NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PEGASIS TRONG MẠNG CẢM BIẾN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG



ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
PEGASIS TRONG MẠNG CẢM BIẾN


Sinh viên thực hiện: ĐỖ THỊ TUYẾT



Lớp ĐT6 - K48
Giảng viên hướng dẫn: TS. TRẦN NGỌC LAN
Cán bộ phản biện: TS. ĐỖ TRỌNG TUẤN


Hà nội, 5-2008




BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------------------

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
---------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: .…………….………….…….. Số hiệu sinh viên: ………………
Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ……………….........
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………..………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………..………...
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……..……………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………….…..
………………………..…………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………………………..….………………
……………………………………………………………………………………………………………………..….…………
……………………………………………………………………………………………………………………………..….…
…………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………………………………..….………
…………………………………………………………………………………………………………………..……….………
………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn:

………………………………………………………..……………………

6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án:
………………………………………………………………………..………

Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn


Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:
......................................................................
Số hiệu sinh viên:
...........................
Ngành:
..................................................................................................
Khoá:
....................................................
Giảng viên hướng dẫn:

..............................................................................................................................................
Cán bộ phản biện
: .......................................................................................................................................
Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
............................................................................

Nhận xét của cán bộ phản biện:
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên)



LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ sự

phát triển của những mạng 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 t
ương 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 n
ăng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại.
Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng
hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau.
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến, em đã lựa chọn và
tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS. Giao thức này cải thiện đ
áng kể thời gian
sống của mạng cảm biến, và em quyết định chọn đề tài này làm đồ án tốt nghiệp.
Để có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những
kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong
suốt năm năm đại học. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầ
y, các
cô trong thời gian học tập này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS. Trần Ngọc Lan-bộ môn kỹ thuật thông tin –
Khoa điện tử viễn thông- Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình chỉ bảo và định
hướng cho em nghiên cứu đề tài này. Cô đã cho em những lời khuyên quan trọng trong
suốt quá trình hoàn thành đồ án.



Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi, động

viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn
thành đồ án này.
Hà nội, tháng 5 năm 2008
Sinh viên
Đỗ Thị Tuyết



TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Ngày nay nhờ tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã
trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được sự tiến bộ đáng kể trong vài năm
qua. Mạng cảm biến là mạng vô tuyến 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 , hay điều
kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, s
ự chấn động, áp suất, sự chuyển động, ô
nhiễm ở các vị trí khác nhau.
Sự phát triển của mạng cảm biến mở đầu là các ứng dụng trong quân đội ví dụ
như giám sát chiến trường. Tuy nhiên bây giờ mạng cảm biến còn được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực dân dụng bao gồm: quan sát môi trường sống, chăm sóc sức khỏe, nhà
tự động hay điều khiển giao thông.
Các con cả
m biến là các thiết bị điện tử nhỏ, thông thường được trang bị bộ thu
phát vô tuyến hoặc các thiết bị không dây khác, một bộ vi xử lý nhỏ và một nguồn
năng lượng. Các con cảm biến này có khả năng thu thập, xử lý và truyền thông thông
tin đến các nút khác và ra thế giới bên ngoài.
Mạng cảm biến là một lĩnh vực rất sâu rộng, đồ án này sẽ giới thiệu một cách
khái quát nhất về
các đặc điểm của mạng cảm biến. Sau đó phần cuối sẽ nghiên cứu và
đưa ra giải thuật định tuyến PEGASIS nhằm cải thiện đáng kể thời gian sống của
mạng.

Đồ án này gồm có 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến. Chương này trình bày những khái
niệm chung nhất về WSNs và đưa ra cấu trúc của mạng cảm biến. Đồng thời cũ
ng nêu
ra các ứng dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực cuộc sống.
Chương 2: Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến. Chương này đưa ra hai
giao thức đặc trưng đó là : đồng bộ thời gian và giao thức vị trí. Hai giao thức này rất
quan trọng và có ý nghĩa đối với mạng cảm biến.



Chương 3: Định tuyến trong mạng cảm biến. Chương này phân loại các giao
thức định tuyến ra làm ba loại : trung tâm dữ liệu, phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí
địa lý.
Chương 4: Giới thiệu về Mobility framework của OMNeT++ và mô phỏng giao
thức định tuyến PEGASIS. Chương này nêu ra những ưu điểm của PEGASIS so với
giải thuật LEACH và đưa ra kết quả mô phỏng .



Abstract
Nowadays thanks to rapid advances in science and technology, Wireless Sensor
Networks have become a hot issue in research, and significant progress has been
achieved in the past few years.
Wireless sensor network (WSN) is a wireless network consisting of spatially
distributed autonomous devices using sensors to cooperatively monitor physical or
environmental conditions, such as temperature, sound, vibration, pressure, motion or
pollutants, at different locations. The development of wireless sensor networks was
originally motivated by military applications such as battlefield surveillance. However,
wireless sensor networks are now used in many civilian application areas, including

environment and habitat monitoring, healthcare applications, home automation, and
traffic control.
Sensor nodes are small electronic components, typically equipped with a radio
transceiver or other wireless communications device, a small microcontroller, and an
energy source, usually a battery. It’s capable of gathering, processing, and
communicating information to other nodes and to the outside world.
The field of WSN is wide and deep. This thesis will introduce overview about
WSN and give out a protocol which extends lifetime of WSN.
This thesis has a total of 4 chapters:
Chapter 1: Overview of wireless sensor networks: giving out the definition, the
architecture (includes factors that influence the architecture of the networks and the
two typical architectures of sensor networks), the applications and also pointing out
many challenges that WSN are facing.
Chapter 2: Protocols in WSN: giving out an overview of protocols used in WSN
and the most two important ones, those are localization and time synchronization
protocols.



Chapter 3: Routing in WSN: summarizing recent routing protocols for sensor
networks and presenting a classification for the various approaches pursued. The three
main categories explored in this chapter are data – centric, hierarchical and location –
based. Each routing protocol is described and discussed under the appropriate category.
Chapter 4: Simulating PEGASIS using Mobility framework of OMNeT++:
giving out an overview of OMNeT++ and Mobility framework, a basic algorithm of
PEGASIS. After that, the presented simulation results show that PEGASIS extends
significantly the life time of sensor networks.

i
Mục lục

DANH SÁCH HÌNH VẼ.............................................................................................. iii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ..........................................................................................v

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vi

Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến ....................................................................1

1.1. Giới thiệu...............................................................................................................1

1.2. Cấu trúc mạng cảm biến........................................................................................2

1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến ......................................2

1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng ...............................................................................8

1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến .................................................10

1.2.3.1. Cấu trúc phẳng.......................................................................................10

1.2.3.2. Cấu trúc tầng .........................................................................................10

1.3. Ứng dụng.............................................................................................................13

1.3.1. Ứng dụng trong quân đội..............................................................................14

1.3.2. Ứng dụng trong môi trường..........................................................................16

1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe..............................................................17

1.3.4. Ứng dụng trong gia đình ..............................................................................18

1.4. Kết luận ...............................................................................................................18

Chương 2. Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến .........................................19

2.1. Giới thiệu về giao thức đặc trưng trong mạng cảm biến.....................................19

2.2. Giao thức đồng bộ thời gian................................................................................19

2.2.1. Đồng hồ các nút cảm biến và sự chính xác ..................................................21

2.2.2. Đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến......................................................22

2.2.2.1. Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên phát......................................24

2.2.2.2. Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận.....................................30

2.3. Giao thức vị trí.....................................................................................................34

2.3.1. Định vị dựa vào mốc có sẵn .........................................................................35

2.3.2. Định vị dựa vào vị trí tương đối ...................................................................36

2.4 Kết luận ................................................................................................................37

Chương 3. Định tuyến trong mạng cảm biến ............................................................38

3.1. Giới thiệu.............................................................................................................38

3.2. Thách thức trong vấn đề định tuyến....................................................................38

3.3. Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến........................................................39




ii
3.3.1. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng .............................39

3.3.2. Ràng buộc về tài nguyên...............................................................................39

3.3.3. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến..........................................................40

3.3.4. Cách truyền dữ liệu ......................................................................................40

3.4. Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến....................................................42

3.5. Giao thức trung tâm dữ liệu.................................................................................44

3.5.1. Flooding và Gossiping..................................................................................44

3.5.2. SPIN..............................................................................................................45

3.5.3. Directed Diffusion ........................................................................................47

3.6. Giao thức phân cấp..............................................................................................50

3.6.1. LEACH..........................................................................................................50

3.6.2. PEGASIS.......................................................................................................53

3.7. Giao thức dựa trên vị trí ......................................................................................54

3.7.1. GAF...............................................................................................................55

3.7.2. GEAR ............................................................................................................57

3.8. Kết luận ...............................................................................................................59

Chương 4. Mô phỏng PEGASIS bằng Mobility Framework của OMNeT++........60

4.1. Giới thiệu về OMNeT++ và Mobility Framework..............................................60

4.1.1. Giới thiệu về OMNeT++ ..............................................................................60

4.1.2. Giới thiệu về Mobility...................................................................................64

4.2. Giới thiệu về PEGASIS.......................................................................................71

4.2.1. PEGASIS cơ bản...........................................................................................72

4.2.2. PEGASIS cải tiến..........................................................................................73

4.3. Mô phỏng.............................................................................................................76

4.3.1. Mô hình năng lượng .....................................................................................76

4.3.2. Giả thiết và thiết lập thông số ban đầu cho quá trình mô phỏng.................82

4.3.3. Kết quả mô phỏng.........................................................................................89

4.4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo..............................................................91

KẾT LUẬN...................................................................................................................92

Tài liệu tham khảo .......................................................................................................93




iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến....................................................................................3

Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến........................................................................................4

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến .................................................................8

Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến ...............................................................10

Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến ...................................................................11

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ..................................................11

Hình 1.7 Ứng dụng trong quân đội ...............................................................................15

Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường ...........................................................................17

Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe...............................................................18

Hình 2.1 Xác định góc đến của âm thanh ở xa bởi một dãy sensor.............................20

Hình 2.2 Đồng bộ bên phát/bên nhận và bên nhận/bên nhận. ......................................23

Hình 2.3 Hoạt động của việc đồng bộ bên phát/bên nhận .............................................25

Hình 2.4 LTS multihop phân bố ...................................................................................29

Hình 2.5 Ví dụ về RBS ..................................................................................................31

Hình 2.6 Chuyển tiếp gói dữ liệu và chuyển đổi nhãn thời gian ..................................33

Hình 3.1 Mô hình truyền dữ liệu giữa sink và các nút...................................................41

Hình 3.2 Truyền gói trong Flooding ..............................................................................44

Hình 3.3 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN ..........................................................................46

Hình 3.4 Hoạt động của SPIN........................................................................................46

Hình 3.5 Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion......................................................49

Hình 3.6 Mô hình mạng LEACH.................................................................................51

Hình 3.7 Ví dụ về lưới ảo trong GAF ...........................................................................56

Hình 3.8 Sự chuyển trạng thái trong GAF....................................................................56

Hình 3.9 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR .........................................................59

Hình 4.1 Cấu trúc phân cấp module trong OMNeT++.................................................61

Hình 4.2 Các kết nối trong OMNeT++.........................................................................62




iv
Hình 4.3 Cấu trúc của host di động...............................................................................65

Hình 4.4 Cấu trúc kế thừa module trong MF................................................................67

Hình 4.5 Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy..................................................72

Hình 4.6 Xử lý lỗi khi một nút trong chuỗi chết............................................................73

Hình 4.7 Khắc phục của PEGASIS................................................................................76

Hình 4.8 Mô hình năng lượng đơn giản.........................................................................79

Hình 4.9 Trạm BS gửi broadcast đến cho các nút trong mạng .....................................84

Hình 4.10 Trạm BS gửi bản tin Max Distance đến nút xa nhất.....................................85

Hình 4.11 Nút xa nhất chuỗi gửi bản tin Invite mời nút gần nhất vào chuỗi.................86

Hình 4.12 Các nút kết nối vào nhau tạo thành chuỗi.....................................................86

Hình 4.13 Chuỗi sau khi thiết lập xong. ........................................................................87

Hình 4.14 Kết quả khi mô phỏng mạng có kích thước .................................................90

(50m,50m) với năng lượng ban đầu của nút là 0.25 J....................................................90

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng khi kích thước mạng......................................................90

là (100m.100m) với năng lượng của nút ban đầu là 0.5J...............................................90




v
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN.........................43
Bảng 3.2 Miêu tả interert sử dụng cặp giá trị thuộc tính ..............................................48
Bảng 4.1 Các loại bản tin tương ứng của các lớp .........................................................68
Bảng 4.2 Số vòng khi 1%, 20%, 50%, và 100% nút chết..............................................89



vi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ID Identification

ADC Analog to Digital Converter
RF Radio frequency
MAC Media Access Control
UTC Coordinated Universal Time
GPS Global Positioning System
LTS Lightweight time synchronization protocol
RBS Reference broadcast synchronization).
RSS Received signal strength
TDOA Time of arrival
AOA Angle of arrival
TDOA Time difference of arrival
RSSI Receiver Signal Strength Indicator
PLF Perceptive localization framework
TDMA Time Division Multiple Access
CDMA Code Division Multiple Access
ARP Address Resolution Protocol
BS BaseStation
WSN Wireless Sensor Network




Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
1
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến
1.1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được
phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của
môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công

bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị,
theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh
viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ…
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ
như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích
hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những con cảm biến
có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành th
ấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả
năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có
giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có
nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để
đưa ra các quyết đị
nh toàn cục về môi trường tự nhiên .
Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần :
Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn,bộ phận cảm biến, bộ thu phát không
dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho
đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, mộ
t trong những đặc điểm quan
trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới hạn
về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp. Các
nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn
cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
2
lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn công
suất.

Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
¾ Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con
người
¾ Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến
multihop
¾ Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút c
ảm biến
¾ Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng
ở các nút
¾ Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính
toán
Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu
thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến.
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không dùng
được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau:
¾ Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp
nhiều lần số lượng nút trong mạng ad hoc.
¾ Các nút cảm biến dễ bị lỗi.
¾ Cấu trúc mạng cảm biến thay
đổi khá thường xuyên.
¾ Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá,
trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm.

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
3
¾ Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và
bộ nhớ.

¾ Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (global
identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng
lớn các nút cảm biến.
Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
¾ Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng đị
nh tuyến.
¾ Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
¾ Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
¾ Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.
Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (1.1). Mỗi một
nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.

Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ
trên. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua
mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu . Sink có thể là thực thể bên
trong mạng (là một nút cảm biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
4
một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc
cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà
các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng.
Giới thiệu về nút cảm biến:
Cấu tạo của nút cảm biến như sau:
M
ỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình (1.2):
đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a

transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành
phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding
system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).


Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến.
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương
tự-số. 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.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ t
ục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần
thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
5
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.
Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng 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 m
ạng đều yêu cầu có độ
chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm
biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành phần này
cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một
số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượ
ng, hoạt động ở mật
độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi
trường.
Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến:

Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặ
c biệt là
năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng
truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến
như sau:
¾ Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể
không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những h
ư 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 nút mạng
không hoạt động.
¾ Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút
cảm biến được triển khai có thể đế
n hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng
ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải
có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
¾ Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng
lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
6
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 nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
¾ Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều
nên các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích
thướ
c phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có

mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có
người kiểm soát, thích nghi với môi trường.
¾ Môi trường hoạt động: Các nút 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.
¾ Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút
được kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể
tạo nên bởi sóng vô tuy
ến, 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 phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng
của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng
lượ
ng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.
Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng
hồng ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ
và dễ dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu
nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
¾ Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến,
hàng trăm đế
n hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng
được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
7
lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp

một cấu hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc
duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:
9 Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn
xộn hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai
bằng cách thả từ máy bay xuống, tên l
ửa, hoặc có thể do con người hoặc
robot đặt từng cái một.
9 Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình
phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái
không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng
lượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.
9 Pha triể
n khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm
vào các nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào
sự thay đổi chức năng.
¾ Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption) :
Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được
trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ
sung ngu
ồn năng lượng 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 biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong
cấ
u hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và
quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay
người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho
mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát
hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý d
ữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
8
liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing),
giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing).
1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình (1.3).
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 độ
ng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.


Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Mặt phẳng quản lý công suất : Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng
lượng của nó. Ví dụ : nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi
mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast 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 v
ụ 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.

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
9
Mặt phẳng quản lý : Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong
một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm
nhận ở cùng một thời điểm.

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. Bă
ng 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,
ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân.
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 điề
u khiển lỗi. 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 :
9 Hiệu quả năng lượ
ng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng
9 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
9 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 có kế hoạch được truy cập thông qua
mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp ứ
ng dụng : Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác
nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.

Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến
Đỗ Thị Tuyết ĐT6-K48
10
1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến
1.2.3.1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang

hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua
multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định,
các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn
nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì
vậy có thể 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, tần số…


Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến
1.2.3.2. Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop ( tùy thuộc vào
kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu
trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định
thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.