Hoàn thiện thủ tục phân tuyến AODV trong mạng cảm biến không dây và thực nghiệm trên phần mềm opnet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN DANH ĐÔNG

HOÀN THIỆN THỦ TỤC PHÂN TUYẾN AODV
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ THỰC
NGHIỆM TRÊN PHẦN MỀM OPNET
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60-52-02-03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHẠM MINH TRIỂN

HÀ NỘI – 2015


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc tới thầy giáo
TS. Phạm Minh Triển. Trong suốt thời gian làm luận văn, các thầy đã tận tình hƣớng
dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhƣng vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên công
trình nghiên cứu còn nhiều thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp, chỉ
bảo của các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 8 năm 2015
Học viên

Nguyễn Danh Đông


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Đề tài: “Hoàn thiện thủ tục phân tuyến AODV trong mạng
cảm biến không dây và thực nghiệm trên phần mềm OPNET” là công trình nghiên
cứu của bản thân. Trong khóa luận có sử dụng một số tài liệu tham khảo, các tài liệu
tham khảo này đã đƣợc dẫn chứng và liệt kê trong mục “Tài liệu tham khảo” ở phần
cuối luận văn.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực dựa trên
những nghiên cứu, triển khai và đo đánh giá thực tế. Tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm đối với nội dung, các số liệu và kết quả trong luận văn này.

Ngƣời cam đoan

Nguyễn Danh Đông


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................. 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... 4
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 6
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................... 7
1.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 7
1.2 Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây ...................................... 7
1.2.1 Cấu tạo ..................................................................................................... 7
1.2.1.1 Bộ xử lý trung tâm............................................................................... 8
1.2.1.2 Bộ nhớ/Lƣu trữ .................................................................................... 8

1.2.1.3 Bộ thu phát sóng vô tuyến ................................................................... 8
1.2.1.4 Bộ cảm biến ......................................................................................... 8
1.2.1.4 Hệ thống định vị .................................................................................. 9
1.2.1.5 Bộ nguồn ............................................................................................. 9
1.2.1.6 Bộ phận di động .................................................................................. 9
1.2.2 Phân loại nút mạng .................................................................................. 9
1.3 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây ....................................................... 10
1.3.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây ................................................ 10
1.3.2 Khả năng di động của mạng của biến không dây .................................. 11
1.3.2.1. Phân loại ........................................................................................... 11
1.3.2.2. Lợi ích của khả năng di động ........................................................... 12
1.3.2.3. Thách thức đối với khả năng di động ............................................... 12
1.3.2.4. Các dạng di chuyển .......................................................................... 13
1.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc của mạng cảm biến không dây...... 14
1.4 Các yêu cầu chính trong thiết kế mạng cảm biến không dây ....................... 15
1.5 Một số chuẩn của mạng cảm biến ................................................................ 17


1.6 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây .............................................. 18
CHƢƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
GIAO THỨC AODV .................................................................................................... 19
2.1 Các vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây.............................. 19
2.2 Phân loại các giao thức định tuyến ............................................................... 20
2.2.1 Các giao thức định tuyến theo bảng điều khiển ..................................... 21
2.2.2 Các giao thức định tuyến theo yêu cầu .................................................. 21
2.2.3 Các giao thức định tuyến lai .................................................................. 22
2.2.4 Các giao thức định tuyến theo nhận biết vị trí ....................................... 22
2.2.5 Các giao thức định tuyến đa đƣờng ....................................................... 23
2.3 Các thông số quan trọng khi giao thức hoạt động ........................................ 23
2.4 Giao Thức Định Tuyến AODV .................................................................... 24

2.4.1 Định dạng các bản tin sử dụng trong giao thức AODV ........................ 24
2.4.1.1 Định dạng bản tin yêu cầu tìm đƣờng (RREQ) ................................. 24
2.4.1.2 Định dạng bản tin trả lời tìm đƣờng (RREP) .................................... 25
2.4.1.3 Định dạng bản tin lỗi tìm đƣờng (RERR) ......................................... 25
2.4.1.4 Định dạng gói tin phản hồi trả lời tìm đƣờng (RREP-ACK) ............ 26
2.4.2 Nguyên lý hoạt động của giao thức ....................................................... 26
2.4.2.1 Số đếm ............................................................................................... 26
2.4.2.2 Quá trình tìm đƣờng khởi tạo kết nối ................................................ 27
2.4.2.3 Duy trì kết nối ................................................................................... 32
2.4.2.4 Xử lý khi có lỗi xảy ra ....................................................................... 33
2.4.2.5 Sửa cục bộ ......................................................................................... 35
CHƢƠNG 3 : MÔ PHỎNG GIAO THỨC AODV BẰNG PHẦN MỀM OPNET
....................................................................................................................................... 38
3.1 Giới thiệu về phần mềm OPNET ................................................................. 38
3.2 Mô phỏng ...................................................................................................... 39
3.2.1 Mục tiêu ................................................................................................. 39
3.2.2 AODV trong OPNET ............................................................................ 39
3.2.3 Tùy chỉnh, thay đổi các thông số của AODV ........................................ 42


3.2.4 Thực hiện mô phỏng .............................................................................. 47
3.2.4.1 Mô hình mạng và thông số ................................................................ 47
3.2.4.2 Thực hiện ........................................................................................... 48
3.2.5 Kết quả mô phỏng .................................................................................. 52
3.2.5.1 Trƣờng hợp 30 nút mạng ................................................................... 52
3.2.5.2 Trƣờng hợp 60 nút mạng ................................................................... 60
3.2.5.3 Trƣờng hợp 120 nút mạng ................................................................. 64
3.2.6 Kết luận .................................................................................................. 68
KẾT LUẬN........................................................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 71

1

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AODV

Ad-hoc On Demand Distance Vector

MANET

Mobile Ad-hoc Network

DARPA

Defense Advanced Research Projects Agency

SUSAN

Adaptive Survivable Network

IETF

Internet Engineering Task Force

BAN

Body Area Network

PAN

Personal Area Network

LAN

Local Area Network

WAN

Wide Area Network

ID

Identification

TTL

Time To Live

DSDV

Destination-Sequenced Distance-Vector

OLSR

Optimized Link State Routing

CGSR

Cluster-Head Gateway Switch routing

WRP

Wireless routing Protocol

STAR

Source-Tree Adaptive Routing

DSR

Dynamic Source Routing

TORA

Temporally Ordered Routing Algorithm

ABR

Associativity-Based Routing

SSBR

Signal Stability-Based Adaptive Routing

ZRP

Zone Routing Protocol

FSR

Fisheye State Routing

LANMAR

Landmark Ad Hoc Routing

RDMAR

Relative Distance Micro-discovery Ad Hoc Routing

SLURP

Scalable Location Update-Based Routing Protocol

LAR

Location-Aided Routing

DREAM

Distance Routing Effect Algorithm for Mobility

GPSR

Greedy Perimeter Stateless Routing

LAKER

Location Aided Knowledge Extraction Routing

MORA

Movement-Based Algorithm for Ad Hoc Networks


2
CHAMP

Caching and Multipath routing Protocol

AOMDV

Ad hoc On-Demand Multipath Distance Vector Routing

SMR

Split Multipath Routing

RREQ

Route Request

RREP

Route Reply

RRER

Route Error

RREP-ACK

Route Reply Acknowledgement

IEEE

Institute Of Electrical And Electronics Engineers


3

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 : Định dạng bản tin RREQ .................................................................... 24
Bảng 2.2 : Định dạng bản tin RREP ..................................................................... 25
Bảng 2.3 : Định dạng bản tin RERR..................................................................... 26
Bảng 2.4 : Định dạng bản tin RREP-ACK. .......................................................... 26
Bảng 3.1 : So sánh các chƣơng trình mô phỏng[28][29][30]. .............................. 38
Bảng 3.2 : Các thông số mặc định của giao thức AODV. .................................... 39
Bảng 3.3 : Thay đổi thông số TTL. ...................................................................... 46
Bảng 3.4 : Thay đổi thông số yêu cầu tìm đƣờng. ................................................ 46
Bảng 3.5 : Các thông số mô phỏng giao thức AODV. ......................................... 47
Bảng 3.6 : Thời gian trễ trung bình khi các nút cố định. ...................................... 53
Bảng 3.7 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút cố định. ........................ 53
Bảng 3.8 : Lƣợng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút cố định. ...................... 54
Bảng 3.9 : Thời gian trễ trung bình khi các nút di chuyển. .................................. 55
Bảng 3.10 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút di chuyển. .................. 55
Bảng 3.11 : Lƣợng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút di chuyển. ................ 56
Bảng 3.12 : Thời gian trễ trung bình khi các nút cố định. .................................... 57
Bảng 3.13 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút cố định. ...................... 57

Bảng 3.14 : Lƣợng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút cố định. .................... 58
Bảng 3.15 : Thời gian trễ trung bình khi các nút di chuyển. ................................ 59
Bảng 3.16 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút di chuyển. .................. 59
Bảng 3.17 : Lƣợng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút di chuyển. ................ 60
Bảng 3.18 : Thời gian trễ trung bình khi các nút cố định. .................................... 61
Bảng 3.19 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút cố định. ...................... 61
Bảng 3.20 : Lƣợng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút cố định. .................... 62
Bảng 3.21 : Thời gian trễ trung bình khi các nút cố định. .................................... 63
Bảng 3.22 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút di chuyển. .................. 63
Bảng 3.23 : Lƣợng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút di chuyển. ................ 64
Bảng 3.24 : Thời gian trễ trung bình khi các nút cố định. .................................... 65
Bảng 3.25 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút cố định. ...................... 65
Bảng 3.26 : Lƣợng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút cố định. .................... 66
Bảng 3.27 : Thời gian trễ trung bình khi các nút di chuyển. ................................ 67
Bảng 3.28 : Số bản tin lỗi(RERR) trung bình khi các nút di chuyển. .................. 67
Bảng 3.29 : Lƣợng dữ liệu mất mát trung bình khi các nút di chuyển. ................ 68


4

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Một nút mạng cảm biến không dây ....................................................... 7
Hình 1.2 : Sơ đồ của một thiết bị mạng cảm biến không dây [10]. ........................ 7
Hình 1.3 : Cấu trúc mạng cảm biến không dây tổng quan ................................... 10
Hình 1.4 : Cấu trúc mạng hình sao đơn chặng...................................................... 11
Hình 1.5 : Cấu trúc mạng hình cây đa chặng ........................................................ 11
Hình 1.6 : Di chuyển ngẫu nhiên .......................................................................... 13
Hình 1.7 : Di chuyển theo đƣờng nhất định ......................................................... 13
Hình 1.8 : Di chuyển theo Gauss-Markov ............................................................ 14
Hình 1.9 : Di chuyển theo nhóm có hƣớng ngẫu nhiên ........................................ 14

Hình 2.1 : Các giao thức định tuyến ..................................................................... 21
Hình 2.2 : Định dạng bản tin RREQ[8]. ............................................................... 24
Hình 2.3 : Định dạng bản tin RREP[8]. ................................................................ 25
Hình 2.4 : Định dạng bản tin RERR[8]. ............................................................... 26
Hình 2.5 : Định dạng bản tin RREP-ACK[8]. ...................................................... 26
Hình 2.6 : Ví dụ bản tin RREQ phần 1 ................................................................. 31
Hình 2.7 : Ví dụ bản tin RREQ phần 2 ................................................................. 31
Hình 2.8 : Ví dụ bản tin RREQ phần 3 ................................................................. 31
Hình 2.9 : Ví dụ bản tin RREQ phần 4 ................................................................. 31
Hình 2.10 : Ví dụ bản tin RREQ phần 5 ............................................................... 32
Hình 2.11 : Ví dụ bản tin RREQ phần 6 ............................................................... 32
Hình 2.12 : Ví dụ bản tin RREQ phần 7 ............................................................... 32
Hình 2.13 : Ví dụ bản tin RERR phần 1 ............................................................... 34
Hình 2.14 : Ví dụ bản tin RERR phần 2 ............................................................... 34
Hình 2.15 : Ví dụ bản tin RERR phần 3 ............................................................... 35
Hình 2.16 : Ví dụ bản tin RERR phần 4 ............................................................... 35
Hình 2.17 : Ví dụ bản tin RERR phần 5 ............................................................... 35
Hình 2.18 : Ví dụ quá trình sửa cục bộ phần 1 ..................................................... 36
Hình 2.19 : Ví dụ quá trình sửa cục bộ phần 2 ..................................................... 36
Hình 2.20 : Ví dụ quá trình sửa cục bộ phần 3 ..................................................... 36
Hình 2.21 : Ví dụ quá trình sửa cục bộ phần 4 .................................................... 36
Hình 2.22 : Ví dụ quá trình sửa cục bộ phần 5 .................................................... 37
Hình 2.23 : Ví dụ quá trình sửa cục bộ phần 6 ..................................................... 37
Hình 3.1 : Thông số AODV mặc định. ................................................................. 40
Hình 3.2 : Giao diện ban đầu của OPNET............................................................ 44
Hình 3.3 : Giao diện mở file của OPNET............................................................. 44
Hình 3.4 : Giao diện Process Model của OPNET ................................................ 45


5

Hình 3.5 : Mô hình 06 nút mạng cố định .............................................................. 49
Hình 3.6 : Mô hình 06 nút mạng di chuyển ngẫu nhiên ....................................... 49
Hình 3.7 : Mô hình 30 nút mạng cố định .............................................................. 50
Hình 3.8 : Mô hình 30 nút mạng di chuyển ngẫu nhiên ....................................... 50
Hình 3.9 : Mô hình 60 nút mạng cố định .............................................................. 50
Hình 3.10 : Mô hình 60 nút mạng di chuyển ngẫu nhiên ..................................... 51
Hình 3.11 : Mô hình 120 nút mạng cố định .......................................................... 51
Hình 3.12 : Mô hình 120 nút mạng di chuyển ngẫu nhiên ................................... 51
Hình 3.13 : Kết quả thời gian trễ khi các nút cố định. .......................................... 52
Hình 3.14 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút cố định. ........................... 53
Hình 3.15 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút cố định. .................................... 54
Hình 3.16 : Kết quả thời gian trễ khi các nút di chuyển. ...................................... 54
Hình 3.17 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút di chuyển. ....................... 55
Hình 3.18 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút di chuyển. ................................ 56
Hình 3.19 : Kết quả thời gian trễ khi các nút cố định. .......................................... 56
Hình 3.20 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút cố định. ........................... 57
Hình 3.21 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút cố định.. ................................... 58
Hình 3.22 : Kết quả thời gian trễ khi các nút di chuyển. ...................................... 59
Hình 3.23 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút di chuyển. ....................... 59
Hình 3.24 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút di chuyển.. ............................... 60
Hình 3.17 : Kết quả thời gian trễ khi các nút cố định. .......................................... 60
Hình 3.26 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút cố định. ........................... 61
Hình 3.27 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút cố định. .................................... 62
Hình 3.28 : Kết quả thời gian trễ khi các nút di chuyển. ...................................... 62
Hình 3.29 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút di chuyển. ....................... 63
Hình 3.30 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút di chuyển.. ............................... 64
Hình 3.31 : Kết quả thời gian trễ khi các nút cố định. .......................................... 64
Hình 3.32 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút cố định. ........................... 65
Hình 3.33 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút cố định. .................................... 66
Hình 3.34 : Kết quả thời gian trễ khi các nút di chuyển. ...................................... 66

Hình 3.35 : Kết quả số bản tin lỗi(RERR) khi các nút di chuyển. ....................... 67
Hình 3.36 : Kết quả dữ liệu mất mát khi các nút di chuyển.. ............................... 68


6

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, ngày càng có nhiều ngƣời tập trung vào việc nghiên cứu các kỹ thuật
truyền thông không dây vì khả năng mở rộng, chi phi thấp, dễ dàng triển khai của nó.
Cả mạng không dây diện rộng và mạng không dây cá nhân nhận đƣợc rất nhiều sự
quan tâm và nghiên cứu. Mạng cảm biến không dây tích hợp các công nghệ truyền
thông không dây, là nền tảng của “Internet of things” và đứng đầu trong danh sách
mƣời công nghệ có tác động sâu sắc đến cuộc sống tƣơng lai của con ngƣời.
Mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ quân
sự, quốc phòng, chống khủng bố, y tế và giám sát môi trƣờng.Mạng cảm biến không
dây đƣợc xây dựng bởi rất nhiều các nút cảm biến nhỏ và có chi phí nhỏ. Nó có các
chế độ truyền thông là đơn chặng, đa chặn và không dây.Tất cả các nút mạng này hợp
tác với nhau để cảm nhận, thu thập, xử lý thông tin và cung cấp thông tin cho ngƣời sử
dụng. Nút cảm biến, đối tƣợng đƣợc theo dõi và ngƣời sử dụng là ba yếu tố xây dựng
nên mạng cảm biến không dây. Trong khi đó, mạng cảm biến không dây có liên kết
chặt chẽ với mạng di động Ad-hoc, có thể coi mạng cảm biến không dây là một phần
của mạng di động Ad-hoc.
Tất cả các ứng dụng đều đòi hỏi mạng cảm biến không dây phải tiêu thụ năng
lƣợng thấp, cấu trúc mạng nhanh, tính thời gian thực…Trong đó yêu cầu tiêu thụ ít
năng lƣợng là quan trọng nhất.Để nâng cao hiệu suất và tăng tuổi thọ của mạng, chúng
ta cần phải làm giảm mức tiêu thụ năng lƣợng của các nút cảm biến trong mạng cảm
biến không dây.
Các nghiên cứu về thuật toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây là đặc
biệt quan trọng. Việc cải thiện các thuật toán giao thức định tuyến đang tồn tại, nâng
cao hiệu quả của các nút trong mạng và đảm bảo chất lƣợng thông tin truyền tiếp giữa

các nút mạng là rất quan trọng. Vì mạng cảm biến không dây là một phần của mạng di
động Ad-hoc nên có thể xem xét các giao thức định tuyến trong mạng di động Ad-hoc
áp dụng vào mạng cảm biến không dây.
Trong khuôn khổ luận văn “Hoàn thiện thủ tục phân tuyến AODVtrong mạng
cảm biến không dây và thực nghiệm trên phần mềm OPNET” sẽ nghiên cứu đến
thủ tục phân tuyến AODV hay giao thức định tuyến AODVtrong mạng cảm biến
không dây, khảo sát một số thông số và thực hiện thay đổi quy tắc định tuyến mặc định
của giao thức định tuyến AODV từ ít chặng nhất đến chi phí ít nhất. Và sử dụng phần
mềm mô phỏng OPNET để thực hiện khảo sát, phân tích các thay đổi đó.


7

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lƣợng lớn các thiết bị không dây có
khả năng đo các thông tin môi trƣờng. Ví dụ nhƣ nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh và độ
ẩm. Những cảm biến gửi các dữ liệu thông qua kênh truyền không dây. Các nút mạng
là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có giá thành thấp, đƣợc phân bố trên một khu vực, sử
dụng nguồn năng lƣợng là pin, có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt[9][10].
Mạng hoạt động trên nguyên lý là một nút mạng sẽ cảm nhận thông số của một
môi trƣờng cần đo và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trƣờng không dây về
trạm gốc. Trên cơ sở đó nút gốc có thể đƣa ra các lệnh xử lý cần thiết hoặc truyền số
liệu vào máy tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết phải là máy tính mà có thể đƣợc
chế tạo với kích thƣớc nhỏ, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể[9][10].

Hình 1.1 : Một nút mạng cảm biến không dây
1.2 Cấu tạo và phân loại nút mạng cảm biến không dây
1.2.1 Cấu tạo
Do số lƣợng nút trong mạng cảm biến không dây là lớn và không cần các hoạt

động bảo trì, nên yêu cầu thông thƣờng đối với một nút mạng là giá thành thấp và kích
thƣớc nhỏ gọn.
Bộ cảm
biến

Bộ nhớ

Hệ thống
định vị

Bộ xử lý trung
tâm

Bộ thu phát
sóng

Bộ phận di
động

Bộ nguồn

Hình 1.2 : Sơ đồ của một thiết bị mạng cảm biến không dây[10].


8
1.2.1.1

Bộ xử lýtrung tâm

Đây là một bộ xử lý nhúng năng lƣợng thấp.Nhiệm vụ của bộ xử lý bao gồm : xử

lý thông tin cảm biến cục bộ của chính nút mạng đó và thông tin nhận đƣợc từ các nút
mạng khác. Các bộ xử lý gắn vào thiết bị thƣờng bị hạn chế về khả năng tính toán (Ví
dụ hiện nay có nhiều thiết bị chỉ có bộ xử lý 8 bits 16MHz), do vậy các nút mạng cảm
biến thƣờng đƣợc chạy trên các hệ điều hành chuyên biệt, nhƣ hệ điều hành TinyOS.
Tuy nhiên, sẽ có một số nút mạng sẽ có khả năng tính toán mạnh hơn đáng kể. Hơn
nữa, với định luật Moore, các thiết bị cảm biến không dây tƣơng lai có thể có những
bộ xử lý nhúng mạnh mẽ, kết hợp các công nghệ tiên tiến nhằm tiết kiệm năng
lƣợng[10].
1.2.1.2

Bộ nhớ/Lưu trữ

Bộ nhớ/lƣu trữ dƣới dạng bộ nhớ chỉ đọc và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên bao gồm
cả bộ nhớ chƣơng trình (các lệnh đƣợc thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lƣu
các kết quả đo chƣa xử lý và đã qua xử lý bởi bộ cảm biến, lƣu các thông tin cục bộ
khác). Chất lƣợng bộ nhớ và lƣu trữ trên bo mạch của thiết bị mạng cảm biến không
dây thƣờng bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp, tuy nhiên nó cũng đƣợc cải
thiện đáng kể qua thời gian[10].
1.2.1.3

Bộ thu phát sóng vô tuyến

Thiết bị mạng cảm biến không dây có tốc độ thấp (10 → 100 kbps) và là thiết bị
vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100 mét). Trong mạng cảm biến không dây thì
truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất, do đó nó cần phải kết
hợp có hiệu quả công suất giữa các chế độ ngủ và chế độ hoạt động. Đồng thời cũng
phải đối mặt với các vấn đề nhƣ các hiệu ứng nhiễu, hiệu ứng bóng mờ, giao
thoa…[10]
1.2.1.4

Bộ cảm biến

 Cảm biến
Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị mạng cảm biến không dây chỉ hỗ
trợ bộ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp. Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi
thiết bị có một vài loại cảm biến trên bo mạch chủ. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một
loại cảm biến riêng : cảm biếnnhiệt độ, cảm biếnánh sáng, cảm biếnđộ ẩm, cảm biếnáp
suất, cảm biếngia tốc, cảm biếntừ, cảm biếnâm thanh hay thậm chí là cảm biếnhình
ảnh có độ phân giải thấp[10].
 Bộ chuyển đổi tương tự số
Bộ chuyển đổi tƣơng tự số đƣợc tích hợp để có thể ghép nối với các cảm biến
tƣơng tự. Với bộ chuyển đổi tƣơng tự số đƣợc tích hợp sẵn sẽ giúp cho thuận tiện hơn
trong việc sử dụng, giảm kích thƣớc nút mạng đồng thời giảm đƣợc các nhiễu trong
quá trình biến đổi tƣơng tự số với các tín hiệu từ cảm biến[10].


9
1.2.1.4

Hệ thống định vị

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, ứng dụng cho phép đo
cảm biếnđể đánh dấu vị trí là quan trọng nhất. Cách đơn giản nhất để định vị là tiền
cấu hình cho cảm biến ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính khả thi trong một
số điều kiện triển khai nhất định. Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngoài tòa nhà : khi
một mạng đƣợc triển khai, thông tin dễ dàng thu đƣợc qua vệ tinh định vị. Tuy nhiên,
tại các ứng dụng, do hạn chế của môi trƣờng và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các nút
đƣợc trang bị hệ thống định vị. Trong trƣờng hợp không có hệ thống định vị, các nút
khác nhau (nhƣng vẫn trong cùng mạng) chỉ thu đƣợc vị trí của nhau một cách gián
tiếp qua giao thức định vị mạng[10].

1.2.1.5

Bộ nguồn

Nguồn năng lƣợng đƣợc sử dụng để có thể triển khai hoạt động của thiết bị mạng
cảm biến không dây là các dạng nguồn năng lƣợng dự trữ nhƣ nguồn pin. Trong một
số trƣờng hợp, các nút mạng có thể đƣợc kết nối đến một nguồn điện liên tục, một số
trƣờng hợp, bộ nguồn của các nút mạng đƣợc thiết kế có thêm các thiết bị pin năng
lƣợng mặt trời để có thể duy trì nguồn năng lƣợng. Tuy nhiên, do phần lớn các trƣờng
hợp đều sử dụng pin, nên nguồn năng lƣợng cung cấp cho thiết bị là có giới hạn, điều
này ảnh hƣởng lớn nhất đến các ứng dụng của mạng cảm biến không dây[10].
1.2.1.6

Bộ phận di động

Các node cảm biến đôi khi cần phải dịch chuyển để thực hiện các nhiệm vụ ấn
định. Do đó nó đƣợc trang bị thêm các thành phần phụ để phục vụ cho quá trình di
động.
1.2.2 Phân loại nút mạng
Trong hầu hết các mô hình mạng mạng cảm biến không dây có 3 loại nút mạng :
nút cảm nhận, nút trung gian và nút cơ sở (nút trung tâm)[10].
 Nút cảm nhận : trực tiếp thu thập số liệu và truyền số liệu về nút cơ sở
(nếu khoảng cách giữa nút cảm nhận và nút cơ sở nhỏ) hoặc truyền đến
các nút trung gian (nếu khoảng cách lớn)[10].
 Nút trung gian : cũng trực tiếp thu thập dữ liệu. Kế đến chúng tiến hành
chuyển tiếp dữ liệu thu thập đƣợc và dữ liệu nhận đƣợc từ các nút cảm
nhận qua các nút trung gian khác. Sau đó gửi dữ liệu về nút cơ sở[10].
 Nút cơ sở : tiếp nhận dữ liệu từ mạng và tiến hành xử lý dữ liệu[10].

10

Nút cảm biến

Nút cảm biến
Nút trung gian

Nút trung gian
Nút cảm biến
Nút cơ sở

Nút cảm biến

Nút trung gian

Nút cảm biến

Hình 1.3 : Cấu trúcmạng cảm biến không dây tổng quan
1.3 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
1.3.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai trên một phạm vi rộng, số
lƣợng nút mạng lớn và đƣợc phân bố một cách tƣơng đối ngẫu nhiên, các nút mạng có
thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng… Do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi
một cấu trúc mạng linh động (ad-hoc, lƣới, sao…) và các nút mạng có khả năng tự
điều chỉnh, tự cấu hình. Tùy thuộc vào mỗi ứng dụng, các thiết bị mạng cảm biến
không dây có thể cùng hay không cùng mạng với nhau[10].
Mạng cảm biến không dây có thể coi nhƣ một phần trong mạng di động Ad-hoc,
tuy nhiên giữa chúng cũng có những điểm tƣơng đồng và những điểm khác biệt
riêng[23].
 Điểm tương đồng:

 Đều là những mạng không dây.
 Sử dụng những nút mạng trung gian trong việc định tuyến giữa hai nút
mạng, gọi là đa chặng.
 Đều sử dụng nguồn năng lƣợng là pin, việc tiết kiệm năng lƣợng đƣợc ƣu
tiên hàng đầu.
 Đều là những hệ tự quản lý, tự cấu hình.
 Do đều sử dụng công nghệ không dây nên dễ bị ảnh hƣởng bởi các sóng
không dây có cùng tần số khác.
 Điểm khác biệt:
 Mạng cảm biến không dây tập trung vào đối tƣợng môi trƣờng hơn là con
ngƣời, mạng di động Ad-hoc tập trung vào con ngƣời nhiều hơn.
 Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu chủ yếu là các hiện tƣợng, sự
kiện ở thế giới thực, còn trong mạng di động Ad-hoc chủ yếu là dữ liệu.


11
 Các nút trong mạng cảm biến không dây ít di động hơn mạng di động Adhoc.
 Nguồn năng lƣợng giới hạn, năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây
đƣợc quản lý, sử dụng chặt chẽ. Trong mạng di động Ad-hoc, có thể ít bị
ràng buộc bởi nguồn cung cấp do ngƣời dùng có thể thay thế nguồn cho
các thiết bị.
 Số lƣợng nút trong mạng cảm biến không dây là rất lớn, trong mạng di
động Ad-hoc là ít hơn.
Mạng cảm biến không dây tiến hành phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng
ngàn nút) thành các cụm để ổn định cấu trúc của mạng, đơn giản hóa giải thuật định
tuyến, giảm xung đột khi truy cập vào kênh truyền nên giảm đƣợc năng lƣợng tiêu thụ,
đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút mạng[10].
Trong những ứng dụng tập hợp dữ liệu cơ bản, có một nút đƣợc gọi là nút sink.
Tất cả dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn đƣợc truyền trực tiếp đến nó. Cấu trúc mạng
đơn giản nhất cho ứng dụng này là cấu trúc hình sao đơn chặng. Trong cấu trúc này,

tất cả các nút gửi dữ liệu trực tiếp đến nút sink[10].

Hình 1.4 : Cấu trúc mạng hình sao đơn chặng
Đối với mạng cài đặt công suất truyền thấp hay mạng triển khai trên diện rộng thì
sử dụng cấu trúc hình cây đa chặng. Trong cấu trúc này, một vài nút đƣợc xem nhƣ các
nút nguồn của chính chúng và định tuyến cho các nguồn khác[10].

Hình 1.5 : Cấu trúc mạng hình cây đa chặng
1.3.2 Khả năng di động của mạng của biến không dây
1.3.2.1. Phân loại
Trong mạng cảm biến không dây, tính di động có thể chia làm 03 dạng chính:


12
 Nút cảm biến di động
Các nút trong mạng cảm biến không dây có thể tự mình di động, tuy nhiên nó
phụ thuộc nhiều vào các ứng dụng của mạng. Ví nhƣ trong ứng dụng giám sát môi
trƣờng, các nút thƣờng không di động, trong ứng dụng giám sát chăn nuôi ( các nút
gắn liền với gia súc ) các nút mạng thƣờng là di động.
Đối mặt với việc các nút mạng di động, mạng phải tổ chức lại thƣờng xuyên đủ
để mạng có thể hoạt động ổn định. Có một sự đánh đổi giữa tần suất và tốc độ di
chuyển của nút mạng với năng lƣợng yêu cầu để duy trì đầy đủ tính ổn định của mạng.
 Nút Sink di động
Các nút thu thập thông tin Sink cũng có thể di động, có thể coi nhƣ là một trƣờng
hợp đặc biệt của nút cảm biến di động.
 Sự kiện di động
Trong các ứng dụng giống nhƣ phát hiện sự kiện hoặc đặc biệt trong các ứng
dụng theo dõi, các sự kiện hoặc đối tƣợng đƣợc theo dõi có thể di động. Trong trƣờng
hợp này, một số lƣợng các nút cảm biến sẽ đƣợc bố trí xung quanh các sự kiện giám
sát, khi sự kiện diễn ra các nút mạng sẽ thức dậy và giám sát sau đó các nút mạng sẽ

chuyển về trạng thái ngủ.
Các giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây sẽ phải hỗ trợ thích
hợp cho các dạng di động của mạng, đặc biệt là trƣờng hợp nút mạng di động và sự
kiện di động.
1.3.2.2.

Lợi ích của khả năng di động






Kéo dài thời gian sống của mạng.
Dung lƣợng kênh truyền tăng.
Tăng cƣờng phủ sóng và mục tiêu cảm nhận.
Cải thiện hiệu quả làm việc.
Dữ liệu tin cậy hơn.

1.3.2.3. Thách thức đối với khả năng di động
 Vị trí
Đối với mạng cố định, vị trí của các nút đƣợc phát hiện ngay trong quá trình khởi
tạo mạng. Tuy nhiên đối với các nút mạng di động liên tục phải thu thập vị trí của nó
khi nó đi qua các khu vực cảm nhận, điều này gây tốn thời gian và năng lƣợng.
 Cấu trúc mạng động
Trong cấu trúc mạng động, dữ liệu trở nên lỗi thời một cách nhanh chóng, do đó
quá trình khám phá tìm đƣờng phải nhanh chóng đƣợc thực hiên, gây ra lẵng phí năng
lƣợng, thời gian và băng thông. Đã có những nghiên cứu trong mạng di động Ad-hoc
để khắc phục điều này.

13
 Công suất tiêu thụ
Công suất tiêu thụ của mạng cảm biến không dây cố định và mạng cảm biến
không dây di động là khác nhau. Cả hai đều tiêu tốn năng lƣợng cho việc truyền thông
không dây, tuy nhiên mạng cảm biến không dây di động còn có thểtiêu tốn năng lƣợng
cho khả năng di động, do đó nó thƣờng yêu cầu nguồn năng lƣợng lớn hơn, có thể có
cả khả năng tự nạp điện.
 Sự di động của nút Sink
Trong mạng cảm biến không dây di động có sử dụng những nút mạng cơ sở di
động để thu thập thông tin do đó số chặng truyền tin có thể đƣợc cực tiểu.
1.3.2.4. Các dạng di chuyển
 Theo hướng ngẫu nhiên
Trong dạng này sẽ có một khoảng thời gian dừng giữa các lần thay đổi hƣớng
hoặc tốc độ. Các nút mạng di chuyển theo một hƣớng ngẫu nhiên với một tốc độ ngẫu
nhiên, sau đó dừng lại trong một khoảng thời gian, sau đó thay đổi hƣớng khác với
một tốc độ khác.

Hình 1.6 : Di chuyển ngẫu nhiên
 Theo đường nhất định
Trong dạng này, một đích đến đƣợc lựa chọn và nút mạng sẽ di chuyển theo một
đƣờng cố định đến đích. Không giống nhƣ theo hƣớng ngẫu nhiên, các nút mạng di
chuyển một cách tự do.

Hình 1.7 : Di chuyển theo đường nhất định


14
 Theo Gauss-Markov
Tính di động của một nút có thể đƣợc hạn chế và giới hạn bởi một luật vật lý về

khả năng tăng tốc, vận tốc, tốc độ thay đổi. Tốc độ hiện tại của một nút di động có thể
phụ thuộc vào tốc độ trƣớc đó của nó. Trong mô hình Gauss-Markov sự phụ thuộc thời
gian đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định hành vi di động.

Hình 1.8 : Di chuyển theo Gauss-Markov
 Theo nhóm có hướng ngẫu nhiên
Mô hình này thể hiện sự phụ thuộc vào không gian, nó bao gồm nhóm các nút
mạng làm việc với nhau. Mỗi nhóm có một nút chủ và các nút mạng cảm nhận thành
viên. Sự chuyển động của các nút chủ ảnh hƣởng đến việc chuyển động của cả nhóm.

Hình 1.9 : Di chuyển theo nhóm có hướng ngẫu nhiên
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc của mạng cảm biến không dây
 Khả năng chịu lỗi
Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thƣờng, duy trì
những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động. Một số nút
cảm ứng có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lƣợng, do những hƣ hỏng vật lý
hoặc do ảnh hƣởng của môi trƣờng[9].
 Khả năng mở rộng
Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây đòi hỏi mạng phải có khả năng
làm việc với số lƣợng các nút lớn và sử dụng đƣợc tính chất mật độ cao của mạng cảm
biến[9].


15
 Chi phí sản xuất
Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lƣợng lớn các nút cảm biến nên chi phí
của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí
của toàn mạng đắt hơn việc triển khai cảm biến theo kiểu truyền thống, nhƣ vậy mạng
không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm ứng phải luôn đƣợc giữ ở
mức thấp[9].

 Phần cứng
Ngoài kích cỡ nhỏ ra thì các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt
khác, nhƣ là phải tiêu thụ rất it năng lƣợng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp,
có thể tự hoạt động và thích ứng với môi trƣờng[9].
 Môi trường hoạt động
Các nút cảm biến đƣợc thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện
tƣợng để quan sát. Vì thế, chúng thƣờng 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 dƣới đáy biển
hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà
lớn[9].
 Phương tiện truyền dẫn
Ở những mạng cảm biến đa chặng, các nút đƣợc kết nối bằng những phƣơng tiện
không dây. Các đƣờng kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc
những phƣơng tiện quang học. Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng
này, các phƣơng tiện truyền dẫn phải đƣợc chọn phù hợp[9].
 Sự tiêu thụ năng lượng
Các nút cảm biến không dây có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể đƣợc
trang bị nguồn năng lƣợng giới hạn. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng
lƣợng không thể thực hiện đƣợc. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến
phụ thuộc rất nhiều vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến đa chặng ad-hoc,
mỗi nút đóng 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 cấu hình và yêu cầu định
tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy việc duy trì và quản lý nguồn năng lƣợng
đóng vai trò quan trọng[9].
1.4 Các yêu cầu chính trong thiết kế mạng cảm biến không dây
 Mở rộng thời gian sống
Các nút mạng cảm biến không dây hoạt động với nguồn năng lƣợng pin giới hạn.
Pin rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng thực tế để đảm bảo mạng cảm biến không
dây 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 lƣợng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết

16
kiệm pin. Ví dụ với loại pin kiềm cung cấp nguồn năng lƣợng 50 watt/giờ, nó có thể
duy trì nút mạng ở trạng thái hoạt động liên tục trong vòng 1 tháng. Trong một vùng
giám sát rộng lớn, việc thay thế nguồn năng lƣợng sẽ tiêu tốn nhiều chi phí và trở nên
bất khả thi, do vậy yêu cầu tiết kiệm năng lƣợng là rất cấp thiết[10].
 Khả năng đáp ứng của bộ cảm biến
Giải pháp đơn giản để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển các nút
cùng một loại chu kỳ hoạt động với chu kỳ chuyển mạch giữa hai chế độ : chế độ
ngủvà chế độ hoạt động. Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là một thử thách
năng lực của mạng cảm biến không dây, thì một vấn đề lớn liên quan nữa là chu trình
ngủ một cách tùy tiện có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng nhƣ hiệu suất của các
cảm biến.Trong một số ứng dụng, để các sự kiện trong tự nhiên đƣợc tìm thấy và
tƣờng thuật nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải đƣợc giữ ở mức giới hạn chính xác,
ngay cả trong sự tồn tại của nghẽn mạng[10].
 Độ bền
Mục tiêu của mạng cảm biến không dây là có thể phủ sóng trên phạm vi rộng
lớn. Mục tiêu này sẽ thúc đẩy sự phát triển các thiết bị không đắt tiền. Tuy nhiên, các
thiết bị rẻ thƣờng kém tin cậy và dễ xảy ra lỗi. Tốc độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị
cảm ứng đƣợc triển khai trong các môi trƣờng khắt khe và trong vùng hoạt động của
kẻ địch. Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng có kỹ thuật, kỹ xảo để có thể đáp
ứng đƣợc các yêu cầu đó[10].
 Hiệp lực
Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị về
các mặt : xử lý nguồn, bộ nhớ lƣu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh
chóng sự chính xác của bộ cảm biến. Tuy nhiên, nếu vấn đề kinh tế đƣợc đặt ra ở đây
là giá cả trên mỗi nút giảm mạnh, thì nó có thể làm cho dung năng của nút sẽ bị hạn
chế ở một mức độ nhất định. Đó là lý do để thiết kế các giao thức hiệp đồng, các giao
thức này đảm bảo rằng hệ thống tổng thể sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng

của các đơn thành phần trong nó gộp lại. Các giao thức cung cấp khả năng hợp tác
giữa lƣu trữ, máy móc và các tài nguyên thông tin[10].
 Khả năng mở rộng
Mạng cảm biến không dây có khả năng mở rộng trên phạm vi vô cùng lớn, lớn
hơn mƣời ngàn thậm chí là hàng triệu nút. Tuy nhiên, có một vài hạn chế về thông
lƣợng và dung lƣợng làm ảnh hƣởng đến khả năng mở rộng của hoạt động mạng cảm
biến[10].
 Tính không đồng nhất
Tồn tại mộtsự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị khi tiến hành cài đặt
trên thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến). Sự không đồng nhất sẽ
có ảnh hƣởng quan trọng đến thiết kế. Ví dụ trong một mạng có sự hiện diện của cả


17
những thiết bị có khả năng tính toán tốt hơn cùng với những thiết bị có khả năng tính
toán thấp. Chìa khóa cho vấn đề này là tìm ra sự cộng tác tốt của các thiết bị có khả
năng đồng nhất để đƣa vào các ứng dụng[10].
 Tự cấu hình
Do tính mở rộng và hầu hết là các ứng dụng trong thiên nhiên nên mạng cảm
biến không dây là các hệ thống phân phối không cần chủ. Hoạt động tự động là vấn đề
chính đƣợc đặt ra trong thiết kế. Ngay từ đầu, các nút trong mạng cảm biến không dây
có thể đƣợc cấu hình theo cấu trúc mạng của chúng, tự đồng bộ, tự kiểm tra và tự
quyết định các thông số hoạt động khác[10].
 Tự tối ưu và thích nghi
Trong mạng cảm biến không dây, thƣờng có những trƣờng hợp không biết chắc
chắn về điều kiện hoạt động trƣớc khi triển khai. Đối với những trƣờng hợp đó, việc
xây dựng những thiết bị mà có thể tự đọc dữ liệu từ cảm biến và thu thập các phép đo
mạng, sử dụng những thông tin đó để cải tiến hiệu năng là điều rất quan trọng.Ngoài
ra, môi trƣờng hoạt động của mạng cảm biến không dây có thể thay đổi qua thời gian.
Các giao thức mạng cảm biến không dây sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môi

trƣờng hoạt động[10].
 Thiết kế có tính hệ thống
Mạng cảm biến không dây thƣờng có thể là một ứng dụng cao cho từng chức
năng riêng nên cần có sự cân bằng giữa hai yếu tố[10]:
 Đặc trƣng riêng : mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng
dụng riêng để cung cấp những hoạt động có tính phát triển cao.
 Tính linh hoạt : các phƣơng pháp thiết kế phải dễ dàng phổ biến cho các
hoạt động thực thi.
 Bảo mật và an toàn
Tính mở rộng, phổ biến rộng, độ nhạy của thông tin thu đƣợc bởi mạng cảm biến
không dây làm tăng những thách thức trong thiết kế đó là phải làm sao để bảo mật và
an toàn thông tin[10].
1.5 Một số chuẩn của mạng cảm biến
Do phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất rộng lớn, tính chất, đặc
trƣng của mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các
phòng thí nghiệm thƣờng phát triển, triển khai các giao thức riêng phù hợp cho từng
ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng.
Một số chuẩn mạng cảm biến không dây đƣợc biết đến là[11]:
 ALOHA system ( U of Hawaii )
 PRNET system ( U.S.Defense )


18






WINS ( U of California )

PicoRadio ( U of California )
MicroAMPS ( M.I.T )
MANET ( Mobile ad-hoc Network )
Zigbee

1.6 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
 Giám sát môi trương sinh thái[10]:Giám sát lũ lụt, bão, gió, mƣa. Phát hiện ô
nhiễm, chất thải …
 Trong quân sự [10]:Giám sát và theo dõi các mục tiêu quân sự.Phát hiện mìn,
chất độc. Điều khiển kích hoạt các thiết bị, vũ khí quan sự…
 Giám sát cấu trúc và động đất[10]:
Các cảm biến về độ rung đƣợc đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất. Những
khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện
tƣợng động đất và núi lửa phun trào.
 Trong gia đình[10]:
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến đƣợc đặt ở các phòng để đo
nhiệt độ. Không những thế, chúng còn đƣợc dùng để phát hiện những sự dịch chuyển
trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trƣờng hợp
không có ai ở nhà.
 Trong y tế[10]:
Hiện nay đã tồn tại những cảm biến hình ảnh rất nhỏ có thể nuốt vào trong ngƣời,
dùng một lần và đƣợc bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động
trong 24 giờ. Trong thời gian tồn tại trong cơ thể, chúng gửi hình ảnh về bên trong con
ngƣời sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật. Các bác sĩ có thể dựa vào
đó để chuẩn đoán và điều trị.
 Trong công nghiệp và thương mại[10]:Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng
cháy, chống rò rỉ. Điều khiển tự động các thiết bị, robot …
 Trong nông nghiệp[10]:
Hàng trăm nút nằm rải rác trong cánh đồng liên kết với nhau, thiết lập một mô
hình định tuyến và truyền dữ liệu cho một trung tâm. Ứng dụng đòi hỏi phải thiết thực,

linh động, chi phí thấp và dễ triển khai thành mạng cảm biến không dây. Nếu một
trong các nút lỗi, một mô hình mạng mới đƣợc lựa chọn và toàn bộ mạng vẫn tiếp tục
truyền dữ liệu. Nếu có thêm nút mạng, chúng chỉ tạo nên nhiều cơ hội định tuyến hơn.


19

CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ GIAO THỨC AODV
2.1 Các vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Khác với các mạng có dây, mạng không dây gặp rất nhiều khó khăn trong việc
định tuyến và quản lý năng lƣợng. Các nút trong mạng đều có khả năng di chuyển nên
cấu trúc mạng cũng thay đổi theo thời gian, năng lƣợng các nút có giới hạn nên cần
hạn chế số lƣợng bản tin gửi đi không quá lớn và ảnh hƣởng của nhiễu và môi trƣờng
đến tỷ lệ gói tin lỗi là những điều cần chú ý khi thiết kế một giao thức định
tuyến[3][5].
Các giao thức định tuyến khi thiết kế đều phải chú ý cân đối giữa hiệu suất của
giao thức với mức tiêu thụ năng lƣợng tại các nút trong mạng. Các giao thức có thể
tăng tốc độ hội tụ bằng cách gửi nhiều gói tin điều khiển để cập nhật thƣờng xuyên
hơn nhƣng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lƣợng nguồn nuôi. Hơn
nữa, khi mạng ít có thay đổi thì việc gửi thƣờng xuyên các cập nhật sẽ rất lãng
phí[3][5].
Mục tiêu chính trong việc thiết kế mạng cảm biến không dây là truyền tải dữ liệu
trong khi vẫn duy trì năng lƣợng hoạt động của hệ thống mạng và ngăn chặn sự sụt
giảm kết nối bằng cách sử dụng phƣơng pháp quản lý năng lƣợng linh hoạt. Dƣới đây
là một số vấn đề có thể ảnh hƣởng đến quá trình định tuyến trong mạng cảm biến
không dây[23].
 Giới hạn về năng lượng
Do các nút cảm biến sử dụng pin nên chúng có những giới hạn về năng lƣợng.
Năng lƣợng đặt ra một thách thức lớn cho thiết kế mạng trong môi trƣờng khắc nghiệt.

Hơn nữa, khi năng lƣợng của một nút cảm biến xuống đến một mức nào đó, nút cảm
biến có thể trở nên bất ổn, không thể thực hiện chính xác chức năng của mình làm ảnh
hƣởng đến hiệu năng của mạng.
 Vị trí nút cảm biến
Một thách thức khác phải đối mặt của thiết kế giao thức định tuyến là quản lý vị
trí của các cảm biến. Đa số các giao thức dựa vào các thiết bị định vị để biết đƣợc vị trí
của nút cảm biến.
 Giới hạn về tài nguyên phần cứng
Bên cạnh giới hạn năng lƣợng, các nút cảm biến còn hạn chế về khả năng xử lý
và lƣu trữ, do đó nó chỉ thực hiện các tính năng tính toán hạn chế. Các ràng buộc về
phần cứng đặt ra nhiều thách thức trong phát triển phần mềm và thiết kế giao thức định
tuyến.