Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng

Phan Viết Thời, D2001VT

1
Mục lục
Mục lục .................................................................................................................. 1

Thuật ngữ viết tắt ................................................................................................... 4

Lời nói đầu ............................................................................................................. 6

Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor ................................................. 7

1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây ........................................................ 7

1.2. Nền tảng phát triển mạng ........................................................................... 7

1.2.1. Mạng Ad hoc không dây ..................................................................... 7

1.2.2. Nền tảng công nghệ .......................................................................... 10

1.3. Mô tả hệ thống.......................................................................................... 12

1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát .................................................................. 12

1.3.2. Hệ thống WISENET .......................................................................... 13

1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng ................................................................... 17

1.4.1. Lớp ứng dụng .................................................................................... 18

1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor ...................................................................... 18

1.4.1.2. Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu .................................... 19

1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu ....................................... 20

1.4.2 Lớp giao vận ....................................................................................... 20

1.4.3 Lớp mạng ............................................................................................ 21

1.4.4. Liên kết liên mạng ............................................................................. 21

1.4.5 Lớp liên kết số liệu ............................................................................. 22

1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trờng truyền dẫn ........................................ 22

1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi .................................................................................. 23

1.4.6 Lớp vật lý ............................................................................................ 24

1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor ....................................................... 25

1.5.1. Kích thớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp .............................. 25

1.5.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao ......................................... 26

1.5.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế ................. 26

1.5.4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng ............................................. 26

1.5.5. Hoạt động tin cậy .............................................................................. 27

1.6. ứng dụng của mạng Sensor ...................................................................... 27

1.6.1. ứng dụng trong quân sự..................................................................... 27

1.6.2. ứng dụng về môi trờng .................................................................... 29

1.6.3. ứng dụng trong y tế ........................................................................... 30

1.6.4. ứng dụng trong gia đình .................................................................... 30

1.6.5. Các ứng dụng thơng mại khác ......................................................... 31

Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor ........................................ 33

2.1. Tính đặc thù của mạng ............................................................................. 33

2.1.1. Hạn chế phần cứng ............................................................................ 33

2.1.2. Môi trờng hoạt động ........................................................................ 34

2.1.3. Môi trờng truyền dẫn ....................................................................... 35

2.2. Sự tiêu thụ năng lợng .............................................................................. 36

2.2.1. Năng lợng cho nhiệm vụ cảm biến .................................................. 37

Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT

2
2.2.2. Năng lợng cho truyền thông ............................................................ 37

2.2.3. Năng lợng cho xử lý ........................................................................ 38

2.3. Các giải pháp tiết kiệm năng lợng .......................................................... 38

2.3.1. Giải pháp định tuyến ......................................................................... 38

2.3.1.1. Các phơng pháp định tuyến tối u về năng lợng .............................. 39

2.3.1.2. Phơng pháp định tuyến số liệu tập trung ............................................ 40

2.3.1.3. Các giao thức lớp mạng khác đợc đề xuất cho mạng Sensor .............. 41

2.3.2. Giải pháp truy nhập môi trờng truyền dẫn ...................................... 46

2.3.2.1. Yêu cầu với giao thức điều khiển truy nhập môi trờng (MAC) cho
mạng sensor ....................................................................................................... 46

2.3.2.2. Các giao thức MAC cho mạng sensor .................................................. 47

2.3.2.3. Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lợng ......................................... 50

2.3.3. Quản lý nguồn công suất ................................................................... 50

2.3.3.1 Thời gian tồn tại .................................................................................... 51

2.3.3.2 Phát hiện nguồn thấp "Low Battery" .................................................... 51

2.3.3.3. Cảnh báo "Low Battery" ....................................................................... 53

2.3.4. Tận dụng các nguồn năng lợng trong tự nhiên ................................ 54

2.3.1.1. Tế bào quang điện ................................................................................. 55

2.3.1.2. Các nguồn năng lợng khác ................................................................. 56

Chơng III : Phần mềm mô phỏng năng lợng cho mạng Wireless Sensor ........ 57

3.1. Mô hình hoá mô phỏng ............................................................................ 57

3.1. Mô hình nguồn năng lợng ...................................................................... 57

3.3. Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor ............................. 58

3.3.1. Phần mềm NS-2 ................................................................................. 58

3.3.2. Cơ sở phát triển mô phỏng mạng Sensor trên nền NS-2 .................... 61

3.3.3. Các định dạng mới trong NS-2 .......................................................... 62

3.3.4. Thay đổi trong NS-2 .......................................................................... 64

3.4. Thiết lập mã lập trình mô phỏng .............................................................. 66

3.4.1. Thiết lập kênh hiện tợng và kênh dữ liệu ........................................ 66

3.4.2. Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon ...................... 66

3.4.3. Thiết lập các nút Phenomenon với giao thức "định tuyến" Phenom . 66

3.4.4. Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon ................................ 67

3.4.5. Định hình nút Sensor ......................................................................... 68

3.4.6. Thiết lập các nút Non-Sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) ...... 69

3.4.7. Gắn kết các tác nhân Sensor .............................................................. 70

3.4.8. Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng Sensor cho mỗi nút ........... 70

3.4.9. Khởi động ứng dụng Sensor .............................................................. 70

Chơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor .................................................... 71

4.1. Mục đính mô phỏng ................................................................................. 71

4.2. Thực hiện mô phỏng ................................................................................. 72

4.2.1. Mã chơng trình ................................................................................ 72

4.2.1. Phân tích kết quả ............................................................................... 73

4.2. Kết quả ..................................................................................................... 74

4.2.1. Sự tổn hao năng lợng ....................................................................... 75

4.2.2. Tốc độ giảm năng lợng khi tăng số nút mạng ................................. 77

4.2.3. Tốc độ giảm năng lợng khi mật độ mạng không đổi ...................... 78

Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT

3
4.2. Đánh giá ................................................................................................... 79

Kết luận ............................................................................................................... 80

Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 81

Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT

4
Thuật ngữ viết tắt

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
ADC Analogue/Digital converter Bộ chuyển đổi tơng tự / số
AODV Ad Hoc On-Demand Distance-
Vector
Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng
theo yêu cầu tạm thời
API Application program interface Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng
ARC Adaptive transmitssion rate
control
Điều khiển tốc độ truyền dẫn thích ứng
ARQ automatic repeat request Cơ chế sửa lỗi bằng yêu cầu lặp lại tự
động

BER Bit error rate Tỷ lệ lỗi bit
CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập theo cảm biến lu lợng
DSDV Destination-Sequenced
Distance-Vector
Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với
đích tuần tự
DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động
FDMA Frequency division multiple
access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
FEC Forward error correction Cơ chế sửa lỗi trớc
GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu
HTTP HyperText Tranffer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản
ISM band Industrial, Scientific and
Medical band
Dải tần sử dụng cho các ứng dụng công
nghiệp, khoa học và y học
LEACH Low energy adaptive clustering
hierarchy
Phân cấp cụm thích ứng với năng
lợng thấp
MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi trờng
truyền dẫn
MANET Mobile ad hoc network Mạng di động ad hoc (tạm thời, không
có cơ sở hạ tầng)
ME Minimum energy Năng lợng tiêu thụ cực tiểu
MECN Minimum energy
communication network
Mạng truyền thông với năng lợng cực
tiểu

MH Minimum hop Số bớc nhảy cực tiểu
NAM Network AniMator Mô tả mạng bằng hình ảnh động
NS-2 Network Simulator version 2 Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2
Otcl Object-oriented tool command
language
Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hớng
đối tợng
PA Power available Mức năng lợng hiện tại
Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT

5
QoS Quality of service Chất lợng dịch vụ
REQ Request message Bản tin yêu cầu
RERR Route error packet Gói báo lỗi tuyến
RREP Route reply packet Gói đáp ứng yêu cầu tuyến
RREQ Route request packet Gói yêu cầu tuyến
RS-232 Serial Radio Link - 232 Liên kết vô tuyến nối tiếp theo chuẩn
RS-232
SAR Sequential assignment routing Định tuyến chỉ định liên tục
SMECN Small minimum energy
communication network
Mạng truyền thông với năng lợng cực
tiểu loại nhỏ
SMACS Self Organizing MAC for
Sensor network
Giao thức MAC tự tổ chức cho mạng
sensor
SMP Sensor management protocol Giao thức quản lý sensor
SPIN Sensor protocols for

information via negotiation
Các giao thức thông tin sensor thông
qua thỏa thuận
SQDDP Sensor query and data
dissemination protocol
Giao thức truy vấn sensor và phổ biến
số liệu
SQL Structure Query Language Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc
SQTL Sensor query and tasking
language
Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ
sensor
SSF Scalable Simulation Framework Cơ cấu mô phỏng mở rộng
TADAP Task assignment and data
advertisement protocol
Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo
số liệu
TCP/IP Transmission Control
Protocol/Internet Protocol
Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao
thức Internet
TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian
TORA Temporally Ordered Routing
Algorithm
Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng
tuần tự theo thời gian
WINS Wireless Integrated network
sensors
Mạng các thiết bị cảm biến tích hợp
thiết bị thu phát không dây

WISENET WIreless SEnsor NETwork Hệ thống mạng sensor không dây
WISENET
WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây
WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây
Đồ án tốt nghiệp đại học
Phan Viết Thời, D2001VT

6
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công
nghệ vi mạch điện tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều
ứng dụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất kỳ điều kiện
và vùng địa lý nào. Có nhiều phơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông
tin trong đó mạng Wireless Sensor hiện đang đợc dùng phổ biến trên thế giới và đang
dần xâm nhập vào nớc ta.
Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng Wireless Sensor nh vấn đề năng lợng, vấn đề
đồng bộ sensor, vấn đề mở rộng mạng... Năng lợng luôn là yếu tố quan trọng của tất
cả các loại mạng. Với mạng Wireless Sensor do tính đặc thù của mạng là hạn chế về
phần cứng và ứng dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lợng càng trở lên
quan trọng.
Trớc thực tế này, đợc sự định hớng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng,
phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật
Bu Điện, em đã chọn đề tài đồ án: Vấn đề năng lợng trong mạng Wireless Sensor
và đánh giá bằng mô phỏng.
Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng lợng trong mạng
Wireless Sensor, từ đó đa ra các giải pháp tiết kiệm năng lợng trong mạng và tận
dụng các nguồn năng lợng sạch trong tự nhiên.
Đồ án gồm 4 chơng:
1 - Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor
2 - Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor

3 - Chơng III : Phần mềm mô phỏng cho mạng Wireless Sensor
4 - Chơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor
Do còn hạn chế về kiến thức và năng lực nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót.
Mong đợc sự góp ý của thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát
triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bu Điện, đã hớng dẫn
em về chuyên môn cũng nh phơng pháp làm việc để em có thể hoàn thành đồ án.
Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô trong Khoa Viễn
Thông I, Học viện Công nghệ Bu chính - Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em
hoàn thành đồ án này.
Hà Nội ngày 31 tháng 10 năm 2005
Sinh viên
Phan Viết Thời


Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

7
Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor

1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Các thiết bị cảm biến (Sensor) đợc kết nối thành mạng, phối hợp với nhau để thực
hiện các nhiệm vụ với quy mô lớn, đợc đặt nhiều hy vọng nhằm cách mạng hóa trong
lĩnh vực thu thập thông tin ở bất kì điều kiện và vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không
dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các
liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các
nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tợng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp
với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi

trờng mạng công cộng nh Internet hay vệ tinh. Các nút Sensor không dây có thể
đợc triển khai cho các mục đích chuyên dụng nh giám sát và an ninh; kiểm tra môi
trờng; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y
tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu nh trong bất kì loại hình
địa lý nào kể cả các môi trờng nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây
truyền thống đợc.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng
mới cho con ngời. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến
hoàn toàn có thể gắn trong một kích thớc rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một
môi trờng dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không
dây ngày nay, ngời ta đã có thể khám phá nhiều hiện tợng rất khó thấy trớc đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh
các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở
các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trờng sinh vật phức tạp...

1.2. Nền tảng phát triển mạng
Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc không dây và
đợc thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ công nghệ.
1.2.1. Mạng Ad hoc không dây
Mạng Ad hoc không dây là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, đợc triển
khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện nh để
tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp,.v.v. Mạng
Ad hoc không cần các thành phần cơ sở hạ tầng nh tổng đài, trạm thu phát gốc hay
bất kì một trung tâm điều khiển nào. Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc đợc
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

8
liên kết động với nhau một cách tuỳ ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài.

Tất cả các nút này đều có thể hoạt động nh một bộ định tuyến nhờ khả năng tìm và
duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng. Các giao thức định tuyến trong mạng Ad
hoc có thể chia thành hai loại:
- Các giao thức định tuyến theo bảng: mỗi nút mạng sẽ duy trì và cập nhật thông tin
định tuyến tới mọi nút mạng khác.
- Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: Việc định tuyến chỉ đợc thực hiện khi có
yêu cầu chuyển gói, nhờ cơ chế tìm đờng.
Hiện nay có bốn giao thức định tuyến đợc sử dụng trong mạng Ad hoc:
a) Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự
Trong Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự (Destination-Sequenced
Distance-Vector - DSDV), mọi trạm di động đều có một bảng định tuyến trong đó ghi
các đích hiện tại, số các bớc nhảy để đến đợc đích và số thứ tự đợc gán cho nút
đích. Số thứ tự này đợc sử dụng để phân biệt các tuyến và nh vậy tránh đợc sự hình
thành các vòng lặp. Các trạm định kỳ gửi bảng định tuyến của nó cho các nút lân cận
của nó. Một trạm cũng gửi bảng định tuyến nếu một thay đổi đáng kể trong bảng so với
lần gửi cập nhật cuối cùng đợc phát hiện. Nh vậy, việc cập nhật đợc thực hiện cả
theo thời gian và theo sự kiện.
Các bảng định tuyến có thể đợc gửi cập nhật theo hai cách: chuyển toàn bộ (full
dump) hay cập nhật phần gia tăng. Theo cách chuyển toàn bộ, bảng định tuyến sẽ
đợc gửi trọn vẹn đến các nút lân cận và nó có thể bao gồm nhiều gói tin. Ngợc lại,
theo cách cập nhật phần gia tăng, chỉ những mục ghi mới của bảng định tuyến so với
lần cập nhật cuối cùng mới đợc gửi đi và phải vừa trong một gói tin. Khi mạng tơng
đối ổn định, các gói cập nhật phần gia tăng đợc sử dụng để tránh việc lu lợng tăng
cao và việc chuyển toàn bộ (full dump) ít đợc sử dụng hơn. Trong các mạng thay đổi
nhanh, số lợng các gói cập nhật phần gia tăng có thể trở lên rất lớn nên việc chuyển
toàn bộ bảng đợc thực hiện thờng xuyên hơn.
b) Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian
Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian (Temporally Ordered
Routing Algorithm - TORA) là một giao thức định tuyến trên cơ sở một thuật toán
đảo liên kết (Link Reversal). Nó đợc thiết kế để tìm các tuyến đờng theo yêu

cầu, cung cấp nhiều tuyến tới một đích, thiết lập tuyến nhanh và giảm tới mức tối thiểu
phần phụ tải (overhead) bằng thuật toán khoanh vùng chống lại các thay đổi về hình
trạng mạng có thể sảy ra. Việc tối u định tuyến (tìm đờng ngắn nhất) đợc coi là thứ
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

9
yếu và việc định tuyến với các đờng dài hơn đợc sử dụng thờng xuyên để tránh
phần phụ tải khi tìm đờng mới.
Hoạt động của giao thức TORA đợc hình dung giống nh đa nớc chảy dốc xuống
qua một mạng các đờng ống và hớng tới một điểm đích. Các đờng ống mô tả các
liên kết giữa các nút mạng, các điểm nối các đờng ống này mô tả các nút mạng và
nớc chảy trong các ống mô tả các gói tin đợc định tuyến hớng tới đích. Mỗi nút có
một độ cao so với đích đợc tình toán bởi giao thức định tuyến và độ cao giảm dần trên
tuyến, nhờ vậy có thể chuyển gói tin một cách tuần tự để tới đích.
c) Giao thức định tuyến nguồn động
Điểm cơ bản của giao thức định tuyến nguồn động ( Dynamic Source Routing - DSR)
là việc sử dụng định tuyến nguồn. Tức là, nơi gửi nhận biết đợc hoàn toàn tuyến
đờng gồm các liên kết dẫn tới đích. Các tuyến đờng này đợc lu trong bộ nhớ định
tuyến (Route Cache). Các gói dữ liệu mang theo thông tin định tuyến nguồn trong tiêu
đề gói. Khi một nút trong mạng Ad hoc muốn gửi một gói tin tới một đích mà nó cha
nhận biết đợc tuyến đờng, nó sẽ sử dụng một tiến trình tìm đờng (Route Discovery)
để xác định một tuyến. Tiến trình tìm đờng sẽ gửi tràn lan vào trong mạng các gói yêu
cầu tuyến (Route Request-RREQ). Mỗi nút nhận đợc RREQ lại tiếp tục quảng bá nó,
trừ khi nút đó là nút đích hoặc có một tuyến tới đích đợc lu trong bộ nhớ định tuyến.
Các nút này trả lời các gói RREQ bằng các gói hồi âm định tuyến (Route Reply-
RREP). Các gói này đợc định tuyến trở lại nguồn. Các gói RREQ và RREP cũng
đợc định tuyến theo nguồn. Các gói RREQ lập lên một tuyến xuyên qua mạng. Gói
RREP định tuyến trở lại nguồn bằng cách đi ngợc trở lại theo tuyến đờng này.

Thông tin về tuyến đợc mang trở lại bằng gói RREP và đợc lu tại nguồn để sử
dụng.
Nếu một liên kết trên một tuyến bị sự cố, nút nguồn đợc thông báo bằng một gói lỗi
(Route Error-RERR). Nguồn sẽ xoá tuyến này trong bộ nhớ định tuyến và bắt đầu một
tiến trình tìm đờng mới nếu tuyến này còn cần thiết. Trong DSR không cần một cơ
chế đặc biệt nào để phát hiện các vòng lặp định tuyến.
d) Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời
Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời (Ad hoc On-Demand
Distance- Vector Routing - AODV) có điểm giống DSR là nó cũng tìm các đờng có
yêu cầu thông qua một bằng một tiến trình tìm đờng tơng tự. Tuy nhiên, AODV sử
dụng một cơ chế rất khác để lu giữ thông tin định tuyến. Nó sử dụng các bảng định
tuyến truyền thống, mỗi mục là một đích. Đây là điểm ngợc lại DSR (DSR có thể lu
giữ nhiều mục cho mỗi đích). Không có định tuyến nguồn, AODV dựa vào các mục
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

10
trong bảng định tuyến để truyền một RREP trở về nguồn và sau đó,đợc sử dụng để
định tuyến các gói số liệu đợc tới đích. AODV sử dụng các số thứ tự đợc lu tại mỗi
đích để xác định tính mới của thông tin định tuyến và chống lại các vòng lặp định
tuyến. Tất cả các gói đều mang theo các số thứ tự này.
Một đặc điểm quan trọng của AODV là lu giữ các trạng thái định giờ căn bản trong
mỗi nút để tận dụng các mục trong bảng định tuyến đơn. Một mục trong bảng định
tuyến có thể bị xoá nếu nó không đợc sử dụng trong thời gian gần.
Giao thức DSDV là giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức DSR, TORA,
AODV thuộc loại giao thức định tuyến theo yêu cầu.
1.2.2. Nền tảng công nghệ
Các tiến bộ trong công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử rất nhỏ giá rẻ với công suất
thấp và phân hóa chức năng cao, các bớc tiến trong công nghệ mạng không dây và

trong lĩnh vực vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thu
thập dữ liệu. Việc sử dụng các bộ vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phát
vô tuyến và các thiết bị cảm biến tơng tự, số khác nhau cho phép một mạng các thiết
bị cảm biến không dây hoạt động bằng nguồn acquy có thể thu thập dữ liệu về môi
trờng trong phạm vi lớn. Dữ liệu này có thể đợc tải đến một máy tính và đợc lu
trong cơ sở dữ liệu. Sau đó, có thể đợc phân tích thông qua một phần mềm ứng dụng.
Kết quả có thể đợc truy xuất trực tiếp hoặc bởi một trình duyệt Web chuẩn ở bất cứ
đâu trên Internet. Các mạng Sensor ngày nay có những cải tiến đáng kể so với các
Sensor truyền thống theo hai hớng:
- Các Sensor có thể đặt ở xa hiện tợng tức là các thông tin về hiện tợng có đợc
nhờ năng lực cảm biến và phân tích. Theo hớng này, yêu cầu các Sensor lớn sử dụng
một số kỹ thuật phức tạp để nhận biết đợc các đích từ các tạp âm môi trờng ở khoảng
cách xa.
- Nhiều Sensor chủ yếu chỉ hoạt động cảm biến đợc triển khai. Vị trí các Sensor và
hình trạng thông tin đợc tính toán cẩn thận. Chúng đợc liên kết thành một mạng để
truyền thông tin về các diễn biến của hiện tợng đợc thăm dò tới các nút trung tâm,
nơi tiếp nhận và xử lý dữ liệu.
Một mạng Sensor bao gồm một số lợng lớn các nút đợc triển khai dày đặc bên
trong đối tợng cần thăm dò hoặc ở rất gần nó. Vị trí của các Sensor phải không cần
định trớc. Điều này cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận
hoặc trong các hoạt động tránh sự nguy hiểm. Điều này cũng có nghĩa là các thuật toán
và giao thức phải có khả năng tự tổ chức. Một đặc trng nữa của mạng Sensor là khả
năng cộng tác của các Sensor. Các Nút Sensor phải có bộ xử lý gắn trong. Thay vì
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

11
chuyển các dữ liệu thô đến các nút có nhiệm vụ xử lý, các nút Sensor sẽ sử dụng khả
năng tính toán của nó để thực hiện các xử lý đơn giản và chỉ chuyển đi các dữ liệu

đợc yêu cầu và đã qua xử lý sơ bộ.
Các đặc điểm trên đa đến một phạm vi ứng dụng lớn của mạng Sensor. Một số lĩnh
vực đợc ứng dụng là y tế, quân sự và an ninh. Ví dụ nh các bác sỉ sẽ kiểm tra từ xa
các dữ liệu về sinh lý bệnh nhân. Điều này vừa thuận tiện cho bệnh nhân vừa giúp các
bác sĩ hiểu rõ hơn về tình trạng bệnh nhân. Mạng Sensor còn đợc sử dụng để phát
hiện các tác nhân hóa học trong không khí và nớc. Chúng giúp chỉ ra kiểu, sự cô lại
và vị trí của các chất. Về cơ bản, các mạng Sensor cung cấp cho ngời sử dụng sự hiểu
tốt hơn, thông minh hơn về môi trờng. Chúng ta có thể thấy rằng trong tơng lai, các
mạng wireles Sensor sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống, giống nh máy
tính cá nhân hiện nay.
Các ứng dụng thực tế của mạng Sensor yêu cầu phải sử dụng công nghệ mạng
Wireless Ad hoc. Mặc dù vậy, có nhiều thuật toán và giao thức đã đợc sử dụng cho
các mạng Wireless Ad hoc truyền thống nhng chúng không phù hợp lắm với các đặc
tính và yêu cầu ứng dụng của mạng Sensor, Để minh hoạ điểm này, sự khác nhau giữa
mạng Sensor và mạng Wireless Ad hoc đợc đợc phác hoạ dới đây :
- Số lợng nút Sensor trong mạng Sensor có thể đợc yêu cầu ở mức lớn hơn rất
nhiều so với các mạng Ad hoc.
- Các nút Sensor đợc triển khai với mật độ lớn hơn.
- Các nút Sensor thờng gặp trục trặc
- Hình trạng mạng Sensor thay đổi rất thờng xuyên.
- Các nút Sensor thờng sử dụng mô hình thông tin quảng bá ngợc lại các mạng
Ad hoc sử dụng truyền thông điểm- điểm.
- Các nút Sensor có hạn chế về công xuất, khả năng tính toán và bộ nhớ.
- Các nút Sensor có thể không có nhận dạng toàn cục do số lợng nút Sensor lớn.
Vì một số lợng lớn nút Sensor đợc triển khai dày đặc nên các nút lân cận có thể rất
gần nhau. Do đó, truyền thông đa liên kết (Multihop) đợc chọn để công suất sử dụng
thấp hơn so với truyền thông đơn liên kết truyền thống (Single hop).Hơn nữa, công suất
truyền dẫn có thể giữ ở mức thấp, điều này rất cần cho các hoạt động ngầm. Truyền
thông đa liên kết còn có một số hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền thông
khoảng cách xa.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

12
Một hạn chế quan trọng nhất của các nút Sensor là yêu cầu phải tối thiểu công suất
tiêu thụ. Các nút Sensor chỉ tích trữ đợc nguồn năng lợng hạn chế và không đợc
thay thế. Vì vậy, trong khi các mạng truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất
lợng dịch vụ (QoS) cao thì các giao thức trong mạng Sensor phải chú trọng đến sự bảo
tồn nguồn năng lợng. Ngời sử dụng phải chọn giữa tuổi thọ của mạng với hạn chế về
thông lợng hay độ trễ truyền dẫn lớn.
1.3. Mô tả hệ thống
1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát
Các nút Sensor đợc triển khai trong một trờng Sensor (Sensor field) đợc minh họa
trên hình 1.1. Mỗi nút Sensor đợc phát tán có khả năng thu thập thông số liệu, định
tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới ngời dùng (User) và định tuyến các
bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor. Số liệu đợc định
tuyến về phía bộ thu nhận (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng
nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát
gốc hay các trung tâm điều khiển, nh trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực
tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của ngời dùng hoặc gián tiếp thông qua
Internet hay vệ tinh (Satellite).


Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút Sensor
Một nút Sensor đợc tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ
thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút Sensor còn có thể có các
thành phần bổ xung nh hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lợng và thiết bị di động. Các
thành phần trong một nút Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.2. Bộ cảm biến thờng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

13
thờng gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tơng
tự / số (ADC). Các tín hiệu tơng tự có đợc từ các Sensor trên cơ sở cảm biến các hiện
tợng đợc chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới đợc đa tới bộ
xử lý. Bộ xử lý, thờng kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và
quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu
phát đảm bảo thông tin giữa nút Sensor và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô
tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của nút
Sensor là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lợng cho nút
Sensor và không thay thế đợc nên nguồn năng lợng của nút thờng là giới hạn. Bộ
nguồn có thể đợc hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lợng, ví dụ nh các tấm pin mặt
trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng Sensor và các nhiệm vụ cảm biến yêu
cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút Sensor thờng
phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các
nút Sensor theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ đợc phân công.


Hình 1.2: Các thành phần của nút Sensor
Để minh hoạ rõ hơn về mạng Sensor không dây trong thực tế, phần tiếp sau đây sẽ
giới thiệu một hệ thống mạng Sensor điển hình. Đó là hệ thống WISENET.
1.3.2. Hệ thống WISENET
a) Giới thiệu hệ thống WISENET
WISENET (Wireless Sensor NETwork) là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trờng
nh ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây
công suất thấp đợc gọi là các hạt cảm biến (Sensor motes). Dữ liệu này đợc
Bộ nguồn Bộ sinh năng lợng

Sensor
Thiết bị xử lý

Bộ thu phát
Hệ thống tìm vị trí Thiết bị di động

ADC
Thiết bị nhớ
Bộ cảm biến Bộ xử lý
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

14
chuyển tới một máy chủ và đợc lu trong một cơ sở dữ liệu. Một chơng trình Web sẽ
nhận dữ liệu phân tích và hiển thị trên trình duyệt Web.
Mỗi hạt Sensor đợc tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến, các
phần tử cảm biến môi trờng và nguồn nuôi. Một hệ điều hành thời gian thực đợc gọi
là TinyOS (Tiny Operation System) đợc sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà
vẫn cung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạt động tập trung
đồng thời.
b) Sơ đồ hệ thống WISENET
Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data Analysis
Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần chính là
trạm chủ (Server), trạm ngời dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor mote
network).

Hình 1.3; Sơ đồ hệ thống WISENET
Các hệ thống con chính là:

- Hệ thống con phân tích số liệu: Hệ thống con này chỉ gồm phần mềm . Nó dựa trên
cơ sở hạ tầng Internet và Web hiện tại (HTTP) để truyền thông tin giữa máy tính chủ
(Server) và máy truy cập (Client). Nhiệm vụ của hệ thống con này là chọn lấy các dữ
liệu môi trờng thích hợp cha đợc xử lý, có đợc nhờ hệ thống thu nhận dữ liệu,
phân tích và gửi kết quả đến ngời dùng theo yêu cầu.
- Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu môi
trờng và lu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý. Hệ thống
con bao gồm mạng các Sensor đợc kết hợp với máy tính chủ đợc cài đặt phần mềm
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

15
hệ thống (TinyOS Daemon).
Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:
- Trạm ngời dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhng là thành phần bên
ngoài. Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệt Web (Web
browser) và đợc nối mạng Internet. Nó chỉ đóng vai trò là giao diện của ngời sử
dụng đối với hệ thống phân tích số liệu. Nó đa ra yêu cầu số liệu của ngời sử dụng
với trạm chủ và thu lấy các số liệu đã yêu cầu.
Trạm chủ (Server): Đây là thành phần then chốt của hệ thống, là mối liên lạc giữa hai
hệ thống con thu nhận và phân tích số liệu. Về mặt phân tích số liệu nó là một máy chủ
HTTP (HTTP Server) mang một ứng dụng Web (Web program). Khi nhận đợc một
yêu cầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web này nhận số liệu từ cơ sở dữ
liệu (SQL Database), phân tích và đa lại trang theo yêu cầu đến máy tính ngời dùng
(Client). Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có một trình tiện ích hoạt động ngầm
(Daemon) đợc gọi là wiseDB để trao đổi thông tin dễ dàng với mạng Sensor. WiseDB
đảm nhận việc gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp (gateway
mote) để chuyển tới mạng Sensor. Nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng
Sensor (cũng thông qua gateway mote). Số liệu đa đến đợc xử lý rất ít và đợc

chuyển vào cơ sở dữ liệu. Nh vậy, cơ sở dữ liệu SQL là cầu nối giữa hai hệ thống thu
nhận và xử lý số liệu. Vì cơ sở dữ liệu SQL liên lạc thông qua TCP/IP nên chỉ trạm chủ
HTTP và chơng trình Web cần phải đợc đặt trong cùng một tổ chức vật lý. Trạm chủ
HTTP, cơ sở dữ liệu SQL, wiseDB có thể đặt trong các tổ chức vật lý khác nhau và kết
nối thông qua Internet. Trình tự hoạt động của Server đợc tóm tắt nh sau:

Hình 1.4: Trình tự hoạt động của Server
Mạng các hạt Sensor: Mạng các Sensor là thành phần trọng tâm của hệ thống. Các
Sensor đảm nhận việc thu thập số liệu môi trờng và chuyển các số liệu này đến trạm
chủ. Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về số liệu hay tải chơng
trình mới. Có hai phần tử thuộc thành phần này. Thứ nhất là các hạt thông thờng
(Standard mote). Các hạt này có nhiệm thu thập các thông tin cảm biến từ môi trờng,
bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến gateway. Chúng
truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz và đảm
Kiểm tra
các tham
số điều
kiện hợp
lệ.
Nhận số liệu
từ cơ sở dữ
liệu, tuỳ
theo ràng
buộc của
trạm khách
Tạo
trang
Web với
dữ liệu
đã đợc

yêu cầu
Client
yêu
cầu số
liệu với
các
điều
kiện
Gửi
trang
Web
đến
Client.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

16
bảo tất cả các gói đều đợc đa tới Gateway. Chúng còn có phần cứng hiệu chỉnh và
giám sát công suất nguồn. Hạt cổng (Gateway mote) là phần tử thứ hai của mạng
Sensor motes. Mục đích chính của nó là liên lạc giữa trạm chủ và mạng Sensor qua liên
kết vô tuyến RS-232 và chuyển tất cả các gói số liệu tới WiseDB. Cả hai phần tử
Standard mote và Gateway mote đều có cùng phần cứng và phần mềm, chúng chỉ khác
nhau vế chức năng.

Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor gồm:
Các thành phần trong hạt Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.5, bao gồm:
- Các Sensor cảm biến ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ (Light, Humidity, Temp); các LED
trạng thái.
- Mạch thu phát vô tuyến, mạch giao tiếp RS-232 (UARTS), các bộ chuyển tơng tự-

số (ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điều hành TinyOS,
phần mềm) đợc tích hợp trên vi mạch CC1010.
- Phần mềm hệ thống (drivers) giao tiếp RS-232 (chỉ trong gateway), bộ thu phát vô
tuyến và antent.
-Bộ nguồn nuôi (gồm acquy, mạch giám sát nguồn).
c) Các tiêu chuẩn đợc áp dụng
* Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP).
* Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc (SQL).
* Liên kết vô tuyến nối tiếp RS-232.
* Liên kết nối tiếp vi điều khiển (I2C).
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

17
* Quy định FCC (dải tần công nghiệp, khoa học, y tế ISM).
1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng
Ngăn xếp giao thức đợc sử dụng trong bộ thu nhận (nút Sink) và tất cả các nút
Sensor đợc minh họa trong hình 1.6.
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lợng, kết hợp
số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lợng thông qua môi
trờng không dây và tăng cờng sự hợp tác giữa các nút Sensor. Ngăn xếp giao thức
bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng
(Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt
bằng quản lý năng lợng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động
(Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management
Plane).

Hình 1.6: Ngăn xếp giao thức mạng Sensor
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể đợc xây dựng và

sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng
của mạng Sensor yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu đợc cung
cấp bởi lớp giao vận. Do môi trờng có nhiễu và các nút Sensor có thể di động đợc,
giao thức MAC phải đợc tính toán về năng lợng và tối thiểu hóa va chạm trong việc
phát quảng bá với các nút lân cận . Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và
nhận cần thiết đơn giản nhng mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng
lợng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lợng, phối hợp di chuyển và
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

18
nhiệm vụ giữa các nút Sensor. Các mặt bằng này giúp cho các nút Sensor có thể phối
hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm đợc tổng năng lợng tiêu thụ.
Mặt bằng quản lý năng lợng quản lý việc một nút Sensor sử dụng năng lợng của nó
nh thế nào. Ví dụ, nút Sensor có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một
trong các nút lân cận. Điều này có thể tránh đợc việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài
ra, khi mức năng lợng của nút Sensor thấp, nút Sensor sẽ thông báo tới tất cả các nút
lân cận rằng mức năng lợng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc
định tuyến cho các bản tin. Năng lợng còn lại đợc dự trữ cho việc cảm biến. Mặt
bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của nút Sensor, vì thế một tuyến
đờng hớng tới nút user luôn đợc duy trì và các nút Sensor có thể theo dõi đợc các
nút Sensor lân cận. Với việc nhận biết đợc các nút Sensor lân cận, nút Sensor có thể
cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lợng sử dụng. Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng
và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả các Sensor trong
vùng đó đợc yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một
vài nút Sensor thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lợng của
chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, nh vậy, các nút Sensor có thể làm việc
cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lợng, có thể định tuyến số liệu trong một
mạng Sensor di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút Sensor. Nếu không, mỗi nút

Sensor sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng
Sensor, sẽ hiệu quả hơn nếu các nút Sensor có thể hoạt động hợp tác với nhau, nh thế
cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
1.4.1. Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng Sensor đợc vạch rõ và đợc đề xuất, các
giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng Sensor vẫn còn là một vùng rộng lớn
cha đợc khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng
quan trọng là giao thức quản lý Sensor (Sensor Management Protocol-SMP), giao thức
phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu (Task Assignment and Data Advertisement
Protocol-TADAP), giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu (Sensor Query and
Data Dissemination Protocol-SQDDP), rất cần thiết cho mạng Sensor trên cơ sở những
sơ đồ đợc đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng
Sensor. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính
mở.
1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor
Việc thiết kế một giao thức quản lý lớp ứng dụng có nhiều thuận lợi. Mạng Sensor có
nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau và việc truy nhập đến các Sensor thông qua các
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

19
mạng nh Internet đợc định hớng trong một số các dự án hiện nay. Một giao thức
quản lý lớp ứng dụng làm cho phần cứng và phần mềm của các lớp thấp trở lên trong
suốt với các ứng dụng quản lý mạng Sensor. Tức là, việc sử dụng các phần cứng và
phần mềm nào cho lớp thấp không ảnh hởng tới hoạt động của các ứng dụng quản lý
mạng Sensor.
Các nhà quản trị hệ thống tác động tới mạng Sensor nhờ sử dụng SMP. Không nh
nhiều mạng khác, mạng Sensor bao gồm các nút không có các số nhận dạng ID
(IDentify ) toàn cục và chúng thờng không có cơ sở hạ tầng mạng. Vì thế SMP cần

phải truy nhập tới các nút bằng cách sử dụng đặt tên thuộc tính cơ sở và đánh địa chỉ vị
trí cơ sở.
SMP là một giao thức quản lý cung cấp hoạt động phần mềm cần thiết để thực hiện
nhiệm vụ quản trị mạng sau:
- Đa ra các quy tắc liên quan tới việc tập hợp số liệu, đặt tên thuộc tính cơ sở, tập
hợp các nhóm nút Sensor thành cụm.
- Trao đổi số liệu liên quan tới các thuật toán tìm vị trí
- Đồng bộ thời gian cho các nút Sensor
- Di chuyển các nút Sensor
- Bật và tắt các nút Sensor
- Truy vấn cấu hình mạng Sensor và trạng thái nút, định dạng lại cấu hình mạng
Sensor
- Xác nhận, phân phối khoá và bảo mật trong truyền thông số liệu
1.4.1.2. Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu
Một hoạt động quan trọng khác trong mạng Sensor là phổ biến yêu cầu về số liệu.
Ngời sử dụng có thể gửi yêu cầu này tới một nút Sensor, tới một mạng con hoặc tới
toàn mạng. Yêu cầu này có thể là về một thuộc tính nào đó của hiện tợng mục tiêu
hoặc một sự kiện đáng quan tâm. Sau đó, các Sensor liên quan sẽ gửi các số liệu đợc
yêu cầu tới ngời sử dụng. Một phơng pháp khác là quảng cáo các số liệu có sẵn.
Trong phơng pháp này, các nút Sensor quảng cáo các số liệu có sẵn cho ngời dùng
và truy vấn ngời sử dụng về số liệu mà họ quan tâm tới . Một giao thức lớp ứng dụng
cung cấp cho ngời dùng phần mềm với giao diện cho việc truyền đạt yêu cầu hỗ trợ
rất hiệu quả cho các hoạt động của lớp thấp hơn, nh định tuyến
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

20
1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu
SQDDP cung cấp cho ngời sử dụng những ứng dụng bao gồm giao diện truy vấn,

phản hồi truy vấn và thu thập phản hồi gửi tới. Cần lu ý rằng hầu hết các truy vấn
không đợc đa ra cho từng nút riêng. Thay vào đó, việc đặt tên thuộc tính cơ sở và vị
trí cơ sở đợc sử dụng nhiều hơn. Ví dụ: vị trí của những nút mà cảm biến đợc nhiệt
độ cao hơn 70 độ F là một truy vấn thuộc tính cơ sở. Tơng tự nh vậy, nhiệt độ đọc
ra bởi những nút trong vùng A là một ví dụ đặt tên vị trí cơ sở.
Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ Sensor (Sensor Query And Tasking Language-
SQTL) là một ứng dụng cung cấp một tập hợp lớn dịch vụ. SQTL hỗ trợ ba loại sự kiện
đợc định nghĩa bằng từ khóa receive, every and expire. Từ khóa receive định nghĩa
các sự kiện đợc tạo ra bởi nút Sensor khi nút Sensor nhận đợc một bản tin
(Message); từ khóa Every định nghĩa các sự kiện xảy ra định kỳ theo một bộ định thời
gian (Timer), từ khóa Expire định nghĩa các sự kiện xảy ra khi một bộ định thời gian
không còn hiệu lực. Nếu một nút Sensor nhận đợc một thông báo dành cho nó và bao
gồm một đoạn mã lệnh, nút Sensor sẽ thực hiện đoạn lệnh đó. Ngoài SQTL, các loại
SQDDP khác có thể phát triển cho những ứng dụng khác nhau. Các SQDDP có thể
đợc sử dụng duy nhất cho từng ứng dụng.
1.4.2 Lớp giao vận
Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các nút Sensor có
báo cáo cần chuyển tới nút thu nhận (Sink) và nút ngời sử dụng. Lớp giao vận đặc biệt
cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên
ngoài khác. Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn cha phù hợp với đặc trng
của môi trờng mạng Sensor hiện nay. Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ
các nút Sensor trực tiếp đến nút quản lý của ngời sử dụng là không hiệu quả. Phơng
pháp phân tách TCP là cần thiết để mạng Sensor tơng tác với các mạng khác ví dụ nh
Internet. Trong phơng pháp này, kết nối TCP đợc sử dụng để liên lạc giữa nút quản
lý của ngời sử dụng và nút thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với
môi trờng mạng Sensor đợc sử dụng cho truyền thông giữa nút thu nhận và các nút
Sensor. Kết quả là truyền thông giữa nút ngời sử dụng và nút thu nhận có thể sử dụng
giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh. Mặt khác, việc truyền thông
giữa nút thu nhận và các nút Sensor chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu nh UDP,
bởi vì các nút Sensor có bộ nhớ hạn chế.

Không giống các giao thức kiểu nh TCP, các phơng pháp truyền thông đầu cuối
(end to end) trong mạng Sensor không địa chỉ toàn cục. Các phơng pháp này dựa trên
việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu. Các nhân tố nh tiêu
thụ năng lợng, khả năng mở rộng và các đặc trng nh định tuyến tập trung số liệu
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

21
khiến cho mạng Sensor cần phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận. Yêu cầu này
nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận.
1.4.3 Lớp mạng
Các nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng ở gần hoặc ở ngay bên trong
các hiện tợng mục tiêu nh trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa bớc
phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-
hoc thông thờng không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của
mạng Sensor đợc thiết kế theo những nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng lợng luôn là yếu tố quan trọng
- Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung
- Việc tập hợp số liệu chỉ đợc thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của
các nút Sensor .
- Một mạng Sensor lý tởng phải nhận biết đợc việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và
vị trí.
1.4.4. Liên kết liên mạng
Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp sự liên kết mạng với các
mạng bên ngoài nh các mạng Sensor khác, các hệ thống phát lệnh và điều khiển hay
Internet. Trong một mô hình mạng, các nút Sink đợc sử dụng nh một cổng
(Gateway) đến các mạng khác. Trong một mô hình mạng khác, một đờng trục đợc
tạo ra bằng việc kết nối các nút Sink với nhau và đờng trục này đợc truy nhập tới các
mạng khác thông qua một Gateway.

Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

22

Các giao thức Mô tả giao thức
SMECN Tạo một lợc đồ con của mạng Sensor gồm đờng ME
Tràn

Quảng bá số liệu tới tất cả các nút lân cận mà không quan tâm
đến việc chúng đã nhận nó hay cha
Dây truyền Gửi số liệu tới một nút lân cận đợc lựa chọn ngẫu nhiên
Chỉ gửi các số liệu tới các nút Sensor nếu chúng đợc yêu cầu;
có 3 loại bản tin : ADV, REQ và DATA
SPIN

SAR


Tạo nhánh nhiều nhánh cây với gốc của mỗi nhánh cây là một
bớc tới nút lân cận từ nút Sink; chọn một cây cho số liệu để
định tuyến trở lại bộ nhận theo tài nguyên năng lợng và việc đo
QoS bù.
LEACH Tạo các cụm (Cluster) để tối thiểu hóa tiêu thụ năng lợng
Truyền tin có
định hớng
Thiết lập các chỉ hớng cho số liệu từ nguồn tới nút Sink trong
quá trình phổ biến sự quan tâm
Bảng 1.1: Tổng quan về lớp mạng

1.4.5 Lớp liên kết số liệu
Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung
số liệu, điều khiển truy nhập môi trờng và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối
điểm -điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền
thông. Hai phần dới sẽ trình bày về chiến lợc truy nhập môi trờng truyền dẫn và
điều khiển sửa lỗi cho mạng Sensor.
1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trờng truyền dẫn
Giao thức MAC trong mạng Sensor tự tổ chức đa bớc không dây (Wireless Multihop
Self-organizing Sensor network) phải đạt đợc hai mục tiêu. Thứ nhất là phải tạo ra cơ
sở hạ tầng mạng. Vì hàng nghìn nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng
Sensor nên giao thức MAC phải thiết lập đợc những liên kết thông tin để truyền số
liệu. Việc này sẽ lập lên cơ sở hạ tầng nền tảng cần thiết cho truyền thông không dây
đa bớc và tạo cho mạng Sensor khả năng tự tổ chức. Nhiệm vụ thứ hai là chia sẻ tài
các nguyên thông tin một cách hiệu quả và cân bằng giữa các nút Sensor. Các giao thức
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

23
MAC truyền thống có thể đợc phân loại dựa trên các cơ chế phân bổ tài nguyên. Bảng
2.3 cung cấp một sự phân tích các u, nhợc điểm và phạm vi ứng dụng của các loại
này.
Phân loại Kiểu chia sẻ tài
nguyên
Phạm vi ứng dụng Nhợc điểm
Chỉ định
riêng hay
phân bổ cố
định
Phân bổ cố định đợc

xác định trớc
Thích hợp với lu
lợng liên tục và cung
cấp hạn chế trễ
Không hiệu quả
với lu lợng cao
Dựa trên
nhu cầu
Tuỳ thuộc vào nhu
cầu hay yêu cầu của
ngời dùng
Hữu ích đối với tốc
độ biến đổi và lu
lợng đa phơng tiện
Làm tăng phụ tải
(Overhead) và trễ
do tiến trình đăng
kí trớc tài nguyên
Truy nhập
ngẫu nhiên
(dựa trên cạnh
tranh)
Tranh dành kênh khi
cần chuyển gói
Phù hợp với lu
lợng cao
Không hiệu quả
với lu lợng nhạy
cảm với trễ
Bảng 1.2: Phân loại giao thức MAC

1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi
Một chức năng quan trọng khác của lớp liên kết số liệu là điều khiển sửa lỗi cho số
liệu truyền dẫn. Hai phơng pháp điều khiển sửa lỗi quan trọng trong mạng truyền
thông là sửa lỗi trớc (Forward Error Correction-FEC) và yêu cầu lặp lại tự động
(Automatic Repeat Request-ARQ). Phơng pháp ARQ cha đợc áp dụng trong mạng
Sensor mặc dù đã có nhiều dạng ARQ có khả năng thích ứng và hiệu quả đã đợc áp
dụng cho các mạng di động khác. Khả năng ứng dụng của phơng pháp ARQ trong
mạng Sensor bị hạn chế do việc tăng chi phí trớc khi truyền dẫn và phụ tải. Mặt khác,
độ phức tạp trong mã hoá của phơng pháp FEC tăng theo khả năng hiệu chỉnh lỗi. Xét
về mặt này, việc sử dụng các mã đơn giản là giải pháp tốt nhất cho mạng Sensor. Trong
thiết kế của phơng pháp này, vấn đề quan trọng là phải xem xét kỹ lỡng đặc điểm
của kênh và kỹ thuật mã. Phần tiếp theo sẽ trình bày động lực ứng dụng và cơ sở thiết
kế thủ tục FEC theo yêu cầu của mạng Sensor.
FEC: Độ tin cậy của liên kết là tham số quan trọng trong thiết kế bất kì một mạng
không dây nào, điều này càng quan trọng hơn với mạng Sensor do tính chất gay gắt và
không ổn định của sự đụng độ kênh trong các ứng dụng khác nhau. Một số các ứng
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

24
dụng nh giám sát di động và điều hành máy móc đòi hỏi độ chính xác số liệu cao. Tỷ
số lỗi bít (BER) là tham số quan trọng để đánh giá độ tin cậy của liên kết. BER tỷ lệ
thuận với tốc độ kí hiệu R
s
và tỷ lệ nghịch với tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (E
s
/ N
0
) và

mức công xuất phát P
out
. Giả sử một phơng pháp mã hoá với tỷ lệ R đợc sử dụng.
Nếu tốc độ truyền kí hiệu số liệu đợc giữ không đổi so với trớc khi mã hoá thì tốc độ
truyền kí hiệu tổng phải tăng đến R
s
/ R. Ngoài ra, nếu công suất truyền dẫn không đổi
thì năng lợng thu đợc trên một kí hiệu giảm đến RE
s
. BER đo đợc ở đầu vào bộ giải
mã, BER của tín hiệu cha đợc xử lý, lớn hơn BER của tín hiệu sau giải mã. Điều này
có đợc nhờ bộ giải mã bằng cách khai thác phần d thừa và cầu trúc của bộ mã để
hiệu chỉnh một số lỗi đờng truyền. Trong thực tế, một mã sửa lỗi tốt đợc đánh giá
qua mức độ giảm BER và độ lợi chung. Độ lợi mã đợc đánh giá bằng công suất phát
thêm vào cần thiết trong trờng hợp không dùng mã sửa lỗi để đạt đợc cùng BER của
tín hiệu sau giải mã.
Việc truyền thông số liệu một cách tin cậy có thể đợc cung cấp bằng cách tăng công
xuất phát ra (P
out
) hoặc sử dụng cơ chế FEC phù hợp. Vì một nút Sensor có nguồn năng
lợng giới hạn nên việc tăng công suất phát là không khả thi. Do đó, phải tập trung vào
FEC vì FEC có thể giảm đáng kể BER với bất kì giá trị P
out
đợc cho. Tuy nhiên, cũng
phải tính đến công suất xử lý tăng thêm do mã hoá và giải mã. Công suất xử lý này gây
bất lợi do giới hạn nguồn năng lợng của các nút Sensor. Điều này rất quan trọng đối
với mạng Sensor mặc dù có thể không đáng kể với các mạng không dây khác. Nếu
công xuất xử lý phát sinh này lớn hơn độ lợi mã hoá thì cả quá trình này là không hiệu
quả về năng lợng và hệ thống chẳng cần phải mã hoá sửa lỗi. Mặt khác, FEC là rất
quan trọng với mạng Sensor nếu tổng công suất mã hoá và giải mã nhỏ hơn công suất

phát tiết kiệm đợc.
Giả thiết một kênh có Fading Rayleigh chậm không chọn lọc tần số và sử dụng mã
hoá soắn để hiệu chỉnh lỗi. Các phân tích đã đa đến kết luận rằng năng lợng tiêu thụ
trung bình cho một bit có ích tăng hàm mũ theo độ dài hạn chế của mã và không phụ
thuộc vào tỷ lệ mã. Ngoài ra, FEC thờng không hiệu quả nếu giải mã bằng một vi xử
lý và nghiên cứu này giới thiệu một bộ giải mã Viterbi chuyên dụng gắn trên bảng
mạch. Các kỹ thuật mã đơn giản có thể giải quyết vấn đề hiệu quả năng lợng cho
mạng Sensor.
1.4.6 Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế và
mã hoá số liệu. Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ
thu phát nên sẽ không đợc xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu
ứng phát sóng, hiệu xuất năng lợng và các phơng pháp điều chế trong mạng Sensor.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor

Phan Viết Thời, D2001VT

25
Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về năng
lợng và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng Sensor,
việc tối thiểu hoá năng lợng đợc coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn đề về suy
hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đờng. Thông thờng,
công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với d
n
,
trong đó 2 n < 4.

Số mũ n gần 4 với antent tầm thầp và các kênh gần mặt đất điển
hình trong mạng Sensor. Nguyên nhân là do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản
xạ mặt đất. Để giải quyết vấn đề này, ngời thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng

cố hữu và khai thác chúng một cách triệt để. Vi dụ, truyền thông qua nhiều bớc nhảy
trong mạng Sensor có thể vợt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy
hao đờng truyền nếu mật độ nút mạng đủ lớn. Tơng tự, trong khi suy hao đờng
truyền và dung lợng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng
lại tần số theo không gian.
Việc lựa chọn phơng thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin cậy
trong truyền thông của mạng Sensor. Các phơng pháp điều chế cơ hai và cơ số M
đợc so sánh trong [36]. Trong khi một phơng pháp điều chế cơ số M có thể giảm có
thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm
tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô tuyến. Với điều kiện công suất
khởi kích (đợc giới thiệu trong phần 2.1.8) vợt trội thì phơng pháp điều chế cơ số
hai có hiệu quả về năng lợng hơn. Vì thế, phơng pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi với
các hệ thống có công suất khởi kích thấp.
Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (Impulse
Radio-IR) từng đợc sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đo
khoảng cách, gần đây đợc chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạng
không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên không cần các tần số
mang hoặc trung tần. Thông thờng, điều chế vị trí xung đợc sử dụng. Ưu điểm chính
của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với hiên tợng phát đa đờng. Việc sử
dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích
hợp với các mạng Sensor.
1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor
1.5.1. Kích thớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp
Trong bất kỳ hớng phát triển công nghệ nào, kích thớc và công suất tiêu thụ luôn
chi phối khả năng xử lý, lu trữ và tơng tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các
phần cứng cho mạng Sensor phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với