NGHIÊN cứu mã điều KHIỂN lỗi TRONG

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
  

NGUYỄN VĂN BA

NGHIÊN CỨU MÃ ĐIỀU KHIỂN LỖI TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐỂ NÂNG CAO
HIỆU QUẢ VIỆC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG
Ngành:
Chuyên ngành:
Mã ngành:

Công nghệ Điện tử - Viễn Thông
Kỹ thuật điện tử
60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Pgs.Ts Vương Đạo Vy

HÀ NỘI - 2010


2

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi : Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sĩ, khoa Điện Tử-Viễn Thông,

trường Đại học Công Nghệ- Đại học Quốc Gia Hà Nội.
Tôi tên là : Nguyễn Văn Ba
Tên đề tài luận văn Thạc sĩ:
“Nghiên cứu mã điều khiển lỗi trong mạng cảm biến không dây để
nâng cao hiệu quả việc sử dụng năng lượng”
Trong thời gian dài qua quá trình nghiên cứu và học tập, tôi đã hoàn thành
luận văn của mình với sự giúp đỡ của các thày, cô trong khoa và các bạn cùng
lớp. Tôi cam đoan luận văn không có sự trùng lặp với các công trình khoa học,
luận văn đã công bố trong và ngoài nước, đảm bảo tính trung thực, rõ ràng và
trích dẫn đầy đủ trong tài liệu tham khảo.
Hà Nội, tháng 05 năm 2010
Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Ba


3

MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 7
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) ....................... 9
1.1 Giới thiệu .................................................................................................................... 9
Hình 1.1 Mô hình phân tầng mạng WSN................................................................................ 9
Hình 1.2 Quá trình đóng gói dữ liệu ..................................................................................... 10
1.2 Cấu trúc cho mạng cảm biến ................................................................................... 11
Hình 1.3 Giao tiếp không dây multihop................................................................................ 11
1.2.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture) .................................................................. 12
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng ..................................................................................................... 12
1.2.2 Cấu trúc tầng (Tiered Architecture)................................................................. 12
Hình 1.5 Cấu trúc phân tầng................................................................................................. 13
Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý .............................................................. 14

Hình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic................................................................................ 15
1.2.3 Lựa chọn cấu trúc cho mạng cảm biến ............................................................. 15
1.3 Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến .......................................................... 17
1.3.1 Giao thức đồng bộ thời gian .............................................................................. 17
1.3.1.1 Đồng hồ trong các node cảm biến .......................................................................... 18
1.3.1.2 Đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến................................................................ 18
Hình 1.9 Đồng bộ bên phát-bên nhận và bên nhận-bên nhận ................................................ 19
1.3.2 Giao thức vị trí................................................................................................... 20
1.3.2.1 Định vị dựa vào mốc có sẵn.................................................................................... 21
1.3.2.2 Định vị dựa vào vị trí tương đối............................................................................. 21
1.3.3 Định tuyến trong mạng cảm biến...................................................................... 22
1.3.3.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu (Data Center Protocol) .......................................... 23
1.3.3.1.1 SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) ................................ 23
Hình 1.10 Giao thức SPIN ................................................................................................... 24
1.3.3.1.2 Truyền trực tiếp Directed Diffusion .................................................................. 24
Hình 1.11 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp ............................................................ 25
1.3.3.2 Định tuyến phân cấp .............................................................................................. 26
Hình 1.12 Mô hình mạng LEACH........................................................................................ 28
1.4 Kiến trúc giao thức mạng ........................................................................................... 28
Hình 1.13 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến ............................................................... 29
1.5 Lỗi trong quá trình tuyền tin ................................................................................... 31
Hình 1.14a Cơ chế phát lại dừng và đợi Stop and Wait ARQ............................................... 32
Tx gửi 1 frame và đợi ACK từ Rx trước khi truyền next frame............................................. 32
Hình 1.14b Cơ chế phát lại theo nhóm Go back N ARQ....................................................... 33
Tx có thể truyền liên tiếp các frame...................................................................................... 33
Hình 1.15 Cơ chế phát lại có lựa chọn Selective Repeat ARQ .............................................. 33
Tx có thể truyền liên tiếp các frame...................................................................................... 33
1.6 Một số ứng dụng trong mạng cảm biến................................................................... 34
1.6.1 Ứng dụng trong quân đội .................................................................................. 35
Hình 1.16 Node cảm biến được gán lên mũ .......................................................................... 36

Hình 1.17 Ứng dụng mạng cảm biến trong quân đội............................................................. 36
1.6.2 Ứng dụng trong môi trường .............................................................................. 37
Hình 1.18 Ứng dụng trong môi trường ................................................................................. 37
Hình 1.19 Cảnh báo cháy rừng ............................................................................................. 38
1.6.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe .................................................................. 38
Hình 1.20 Gán node cảm biến lên cơ thể người .................................................................... 39
Hình 1.21 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe ..................................................................... 40
1.6.4 Ứng dụng trong gia đình ................................................................................... 40


4
Hình 1.22 Ứng dụng trong gia đình ...................................................................................... 41
1.6.5 Ứng dụng trong giao thông ............................................................................... 41
Hình 1.23 Ứng dụng trong giao thông .................................................................................. 41
1.7 Những khó khăn trong việc phát triển mạng WSN................................................. 42
1.7.1 Giới hạn năng lượng.......................................................................................... 42
1.7.2 Bị giới hạn về dải thông..................................................................................... 42
1.7.3 Bị giới hạn về phần cứng ................................................................................... 42
Hình 1.24 Cấu trúc phần cứng của sensor............................................................................. 42
1.7.4 Kết nối mạng không ổn định ............................................................................. 43
1.7.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên................................. 43
Chương 2: PHÁT HIỆN VÀ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN WSN .................. 44
2.1 Giới thiệu .................................................................................................................. 44
Hình 2.1 Giao tiếp các node trong mạng cảm biến................................................................ 44
Hình 2.2 Mã hoá NRZ và mã hoá Manchester...................................................................... 46
Hình 2.3 Mã hoá bit ............................................................................................................. 46
2.2 Các loại lỗi bit........................................................................................................... 47

................................ 47
Hình 2.4 Lỗi bit trong quá trình truyền nhận dữ liệu............................................................. 47

2.3 Phát hiện lỗi .............................................................................................................. 47
Hình 2.5 Phương pháp sử dụng bit dư thừa .......................................................................... 48
Kiểm lỗi dư thừa tuần hoàn CRC.............................................................................. 48
Hình 2.6 Quá trình kiểm lỗi CRC ......................................................................................... 49
Hình 2.7 Phép chia nhị phân để tìm CRC ............................................................................. 50
2.4 Sửa lỗi ................................................................................................................... 51
Mã Hamming.............................................................................................................. 51
Hình 2.8 Cách chèn các bit dư thừa vào dữ liệu.................................................................... 51
Hình 2.9 Cách tính các bit chẵn lẻ trong mã Hamming ......................................................... 52
Hình 2.10 Kiểm tra các bit chẵn lẻ ....................................................................................... 53
Chương 3: MÃ ĐIỀU KHIỂN LỖI SỬ DỤNG TRONG WSN........................................ 58
3.1 Giới thiệu .................................................................................................................. 58
Bảng 3.1 Sự tiêu thụ điện năng trong các node cảm biến ...................................................... 58
3.2 Lý thuyết về mã hoá ................................................................................................. 58
3.3 Phương pháp sửa lỗi chuyển tiếp FEC .................................................................... 60
Hình 3.2 Cơ chế sửa lỗi FEC................................................................................................ 60
Mục tiêu của phương pháp này là xây dựng nguyên tắc sửa lỗi dựa vào khoảng cách
Hamming. Trên nguyên tắc này, phương pháp sửa lỗi “kiểm tra chẵn lẻ (parity check)” được
xây dựng và tạo ra quy trình sửa lỗi tối ưu và phù hợp với công nghệ truyền tin hiện nay..... 60
Xét v1 và v2 là 2 dãy nhị phân dài n bit, ta gọi khoảng cách Hamming giữa 2 dãy v1 và v2 là
số bit tương ứng khác nhau. Ký hiệu d(v1, v2). .................................................................... 61
Ví dụ :.................................................................................................................................. 61
v1 = 10101010 ..................................................................................................................... 61
v2 = 10101111 ..................................................................................................................... 61
Ta nhận thấy rằng bit thứ 6 và bit thứ 8 giữa v1 và v2 là khác nhau nên số bit tương ứng khác
nhau giữa v1 và v2 là 2. Do đó ta nói khoảng cách Hamming giữa v1 và v2 là 2 hay d(v1,v2)
= 2. ...................................................................................................................................... 61
Bổ đề tự sửa lỗi được ứng dụng trong FEC .......................................................................... 61

5
Xét bộ mã W= {w1 , w2, … , ws} gồm có s từ mã nhị phân dài n bit và 1 số nguyên dương e.
............................................................................................................................................ 61
- Nếu khoảng cách hamming nhỏ nhất dmin >= 2e+1........................................................... 61
Khi đó thì tất cả các dãy nhận được v có thể tự sửa được tối đa e bit lỗi. .............................. 61
- Nếu dmin >= 2e................................................................................................................. 61
Thì tất cả các dãy nhận được v sẽ có khả năng phát hiện tối đa e lỗi; nếu tổng số bit lỗi < e thì
v có thể tự điều chỉnh được, nếu số bit lỗi = e thì chỉ phát hiện được lỗi và không thể điều
chính được. .......................................................................................................................... 61
Trong bộ mã khối , gọi n là số bit trong một từ mã, k là số bit thông tin và m là bit kiểm tra
chẵn lẻ, e là số lỗi. khi đó:.................................................................................................... 61
Error! Objects cannot be created from editing field codes..................................................... 61
Điều kiện cần để bộ mã có thể tự sửa lỗi là........................................................................... 61
Điều kiện đủ để bộ mã có thể tự sửa lỗi (theo Vasharmov-Gilbert-Sacks)............................ 61
Error! Objects cannot be created from editing field codes. ............................................. 61
Với:
Error! Objects cannot be created from editing field codes. ............................ 62
Ví dụ:................................................................................................................................... 62
Mã 3 chiều (x, y, z) bắt đầu từ gốc 000. Cứ một tín hiệu t hay đổi thì mã bị đẩy đi theo 1 cạnh,
chẳng hạn :........................................................................................................................... 62
000 cách 010, 001 bởi 1 cạnh ............................................................................................... 62
011 cách 010, 111 và 001 bởi 1 cạnh.................................................................................... 62
Như vậy, nếu ta chọn w1 = 010, w2 = 001, w3 = 111 thì khoảng cách giữa chúng là 2 ; tức là
d(w1,w2)=(w1,w3)=d(w2,w3)=2 ............................................................................................. 62
Vậy nếu có lỗi phát sinh thì chỉ phát hiện chứ không sửa được............................................. 62
Như vậy ta có thể phân dạng các loại lỗi sau: ....................................................................... 62
- Lỗi có thể tự điều chỉnh: Gọi Error! Objects cannot be created from editing field codes.là
từ mã đúng được truyền tại nơi phát; v là từ mã nhận được tại nơi thu (truyền đúng thì wi = v).
............................................................................................................................................ 62
Trường hợp v # w; có thể xác định và tự điều chỉnh lại lỗi khi và chỉ khi tồn tại duy nhất từ

mã Error! Objects cannot be created from editing field codes.sao cho d(vj, w*i)=min d(vj,
wi) => khi đó dựa theo nguyên tắc ngần vẫn đúng vj được gải mã về w*i .............................. 62
- Lỗi chỉ phát hiện không thể tự điều chỉnh: Trong trường hợp này tồn tại w* và w** sao cho
d(vj,w*) = d(vj,w**) = min d(vj,wi) với mọi wi thuộc W....................................................... 62
=> không thể giải mã chính xác............................................................................................ 62
- Lỗi không phát hiện được: Trong trường hợp này ta giải mã ra w*I nhưng khác với wi đã
truyền................................................................................................................................... 62
3.3.1 Mã hoá khối tuyến tính Linear Block Codes .................................................... 62
Hình 3.3 Mã hoá, truyền dẫn và giải mã dữ liệu ................................................................... 63
3.3.1.1 Cách mã hoá ........................................................................................................... 64
3.3.1.2 Cách giải mã ........................................................................................................... 64
Hệ phương trình này gọi là hệ phương trình giải mã............................................................. 65
Do đó dữ liệu thu được ở bên nhận....................................................................................... 65
3.3.1.3 Các phát hiện lỗi..................................................................................................... 65
3.3.1.4 Cách sửa lỗi............................................................................................................. 66
Nếu d = 0 không lỗi ............................................................................................................. 69
Suy ra không lỗi................................................................................................................... 69
Suy ra có lỗi bit thư 7 bị truyền lỗi ....................................................................................... 70
3.3.2 Kỹ thuật ghép xen Interleaving......................................................................... 70
Hình 3.4 Không có ghép xen dữ liệu .................................................................................... 70
Hình 3.5 Hiệu quả của việc ghép xen dữ liệu........................................................................ 71
3.3.2.1 Khối xen dữ liệu...................................................................................................... 71
Hình 3.6 Đặc trưng khối xen từ bộ FEC tới kênh với D=3, N=7 ........................................... 72
Hình 3.7 Đặc trưng bộ giải xen từ kênh tới FEC với D=3, N=7 ............................................ 72


6
Hình 3.8. Mô tả kết quả các giá trị xen dữ liệu ..................................................................... 73
3.3.2.2 Kỹ thuật xen chập Convolution Interleaving ........................................................ 73
Hình 3.9 Bộ xen chập N=7, D=3 .......................................................................................... 73

3.3.3 Mã sửa lỗi kép - Double error correction codes ...................................................... 74
Một mã Double-Error-Correcting và Triple-Error-Detecting (DEC-TED) (16,8) được đề xuất
bởi Gulliver và Bhargave [5] với ma trận nhị phân P............................................................ 74

................................................................................ 74
Ma trận sinh G được tạo ra với dạng G=[I8 , P] và ma trận chẵn lẻ H có dạng H = [PT , I8].
Nếu 1 hay 2 bit lỗi xuất hiện, syndrome s sẽ hoặc là giống với 1 cột trong H hoặc là bằng phép
cộng tuyệt đối của 2 cột trong h; chỉ số của các cột này chính là vị trí của bit lỗi. ................. 75
Ví dụ:................................................................................................................................... 75
Với ma trận sinh G được cho như sau : ................................................................................ 75
Error! Objects cannot be created from editing field codes............................... 75
Error! Objects cannot be created from editing field codes............................... 75
Khi đó nếu cho bản tin u = [0100 0010] thì từ mã v sẽ là:..................................................... 75
v = uG = [0100 0010 1001 1100] ......................................................................................... 75
giả sử rằng bít thứ 2 và thứ 3 bị đảo do noise trong kênh không dây. Do đó, thông tin nhận
được sẽ là v’ = [0010 0010 1001 1100]. Bằng việc nhận v’ với ma trận chuyển vị của ma trận
chẵn lẻ H, chúng ta sẽ tính được s: ....................................................................................... 75
s = v’HT = [1010 1111] ........................................................................................................ 75
Hãy chú ý rằng syndrome đạt được bằng việc cộng tuyệt đối hàng thứ 2 và thứ 3 của ma trận
HT . Do đó ở thiết bị đầu cuối bộ thu thì các bít thứ 2 và thứ 3 đã bị đảo, để sửa lỗi, từ nhận
định trên ta sẽ có từ mã đúng là v = [0100 0010 1001 1100]. Bởi vì ma trận sinh G là một mã
hệ thống, nên chúng ta sẽ có 8 bit đầu tiên là dạng của dữ liệu nhận đúng là u =[0100 0010] 75
3.4 Hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng .................................................................... 76
Hình 3.11 Bit lỗi đơn và lỗi kép .......................................................................................... 76
Hình 3.12 Tính toán tỷ lệ mất gói tin.................................................................................... 77
3.4.1 Kiểm tra ngoài trời.................................................................................................... 77
3.4.2 Kiểm tra trong nhà.................................................................................................... 78
Hình 3.13 Các vị trí các node ở trong nhà............................................................................. 78

7

MỞ ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, con người luôn muốn ứng
dụng những công nghệ tiên tiến nhất phục vụ cho cuộc sống. Xu hướng mạnh là
phát triển các công nghệ không dây để thuận tiện hơn, các kỹ sư, nhà nghiên cứu
đã nghiên cứu những hệ thống mạng cảm biến không dây có thể nói là làm thay
đổi cuộc sống, bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa
chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập
trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày.
Đó là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương
lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể
thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh
mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến.
Tuy nhiên mạng cảm ứng 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.
Đề tài “Nghiên cứu mã điều khiển lỗi trong mạng cảm biến không dây để
nâng cao hiệu quả việc sử dụng năng lượng” do PGS.TS Vương Đạo Vy hướng
dẫn, đã được tác giả nghiên cứu và thực hiện với mục tiêu đưa ra các phương
pháp phát hiện và sửa lỗi, từ đó đưa phương pháp phù hợp cho mạng cảm biến.
Luận văn gồm bốn chương. Chương 1 giới thiệu về mạng cảm biến WSN.
Chương 2 nghiên cứu về các phương pháp phát hiện và sửa lỗi. Chương 3
nghiên cứu về mã điều khiển lỗi trong WSN. Dựa trên cơ sở lý thuyết chương 1,
và nghiên cứu các phương pháp phát hiện và sửa lỗi ứng dụng trong mạng cảm
biến ở chương 2 và chương 3, tác giả đưa ra kết luận khách quan về hiệu quả của
việc sử dụng năng lượng.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do hạn chế về tài liệu, trình độ nên tác
giả còn rất nhiều thiếu sót. Tác giả rất mong các thầy, các cô và các bạn đóng
góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn.
Trong suốt quá trình làm luận văn này, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ
của rất nhiều người. Đầu tiên, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến PGS.TS
Vương Đạo Vy , người luôn tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tác giả từ khi tác giả bắt


8

tay vào thực hiện đến khi hoàn thành. Không có sự hướng dẫn và giúp đỡ tận
tình của thầy, chắc chắn tác giả sẽ không thể nào hoàn thành được đề tài này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người
luôn động viên tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành
luận văn này.
Học viên


9

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN)

1.1 Giới thiệu
Một mạng cảm biến không dây WSN bao gồm nhiều node cảm biến nhỏ
có giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng thấp, giao tiếp thông qua các kết nối
không dây có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, xử lý thông tin và các
thành phần liên lạc. Tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự
kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Môi trường có thể là
tự nhiên hay các hệ thống sinh học. Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến
chủ yếu gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi và các ứng dụng trong y học.

Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất đa
dạng và không bị giới hạn.
Mô hình mạng cảm biến được chia thành nhiều tầng, mỗi tầng có một
nhiệm vụ riêng:

Hình 1.1 Mô hình phân tầng mạng WSN
+ Tầng ứng dụng (Application Layer): cung cấp một giao diện (interface)
đến người sử dụng.
+ Tầng hỗ trợ ứng dụng (Application Support Layer): có nhiệm vụ phân
chia và quản lý truyền thông giữa hai node đang hoạt động.


10

+ Tầng mạng (Network Layer): làm nhiệm vụ định tuyến truyền thông
giữa các mạng.
+ Tầng MAC (MAC Sub-Layer): thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản đó là:
- Sử dụng các kỹ thuật đóng khung để cho phép các tầng trên truy cập môi
trường.
- Sử dụng kỹ thuật truy nhập môi trường và dò lỗi để điều khiển làm sao
cho dữ liệu được đặt vào môi trường và được nhận từ môi trường.
+ Tầng vật lý (Physical Layer): có nhiệm vụ mã hóa các bit nhị phân trong
các frame của tầng liên kết dữ liệu thành tín hiệu và thực hiện truyền và nhận
các tín hiệu này qua môi trường vật lý (môi trường không dây).
Quá trình đóng gói dữ liệu trong mạng cảm biến như sau: Dữ liệu được
đưa xuống ngăn xếp giao thức trên đường đi của nó để truyền qua môi trường
mạng, mỗi giao thức khác nhau thêm thông tin vào dữ liệu với các mức khác
nhau.

Hình 1.2 Quá trình đóng gói dữ liệu

Trong mạng cảm biến không dây, các node mạng liên tục nhận và truyền
dữ liệu về các node trung tâm để xử lý. Các node trung tâm sau khi nhận được
khung dữ liệu từ các node trong mạng sẽ phải thực hiện nhiệm vụ tách các thành
phần thông tin có ích trong khung đó. Để có thể tách được các thông tin có ích
thì phải có sự đồng bộ về dạng khung dữ liệu giữa các node truyền và node trung
tâm. Quá trình đồng bộ này hoàn toàn thực hiện được vì cả bên truyền và bên


11

nhận đều được lập trình bởi người sử dụng. Do đó, các lập trình viên định nghĩa
các dạng khung cố định cho các khung dữ liệu được truyền trong mạng. Nhờ
vậy, các node mạng có thể phân biệt rõ các trường dữ liệu trong khung đã nhận
và quá trình chọn lọc để tách các thông tin có ích trở nên nhanh chóng và đơn
giản.[10]
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm
quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các node cảm biến hay chính là
sự giới hạn về năng lượng của chúng. Do đó khi truyền dữ liệu trong mạng cảm
biến có lỗi xảy ra, phải có cơ chế phù hợp để làm tăng thời gian sống của node
mạng lên.
1.2 Cấu trúc cho mạng cảm biến
Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có
hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng.
Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng cần phải dựa vào những đặc thù sau:
- Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây được sử dụng
cho các node mạng, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai node sẽ có nhiều hạn chế do
khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi node phát và node thu cách xa nhau
thì cần công suất phát lớn. Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để
giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng
giao tiếp multihop.

Hình 1.3 Giao tiếp không dây multihop


12

- Điều khiển lỗi: Nếu việc truyền dữ liệu kéo dài do gặp phải lỗi thì làm
giảm thời gian sống của mạng, để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng,
ta phải đưa ra giải pháp hợp lý.
- Cộng tác, xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng
một node cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều node cùng
cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node thu dữ liệu
gửi ngay đến node chính thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết
hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới node chính thì sẽ
tiết kiệm băng thông và năng lượng.[8]
Sau đây xét hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây:
1.2.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture)
Đây là cấu trúc đơn giản nhất, tất cả các node đều ngang hàng và đồng
nhất về hình dạng và chức năng. Các node giao tiếp qua multihop sử dụng các
nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần hơn
sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn.

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng

1.2.2 Cấu trúc tầng (Tiered Architecture)
Với cấu trúc này 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


13

node định sẵn, thường gọi là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các
node tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi node ở một mức xác định
thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.5 Cấu trúc phân tầng
Trong cấu trúc tầng thì được chia thành nhiều cấp và mỗi cấp được phân
một chức năng cụ thể, các chức năng như cảm nhận, tính toán và đưa ra kết quả.
- Cấp thấp nhất: thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận như đo đạc áp suất,
nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ, độ sâu,…
- Cấp giữa: thực hiện tính toán tức là thu nhận dữ liệu từ nhiều node khác
nhau rồi đưa ra quyết định.
- Cấp trên cùng: thực hiện thu thập tất cả thông tin ở cấp giữa rồi đưa
thông tin về trạng thái ban đầu như nhiệt độ, áp suất,… tại node thấp nhất đã đo
được.


14

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp theo chức năng
Các nhiệm vụ xác định có thể được 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 sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải
đơn giản để tách nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng
việc lọc dữ liệu này. Sự phân tích chức năng của các mạng cảm ứng có thể phản
ánh các đặc điểm tự nhiên của các node, hoặc có thể gọi đơn giản là sự phân biệt
theo logic. Một tập hợp con các node với khả năng truyền thông ở phạm vi rộng
có thể tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý.

Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý

15

Một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic
khi chúng thực hiện một nhiệm vụ đại diện cho các node 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 node. Những quy tắc logic này tạo nên
mạng phân cấp logic.

Hình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic

Những quy tắc logic này có thể thay phiên nhau định kì để đảm bảo sự
công bằng. Khi các nút với khả năng tính toán cao hơn hoạt động thì các nút ít
khả năng hơn sẽ chuyển các nhiệm vụ tính toán sang các nút này. Nếu không có
“computer servers” như vậy, một cụm các sensor cần thiết phải chọn ra một nút
để thực hiện các nhiệm vụ như là tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một số
trường hợp chỉ có mỗi nút có tài nguyên vật lý thích hợp mới thích hợp để thực
hiện các nhiệm vụ định sẵn.[9]
1.2.3 Lựa chọn cấu trúc cho mạng cảm biến
Mỗi một cấu trúc mạng đều có nhược điểm của nó, tuy nhiên việc chọn ra
một cấu trúc mạng sao cho nó tối ưu nhất là vấn đề cần thiết. Mạng cảm ứng xây
dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, với các lý do
như sau:
- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm ứng 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 nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để


16

thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng
phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao. Thay vào đó, nếu
một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận,
một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ
liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng. Khi cần phải
tính toán nhiều thì một 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 nút 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 tầng mà các
chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng
chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.
- Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm ứng 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 người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong
mạng là:

Trong đó:
- W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ
- n là số lượng node mạng
Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về
0. Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng 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 nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc.
Mỗi một trạm gốc 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. Tóm lại, việc tương thích
giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng. 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 nút, một phần phân bố đến tập con của

các nút. Giả thiết rằng các nút 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 tân 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.


17

1.3 Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến
Trong phần này ta đi sâu nghiên cứu về hai giao thức đó là giao thức đồng
bộ thời gian và giao thức vị trí. Hai giao thức này có ý nghĩa rất quan trọng trong
mạng cảm biến.

1.3.1 Giao thức đồng bộ thời gian
Vấn đề thời gian rất quan trọng trong nhiều ứng dụng và giao thức trong
mạng cảm biến. Các nút có thể đo thời gian bằng cách dùng các xung đồng hồ
cục bộ lấy từ các bộ dao động. Bởi vì các pha ngẫu nhiên làm dịch chuyển và
làm trôi tốc độ của bộ dao động, do vậy thời gian cục bộ của các nút sẽ bắt đầu
sai khác đi làm cho mạng mất đi sự đồng bộ. Do vậy việc đồng bộ thời gian có
vai trò rất quan trọng trong hoạt động của mạng cảm biến.
Đồng bộ thời gian là phương thức cho phép các thực thể riêng biệt trong
một nhóm đồng bộ xung đồng hồ của chúng hoặc đồng bộ với thời gian toàn cầu
phối hợp. Phần này sẽ giải thích tại sao cần đồng bộ thời gian và đưa ra một số
giao thức đồng bộ khác nhau.
Đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến với các lý do sau:
- Mạng cảm biến cần liên kết với thế giới thực để biết khi nào một hiện
tượng xảy ra.
- Dịch vụ cơ bản chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu. Do đó cần
đồng bộ giữa các nút để có thể tích hợp dữ liệu truyền đến mạng.
- Một vài giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian: quản lý cấu hình

- Các nút cảm biến thường nhỏ, giá thành thấp nên bộ dao động thường
không chính xác, hơn nữa chúng bị giới hạn về năng lượng nên thường có chế
độ sleep để tiết kiệm năng lượng.
Thời gian dùng trong mạng cảm biến phải là thời gian tự nhiên (physical
time), đó là hai nút cảm biến phải có sự cảm nhận như nhau, thời gian tự nhiên
phải được phân biệt với khái niệm về thời gian logic (logical time) là thời gian
mà cho phép quyết định việc sắp xếp các sự kiện trong hệ thống phân bố nhưng
không cần thiết phải chỉ ra bất kì sự liên quan nào đến thời gian thực.


18

1.3.1.1 Đồng hồ trong các node cảm biến
Hầu hết các thiết bị đồng hồ của các nút cảm biến và máy tính đều có cấu
tạo giống nhau. Mỗi nút có một bộ dao động ở một tần số xác định và một máy
đếm xung dao động. Phần mềm của các nút chỉ truy nhập tới giá trị của bộ đếm
này và thời gian giữa hai lần tăng này quyết định cách giải quyết vấn đề thời
gian: các sự kiện xảy ra giữa hai lần tăng này không thể được phận biệt từ các
nhãn thời gian của chúng.
Bộ dao động thường có độ trôi, đó là sự dịch ngẫu nhiên so với tần số trên
lý thuyết, hay còn gọi là độ lệch đồng hồ. Điều này phụ thuộc vào sự không
trong suốt của tinh thể, hay các điều kiện môi trường như áp suất, nhiệt độ… do
vậy việc triển khai mạng cảm biến trên thực tế khác nhiều so với trong phòng thí
nghiệm. Độ lệch đồng hồ được đo bằng ppm (parts per million), nó đưa ra con
số về số dao động thêm vào hoặc số dao động bị mất mà đồng hồ tạo ra trong
lượng thời gian cần cho một triệu dao động ở tốc độ lý thuyết.
Tần số dao động thay đổi theo thời gian. Có 2 kiểu thay đổi:
- Thay đổi ngắn hạn: do thay đổi nhiệt độ, do thay đổi trong điện áp nguồn
cung cấp, áp suất không khí…
- Thay đổi dài hạn: do sự lão hóa của các bộ dao động.

Người ta thường giả định tần số các bộ dao động là ổn định vừa phải trong
phạm vi từ vài phút đến vài chục phút. Điều này cũng nói lên rằng các thuật toán
đồng bộ thời gian phải đồng bộ lại vài phút một lần để theo kịp sự thay đổi của
tần số. Vì thế giao thức đồng bộ thời gian là rất cần thiết.[11]
1.3.1.2 Đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
Trong mạng cảm biến có một số đặc điểm mà ảnh hưởng đến yêu cầu thiết
kế của các thuật toán đồng bộ thời gian:
- Thuật toán phải phù hợp với phạm vi mạng mutilhop rộng lớn, các nút bị
ràng buộc về mặt năng lượng. Yêu cầu về phạm vi bao hàm cả số lượng các nút
trong mạng và mật độ các nút.
- Yêu cầu về độ chính xác có thể thay đổi khác nhau từ mili giây cho đến
vài giây.
- Không sử dụng thêm phần cứng chỉ giành cho mục đích đồng bộ vì tốn
chi phí và năng lượng thêm vào cho phần phụ đó.
- Mức độ di động là rất thấp.


19

- Hầu như không có giới hạn trên cố định về trễ truyền gói vì phụ thuộc
lớp MAC, lỗi các gói, và truyền lại.
- Trễ truyền giữa hai nút hàng xóm là không đáng kể.
Có rất nhiều giao thức đồng bộ thời gian truyền thống cố gắng giữ việc
đồng bộ giữa các nút ở mọi thời điểm nhưng lại không quan tâm đến năng lượng
và cấu hình mạng cho nên không thể áp dụng vào mạng cảm biến. Vì đặc điểm
của mạng cảm biến cho nên giao thức đồng bộ thời gian cần chú ý về các vấn đề
về độ chính xác, chi phí năng lượng và các yêu cầu về bộ nhớ.
Phương pháp cơ bản để đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến là cộng
tác giữa các nút trong toàn mạng. Có hai cách thiết lập sự cộng tác giữa hai nút
trong mạng đó là đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận (Sender-Receiver) và giữa

bên nhận và bên nhận (Receiver-Receiver). Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận
yêu cầu liên kết hai chiều giữa hai nút lân cận. Trong phương pháp đồng bộ giữa
bên nhận và bên nhận, nhiều nút nhận của các gói có nhãn thời gian như nhau
đồng bộ với nhau mà không yêu cầu đồng bộ với bên gửi.

Hình 1.9 Đồng bộ bên phát-bên nhận và bên nhận-bên nhận
+ Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên phát
Trong giao thức này, một nút gọi là bên nhận, trao đổi gói dữ liệu với nút
khác gọi là bên phát, làm cho bên nhận đồng bộ với đồng hồ của bên phát. Giao
thức đồng bộ giữa bên nhận và bên phát nói chung là đòi hỏi đường nối 2 chiều
giữa các nút lân cận.
Điển hình của giao thức đồng bộ giữa bên phát và bên nhận là
Lightweight time synchronization protocol (LTS). Trong khi hoạt động nó điều
khiển các nút để sử dụng năng lượng hiệu quả, đạt được độ chính xác cao, và
đưa ra những giới hạn tương đối chính xác về các phần cứng cơ sở và các hệ


20

thống. LTS không yêu cầu phải update đồng hồ cục bộ và nó cũng không ước
lượng tốc độ trôi thực sự.
LTS chia quá trình đồng bộ làm 2 giai đoạn:
- Giao thức đồng bộ 2 chiều để đồng bộ 2 nút lân cận.
- Để giữ các nút hoặc một tập hợp các nút cần quan tâm đồng bộ theo một
tham chiếu chung, LTS xây dựng một cây phân tán từ các nút tham chiếu đến tất
cả các nút.
+ Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận
Trong giao thức này nhiều bên nhận của các gói có nhãn thời gian như
nhau đồng bộ với nhau nhưng không đồng bộ với bên gửi. Chúng ta xem xét một
giao thức cơ bản đó là đồng bộ quảng bá tham chiếu RBS (Reference broadcast

synchronization).
Giao thức này bao gồm hai thành phần: thành phần đầu tiên là một tập
hợp các nút nằm trong vùng broadcast đơn, ví dụ như một tập hợp các nút có thể
nghe thấy nhau, đánh giá xung đồng hồ của các nút ngang hàng với chúng.
Thành phần thứ hai cho phép liên kết các nhãn thời gian giữa các nút ở xa với
một vài khu vực broadcast giữa chúng. Đồng bộ trong một khu vực broadcast
với ý tưởng cơ bản như sau: Bên gửi sẽ gửi theo chu kỳ một gói không cần thiết
đánh dấu nhãn thời gian vào kênh broadcast và tất cả các bên nhận sẽ đánh dấu
nhãn thời gian cho gói này. Các bên nhận trao đổi nhãn thời gian của chúng và
có thể sử dụng dữ liệu này để biết được đồng hồ của nút hàng xóm. Bằng việc
lặp lại quá trình này các nút không chỉ biết về độ lệch pha của nhau mà còn cả
tốc độ trôi nữa. Các nút không điều chỉnh đồng hồ cục bộ của nó nhưng đối với
mỗi nút hàng xóm nó xây dựng một bảng lưu trữ các tham số cần thiết để
chuyển đổi giá trị xung đồng hồ.
1.3.2 Giao thức vị trí
Trong nhiều trường hợp việc xác định vị trí của các nút trong mạng cảm
biến là rất cần thiết. Ví dụ như trong ứng dụng quan sát môi trường và khí tượng
học, dữ liệu sẽ không còn có ý nghĩa nếu như không được đánh dấu thời gian và
vị trí. Hay như trong các ứng dụng: theo dõi việc đóng gói hàng, lưu trữ sách
trong thư viện, tất cả các ứng dụng này đều cần xác định vị trí của các nút cảm
biến. Ngoài ra thông tin về vị trí cũng rất quan trọng trong một vài giao thức
định tuyến, đặc biệt là định tuyến dựa vào vị trí.


21

Trong mạng cảm biến, có một số lượng rất lớn các nút, được triển khai
một cách ngẫu nhiên trong khu vực quan sát. Việc xác định vị trí tuyệt đối của
một nút thường rất khó. Chúng ta có thể trang bị thiết bị GPS cho các nút. Tuy
nhiên cách này không khả thi đối với mạng cảm biến vì GPS tương đối đắt và

không thể hoạt động trong môi trường đặc biệt như trong nhà, hay dưới lòng đất.
Hiện nay có hai kỹ thuật định vị được xem xét chủ yếu trong mạng cảm
biến là:
- Định vị dựa vào mốc có sẵn.
- Định vị dựa vào vị trí tương đối.
Cả hai kỹ thuật này đều sử dụng sự ước lượng phạm vi và góc đối với việc
định vị các nút cảm ứng thông qua cường độ tín hiệu thu được (Seceived Signal
Strength – RSS), thời gian đến (time of arrival – TOA), sự chênh lệch thời gian
đến (time difference of arrival – TDOA), và góc tới (angle of arrival – AOA).
1.3.2.1 Định vị dựa vào mốc có sẵn
Phương pháp này giả sử như sau:
Có một vài node cảm biến đã biết vị trí.
Những nút này sẽ gửi tín hiệu mốc(dẫn đường) theo chu kỳ.
Các nút khác sẽ đo tín hiệu này, sử dụng phép đo tam giác , đa trễ để đánh
giá vị trí.
RSSI (Receiver Signal Strength Indicator ) được dùng để xác định sự
tương quan tín hiệu với khoảng cách.
Tuy nhiên phương pháp này rất nhạy cảm với vật cản, nhiễu đa đường,
ảnh hưởng của môi trường (nắng, mưa,…). Hơn nữa tín hiệu RF phải có phạm vi
tốt: khoảng vài chục mét.
1.3.2.2 Định vị dựa vào vị trí tương đối
Một số mạng cảm ứng khác có thể được triển khai ở vùng mà không thể bị
ảnh hưởng bởi vật chắn như nhà cửa, đồi núi,… lúc đó chúng có thể bị ảnh
hưởng bởi nhiễu môi trường hay là do sai số khi điều khiển. Hơn nữa, các nút
cảm ứng loại bình thường có thể hoạt động ở chế độ không tuyến tính hoặc
nhiễu không tuân theo phân bố Gauss. Để khắc phục những khó khăn này, các
thông tin vùng được đặt theo từng bước truyền từ nguồn cho đến đích. Để thu
được các thông tin vùng chính xác, các nút cảm ứng phải kết hợp để hỗ trợ cho
nhau. Hơn nữa, năng lượng có thể được dự trữ thêm bằng việc cho phép các nút

22

cảm ứng dò theo vị trí của các nút lân cận. Kỹ thuật xác định vị trí tương đối này
được nghiên cứu kĩ hơn bởi cơ cấu vị trí thụ cảm (perceptive localization
framework -PLF). Trong cơ cấu này, một nút có thể phát hiện và dò theo vị trí
của của nút lân cận bằng cách dùng kỹ thuật ước đoán kết hợp với một bộ lọc
từng phần được ghép vào một dãy các sensor. Để tăng độ chính xác của việc ước
lượng vị trí, node chính có thể yêu cầu tất cả các nút dọc theo đường từ nguồn
phải lọc từng phần để tăng số lượng vật mẫu. Quá trình tác động cục bộ này
không yêu cầu bất kì một vật mốc nào. Hơn nữa, phần xử lý trung tâm không
cần phải quyết định vị trí của các nguồn. Cho dù dùng giao thức định vị dựa trên
vật mốc hay là dựa trên vị trí tương đối thì thông tin vùng đều cần thiết trong các
giao thức lớp vận chuyển, lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu. Mỗi một loại giao
thức định vị có những yêu cầu khác nhau. Các ứng dụng mạng cảm ứng sau này
sẽ sử dụng kết hợp các kỹ thuật định vị này.
1.3.3 Định tuyến trong mạng cảm biến
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 node master.
- 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.
- Việc nhận biết vị trí là vấn đề rất quan trọng vì việc tập hợp dữ liệu
thông 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.
Trong phần này sẽ nghiên cứu hai loại giao thức định tuyến chính hay
được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (Data
Center Protocol), định tuyến phân cấp (Hierarchical Protocol).


23

1.3.3.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu (Data Center
Protocol)
Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm ứng thì việc xác định số nhận dạng
toàn cầu cho từng nút là không khả thi. Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu như
vậy, cùng với việc triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra
tập hợp các nút chuyên dụng để đưa yêu cầu. Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi
nút trong vùng triển khai với độ dư thừa đáng kể, do vậy việc sử dụng năng
lượng sẽ không hiệu quả. Do vậy người ta đã đưa ra các giao thức định tuyến mà
có khả năng chọn ra tập hợp các nút và thực hiện tập trung dữ liệu trong suốt quá
trình truyền. Điều này đã dẫn đến ý tưởng về giao thức trung tâm dữ liệu. Trong
giao thức định tuyến này, node master gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi
dữ liệu từ các sensor đã được chọn trước trong vùng. SPIN là giao thức đầu tiên
thuộc loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm bớt
sự dư thừa dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Sau đó Directed Diffusion (truyền
tin trực tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong định tuyến
trung tâm dữ liệu.[10]
1.3.3.1.1

SPIN

(Sensor

Protocols

for

Information via Negotiation)
Ý tưởng của SPIN 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 sensor qua một cơ chế thông báo dữ liệu, đó chính là
đặc điểm chính của SPIN. Mỗi một nút nhận dữ liệu mới, thông báo tới các nút
lân cận của nó và các nút lân cận quan tâm đến dữ liệu này, ví dụ như các nút 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 là
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
nút, đó là bản tin ADV cho phép các nút 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 dưới miêu tả tổng kết lại các quá trình của SPIN.


24

Hình 1.10 Giao thức SPIN

Nút A bắt đầu quảng bá dữ liệu tới nút B (a). Nút B trả lời bằng cách gửi
yêu cầu tới nút A (b). Sau khi nhận dữ liệu yêu cầu (c), nút B bản tin quảng bá
đến các nút lân cận (d), sau đó các nút này gửi yêu cầu lại cho B (e-f)
Một ưu điểm của SPIN là các thay đổi về cấu hình được khoanh vùng vì
thế các nút chỉ cần nhận biết các nút 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 nút cần dữ liệu ở xa so với nút nguồn trong khi các nút
ở giữa nguồn và đích lại không cần (interested) dữ liệu thì dữ liệu sẽ không được
phân phối đến tận địch. Vì thế SPIN không được sử dụng cho các ứng dụng như
là phát hiện xâm nhập mà yêu cầu độ tin cậy trong việc phân phối các gói dữ
liệu qua các khoảng thời gian đều đặn.

1.3.3.1.2 Truyền trực tiếp Directed Diffusion
Ý tưởng của phương pháp này là truyền dữ liệu qua các nút cảm ứng bằng
việc sử dụng lược đồ đặt tên cho dữ liệu. Mục đích chính của việc sử dụng lược


25

đồ này là loại bỏ những hoạt động không cần thiết của định tuyến lớp mạng để
tiết kiệm năng lượng. Directed Diffusion đưa ra việc sử dụng cặp giá trị thuộc
tính cho dữ liệu và gửi yêu cầu đến các sensor dựa trên các cặp địa chỉ này. Để
tạo ra một yêu cầu, người ta tạo ra các thông tin 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 quảng bá thông qua sink đến các nút lân cận. Mỗi một nút
nhận được thông tin đó sẽ giữ lại để dùng sau này. Các thông tin được giữ lại
này dùng 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 nút 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 tin yêu cầu và gradient thiết lập được các đường
truyền giữa sink và các nguồn. Có thể thiết lập được nhiều đường vì thế có thể
chọn một trong số các đường đó bằng cách reinforcement. Node master gửi lại
các bản tin gốc qua những đường đã được chọn với khoảng thời gian giữa hai sự
kiện ngắn hơn vì vậy tăng cường nút nguồn trên đường đó để gửi dữ liệu đều

đặn hơn.

Hình 1.11 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp