Giới thiệu tổng quan về các giao thức LEACH, LEACH c, STAT CLUSTER

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ
án, em đã nhận được sự động viên, giúp đỡ tận tình của
PGS.TS Vương Đạo Vy. Em xin chân thành cảm ơn thầy
và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo
trong Bộ môn Điện Tử Viễn Thông -Khoa Vật Lý-Trường
Đại Học Khoa Học đã dạy bảo em trong suốt 5 năm học
đại học, để em có được những kiến thức như ngày hôm
nay và cụ thể là qua kết quả đồ án đã phần nào thể hiện
điều này.
Ngoài ra, trong quá trình làm đồ án xa nhà , em
cũng được sự trợ giúp, động viên hết sức to lớn về mặt
vật chất cũng như tinh thần từ gia đình, người thân và
bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn.


Đồ án tốt nghiệp

Huế, ngày 28 tháng 0 4 năm
2009
Người thực hiện đồ án
Nguyễn Duy Thanh

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

2


Đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU
Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến
trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless
Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và
đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin. Hiện
nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng không
dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm ứng
được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh
doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt
với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong
mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất
nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử
dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong
tương lai các ứng dụng của mạng cảm ứng không dây sẽ trở thành
một phần không thể thiếu trong cuộc sống.
Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng
cảm ứng không dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời
sử dụng phần mềm để mô phỏng và đánh giá 3 giao thức cơ bản
trong mạng cảm biến không dây. Đó là các giao thức LEACH,
LEACH-C, STAT_CLUSTER.

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

3


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

4


Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
I.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ
thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và
giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên
Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node
với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao
gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền
dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn,
giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ
thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế
thời gian hoạt động lâu dài.
Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng
WLAN, và mạng phạm vi ở nhà (Bluetooth). Các gói chuyển từ
mạng này qua mạng khác sẽ được hỗ trợ internet không dây. Mạng
cellular đích đến là tại những người sử dụng với tính di động cao.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

5

Đồ án tốt nghiệp

Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần
Doppler. Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao. Bluetooth và
Home RF đích đến là tại nhà. Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải
radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.
WSN khác với các mạng trên. Nó có 1 số lượng lớn các node.
Khoảng cách giữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng
trên. Do WSN hoàn toàn chỉ là các node, chi phí cho mỗi node là
ít. Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều, bởi vì việc thay thế pin
của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả. Tốc độ dữ liệu
và tính di động trong WSN cũng thấp hơn.
Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị
mạng cảm nhận không dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo
thành một cách công khai, sẵn sàng để thương mại hóa, cùng với
TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể dễ dàng sử dụng
thiết bị này. Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley. Sự
tiện ích của các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng,
hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển
khai thực tế đã mang lại một vai trò đầy đủ trong cuộc cách mạng
vàng của mạng cảm nhận không dây.

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

6


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley

I.2 Cấu trúc mạng WSN
I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN
Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát
triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải thỏa
mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có
kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có
các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông
số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và
phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân
cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản,
như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing
unit), bộ thu phát (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)

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

7


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.
Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và
bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter).
Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra
bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó
được đưa vào bộ xử lý.
Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage

unit), quyết định các thủ tục 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. Chúng gửi
và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới
các nút khác hoặc tới sink.
Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ
nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian
sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện
từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.
Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của
mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

8


Đồ án tốt nghiệp

các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển
các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định
như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ
từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng
buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt
động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích
ứng với môi trường.
I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ
thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế
do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu

cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung
gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các
mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop.
Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian
sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật
quan trọng mạng cảm biến không dây.
Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu
hình các thông số một các tự động. Chẳng hạn như các nút có thể
xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định
vị).
Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng
một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút
cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

9


Đồ án tốt nghiệp

nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng
lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi
mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.
Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:
 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không
dây.
 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận
Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như

hình 1.4. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và
định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các
sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút
quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ
tinh.

Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

10


Đồ án tốt nghiệp

I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN
Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các
nút sẽ được định tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người
dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức
được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến (hình 1.5)

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.
Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn
đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất
hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm
biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu,
lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất,
phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.
Lớp ứng dụng :Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến
mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng

trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan
trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor
Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

11


Đồ án tốt nghiệp

nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data
Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến
(SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination).
Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng
mạng cảm biến yêu cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm
biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua
internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nút
quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói ngừời dùng (UDP –
User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP
– Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh.
Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cần các giao thức
kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa
các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở
rộng và định tuyến tập trung dữ liệu .
Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được
cung cấp bởi lớp truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến
phải

đối

mặt

với

rất

nhiều

thách

thức

như

mật

độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…Do vậy thiết kế lớp
mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:
Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan
trọng hàng đầu.
Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu
Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

12


Đồ án tốt nghiệp

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng
cảm biến không dây. Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba
loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là định tuyến ngang hàng, định
tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo hoạt động thì
chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipathbased), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến thỏa
thuận (negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ
(QoS – Quanlity of Service), định tuyến kết hợp (coherent-based).
Lớp kết nối dữ liệu: Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm
cho việc ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi
và truy nhập môi trường. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm
biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường
(MAC – Media Access Control) 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 vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số,
phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã và tách sóng.
Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất
của nút cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó
sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận. Điều này giúp
tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức công suất của nút cảm
biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông
báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản
tin chọn đường. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm
vụ cảm biến.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

13

Đồ án tốt nghiệp

Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của
các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm
biến. Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm
biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ
cảm biến trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm
biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng
một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ
nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó.
Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có
thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công
suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân
chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.
I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN
I.4.1 Thời gian sống bên ngoài
Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn. Ví dụ: một
loại pin kiềm cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho
mỗi nút mạng ở chế độ tích cực gần 1 tháng hoạt động. Sự tiêu tốn
và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho một mạng rộng, thì
thời gian sống dài hơn được thiết kế. Trong thực tế, pin rất cần
thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự
động sử dụng không cần thay thế trong vài năm. Sự cải thiện của
phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta
một phần trong việc tiết kiệm pin.

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

14

Đồ án tốt nghiệp

I.4.2 Sự đáp ứng
Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài
là điều khiển các node trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyển
mạch giữa 2 chế độ: chế độ ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động
(mode active). Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là 1 thách
thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ 1
cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất
của các sensor. Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiên
được tìm thấy và thông báo nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được
giữ ở giới hạn chính xác, thậm chí trong sự tồn tại của nghẽn
mạng.
I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness)
Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao
phủ chính xác (fine-grained coverage). Mục tiêu này phổ biến ở số
lượng lớn các thiết bị không đắt tiền. Tuy nhiên các thiết bị rẻ
thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi. Tốc độ lỗi cũng sẽ cao
khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắc
khe và trong vùng của kẻ địch. Giao thức thiết kế do đó cũng phải
xây dựng kỹ sảo để có thể đáp ứng tốt. Rất khó để chắc chắn rằng
việc định dạng toàn cầu của hệ thống là không bị hỏng với các thiết
bị lỗi.
I.4.4 Hiệu suất (Synergy)
Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung
năng của thiết bị về các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực
hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh chóng sự chính xác của
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

15


Đồ án tốt nghiệp

bộ cảm biến. Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được đặt ra ở đây là giá cả
trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài cent),
nó có thể làm cho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức
độ nhất định. Đó là lý do để thiết kế các giao thức cho hiệu suất
cao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn so
với dung năng của các thành phần trong nó cộng lại. Các giao thức
cung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính và các tài
nguyên thông tin.
I.4.5 Tính mở rộng (Scalability)
WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn
10 ngàn, thậm chí là hàng triệu node trong một giới hạn về độ
dài).Có một vài hạn chế về thông lượng và dung lượng làm ảnh
hưởng đến scalability của hoạt động mạng.
I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity)
Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị
trong quá trình cài đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu
và cảm biến). Sự không đồng nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến
thiết kế.
I.4.7 Tự cấu hình
Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ
thống phân phối không cần chủ. Hoạt động tự động là vấn đề chính
được đặt ra trong thiết kế. Ngay từ khi bắt đầu, các node trong
WSN có thể được cấu hình theo topo mạng của chúng; tự đồng bộ,
tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác.

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

16


Đồ án tốt nghiệp

I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi
Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về
điều kiện hoạt động trước khi triển khai. Dưới những điều kiện đó,
việc xây dựng những máy móc để có thể tự học từ sensor và thu
thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học được đó để tiếp tục
hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng.
Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi
trường mà WSN hoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian.
Các giao thức WSN sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môi
trường năng động trong khi nó đang sử dụng.
I.4.9 Thiết kế có hệ thống
WSN có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng,
nên cần có sự cân bằng giữa hai yếu tố:
 Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng
riêng để đưa ra những hoạt động phát triển cao.
 Tính mềm dẻo: các phương pháp thiết kế phải phổ biến
cho các hoạt động
I.4.10 Cách biệt và bảo mật
Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng, nhạy của thông tin thu
được bởi vì WSN làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm sự
cách biệt và bảo mật.
I.5 Ứng dụng của mạng WSN

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự.
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động,

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

17


Đồ án tốt nghiệp

robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế ... WSN ngày càng
được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng.
Một số ứng dụng cơ bản của WSN:
 Cảm biến môi trường:
 Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,
…
 Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò
rỉ,…
 Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…
 Điều khiển:
 Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…
 Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô
nhiễm, chất thải...
Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn
cấp,…
Hệ thống giao thông thông minh:
 Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ
thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt
xe,…

 Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động
phương tiện giao thông,…
 Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và
điều khiển các thiết bị thông minh,…

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

18


Đồ án tốt nghiệp

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông
minh, giữa các thiết bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các
thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống
thông tin di động, internet,…)

CHƯƠNG II
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm
biến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Rất nhiều các
giải thuật mới đã được đưa ra để giải quyết vấn đề định tuyến dữ
liệu. Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng và
cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng. Chương này trình
bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó
là định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến
phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí
(location-based protocol).
II.1 Giới thiệu
Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với

các mạng adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số
các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng.
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

19


Đồ án tốt nghiệp

Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới mà khác
xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây và
không dây.
II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến
II.2.1 Tính động của mạng
Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm
ứng, nút sink và các sự kiện cần giám sát. Trừ một vài trường hợp
thiết lập các nút cảm ứng di động, còn lại hầu hết các nút cảm biến
được giả thiết là cố định. Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả nút
gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển . Khi đó các bản tin chọn
đường được lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút di
động sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu
hình mạng, năng lượng, độ rộng băng... Các sự kiện cảm nhận có
thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng.
II.2.2 Sự triển khai các node
Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có
thể được xác định trước hoặc tự phân bố. Trong trường hợp được
xác định trước, các nút được đặt bằng tay và dữ liệu được định
tuyến thông qua các đường đã định. Tuy nhiên trong các hệ thống
tự tổ chức, các nút cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một
cấu trúc theo kiểu ad hoc. Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink

hay là các nút chủ cũng góp phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu
quả năng lượng và hoạt động của mạng. Trong hầu hết các cấu
hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thường có cự ly ngắn do

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

20


Đồ án tốt nghiệp

các hạn chế về năng lượng và băng thông. Do đó việc chọn đường
sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy.
II.2.3 Tính đến năng lượng
Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến bị ảnh
hưởng mạnh bởi năng lượng. Vì năng lượng truyền đi của sóng vô
tuyến là một hàm suy hao theo khoảng cách và đặc biệt suy giảm
mạnh trong trường hợp có nhiều vật cản, định tuyến đa bước nhảy
(multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp.
Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu
đề (overhead) để điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập
đường truyền. Định tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất
cả các nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các trường hợp các
nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định
tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn. Trong WSN đa bước
nhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường.
Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công
suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải
chọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng.
II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu

Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số
liệu trong WSN có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian,
theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc ghép lại các phương pháp này.
Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng
dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ. Khi đó, các nút cảm biến sẽ

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

21


Đồ án tốt nghiệp

bật bộ phận cảm biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi
trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xác định.
Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các
nút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của
thuộc tính cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc
để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút khác
trong mạng.
Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng
phụ thuộc thời gian. Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng
kể từ phương pháp báo cáo số liệu, đặc biệt khi tính đến việc tối
thiểu hóa năng lượng và sự ổn định tuyến.
II.2.5 Khả năng của các node
Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất,
nghĩa là có khả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và
có công suất như nhau. Tuy nhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng
khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện các chức năng cụ thể
như truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chức năng

trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng
lượng của nút đó.
Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều
vấn đề kĩ thuật liên quan đến định tuyến. Ví dụ một vài ứng dụng
cần phải kết hợp nhiều sensor để kiểm tra nhiệt độ, áp suất và độ
ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịch chuyển thông
qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh
của các vật chuyển động. Tốc độ đọc của các sensor này có thể
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

22


Đồ án tốt nghiệp

khác nhau, vì thế với những môi trường không đồng nhất như vậy
việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn. Ví dụ, các giao
thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biến
bình thường khác. Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ
các nút cảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến
khác về công suất, băng thông và bộ nhớ. Do đó, nhiệm vụ truyền
tin tới nút gốc được tập trung bởi một nhóm các nút chủ nhóm.
II.2.6 Tập trung / hợp nhất dữ liệu
Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu
thừa, để giảm số lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút
khác nhau phải được tập trung lại. Tập trung dữ liệu là sự kết hợp
các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc dùng các chức
năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy
trung bình (average). Các chức năng trên có thể được thực hiện
một phần hoặc toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng. Việc tinh toán

sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với giao tiếp, và quá trình tập hợp
dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng kể. Kĩ thuật này
được sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến. Trong một
số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉ
định cho các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng. Tập trung dữ
liệu cũng khả thi trong kỹ thuật xử lý tín hiệu.
II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN
Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong
WSN. Ngoài cách chia làm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là định
tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa
Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

23


Đồ án tốt nghiệp

vào vị trí việc chọn đường trong WSN còn có thể được chia thành
chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựa
theo vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng. Những giao thức này cũng
có thể được chia thành các giao thức chọn đường đa đường, yêu
cầu hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất lượng dịch vụ -QoS tuỳ
theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các giao thức chọn
đường có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc
ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích. Trong
các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi
có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường
được tính toán theo yêu cầu. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại
theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn
chọn đường). Việc phân loại và so sánh các giao thức chọn đường

trong WSN được chỉ ra trong hình 2.1 và hình 2.2

Hình 2.1: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

24


Đồ án tốt nghiệp

Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28

25