưa yêu
cầu. Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi node trong vùng với độ dư thừa đáng kể dẫn đến
việc sử dụng năng lượng không thực sự hiệu quả. Do đó các nhà nghiên cứu đã đề xuất
các giao thức mới có khả năng chọn ra tập hợp các node và thực hiện tập trung dữ liệu
trong suốt quá trình truyền tin. Điều này dẫn đến ý tưởng về giao thức trung tâm dữ liệu.
Trong giao thức định tuyến này, node sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi dữ
liệu từ các node cảm biến đã được chọn trước trong vùng đó. SPIN là giao thức đầu tiên
thuộc loại này mà đã đề cập đến những việc dàn xếp dữ liệu giữa các node để giảm bớt sự
dư thừa thông tin và tiết kiệm năng lượng. Sau đó Directed Diffusion (truyền dẫn trực
21


tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ
liệu.
2.3.1.1 Flooding và Gossiping
Flooding và Gossiping là hai cơ chế cổ điển để truyền dữ liệu trong mạng cảm
biến mà không cần bất cứ một giải thuật định tuyến hoặc sự duy trì cấu hình nào. Trong
Flooding, mỗi cảm biến nhận gói dữ liệu, sau đó nó quảng bá thông tin dữ liệu vừa nhận
được tới tất cả các node lân cận và quá trình cứ diễn ra cho đến khi gói dữ liệu đến đích.

Gossiping có cải tiến hơn Flooding, trong đó các node nhận dữ liệu gửi gói đến các node
lân cận ngẫu nhiên, sau đó lại chọn ngẫu nhiên một node lân cận để truyền tin thay vì
quảng bá đến các node lân cận, và cứ tiếp tục như vậy.
Mặc dù Flooding triển khai tương đối dễ dàng nhưng nó có mội số nhược điểm
như hình 2.1 và 2.2. Đó là khi xảy ra trường hợp một bản tin cùng gửi đến 1 node hoặc
hiện tượng chồng chéo khi hai node cảm biến cùng 1 vùng, gửi những gói tin giống nhau
đến cùng 1 node lân cận. Gossiping tránh được các vấn đề về sự truyền kép bằng việc
chọn ngẫu nhiên node truyền tiếp theo hơn là kiểu quảng bá. Tuy nhiên điều này gây ra
trễ trong việc truyền dữ liệu qua các node.
`
Hình 2.1 Hiện tƣợng bản tin kép
22


Node A flooding dữ liệu của nó tới tất cả các node trong lân cận. Tại D nhận được 2 lần
dữ liệu, điều này là không cần thiết

Hình 2.2 Hiện tƣợng chồng chéo
Hai node cảm biến cùng bao phủ 1 vùng địa lý và tại C nhận được các định dạng dữ liệu
giống nhau từ các cảm biến này.
2.3.1.2 SPIN (Sensor Protocols for Infomation via Negotiation)
SPIN dựa trên ý tưởng là đặt tên dữ liệu sử dụng ký hiệu mô tả ở mức độ cao hay
còn gọi là thông tin về dữ liệu (meta-data). Trước khi truyền, thông tin về dữ liệu được
trao đổi giữa các node qua một cơ chế thông báo dữ liệu, đó chính là đặc điểm chính của
SPIN. Mỗi một node nhận dữ liệu mới, thông báo tới các node lân cận của nó và các node
lân cận quan tâm đến dữ liệu này, ví dụ như các node mà không có dữ liệu, lấy được dữ
liệu nhờ gửi bản tin yêu cầu. Sự dàn xếp các thông tin về dữ liệu của SPIN giải quyết
được các vấn đề của Flooding như thông tin dư thừa, chồng chéo các vùng cảm nhận, vì
vậy đạt được hiệu quả về mặt năng lượng.
Có 3 bản tin được xác định trong SPIN dùng để trao đổi dữ liệu giữa các node, đó

là bản tin ADV cho phép các node thông báo một meta-data cụ thể, bản tin REQ để yêu
cầu các dữ liệu đặc biệt và bản tin DATA để mang thông tin thực. Hình 2.3 tổng kết lại
các quá trình của SPIN.
Node A bắt đầu quảng bá dữ liệu tới node B (a). Node B trả lời bằng cách gửi yêu
cầu tới node A (b). Node B nhận dữ liệu yêu cầu từ node A (c). Node B phát bản tin
quảng bá tới các node lân cận (d), sau đó các node này gửi yêu cầu lại cho B (e-f).
23



Hình 2.3 Cơ chế của SPIN
Một ưu điểm của SPIN là các thay đổi về cấu hình được khoanh vùng vì thế các
node chỉ cần nhận biết các node lân cận của chúng. Tuy nhiên cơ chế thông báo dữ liệu
của SPIN không thể đảm bảo được việc phân phối dữ liệu. Ví dụ trong trường hợp nếu
các node cần dữ liệu ở xa so với node nguồn trong khi các node giữa nguồn và đích lại
không cần dữ liệu đó thì dữ liệu sẽ không được phân phối đến đích. Vì thế SPIN không
được sử dụng cho các ứng dụng như phát hiện xâm nhập mà yêu cầu độ tin cậy trong việc
phân phối các gói tin qua các khoảng thời gian đều đặn.
2.3.1.3 Giao thức truyền tin trực tiếp (Directed Difffusion)
Giao thức truyền tin trực tiếp sử dụng lược đồ tập trung dữ liệu và các node đều
biết về ứng dụng. Tất cả các dữ liệu phát ra bởi node cảm biến được đặt tên sử dụng các
cặp giá trị thuộc tính và sử dụng quá trình xử lý trong mạng như tích hợp dữ liệu
(aggregation). Giao thức này loại bỏ sự dư thừa dữ liệu nhờ quá trình xử lý nội mạng, và
tối thiểu số lần truyền tin nên tiết kiệm được năng lượng, kéo dài thời gian sống toàn
mạng. Hình 2.4 mô tả quá trình diễn ra trong mạng khi dùng giao thức truyền tin trực
tiếp.
Ban đầu trạm cơ sở tạo ra một yêu cầu được xác định dùng các cặp giá trị thuộc
tính như là tên vật thể, vị trí địa lý, khoảng thời gian… Các thông tin này được phát
quảng bá thông qua các node trung gian đến nguồn. Mỗi một node nhận được thông tin
đó sẽ giữ lại để so sánh dữ liệu nhận được với giá trị trong thông tin đó. Các thông tin

này cũng bao gồm các trường gradient. Gradient là đường trả lời đến node lân cận từ nơi
mà nhận được thông tin yêu cầu. Nó được mô tả bởi tốc độ dữ liệu, khoảng thời gian và
thời gian mãn hạn nhận được từ các thông tin yêu cầu. Vì thế nhờ việc sử dụng các thông