Xây dựng phương pháp đánh giá bằng thực nghiệm hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.39 MB, 112 trang )
đại học quốc gia hà nội
Trờng đại học công nghệ
Trần văn thông
Xây dựng phơng pháp đánh giá
bằng thực nghiệm hiệu quả truyền nhận
của mạng cảm biến không dây
Luận văn thạc sĩ
Hà nội - 2009
- 1 -
MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây là một công nghệ tiên tiến dựa trên thành tựu
của điện tử và tin học. Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây nhằm triển khai
vào các ứng dụng trong thực tế, mang lại hiệu quả kinh tế - xã hội.
Đề tài luận văn “Xây dựng phương pháp đánh giá bằng thực nghiệm
hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây” do PGS.TS. Vương
Đạo
Vy hướng dẫn đã được tác giả nghiên cứu và thực hiện với mục tiêu xây dựng
được phương pháp đánh giá hiệu quả truyền tin của mạng cảm biến không dây
trên cơ sở nghiên cứu các đặc tính truyền thông vô tuyến nói chung và các tính
chất truyền thông vô tuyến của mạng cảm biến không dây nói riêng. Khóa luận
có bố cục gồm hai phần là lý thuyết và phần thực nghiệm trên các nút mạng cảm
biến không dây sử d
ụng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon. Nội dung chi
tiết của khóa luận gồm ba chương. Chương 1 giới thiệu khái quát về mạng cảm
biến không dây và các ứng dụng của mạng. Chương 2 nghiên cứu các đặc tính
vô tuyến của mạng cảm biến không dây.
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết tại chương 1 và chương 2, trong chương 3
tác giả xây dựng phương pháp đánh giá hiệu quả truyền nhận của mạng c
ảm
biến không dây và tiến hành thực nghiệm đo các thông số của quá trình truyền
vô tuyến của mạng.
Phần thực nghiệm dựa trên cơ sở thiết bị là các nút mạng cảm biến không
dây và viết phần mềm nhúng nạp cho các nút mạng này. Sau đó, tiến hành thực
nghiệm việc truyền nhận vô tuyến giữa các nút mạng và đo các thông số của quá
trình này. Quá trình thực nghiệm được tiến hành nhiều lần tạ
i các môi trường
khác nhau nhằm đem lại kết quả có tính chính xác nhất. Dựa vào các kết quả thu
được về thông số của quá trình truyền nhận vô tuyến, có thể đánh giá được hiệu
quả truyền nhận của mạng cảm biến không dây. Điều này đặc biệt có ý nghĩa
thực tiễn khi triển khai các ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Mặc dù đã cố gắng nhưng do hạn ch
ế về tài liệu, trình độ tác giả nên khóa
luận còn rất nhiều thiếu sót. Tôi rất mong các thầy, các cô và các bạn góp ý để
đề tài được hoàn thiện hơn.
Trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận được
sự giúp đỡ của rất nhiều người. Đầu tiên, tôi xin trân trọng nói lời cảm ơn đến
thầy giáo đã hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, PGS. TS
- 2 -
Vương Đạo Vy. Thầy Vương Đạo Vy đã luôn tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi từ
khi tôi mới bắt tay vào thực hiện đến khi hoàn thành khóa luận. Không có sự
hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy, tôi không thể nào hoàn thành được công
việc trên.
Tôi cũng xin được chân thành gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những
người luôn động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận
tốt nghiệp này.
Học viên
Trần Văn Thông
- 3 -
CHƯƠNG 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu tổng quan
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học và công nghệ, mạng cảm
biến đã trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được nhiều tiến bộ đáng
kể. Mạng cảm biến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu
nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý, điều kiện môi
trường,…ở các vị trí khác nhau.
Nguyên lý hoạt động củ
a mạng cảm biến không dây là một nút mạng sẽ
cảm biến thông số của một môi trường cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu
qua môi trường không dây về trạm gốc (nút gốc) được nối với máy tính. Trên cơ
sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xử lý cần thiết hoặc truyền số liệu vào máy
tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết là một máy vi tính mà có thể được ch
ế
tạo với kích thước nhỏ, phù hợp với đặc thù của từng ứng dụng cụ thể.
Như vậy, k
hái
niệm
mạng
cảm
biến
không
dây
có thể hiểu đơn giản là mạng
liên kết các nút mạng với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection),
có thể
được mô tả bằng
công
thức
sau:
Cảm
biến
+
CPU
+
Radio
=
WSN
T
rong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành
thấp và có số lượng lớn. Các nút mạng này được phân bố một cách không có hệ
thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), có khả
năng tự định tuyến, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt
động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nghi
ệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ không ổn định ).
Tuy
nhiên,
việc
kết hợp
các
cảm
biến,
radio,
và
CPU
vào
một
mạng
cảm
biến
không
dây
không chỉ đòi hỏi trình độ
hiểu
biết
chi
tiết
về
khả
năng
và
giới
hạn
của
các thành
phần
phần
cứng,
mà còn phải
hiểu
rõ
các
công
nghệ
mạng
hiện
đại,
lý
thuyết phân
bố
hệ
thống.
Để
làm
cho
mạng cảm biến không
dây
trở
nên
thực
tế,
cần phải phát triển một kiến trúc
để tổng
hợp
các
ứng
dụng
dựa
trên
khả
năng
của
phần
cứng.
Để
phát
triển
kiến
trúc
hệ
thống
cần
đi
từ
yêu
cầu
ứng
dụng
mức
cao
xuống các
yêu
cầu
phần
cứng
mức
thấp.
Chúng ta
cần tập
trung
vào
một
tập
- 4 -
các
dạng
ứng
dụng
được
sử
dụng
nhiều
trong
thực
tế để
giới
hạn
số
các
ứng
dụng
phải
xem
xét.
Sử
dụng các
dạng
ứng
dụng
này
để
tìm
ra
các
yêu
cầu
mức
hệ
thống
cho
toàn
bộ
kiến
trúc. Từ
các
yêu
cầu
mức
hệ
thống
này,
có
thể
có
các
yêu
cầu
cho
các
nút
mạng
riêng
lẻ.
Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến và một
mạng không dây khác là:
- Giá thành
- Mật độ nút mạng
- Phạm vi hoạt động
- Cấu hình mạng
- Lưu lượng dữ liệu
- Năng lượng tiêu thụ
- Thời gian ở trạng thái hoạt động
1.2. Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây
1.2.1. Cấu tạo
Do số lượng nút mạng trong hệ thống mạng cảm biến không dây là lớn và
không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với một nút
mạng là giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn và hoạt động được thời gian dài.
Hình vẽ dưới đây sẽ cho thấy các thành phần cơ bản để cấu thành một nút mạng
c
ảm biến không dây.
KHỐI TRUYỀN DẪNKHỐI XỬ LÝ KHỐI CẢM BIẾN
KHỐI NGUỒN
Bộ xử lý
Bộ nhớ
Cảm
biến
Bộ phận di động
ADC
B
ộ
thu
p
hát
Bộ phát nguồn
Hệ thống định vị
Hình 1.1: Cấu tạo của một nút mạng cảm biến không dây
- 5 -
1.2.1.1. Khối xử lý
Khối xử lý bao gồm bộ xử lý nhúng năng lượng thấp và bộ nhớ lưu trữ
- Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp: Nhiệm vụ của bộ xử lý bao gồm xử lý
thông tin cảm biến cục bộ và xử lý thông tin truyền bởi các bộ cảm biến
khác. Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thường bị hạn chế về công suất nên
được chạy trên các hệ điều hành có các thành phần cơ bản đặc biệt, ví dụ
như hệ điều hành TinyOS.
- Bộ nhớ/Lưu trữ: Lưu trữ dưới dạng ROM và RAM cả bộ nhớ chương trình
(các lệnh được thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lưu các kết quả
đo chưa qua xử lý và đã qua xử lý bởi bộ c
ảm biến; lưu các thông tin cục
bộ khác). Chất lượng bộ nhớ và lưu trữ trên bo mạch của thiết bị mạng cảm
biến không dây thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp.
1.2.1.2. Khối truyền dẫn
- Bộ thu phát sóng vô tuyến (Radio Transceiver): Thiết bị mạng cảm biến
không dây có tốc độ thấp (10 ->100 kbps) và là thiết bị vô tuyến không dây dải
ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong mạ
ng cảm biến không dây thì truyền vô tuyến là
một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất. Do đó, để tiết kiệm năng lượng, nó
cần phải kết hợp có hiệu quả công suất giữa các chế độ ngủ (sleep) và chế độ
hoạt động.
1.2.1.3. Khối cảm biến
Khối cảm biến bao gồm bộ cảm biến và bộ biến đổi ADC
- Bộ cảm biến (Sensor): Do gi
ới hạn về băng thông và nguồn nuôi, các thiết
bị mạng cảm biến không dây chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp.
Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có một vài loại
cảm biến trên bo mạch. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại cảm biến
riêng: cảm biến nhiệ
t độ, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm, cảm biến áp
suất, cảm biến gia tốc, cảm biến từ, cảm biến âm thanh, hay thậm chí là
cảm biến hình ảnh có độ phân giải thấp.
- Bộ biến đổi ADC (Analog to Digital Converter): Bộ ADC được tích hợp để
có thể ghép nối với các cảm biến tương tự. Với ADC được tích hợp sẵn sẽ
giúp cho thuận tiện hơn trong vi
ệc sử dụng, giảm kích thước nút mạng,
đồng thời giảm được các nhiễu trong quá trình biến đổi A/D với các tín
hiệu từ cảm biến.
- 6 -
1.2.1.4. Khối nguồn
Năng lượng nguồn được sử dụng để có thể triển khai hoạt động của các
thiết bị mạng cảm biến không dây là các dạng nguồn năng lượng dự trữ như
nguồn pin, ắc quy.
1.2.1.5. Hệ thống định vị
Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, các phép đo cảm
biến để đánh dấu vị trí là quan trọng nh
ất. Cách đơn giản nhất để định vị là tiền
cấu hình cho cảm biến ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi
trong một số điều kiện triển khai nhất định.
Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngoài tòa nhà: Khi một mạng được triển
khai, thông tin dễ dàng thu được qua vệ tinh định vị. Tuy nhiên, tại các ứng
dụng, do hạn chế của môi trường và kinh phí, chỉ m
ột phần nhỏ các nút được
trang bị hệ thống định vị. Trong trường hợp không có hệ thống định vị, các nút
khác nhau trong cùng mạng chỉ thu được vị trí của nhau một cách gián tiếp qua
giao thức định vị mạng.
1.2.1.6. Bộ phận di động
Các nút cảm biến đôi khi cần phải dịch chuyển để thực hiện các nhiệm vụ
ấn định nào đó. Do đó nó được trang bị thêm các phần ph
ụ để phục vụ cho quá
trình di động.
1.2.2. Phân loại nút mạng
Trong hầu hết các mô hình mạng cảm biến không dây, có 3 loại nút mạng:
nút cảm biến, nút trung gian (nút chuyển tiếp) và nút cơ sở (nút trung tâm).
Chức năng của các loại nút mạng:
- Các nút cảm biến trực tiếp thu thập số liệu và truyền số liệu về nút cơ sở
(nếu khoảng cách giữa nút cảm biến và nút cơ sở là nhỏ) hoặ
c truyền đến
các nút trung gian (nếu khoảng cách giữa nút cảm biến và nút cơ sở là lớn).
- Các nút trung gian cũng trực tiếp thu thập số liệu. Kế đến chúng tiến hành
chuyển tiếp dữ liệu thu thập được và dữ liệu nhận được từ các nút cảm biến
qua các nút trung gian khác. Sau đó gửi dữ liệu về nút cơ sở.
- Nút cơ sở tiếp nhận dữ liệu từ mạng và tiế
n hành xử lý dữ liệu.
- 7 -
Mỗi loại nút mạng thực hiện một chức năng riêng. Do đó, mỗi loại nút
mạng đòi hỏi phải có những đặc điểm phần cứng riêng để có thể thực hiện tốt
chức năng của nó. Trên thực tế thì các nút cảm biến và các nút trung gian là một
và có cấu tạo phần cứng giống nhau. Trên mỗi nút mạng này thường được trang
bị thêm về các kết nối với c
ảm biến với phần biến đổi điện áp để ổn định dải
điện thế cấp cho vi điều khiển và đặc biệt là cho cảm biến. Vi điều khiển còn có
thể hoạt động ổn định được khi điện thế cung cấp dao động trong một dải hẹp.
Nhưng nguồn nuôi cho khối cảm biến thì nhất thiết phải có giải pháp để
ổn định,
nếu không thông tin cảm biến đưa về có thể bị sai lệch nhiều so với thực tế.
Riêng đối với nút mạng cơ sở để thực hiện tốt chức năng xử lý dữ liệu thì cấu
tạo của nó ngoài các thành phần như với nút cảm biến, nó còn cần bổ sung thêm
một số phần cứng hỗ trợ việc nạp chương trình, đi
ều khiển, hiển thị dữ liệu, lưu
trữ dữ liệu, …
Hình 1.2: Mô hình mạng cảm biến không dây tổng quan
1.3. Cấu trúc mạng và các yếu tố ảnh hưởng
1.3.1. Cấu trúc mạng
Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng,
số lượng nút mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút
mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng Do vậy, mạng cảm biến
không dây đòi hỏi 1 topo mạng linh động (ad-hoc, mesh, star ) và các nút mạ
ng
có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Tùy thuộc vào mỗi ứng dụng, các thiết bị
mạng cảm biến không dây có thể cùng hay không cùng mạng với nhau.
- 8 -
Mạng cảm biến không dây tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm,
hàng ngàn nút) thành các cụm (cluster) để ổn định topo của mạng, đơn giản hóa
giải thuật định tuyến (routing), giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên
giảm được năng lượng tiêu thụ, đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa
chỉ cho từng nút mạng (theo cluster).
- Trong những ứng dụng tập hợp dữ liệu cơ bả
n, có một nút được gọi là nút
sink. Tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn được truyền trực tiếp đến
nó. Topo mạng đơn giản nhất cho ứng dụng này là topo hình sao đơn hop.
Trong topo này, tất cả các nút gửi dữ liệu trực tiếp đến nút sink.
Hình 1.3: Topo hình sao đơn hop
- Đối với mạng cài đặt công suất truyền thấp hay mạng triển khai trên diện
rộng thì sử dụng topo hình cây đa hop. Trong topo này, một vài nút được
xem như các nút nguồn của chính chúng và định tuyến cho các nguồn
khác.
Hình 1.4: Topo hình cây đa hop
- 9 -
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng
- Khả năng chịu lỗi: 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 nút mạng
không hoạt động. Một số các nút cảm ứng có thể không hoạt động nữa do
thiếu năng lượng, do những hư h
ỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi
trường.
- Khả năng mở rộng: Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây đòi
hỏi mạng phải có khả năng làm việc với số lượng các nút lớn và sử dụng
được tính chất mật độ cao của mạng cảm ứng.
- Chi phí sản xuất: Vì các mạng cảm ứng bao gồm mộ
t số lượng lớn các nút
cảm ứng nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi
phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai cảm
biến theo kiểu truyền thống thì mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy,
chi phí của mỗi nút cảm ứng phải luôn được giữ ở mức thấp.
- Phần cứng: Ngoài kích cỡ nhỏ, các nút cảm ứng còn mộ
t 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.
- Môi trường hoạt động: Các nút cảm ứng 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
việ
c 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.
- Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm ứng multihop, các nút được
kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể
tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học.
Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện
truyền dẫn phải được chọn cho phù hợp.
- Sự tiêu thụ năng lượng: Các nút cảm biến không dây có thể coi là một thiết
bị vi điện tử và chỉ được trang bị nguồn năng lượng giới hạn. Trong một số
ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng l
ượng không thể thực hiện được. Vì
thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời
gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng
một vai trò kép: vừa khởi tạo, vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một
vài nút cảm ứng có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và
- 10 -
yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và
quản lý nguồn năng lượng đóng vai trò rất quan trọng.
1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến [1] được thể hiện như sau:
Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc này 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 cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa
các nút cảm biến.
Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn
năng lượng của nó. Ví dụ : nút cả
m biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận
được một bản tin. Khi mức công suất của bộ cảm biến thấp, nó sẽ quảng
bá sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó
thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến.
Mặt phẳng quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự
chuyển động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng
xóm của chúng.
Mặt ph
ẳng quản lý nhiệm vụ: 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 biến ở cùng một thời điểm.
Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát
- 11 -
hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ
được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng
lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý.
Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát
hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều
khiển l
ỗi. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động,
giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề
công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin
quảng bá của các nút lân cận.
Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo
nguyên tắc sau :
+ Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấ
n đề quan trọng.
+ Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.
+ Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác
có hiệu quả của các nút cảm biến.
Lớp truyền tải: chỉ cần thiết khi hệ thống được truy cập thông qua mạng
internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ c
ảm biến, các loại phần mềm ứng
dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.5. Một số chuẩn mạng cảm biến không dây
Do phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất rộng lớn, tính
chất, đặc trưng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các
công ty, các phòng thí nghiệm vẫn thường phát tri
ển, triển khai các giao thức
riêng (MAC, Routing, synchronisation ) phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể
dựa trên các thiết bị phần cứng trên thị trường. Một số chuẩn được biết đến như
sau:
- ALOHA system (U. of Hawaii)
- PRNET system (U.S. Defense)
- WINS (U. of California)
- PicoRadio (U. of California)
- MicroAMPS (M.I.T)
- 12 -
- MANET (Mobile ad-hoc Network)
- Zigbee: dựa trên tầng Vật lý và tầng MAC của chuẩn WPAN 802.15.4.
1.6. Các chỉ tiêu đối với việc thiết kế hệ thống và các nút mạng cảm biến
không dây
1.6.1. Chỉ tiêu đối với hệ thống mạng
Các chỉ tiêu để đánh giá một mạng cảm biến không dây chủ yếu là: thời
gian sống, độ bao phủ, chi phí và dễ triển khai, thời gian trả lời, độ chính xác
thời gian và tốc độ l
ấy mẫu hiệu quả. Các chỉ tiêu này liên quan với nhau, thông
thường khi tăng tham số này lên thì đồng thời cũng làm giảm tham số kia.
- Thời gian sống là một giới hạn của mạng cảm biến không dây. Hai ứng
dụng thu thập dữ liệu môi trường và giám sát an ninh các nút mạng đều được đặt
ngoài môi trường, không có người giám sát theo hàng tháng, thậm chí hàng năm.
Khó khăn chủ yếu của thời gian sống là năng lượng cung cấp cho nút mạng. Mỗi
nút cần được thiết kế quản lý năng lượng cung cấp nội bộ để đảm bảo tối đa thời
gian sống của nút mạng. Trong một vài trường hợp, có thể sử dụng nguồn năng
lượng ngoài nhưng điều này lại mâu thuẫn với ưu điểm chính của mạng không
dây là tính linh hoạt, dễ triển khai. Do đó, một giải pháp thoả hiệp là có một
nhóm các nút m
ạng đặc biệt được cấp nguồn ngoài và yêu cầu năng lượng tiêu
thụ trung bình của các nút đó càng ít càng tốt.
- Độ bao phủ: đây cũng là một thông số để đánh giá cho nút mạng. Nó có
thuận lợi là khả năng triển khai trên một vùng rộng lớn. Điều này làm tăng giá
trị hệ thống đối với người dùng. Điều quan trọng là độ bao phủ của mạng không
được tương đươ
ng với khoảng cách kết nối không dây được sử dụng. Sự ràng
buộc khoảng cách sẽ dẫn đến việc mở rộng một số lượng lớn các nút mạng. Giá
trị chủ yếu của mạng cảm biến không dây là khả năng mở rộng, một người dùng
có thể triển khai một mạng nhỏ ban đầu và sau đó tiếp tục thêm các nút. Việc
tăng nút này lại làm ảnh hưởng
đến thời gian sống, càng nhiều điểm cảm biến thì
càng có nhiều dữ liệu được truyền dẫn đến, làm tăng năng lượng tiêu thụ của
mạng.
- Chi phí và dễ triển khai: ưu điểm mấu chốt của mạng cảm biến không dây
là dễ triển khai nên hệ thống cần phải tự cấu hình đối với sự lắp đặt nút vật lý.
Tuy nhiên, các hệ thống th
ực thì các nút không thể có khoảng cách vô hạn.
mạng cảm biến không dây cần có khả năng phản hồi, khả năng đánh giá chất
- 13 -
lượng của việc triển khai mạng và chỉ rõ các vấn đề tiềm ẩn. Có nghĩa là, các nút
mạng cần có khả năng tìm kết nối và xác định chất lượng kết nối. Bên cạnh đó,
hệ thống cần có sự thích nghi đối với sự thay đổi điều kiện môi trường. Để mở
rộng khả năng kiểm tra trước khi triển khai, hệ cảm biến cần đượ
c xây dựng để
có thể thực hiện việc tự bảo trì. Khi cần, nó có thể tạo ra các yêu cầu bảo trì
ngoài.
- Thời gian đáp ứng: là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống. Các
nút mạng cần có khả năng truyền tức thời các thông điệp qua mạng càng nhanh
càng tốt. Thời gian đáp ứng cũng quan trọng khi điều khiển máy móc trong nhà
máy, những hệ thống này chỉ thành hiện th
ực khi đảm bảo được thời gian đáp
ứng. Khả năng có thời gian đáp ứng ngắn xung đột với các kĩ thuật làm tăng thời
gian sống của mạng. Có thể cải thiện thời gian đáp ứng bằng cách cấp nguồn
cho một số nút trong toàn bộ thời gian. Tuy nhiên, điều này lại làm giảm tính dễ
triển khai của hệ thống.
- Độ chính xác về thời gian: trong ứng dụ
ng theo dõi đối tượng và giám sát
môi trường các mẫu từ nhiều nút có liên quan theo thời gian để xác định các
hiện tượng khác thường được theo dõi. Tính chính xác của cơ chế tương quan
phụ thuộc vào tốc độ lan truyền của hiện tượng được đo. Để đạt được độ chính
xác theo thời gian, mạng cần được xây dựng và duy trì một thời gian cơ sở toàn
cục có thể được sử dụng để sắp xế
p các mẫu và các sự kiện theo thời gian.
- Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả: đây là tham số đánh giá hiệu suất hệ
thống. Đó là mẫu lấy được từ mỗi nút riêng lẻ và truyền về điểm thu thập trung
tâm. Thông thường, các ứng dụng thu thập dữ liệu chỉ có tốc độ lấy mẫu là 1-2
mẫu trong một phút.
1.6.2. Chỉ tiêu đối với nút mạng cơ sở
- N
ăng lượng: để duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều năm thì các nút
mạng cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp. Điều này chỉ đạt được bằng cách kết
hợp các thành phần cứng năng lượng thấp và chu trình hoạt động ngắn. Các
thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm hoạt động truyền nhận
radio. Điều này có thể đạt đượ
c bằng cách sử dụng sự tính toán cục bộ để giảm
luồng dữ liệu nhận được từ cảm biến.
- Tính mềm dẻo: các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp
với các môi trường khác nhau. Một kiến trúc mạng cảm biến không dây cần phải
- 14 -
đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng. Thêm vào đó, vì lý do chi
phí mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể, kiến
trúc phải đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Vì vậy những thiết
bị này đòi hỏi tính modul tốc độ cao trong khi vẫn giữ được kết qu
ả.
- Sức mạnh: modul hoá hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệ thống.
Bằng cách chia hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi chức năng có
thể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành một ứng dụng hoàn
chỉnh. Các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có thể giao tiếp chặt chẽ,
để ngăn ngừa các tươ
ng tác không mong đợi, có khả năng hoạt động trong môi
trường đã có các thiết bị không dây khác hoạt động một hay nhiều tần số. Khả
năng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu đảm bảo sự triển khai được thành
công.
- Bảo mật: các nút mạng riêng lẻ cần có khả năng thực hiện mã hoá phức tạp
và thuật toán xác thực. Truyền dữ liệu không dây rất dễ
bi chặn, chỉ có một cách
bảo mật là mã hoá toàn bộ dữ liệu truyền, mỗi nút mạng cần tự bảo mật dữ liệu
của chúng.
- Truyền thông: khi độ bao phủ của mạng không bị giới hạn bởi khoảng cách
truyền của các nút riêng biệt, khoảng cách truyền có một ảnh hưởng quan trọng
tới mật độ tối thiểu các nút có thể chấp nhận được. Tốc độ
truyền cũng ảnh
hưởng lớn đến hiệu suất của nút mạng. Tốc độ truyền tăng làm cho việc truyền
mất ít thời gian hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn. Tuy nhiên, tăng tốc độ cũng
thường làm tăng năng lượng tiêu thụ radio dẫn tới tăng hiệu suất hệ thống. Tổng
thể, lợi ích của việc tăng tốc độ có th
ể được bù lại bởi các yếu tố khác.
- Tính toán: tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu nội mạng và quản lý các giao
thức truyền thông không dây mức thấp. Tốc độ truyền cao đòi hỏi việc tính toán
nhanh hơn.
- Đồng bộ thời gian: các nút cần duy trì đồng bộ thời gian chính xác với các
nút khác trong mạng để hỗ trợ tương quan thời gian đọc cảm biến và chu trình
hoạt động ngắn của ứ
ng dụng thu thập dữ liệu. Các nút cần ngủ và thức dậy
cùng nhau để chúng có thể định kỳ truyền thông cho nhau. Các lỗi trong việc
tính thời gian sẽ tạo nên sự hoạt động không hiệu quả dẫn đến tăng chu trình làm
việc. Phụ thuộc vào điện áp, độ ẩm, nhiệt độ, thời gian dựa theo lao động sẽ
không như nhau. Như vậy, để bù lại sự không chính xác cần có cơ chế
đồng bộ
hoá cao.
- 15 -
- Kích thước và chi phí: có ảnh hưởng đến sự dễ dàng và chi phí khi triển
khai. Tổng chi phí vật tư và chi phí triển khai ban đầu là hai yếu tố chủ chốt dẫn
đễn việc chấp nhận các công nghệ mạng cảm biến không dây. Kích thước vật lý
cũng ảnh hưởng đến sự dễ dàng khi triển khai mạng. Các nút nhỏ có thể được
đặt ở nhiều vị trí hơn và được sử dụng trong nhiều tình huống hơn.
1.7. Triển khai hệ thống mạng cảm biến không dây
1.7.1. Giới thiệu
Hệ thống mạng cảm biến không dây được kết nối với máy tính thông qua
cáp nối RS232. Do đó, việc thu nhận dữ liệu từ nút mạng về máy tính sẽ thực
hiện truyền qua giao tiếp RS232 (cổng COM). Ngôn ngữ lập trình được sử dụng
là ngôn ngữ C, chương trình dịch là Keil µVision2.0/3.0. Vi điều khiển được lựa
chọn để xây d
ựng nút mạng ở đây là CC1010. Việc chọn vi điều khiển hợp lý sẽ
làm cho quá trình xây dựng hệ thống được rút ngắn, hệ thống hoạt động ổn định,
tin cậy. Vi điều khiển CC1010 được lựa chọn dựa trên các chỉ tiêu sau:
- Tiêu thụ năng lượng thấp.
- Tích hợp ADC để có thể ghép nối với cảm biến tương tự.
- Bộ nhớ chươ
ng trình cũng như bộ nhớ dữ liệu có kích thước hợp lý.
- Kích thước vật lý nhỏ.
- Có công cụ phát triển giúp người phát triển xây dựng hệ thống dễ dàng và
thuận tiện như: sử dụng ngôn ngữ cấp cao, có các thư viện hỗ trợ cho việc
cảm biến cũng như truyền nhận không dây, hỗ trợ gỡ lỗi…
- Giá thành rẻ.
1.7.2. Mô hình triển khai
Mạng cảm bi
ến không dây gồm nhiều nút mạng sử dụng vi điều khiển
CC1010 giao tiếp với nhau qua sóng vô tuyến ở dải tần số 300 - 1000 MHz. Mô
hình mạng mạng cảm biến không dây được xây dựng theo nguyên tắc sau:
- Khối CC1010EB kết nối trực tiếp với máy tính để nạp chương trình, hỗ trợ
tính năng gỡ lỗi.
- Khối CC1010EM được đính kèm để thu phát dữ liệu không dây và gửi dữ
liệu về khố
i CC1010EB.
- 16 -
Hình 1.6: Mô hình mạng cảm biến không dây
1.8. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây tập trung vào ba
dạng:
thu
thập dữ
liệu
môi trường,
giám
sát
an
ninh
và
theo
dõi
đối
tượng.
1.8.1.
Thu thập dữ liệu môi trường
Mạng
cảm
biến
không
dây
thu
thập
dữ
liệu
môi
trường
ra
đời
đáp
ứng
cho nhu
cầu
thu
thập
thông
tin
về
môi
trường
tại
một
tập
hợp
các
điểm
xác
định
trong một
khoảng
thời
gian
nhất
định
nhằm
phát
hiện
xu
hướng
hoặc
quy
luật
vận
động của
môi
trường.
Bài
toán
này
được
đặc
trưng
bởi
một
số
lớn
các
nút
mạng,
thường xuyên
cung
cấp
thông
số môi
trường
và
gửi
về
một
hoặc
một
tập
trạm
gốc
(base station)
có
kết
nối
với
trung
tâm
xử
lý
(thường
là
hệ
thống
máy
tính)
phân
tích,
xử lý,
đưa
ra
các
phương
án
phù
hợp
hoặc
cảnh
báo
hay
đơn
thuần
chỉ
là
lưu
trữ
số liệu.
Yêu
cầu
đặt
ra
đối
với
các
mạng
kiểu
này
là
thời
gian
sống
phải
dài
hay
nói cách
khác
là
các
nút
mạng
phải
tiêu
thụ
năng
lượng
ít.
Hệ thống m
ạng
cho
ứng
dụng
thu
thập dữ
liệu
môi
trường
thường
sử
dụng
topology
dạng
cây,
mỗi
nút
mạng
có
một
nút cha
duy
nhất.
Trạm
gốc
sẽ
là
gốc
của
cây.
Dữ
liệu
từ
một
nút
bất
kỳ
sẽ
được
gửi
đến
cho
nút
cha
của
nó,
nút
này
lại
tiếp
tục
chuyển
đến
cho
nút
cha
tiếp
theo
(nút
ông), cứ
như
vậy,
dữ
liệu
sẽ
được
chuyển
về
trạm
gốc.
Những
vấn
đề
nảy
sinh
với
cấu
hình
mạng
này
là:
-
Hiện
tượng
thắt
cổ
chai
(bottleneck)
khi
số
lượng
nút
mạng
lớn.
-
Một
vài
nút
mạng,
vì
một
số
lý
do
nào
đó,
không
hoạt
động.
Để
mạng
- 17 -
tiếp
tục
hoạt
động
nó
phải
có
khả
năng
tự
cấu
hình
lại,
nghĩa
là
phải
phát
hiện
ra
các nút
bị
hỏng
hoặc
định
kỳ
thực
hiện
việc
cấu
hình
lại
mạng.
-
Mạng
phải
có
thời
gian
sống
dài,
từ
vài
tháng
đến
vài
năm,
cần
giải
quyết
vấn
đề
tiêu
thụ
năng
lượng
của
các
nút
mạng
tối
ưu
nhất.
-
Phần
mềm
nhúng
phải
được
thiết
kế
và
lập
trình
sao
cho
phù
hợp
nhất với
bài
toán
truyền
thông
các
thông
số
đo
được
như
nhiệt
độ,
độ
ẩm,
ánh
sáng Phần
mềm
phải
tương
thích
với
phần
cứng
để
hệ thống có khả năng
hoạt động ổn định theo thời gian.
1.8.2.
Giá
m
sát
a
n
nin
h
Một
ứng
dụng
thứ
hai
của
mạng
cảm
biến
là
giám
sát
an
ninh.
Các
mạng
giám sát
an
ninh
được
tạo
bởi
các
nút
đặt
ở
những
vị
trí
cố
định
trong
môi
trường
liên
tục theo
dõi
một
hay
nhiều
cảm
biến
để
nhận
biết
sự
bất
thường.
Sự
khác
nhau
chủ
yếu giữa
giám
sát
an
ninh
và
giám
sát
môi
trường
là
các
mạng
an
ninh
không
thu
thập bất
kỳ
dữ
liệu
nào.
Điều
này
có
tác
động
lớn
đến
việc
tối
ưu
kiến
trúc
mạng.
Mỗi nút
thường
xuyên
kiểm
tra
trạng
thái
các
cảm
biến
của
chúng
nhưng
chỉ
truyền
dữ liệu
khi
có
sự
vi
phạm
an
ninh.
Việc
truyền
tức
thời
và
tin
cậy
của
thông
điệp
cảnh báo
là
yêu
cầu
chính
của
hệ
thống. Thêm
vào
đó,
nó
cần
được
xác
nhận
là
mỗi
nút
vẫn
hiện
diện
và
hoạt
động. Nếu
một
nút
bị
lỗi,
nó
sẽ
thể
hiện
một
sự
vi
phạm
an
ninh
cần
được
thông
báo.
Đối với
các
ứng
dụng
giám
sát
an
ninh,
mạng
cần
được
cấu
hình
sao
cho
các
nút
chịu trách
nhiệm
xác
nhận
trạng
thái
các
nút
khác.
Một
cách
tiếp
cận
là
mỗi
nút
ngang hàng
sẽ
thông
báo
nếu
một
nút
không
hoạt
động.
Mô
hình
tối
ưu
của
một
m
ạng giám
sát
an
ninh
sẽ
hoàn
toàn
khác
với
mạng
thu
thập
dữ
liệu.
Trong
cây
thu
thập
số
liệu,
mỗi
nút
phải
truyền
dữ
liệu
của
tất
cả
con
cháu.
Do đó,
tối
ưu
là
cây
ngắn
và
rộng.
Ngược
lại,
với
mạng
an
ninh
cấu
hình
tối
ưu
sẽ
có mô
hình
mạng
tuyến
tính.
Công
suất
tiêu
thụ
của
mỗi
nút
chỉ
tỷ
lệ
với
số
các
con của
nó.
Trong
mạng
tuyến
tính,
mỗi
nút
chỉ
có
1
con.
Điều
này
phân
phối
đều
năng lượng
tiêu
thụ
của
mạng.
Sự
tiêu
thụ
năng
lượng
chủ
yếu
trong
mạng
an
ninh
là
gặp
các
yêu
cầu
báo hiệu
cảnh
báo
khi
có
sự
vi
phạm
an
ninh.
Mỗi
khi
nhận
thấy,
một
sự
vi
phạm
an ninh
cần
được
truyền
tới
trạm
gốc
ngay
lập
tức.
Độ
trễ
của
việc
truyền
dữ
liệu
qua mạng
tới
trạm
gốc
có
ảnh
hưởng
nhất
định
tới
hiệu
quả
của
- 18 -
ứng
dụng.
Các
nút
mạng cần
có
khả
năng
trả
lời
nhanh
chóng
với
các
yêu
cầu
của
các
nút
láng
giềng
để chuyển
tiếp
dữ
liệu.
Trong
các
mạng
an
ninh
việc
giảm
thời
gian
trễ
của
việc
truyền
cảnh
báo
quan trọng
hơn
việc
giảm
chi
phí
năng
lượng
khi
truyền.
Điều
này
do
các
sự
kiện
cảnh báo
rất
hiếm
khi
xảy
ra.
Trong
mạng
phòng
cháy
các
cảnh
báo
gần
như
không
bao giờ
xảy
ra.
Đối
với
sự
kiện
xảy
ra
1
lần
năng
lượng
chủ
yếu
được
dành
cho
việc truyền.
Giảm
độ
trễ
truyền
sẽ
làm
tăng
năng
lượng
tiêu
thụ
vì
các
nút
định
tuyến phải
giám
sát
các
kênh
radio
thường
xuyên
hơn.
Trong
các
mạng
an
ninh,
phần
lớn
năng
lượng
tiêu
thụ
dành
cho
việc
xác
nhận chức
năng
của
các
nút
láng
giềng
và
chuẩn
bị
chuyển
tiếp
thông
báo
cảnh
báo.
Việc truyền
dữ
liệu
hiện
thời
sẽ
tốn
một
phần
năng
lượng
của
mạng.
1.8.3.
Theo
d
õi
đ
ối
t
ư
ợ
n
g
Với
các
mạng
cảm
biến
không
dây,
các
đối
tượng
có
thể
được
theo
dõi
đơn giản
gắn
chúng
với
một
nút
cảm
biến
nhỏ.
Nút
cảm
biến
này
sẽ
được
theo
dõi
khi chúng
đi
qua
một
trường
các
nút
cảm
biến
được
triển
khai
tại
những
vị
trí
đã
biết. Thay
vì
cảm
nhận
dữ
liệu
môi
trường,
những
nút
này
sẽ
được
triển
khai
để
cảm biến
các
thông
điệp
RF
của
các
nút
gắn
với
các
đối
tượng.
Những
nút
này
có
thể được
sử
dụng
như
những
thẻ
để
thông
báo
sự
có
mặt
của
một
thiết
bị.
Một
cơ
sở
dữ liệu
có
thể
được
sử
dụng
để
ghi
lại
vị
trí
tương
đối
của
đối
tượng
với
các
nút
mạng, do
đó
có
thể
biết
vị
trí
hiện
thời
của
đối
tượng.
Không
như
mạng
cảm
biến
hay
mạng
an
ninh,
các
ứng
dụng
theo
dõi
sẽ
liên tục
thay
đổi
topology
khi
các
nút
đi
qua
mạng.
Trong
khi
sự
kết
nối
giữa
các
nút
tại các
vị
trí
cố
định
tương
đối
ổn
định,
sự
kết
nối
tới
các
nút
di
động
sẽ
liên
tục
thay đổi.
Thêm
vào
đó
tập
hợp
các
nút
bị
theo
dõi
sẽ
liên
tục
thay
đổi
khi
các
nút
gia nhập
hay
rời
khỏi
hệ
thống.
Điều
chủ
yếu
là
mạng
có
khả
năng
nhận
biết
một
cách hiệu
quả
sự
có
mặt
của
các
nút
mới
đi
vào
mạng.
Trong thực tế cuộc sống, các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
trong từng lĩnh vực cụ thể có thể liệt kê như sau:
- Ứng dụng kiểm tra môi trường sinh thái:
+ Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa,…
+ Phát hiện ô nhiễm, chất thải,…
- 19 -
- Ứng dụng trong quân sự:
+ Giám sát và theo dõi các mục tiêu quân sự.
+ Phát hiện mìn, chất độc,…
+ Điều khiển kích hoạt các thiết bị, vũ khí quân sự.
- Ứng dụng kiểm tra cấu trúc (tòa nhà, cầu, đường, máy móc…) và động đất:
Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất,
những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và
cảnh báo sớm hiện tượ
ng động đất và núi lửa phun trào.
- Ứng dụng trong gia đình: Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm
biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn
được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo
lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.
- Ứng dụng trong y tế: Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể
nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi
của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h. Trong thời gian tồn tại trong cơ
thể, 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.
- Ứng dụng trong công nghiệp và thương mại.
+ Hệ th
ống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, chống rò rỉ,…
+ Điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
- Ứng dụng trong nông nghiệp: Hàng trăm nút nằm rải rác trong cánh đồng
liên kết với nhau, thiết lập một mô hình định tuyến, và truyền dữ liệu cho
một trung tâm. Ứng dụng đòi hỏi phải thiết thực, linh động, chi phí thấp và
dễ triển khai thành mạng cảm biến không dây. Nếu một trong các nút lỗi,
một mô hình mạng mới được lựa chọn và toàn bộ mạng vẫn tiếp tục truyền
dữ liệu. Nếu có thêm nút mạng, chúng chỉ tạo nên nhiều cơ hội định tuyến
hơn.
- 20 -
Hình 1.7: Một ví dụ về ứng dụng của WSN trong nông nghiệp
Trên đây là một số giới thiệu cơ bản về mạng cảm biến không dây và các
ứng dụng của nó. Mục tiêu của luận văn không nhằm tìm hiểu chi tiết tất cả các
đặc tính của mạng cảm biến không dây mà chỉ đi vào tìm hiểu một đặc tính rất
quan trọng của mạng cảm biến không dây đó là đặc tính vô tuyế
n trên cơ sở
nghiên cứu các mô hình vô tuyến của mạng.
- 21 -
CHƯƠNG 2. CÁC ĐẶC TÍNH VÔ TUYẾN CỦA
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Như đã trình bày trong chương 1, Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
không dây bao gồm 5 lớp và ba mặt phẳng quản lý. Trong đó 5 lớp là: lớp vật lý,
lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải và lớp ứng dụng. Ba mặt phẳng
quản lý là mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di
động và mặt
phẳng quản lý.
Trong các lớp thì Lớp vật lý có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số
sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Nói cách khác, quá
trình truyền vô tuyến được thực hiện ở lớp vật lý.
2.1. Lớp vật lý
Lớp Vật lý có tác dụng điều khiển sao cho dữ liệu được đặt vào môi trường
truyền thông vô tuyến. Nó có vai trò mã hóa các bit nhị phân trong các khung
(frame) c
ủa tầng Liên kết dữ liệu thành tín hiệu và thực hiện truyền/nhận các tín
hiệu này qua môi trường vật lý. Môi trường nghiên cứu trong trường hợp này là
môi trường không dây (wireless).
2.1.1. Tầng Vật lý - Truyền thông tín hiệu
Tầng Vật lý có các chức năng sau:
- Tầng Vật lý cung cấp các phương tiện để vận chuyển các bit được lấy từ
khung qua môi trường mạng.
- Tầng Vật lý nhận khung hoàn chỉnh từ tầng Liên kết dữ li
ệu và mã hóa các
dữ liệu trong khung thành một chuỗi các tín hiệu, sau đó truyền qua môi trường.
Các bit mã hóa này được nhận bởi các thiết bị đầu cuối hay thiết bị trung gian.
Quá trình phân phát các khung qua môi trường đòi hỏi các yếu tố vật lý:
Môi trường vật lý
Quá trình biểu diễn các bit qua môi trường
Mã hóa dữ liệu và điều khiển thông tin
Mạch truyền và nhận trên các thiết bị mạng
- 22 -
- Một chức năng nữa của tầng Vật lý là nhận tín hiệu từ môi trường và khôi
phục chúng thành các bit và đưa các bit đến tầng Liên kết dữ liệu như các
khung hoàn chỉnh.
Hoạt động của tầng Vật lý:
- Môi trường không truyền các đơn frame. Môi trường chỉ truyền tín hiệu
(biểu diễn các bit cấu tạo nên khung) tại một thời điểm nhất định. Sự biểu
diễn các bit là một d
ạng của tín hiệu, phụ thuộc vào từng loại môi trường.
Trong môi trường mạng cảm biến không dây tín hiệu có dạng radio.
- Nhận dạng khung:
Khi tầng Vật lý mã hóa các bit thành dạng tín hiệu phù hợp với môi
trường truyền thì nó nhận ra đâu là một khung và đâu là khung tiếp
theo.
Các thiết bị trên môi trường sẽ không nhận ra khi một khung vừa được
nhận hoàn chỉnh. Trong trường hợp này thiết bị đích sẽ ch
ỉ nhận một
chuổi tín hiệu và tiến hành khôi phục lại khung thích hợp.
Để các thiết bị nhận có thể nhận ra rõ ràng các ranh giới khung, thiết bị
truyền thêm vào các tín hiệu để định rõ đâu là bắt đầu và kết thúc của
khung. Các tín hiệu này sử dụng các dạng bit riêng để xác định bắt đầu
và kết thúc của một khung.
Các chuẩn Tầng Vật lý bao gồm: phần cứng được thiết kế d
ưới dạng mạch
điện; môi trường và các bộ nối. Do đó, các chuẩn chủ đạo phù hợp với phần
cứng được xác định dựa trên các vấn đề liên quan đến điện và các hoạt động
truyền thông. Các công nghệ tầngVật lý được xác định rõ bởi các tổ chức IEEE,
Zigbee…đặc biệt là các chuẩn IEEE 802.11b, WPAN 802.15.4…
2.1.2. Báo hiệu và mã hóa - Sự biểu diễn bit
Báo hiệu bit cho môi trường:
- Tất cả các thông tin từ
mạng đều chuyển sang các số nhị phân và được vận
chuyển riêng qua môi trường vật lý. Tầng Vật lý biểu diễn bit trong khung
như một tín hiệu. Phương pháp biểu diễn các bit được gọi là báo hiệu và
được thực hiện bởi các thiết bị nhận.
- Các phương pháp báo hiệu: Các bit được biểu diễn trên môi trường bằng
cách thay đổi một hay nhiều đặc điểm của tín hiệu: biên độ, tần số và pha.
- 23 -
- Trạng thái tự nhiên của các tín hiệu thực biểu diễn bit trên môi trường sẽ
phụ thuộc vào biện pháp báo hiệu được sử dụng. Một vài phương pháp báo
hiệu sử dụng một thuộc tính nào đó của tín hiệu để biểu diễn mức “0” và sử
dụng một thuộc tính khác của tín hiệu để biểu diễn mức “1”.
- Phương pháp báo hiệu được sử dụng phải có sự tương thích v
ới một chuẩn
để bên nhận có thể tìm thấy tín hiệu và giải mã chúng. Một chuẩn chứa sự
tương thích giữa bên truyền và bên nhận trong việc: bằng cách nào để biểu
diễn mức “0” và mức “1”. Nếu không có sự tương thích trong báo hiệu, tức
là không có một chuẩn nào được sử dụng tại mỗi điểm kết cuối của sự
truyền thì thông tin qua môi trường vật lý sẽ bị hỏng.
- S
ự thành công trong việc phát bit đi yêu cầu một vài phương pháp đồng bộ
giữa bên nhận và bên gửi. Các tín hiệu biểu diễn bit phải được kiểm tra chi
tiết trong suốt thời gian bit để xác định đúng các tín hiệu biểu diễn mức “1”
hay mức “0”. Sự đồng bộ được thực hiện bằng cách sử dụng đồng hồ
(clock). Nhiều phương pháp báo hiệu sử dụng chuyển đổi có dự báo trong
báo hiệu
để cung cấp sự đồng bộ giữa hai clock của thiết bị truyền và thiết
bị nhận.
Mã hóa - nhóm các bit:
- Chúng ta sử dụng từ mã để biểu diễn các nhóm đặc trưng của các bit trước
khi chúng được biểu diễn trên môi trường. Bằng cách sử dụng bước mã hóa
trước khi tín hiệu được đặt vào môi trường, chúng ta có thể cải tiến có hiệu
quả việc truyền dữ liệu tốc độ
cao.
- Khi chúng ta sử dụng tốc độ dữ liệu cao trên truyền thông thì có khả năng
dữ liệu sẽ bị sai lạc. Bằng cách sử dụng các nhóm mã, chúng ta có thể tìm
được lỗi có hiệu quả hơn. Thêm vào đó, khi có yêu cầu tốc độ dữ liệu tăng,
chúng ta phải tìm kiếm những phương thức để biểu diễn nhiều dữ liệu qua
môi trường truyền thông bằng cách truyền ít bit hơn. Mã nhóm (group)
cung cấp mộ
t phương pháp làm tối ưu sự biểu diễn dữ liệu.
- Tầng vật lý của thiết bị mạng cần có khả năng dò tìm các tín hiệu mang dữ
liệu và bỏ qua các tín hiệu không có dữ liệu ngẫu nhiên trên môi trường vật
lý.
Mã nhóm (code group):
- 24 -
- Kỹ thuật mã hóa sử dụng các dạng bit gọi là các symbol. Tập hợp các
symbol được mã hóa gọi là nhóm mã (code group). Tầng Vật lý sử dụng
các code group để biểu diễn dữ liệu mã hóa hay dữ liệu điều khiển thông
tin. Một code group là một chuỗi liên tiếp các bit mã được hiểu/ánh xạ như
một dạng bit dữ liệu. Ví dụ các bit mã 10101 có thể biểu diễn cho các bit
dữ liệu 0011.
- Code group diễn ra ở tầng Vật lý trước ho
ạt động của các tín hiệu.
- Bằng cách truyền symbol, khả năng dò lỗi và đồng bộ thời gian giữa thiết
bị truyền và thiết bị nhận được cải tiến.
- Những thuận lợi trong việc sử dụng code group:
Giảm mức độ lỗi bit
Giới hạn năng lượng truyền
Phân biệt dữ liệu trong điều khiển
Phát hi
ện lỗi trên môi trường tốt hơn
2.1.3. Môi trường vật lý - Kết nối truyền thông
Tầng Vật lý liên quan đến môi trường mạng và báo hiệu. Nhiều chuẩn khác
nhau đã góp phần đưa ra các đặc điểm vật lý, điện, cơ của môi trường sẵn có cho
các phương tiện truyền thông dữ liệu khác nhau. Các đặc điểm này bảo đảm
rằng sóng vô tuyến và các bộ nối sẽ hoạt động v
ới các thành phần của tầng Vật
lý.
2.2. Các đặc tính vô tuyến của mạng cảm biến không dây
Truyền thông vô tuyến, một mặt là chìa khóa cho sự triển khai mạng cảm
biến do mạng cảm biến là loại mạng với giá thành thấp và tính linh hoạt cao.
Nhưng mặt khác, nó cũng đòi hỏi nhiều thách thức lớn bởi vì truyền thông vô
tuyến là tốn kém và điều kiện kết nối vô tuyến thường rấ
t khắc nghiệt, thay đổi
rất đáng kể về không gian và thời gian do các hiệu ứng truyền thông đa đường.
Phần này sẽ tập trung vào ba mô hình đơn giản, có ích trong việc tìm hiểu
và phân tích các giao thức lớp mạng cao hơn của mạng cảm biến không dây:
- Mô hình chất lượng liên kết: Đây là một mô hình thực tế chỉ ra tỷ lệ nhận
gói tin như thế nào. Nó kết hợp cả hai mô hình là: mô hình truyền sóng vô
tuyến và mô hình nh
ận sóng vô tuyến.
