Nghiên cứu một số kỹ thuật định tuyến của mạng cảm biến không dây dựa trên bảng băm phân tán và ứng dụng

đại học thái nguyên
Tr-ờng đại học công nghệ thông tin và truyền thông

Nguyễn thành trung

Nghiên cứu một số kỹ thuật định tuyến
của mạng cảm biến không dây dựa trên
bảng băm phân tán và ứng dụng

luận văn thạc sĩ khoa học máy tính

thái nguyên 2013
S húa bi Trung tõm Hc liu

/>

đại học thái nguyên
Tr-ờng đại học công nghệ thông tin và truyền thông

Nguyễn thành trung

Nghiên cứu một số kỹ thuật định tuyến
của mạng cảm biến không dây dựa trên
bảng băm phân tán và ứng dụng

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01

luận văn thạc sĩ khoa học máy tính

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:

PGS. TS PHạm việt bình

thái nguyên - 2013
S húa bi Trung tõm Hc liu

/>

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sỹ này tôi nghiên cứu và thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn
của Nhà giáo ƣu tú - TS Phạm Việt Bình. Để hoàn thành bản luận văn này,
ngoài các tài liệu đã liệt kê, tôi cam đoan không sao chép các công trình hoặc
thiết kế tốt nghiệp của ngƣời khác.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2013

Nguyễn Thành Trung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi vô cùng biết ơn sâu sắc đến Nhà giáo ƣu tú - TS Phạm
Việt Bình, ngƣời thầy đã trực tiếp dành nhiều thời gian tận tình hƣớng dẫn,
cung cấp những thông tin, tài liệu quý báu giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận
văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm Dự án quốc tế
VLIR – Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo nhiều
điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Sau cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến ngƣời thân, cùng bạn bè, đồng
nghiệp cơ quan, những ngƣời luôn cổ vũ động viên tôi hoàn thành bản luận
văn tốt nghiệp này.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 09 năm 2013

Nguyễn Thành Trung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

MỤC LỤC
Ở

...................................................................................................................1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ............2
ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG BẢNG BĂM PHÂN TÁN ..............................................2
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây -WSN .....................................2
1.2 Cấu trúc của WSNs ...................................................................................5
1.2.1 Cấu trúc một node mạng WSNs ......................................................... 5
1.2.2. Cấu trúc mạng cả biến không dây...................................................... 7

1.3. Đặc trƣng của mạng cảm biến không dây ..............................................11
1.3.1. Năng lƣợng tiêu thụ ......................................................................... 11
1.3.2. Chi phí .............................................................................................. 12
1.3.3. Loại hình mạng ................................................................................ 12
1.3.4. Tính bảo mật .................................................................................... 12
1.3.5. Độ trễ................................................................................................ 13
1.3.6. Tính di động ..................................................................................... 13
1.4. Những thách thức trong việc triển khai mạng cảm biến không dây ......13
1.4.1 Giới hạn về năng lƣợng..................................................................... 14
1.4.2. Giới hạn về phần cứng ..................................................................... 14
1.4.3. Ảnh hƣởng của nhiễu từ môi trƣờng................................................ 14
1.4.4. Định tuyến trong WSNs ................................................................... 14
1.5. Tổng quan về Bảng băm phân tán..........................................................15
1.5.1. Bảng băm (Hash Table) ................................................................... 15
1.5.2. Bảng băm phân tán (Distributed Hash Table) ................................. 16
1.6. Định tuyến sử dụng Bảng băm phân tán ................................................19
1.6.1.Sử dụng ý tƣởng định tuyến của mạng P2P trong mạng cảm biến
không dây ................................................................................................... 19
1.6.2. Ánh xạ giữa mạng ngang hàng với mạng cảm biến thông qua Bảng
băm phân tán .............................................................................................. 19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG BẢNG BĂM . 22
PHÂN TÁN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.................................... 22
2.1. Kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến – CSN ( Chord for Sensor
Netwworks ) ..................................................................................................22
2.1.1. Nghiên cứu về CSN ......................................................................... 22
2.1.2. Phƣơng thức chuỗi (Chain method) ................................................. 26

2.1.3. Phƣơng thức lấy trung bình (Set-Average Method) ........................ 26
2.1.4. EEmode và Rmode .......................................................................... 27
2.1.5. Lƣu đồ kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến không dây................... 29
2.1.6. Nhận xét về kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến ............................. 30
2.2. Kỹ thuật định tuyến băm ô – CHR ( Cell Hash Routing) ......................31
2.2.1 Nghiên cứu về CHR .......................................................................... 31
2.2.2. Phần bên trong của một ô ................................................................ 32
2.2.3. Định tuyến trong CHR ..................................................................... 34
2.2.4. Lƣu đồ kỹ thuật định tuyến băm ô ................................................... 36
2.2.5. Nhận xét về CHR ............................................................................. 37
2.3 Kỹ thuật bảng băm phân tán dựa theo cấu trúc của mạng ......................39
2.3.1 Nghiên cứu về T-DHT ...................................................................... 39
2.3.2 Cấu trúc mạng cảm biến theo định hƣớng bảng băm ....................... 40
2.3.3. Lƣu đồ kỹ thuật bảng băm phân tán dựa theocấu trúc mạng ........... 43
2.3.4. Nhận xét về T-DHT ......................................................................... 44
2.4. Kỹ thuật định tuyến dựa theo cấu trúc vòng ảo – VRR .........................45
2.4.1. Nghiên cứu về VRR ......................................................................... 45
2.4.2. Định tuyến với VRR ........................................................................ 47
2.4.3. Lƣu đồ kỹ thuật dựa theo cấu trúc vòng ảo ..................................... 48
2.4.4. Nhận xét về kỹ thuật dựa theo cấu trúc vòng ảo.............................. 49
2.5. Kỹ thuật bảng băm theo vị trí địa lý – GHT (Goegraphic Hash Table) 50
2.5.1.Nghiên cứu về kỹ thuật bảng băm theo vị trí địa lý.......................... 50
2.5.2.GPSR ................................................................................................. 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

2.5.3. Home node và Home perimetter ..................................................... 55
2.5.4. Giao thức làm tƣơi chu vi mạng ...................................................... 56
2.5.5. Lƣu đồ kỹ thuật bảng băm theo vị trí địa lý .................................... 58
2.5.6. Đánh giá về kỹ thuật bảng băm theo vị trí địa lý ............................. 60

2.6. Đánh giá và so sánh tổng quan về các kỹ thuật định tuyến ...................60
CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ KỸ
THUẬT ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN VỊ TRÍ ĐỊA LÝ........................................... 62
3.1. Các phƣơng pháp đánh giá, thử nghiệm mạng cảm biến không dây .....62
3.2. Khảo sát một số mô phỏng sử dụng cho mạng cảm biến ......................63
3.2.1. Tiêu chí phân loại............................................................................. 63
3.2.2. Phân loại các công cụ mô phỏng theo chức năng ............................ 63
3.3 Xây dựng mô phỏng theo kỹ thuật GHT ................................................64
3.3.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng ................................................... 64
3.3.2. Kết quả mô phỏng mạng cảm biến .................................................. 66
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 69
Tài liệu tham khảo.......................................................................................................... 70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

DANH MỤC THUẬT NGỮ
Viết tắt

Viết đầy đủ

Nghĩa tiếng Việt

WSN

Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DHT

Distributed Hash Table

Bảng băm phân tán

GHT

Goegrapphic Hash Table

Bảng băm phân tán theo vị trí địa lý

CSN

Chord for Sensor

Kỹ thuật Chord cho mạng cảm biến

Network
CHR

Cell Hash Routting

Kỹ thuật định tuyến băm ô

T-DHT

Topology based

Kỹ thuật định tuyến bảng băm phân

Distributed Hash Table

tán dựa theo cấu trúc mạng

Virtual Ring Routting

Kỹ thuật định tuyến dựa theo cấu

VRR

trúc vòng ảo
P2P

Peer to peer

Mạng ngang hàng

DSC

Data Store Center

Lƣu trữ dữ liệu trung tâm

LEACH

Low-energy adaptive

Giao thức phân cấp theo cụm thích

clustering hierarchy

ứng năng lƣợng thấp

Analog to Digital

Chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín

Converter

hiệu số

Greedy Perimetter

Định tuyến theo phƣơng pháp tham

Statelees Routting

lam và chu vi

ADC

GPSR

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Biểu tƣợng của mạng cảm biến .......................................................................2
Hình 1.2 Nút cảm biến không dây của Zolertia Z1 .......................................................4
Hình 1.3 Các thành phần của một nút cảm ứng .............................................................6

Hình 1.4: Cấu trúc phẳng của một mạng cảm biến .......................................................8
Hình 1.5: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây ...............................................9
Hình 1.6: Cấu trúc mạng đƣợc phân cấp theo chức năng .............................................9
Hình 1.7: Mô tả hoạt động của bảng băm.................................................................... 16
Hình 1.8: Lƣu trữ và tìm kiếm dữ liệu trong DHT ..................................................... 17
Hình 1.9: Kiến trúc bảng băm phân tán ....................................................................... 18
Hình 1.10: Mô hình định tuyến cơ bản của DHTs ..................................................... 20
Hình 2.1 : Một mạng Chord với 3 nút......................................................................... 23
Hình 2.2: Alpha-1 và Alpha-m sẽ không thực hiện giao tiếp trực tiếp ..................... 24
Hình 2.3: Thuật toán mô phỏng phƣơng thức chuỗi (Chain) .................................... 26
Hình 2.4: Thuật toán theo phƣơng thức lấy trung bình .............................................. 27
Hình 2.5: Sự giao thoa về xử lý giữa Rmode và EEmode ......................................... 28
Hình 2.6: Phân chia không gian thành các ô với kích thƣớc cố định ........................ 32
Hình 2.7: Định nghĩa về đồ thị của các cụm ............................................................... 33
Hình 2.9: Home cell và Home perimetter.................................................................... 34
Hình 2.10: Vị trí địa lý của các nút............................................................................... 41
Hình 2.11: Không gian của các nút trên hệ toạ độ ảo ................................................. 41
Hình 2.12: Kết quả sau khi phân chia khu vực mỗi nút vào các hình chữ nhật và đƣa
thông tin toàn mạng vào bảng băm phân tán hai chiều .............................................. 42
Hình 2.13: Liên kết giữa cấu trúc mạng vòng ảo và .................................................. 46
Hình 2.14: Một ví dụ về GHT ...................................................................................... 52
Hình 2.15: Phƣơng pháp chuyển tiếp tham lam.......................................................... 54
Hình 2.16: Một ví dụ về việc x không có hàng xóm gần nhất đến D ....................... 55
Hình 2.17: Quy tắc bàn tay phải ................................................................................... 55
Hình 3.1: Thử nghiệm mạng cảm biến không dây trên phạm vi 100x100 m .......... 66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

Hình 3.2: Hiển thị số ID và liên kết giữa các nút trong mạng cảm biến................... 67
Hình 3.3: Hiển thị phạm vi phủ sóng của các nút cảm biến. ..................................... 67

Hình 3.4: Đánh giá về việc tiêu thụ năng lƣợng trong toàn mạng ............................ 68
Hình 3.5: Đánh giá về độ lớn trung bình của các đƣờng truyền định tuyến ............ 68
Hình 3.6: Đánh giá độ chính xác ngay cả khi các nút mạng xảy ra mất liên kết hay di
động ................................................................................................................................. 68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1

Ở
Nhờ có sự tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến, trong những
năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN –Wireless Sensor Network)
với giá thành rẻ, mức tiêu thụ năng lƣợng thấp và đa chức năng đang rất đƣợc
chú ý trong lĩnh vực thông tin. Hiện nay, việc tập trung vào nghiên cứu, ứng
dụng mạng cảm biến không dây vào trong cuộc sống hàng ngày càng nhận
đƣợc nhiều sự quan tâm. Mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng rất nhiều
trong đời sống hàng ngày với các lĩnh vực nhƣ: môi trƣờng, y tế, quân sự,
kinh doanh, cảnh báo tự động… Tuy nhiên, việc nghiên cứu và xây dựng
mạng cảm biến không dây cũng gặp nhiều những khó khăn và thách thức. Và
một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến không dây là vấn
đề duy trì năng lƣợng của các thiết bị trong mạng. Với nguồn năng lƣợng giới
hạn của WSN. Hiện nay đang có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải
thiện khả năng, sử dụng hiệu quả năng lƣợng của WSNs trong nhiều lĩnh vực
khác nhau. Nghiên cứu của nhiều tác giả đã khẳng định, nâng cao sự tồn tại
(thời gian sống) của mạng, hay giảm thiểu tổn hao năng lƣợng trong hoạt động
của mạng WSNs chính là quá trình truyền thông. Do đó, việc tối ƣu kỹ thuật
định tuyến trong WSNs luôn là chủ đề nghiên cứu mang tính thời sự.
Luận văn nghiên cứu chia làm ba phần.

Chƣơng 1: Đƣa ra khái niệm tổng quan mạng cảm biến không dây.
Chƣơng 2: Phân tích một số kỹ thuật định tuyến sử dụng bảng băm
phân tán (DHTs – Distribute Hash Table) nhƣ: GHT, CSN, CHR, T-DHT,
VRR và việc nghiên cứu, kế thừa kỹ thuật DHTs trong việc định tuyến với
mạng WSNs.
Chƣơng 3: Dựa trên những kết quả phân tích đạt đƣợc, cài đặt, thử
nghiệm và đánh giá kết quả kỹ thuật định tuyến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG BẢNG BĂM PHÂN TÁN
Chương này trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, các
thách thức trong triển khai mạng cảm biến. Và giải pháp ứng dụng bảng băm
phân tán vào việc định tuyến trong mạng cảm biến không dây nhằm giải quyết
những vấn đề về năng lượng, khả năng mở rộng, tra cứu, tìm kiếm dữ liệu…
Trong đó đáng quan tâm nhất là việc sử dụng năng lượng hiệu quả trong việc
định tuyến.
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây -WSN
Mạng cảm biến không dây là một trong những lĩnh vực công nghệ
thông tin mới và đang phát triển nhanh chóng, với nhiều ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực khác nhau: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát,
cảm biến môi trƣờng, kiểm tra sức khỏe… Những nghiên cứu tổng quan nhất
của mạng cảm biến không dây đƣợc đề cập chi tiết tại [2] của những tài liệu
sử dụng trong luận văn.

Hình 1.1 Biểu tượng của mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây là mạng liên kết các nút với nhau nhờ sóng
radio. Nhƣng trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các nút mạng thƣờng là các thiết bị
đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp,… và có số lƣợng lớn. Đƣợc phân bố không
có hệ thống và triển khai trên một phạm vi rộng, nguồn năng lƣợng đƣợc sử
dụng trong WSNs là pin nên không tránh khỏi việc hạn chế về mặt thời gian
trong những hoạt động lâu dài.
Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng Cellular, mạng WLAN, và
mạng phạm vi nhỏ (Bluetooth). Các gói chuyển từ mạng này sang mạng khác
sẽ đƣơc hỗ trợ qua internet không dây. Mạng Cellular đích đến là những ngƣời
sử dụng với tính di động cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị
giới hạn do dịch tần Dopper. Mặt khác,WLAN có tốc độ dữ liệu cao.
Bluetooth và Home RF đích đến là tại phạm vi nhỏ. Tốc độ dữ liệu mong
muốn cho dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.
WSNs khác với các mạng trên, nó có một số lƣợng lớn các nút. Khoảng
cách giữa các nút liền kề là ngắn hơn so với các mạng trên. Do WSN hoàn
toàn chỉ là các nút, chi phí cho mỗi nút là nhỏ. Mức tiêu thụ năng lƣợng cũng
thấp hơn nhiều, nhƣng với số lƣợng lớn các nút việc thay thế pin cho mỗi nút
rất vất vả, thậm chí cả khi là một tháng phải có thay thế một lần cũng là quá
vất vả.
Một số đặc điểm của mạng cảm biến không dây:
 Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của

con ngƣời
 Truyền thông tin cậy, quảng bá trọng phạm vi hẹp và định tuyến
đa bƣớc nhảy
 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
 Cấu hình mạng có thể thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào yêu
cầu và việc hƣ hỏng ở các nút.
 Các giới hạn về mặt năng lƣợng, công suất phát, bộ nhớ và công
suất tính toán
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

Chính những đặc tính này đã đƣa ra những chiến lƣợc mới và những
yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến.
Việc xây dựng boa mạch cho quá trình thu thập thông tin của các nút
cảm biến là việc làm đòi hỏi nhiều kỹ năng về chuyên ngành điện tử. Nhƣng
có một giải pháp mà gần đây đƣợc nhiều nhà phát triển quan tâm đó là sử
dụng những platform đã đƣợc xây dựng những nền tảng cơ bản sẵn có. Về mặt
phát triển, nó giúp cho nhà phát triển tiết kiệm khá nhiều về thời gian. Về mặt
kỹ thuật, đó là những thiết bị lập trình logic. Ngoài ra nó còn là nền tảng mã
nguồn mở (open-source electronics prototyping platform). Giống nhƣ một
chiếc máy tính để có thể giúp các nhà phát triển lập trình làm bất cứ việc gì
với định hƣớng mà họ quan tâm. Thêm vào đó là khả năng tƣơng tác với môi
trƣờng thông qua cảm biến điện tử nhƣ: nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm,
chuyển động,…
Zolertia là một trong số đó, chuyên về việc phát triển các thiết bị cảm
biến không dây. Trong đó Z1 là một trong những sản phẩm đáng đƣợc quan
tâm. Với mô đun không dây công suất thấp Z1 Platform đƣợc coi nhƣ một sản

phẩm chủ lực của công ty.

Hình 1.2 Nút cảm biến không dây của Zolertia Z1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

th

-

–

1.
:
2x

.
3.6V

3V.

ngu

3.6V.

3V.

đề xuất sử dụng pin 2xAA khi tr

Với
nghiệm.
1.2 Cấu trúc của WSNs

1.2.1 Cấu trúc một node mạng WSNs
Để xây dựng mạng cảm biến trƣớc hết phải chế tạo và phát triển các nút
cấu thành mạng với các cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu
nhất định tùy theo ứng dụng. Chúng phải có kích thƣớc nhỏ, giá thành rẻ, hoạt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

6

động hiệu quả về năng lƣợng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm
nhận, thu thập các thông số môi trƣờng, có tính toán và có bộ nhớ đủ để lƣu
trữ,… Và quan trọng nhất đó là phải có khả năng thu phát sóng để truyền
thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm biến đƣợc cấu thành bởi 4 thành phần
cơ bản. Đó là: bộ cảm nhận (Sensing unit), bộ xử lý (Processing unit), bộ thu
phát (Transceiver unit) và bộ nguồn (Power unit). Ngoài ra có thể có thêm
những thành phần khác tùy vào từng ứng dụng cụ thể. Nhƣ là hệ thống định vị
(Location Finding System), bộ phát nguồn (Power Generator) và bộ phận di
động (Mobilizer).

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 tƣơng tự sang số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những
hiện tƣợng quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi sensor đƣợc chuyển
sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý.

Bộ xử lý thƣờng đƣợc kết hợp với bộ lƣu trữ nhỏ (Storage units), 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 đƣợc từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến 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 trƣờng nhƣ là năng lƣợng
ánh sáng mặt trời.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng
đều yêu cầu cần có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định
vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm biến khi cần
thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định nhƣ cảm biến theo dõi sự chuyển
động của một 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 biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt
khác, nhƣ là phải tiêu thụ ít năng lƣợng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành
thấp, có thể tự hoạt động và thích ứng với môi trƣờng.
1.2.2. Cấu trúc mạng cả biến không dây
1.2.2.1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture), (hình 1.4) tất cả các nút đều
ngang hàng và đồng nhất, có cùng hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp
với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với
phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp

sóng đối với một số lƣợng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng
cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên
cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ nhƣ
thời gian, tần số…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

8

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

Hình 1.5: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây

Hình 1.6: Cấu trúc mạng được phân cấp theo chức năng
Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ
liệu không đồng đều các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp

thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán,
cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6)
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu
trúc phẳng, do các lý do sau:
 Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định
vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là
nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lƣợng tài
nguyên tối thiểu để thực hiện các nhiệm vụ. Vì số lƣợng các nút cần
thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì
thế sẽ không cao. Thay vào đó, nếu một số lƣợng lớn các nút có chi phí
thấp đƣợc chỉ định vào nhiệm vụ cảm biến, một số lƣợng nhỏ hơn các
nút có chi phí cao hơn đƣợc chỉ định làm nhiệm vụ phân tích dữ liệu,
định vị và đồng bộ về thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
 Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phẳng. Khi cần
phải tính toán nhiều thì một số bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ
thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các
nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong thời gian dài, các nút tiêu thụ ít
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

10

năng lƣợng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả
hơn. Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa
các phần cứng đã đƣợc thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng
tuổi thọ của mạng.
 Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lƣợng các
nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với
mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích ngƣời ta đã xác đinh thông lƣợng
tối ƣu của mỗi nút trong mạng có n nút là w

n

. Trong đó, w là độ rộng

băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông
lƣợng của mỗi nút sẽ giảm về 0.
 Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng
để khắc phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ
trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở mức thấp hơn tạo thành một
cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối
với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua
các bộ phận hữu tuyến. Trong trƣờng hợp này, dung lƣợng của mạng
tăng tuyến tính với số lƣợng các cụm, với điều kiện là số lƣợng các cụm
phải tăng ít nhất phải nhanh bằng n . Các nghiên cứu khác đã thử cách
dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp.
Trong trƣờng hợp này dung lƣợng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và
dung lƣợng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập.
Tóm lại, việc tƣơng thích các chức năng trong mạng có thể đạt đƣợc khi dùng
cấu trúc tầng. Đặc biệt là ngƣời ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích
tìm địa chỉ. Những chức năng nhƣ vậy có thể phân phối đến mọi nút, một
phần phân bố đến tập con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố
định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kỳ, sự cân bằng giữa những lựa
chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của các chức năng cập nhật và tìm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

11

kiếm. Hiện nay cũng có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trọng mạng cấu
trúc tầng.
1.2.2.3. Một số chuẩn của mạng cảm biến không dây
Do phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây là rất lớn. Với
những tính chất và đặc trƣng của mạng phụ thuộc vào từng ứng dụng đƣợc
triển khai trong từng trƣờng hợp cụ thể. Do vậy, các công ty, các phòng thí
nghiệm vẫn thƣờng phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routting,
Synchronisation…), phù hợp cho từng thiết bị phần cứng (transceiver chip)
trên thị trƣờng.
Một số chuẩn WSN đƣợc biết đến:
ALOHA system (U. Hawaii)
PRNET system (U.S. Defense)
WINS (U. of California)
PicoRadio (U. of California)
MicroAMPS (M.I.T)
MANET (Mobile ad-hoc Network)
Zigbee: dựa trên tầng vật lý và tầng MAC của chuẩn WPAN
802.15.4
1.3. Đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
1.3.1. Năng lượng tiêu thụ
Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây thƣờng đòi hỏi các
thành phần có công suất tiêu thụ thấp hơn rất nhiều so với các công nghệ
không dây hiện tại (nhƣ Bluetooth). Ví dụ nhƣ: các cảm biến dùng trong công
nghiệp và y tế đƣợc cung cấp năng lƣợng từ những pin nhỏ, thời lƣợng sống
của pin có thể là vài tháng hoặc vài năm. Với các ứng dụng theo dõi môi
trƣờng, khi mà số lƣợng lớn cảm biến đƣợc rải trên diện tích rất rộng thì việc
thƣờng xuyên phải thay thế pin năng lƣợng cung cấp là điều không khả thi.
Chính vì thế trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lƣợng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12

để sử dụng một cách hiệu quả nhất cần kết hợp với các kỹ thuật định tuyến tối
ƣu.
1.3.2. Chi phí
Khi thiết kế một ứng dụng không dây thì giá thành cũng là một yếu tố
chính cần đƣợc quan tâm. Để có thể đạt đƣợc mục tiêu này thì khi thiết kế cấu
hình mạng và giao thức truyền thông cần tránh sử dụng các thành phần đắt
tiền và tối thiểu hoá độ phức tạp của giao thức truyền thông. Trong mạng cảm
biến, số lƣợng các nút mạng sử dụng là khá lớn và chi phí để sản xuất từng nút
con đƣợc giảm đi thì giá thành của toàn bộ hệ thống giảm đi đáng kể.
Ngoài các yếu tố trên thì một phần khá lớn tác động tới giá thành đó là
chi phí quản trị và bảo trì hệ thống. Mạng cảm biến không dây đã làm tốt hai
chức năng cơ bản đó là tự cấu hình và bảo trì. Tự cấu hình có nghĩa là tự động
dò tìm vị trí các nút lân cận và tổ chức thành một cấu trúc xác định. Tự bảo trì
có nghĩa là tự động phát hiện và sửa lỗi phát sinh trong hệ thống (ở các nút
mạng hoặc các liên kết giữa các nút) mà không cần sự tác động của con ngƣời.
Với các tính năng ƣu việt này thì mạng cảm biến không dây ngày càng tỏ rõ
những ƣu việt của mình.
1.3.3. Loại hình mạng
Với một số ứng dụng đơn giản trong phạm vi hẹp thì mạng hình sao
(star network) có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu truyền nhận và xử lý dữ liệu.
Trong mạng hình sao, một nút sẽ đóng vai trò nút chủ, các nút còn lại là nút
con kết nối tới nút chủ. Tuy nhiên khi mạng đƣợc mở rộng thì cấu hình sao
đơn thuần sẽ không đáp ứng đƣợc, mạng sẽ phải có cấu hình đa chặng (multihop). Cấu hình này sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên bộ nhớ và xử lý tính toán hơn
do mật độ của các nút mạng tăng và diện tích của mạng đƣợc phủ trên một
phạm vi lớn.

1.3.4. Tính bảo mật
Trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất
quan trọng, đặc biệt là các ứng dụng trong quân sự. Không giống nhƣ các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

13

mạng có dây rất khó có thể lấy đƣợc thông tin khi truyền đi giữa hai đối
tƣợng, khi truyền tín hiệu không dây đƣợc truyền đi trong không gian và có
thể đƣợc thu lại bởi bất kỳ ai. Những mối hiểm hoạ không chỉ là việc đánh cắp
thông tin mà còn ở chỗ những thông tin đó có thể bị chỉnh sửa và phát lại để
phía thu hoặc nhận có đƣợc thông tin không chính xác.
Nhƣ vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu
tố: dữ liệu đƣợc mã hoá, có mã xác thực và nhận dạng giữa ngƣời gửi và
ngƣời nhận. Việc này sẽ đƣợc thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần
cứng bằng việc mã hoá các tập tin, điều chỉnh các bit thông tin, thêm các bit
xác thực…
Các chức năng này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên của hệ thống về mặt
năng lƣợng và băng thông, tuy nhiên bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong
truyền tin. Do vậy cần đạt đƣợc sự cân bằng giữa hai yếu tố này để đảm bảo
cho hệ thống tối ƣu nhất.
1.3.5. Độ trễ
Các ứng dụng thông thƣờng của mạng cảm biến không có yêu cầu cao
về thời gian thực khi truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lƣợng nguồn tin
(trừ một số trƣờng hợp đặc biệt nhƣ hệ thống báo cháy). Tuy nhiên trong một
mạng lƣới khá lớn, các thông tin của các nút con đƣợc tập hợp ở một nút chủ
để xử lý và đƣa về trạm trung tâm thì yếu tố đồng bộ hoá là rất quan trọng.
1.3.6. Tính di động
Nhìn chung các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi

hỏi tính di động nhiều vì khi triển khai các nút mạng thƣờng ở các vị trí cố
định. Các phƣơng thực định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn
giản hơn so với các mạng ad-hoc khác (nhƣ MANET).
1.4. Những thách thức trong việc triển khai mạng cảm biến không dây
Tuy rằng mạng cảm biến không dây WSNs có rất nhiều ƣu điểm và ứng
dụng hữu ích, nhƣng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế,
khó khăn và thách thức về mặt kỹ thuật. Nắm rõ những khó khăn, thách thức
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

14

này sẽ giúp chúng ta có những giải pháp để khắc phục, cải tạo và tối ƣu hoá
những ứng dụng của mạng cảm biến hơn nữa.
1.4.1 Giới hạn về năng lượng
Đây có thể coi là một trong những vấn đề đƣợc quan tâm nhiều nhất
trong khi triển khai xây dựng mạng cảm biến. Thông thƣờng, các thiết bị trong
mạng cảm biến không dây thƣờng sử dụng các nguồn năng lƣợng có sẵn (pin
năng lƣợng). Khi số lƣợng nút mạng là rất lớn, yêu cầu sử dụng các nguồn
năng lƣợng rất cần đƣợc tính toán. Liên quan đến khoảng cách truyền lớn thì
năng lƣợng tiêu thụ lại càng cao. Chính vì vậy, các giải pháp nghiên cứu nhằm
tối ƣu hoá việc xử lý và truyền dữ liệu với một năng lƣợng ban đầu xác định
của các nút nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng là rất cần thiết.
1.4.2. Giới hạn về phần cứng
Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thƣớc của các nút phải
nhỏ vì có một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lƣợng lớn các nút
trên một phạm vi hẹp. Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng nhƣ
không gian lƣu trữ trên mỗi nút cảm biến.
1.4.3. Ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường
Do trong mạng cảm biến không dây sử dụng đƣờng truyền vô tuyến nên

bị ảnh hƣởng bởi những can nhiễu bên ngoài, có thể bị mất mát hoặc sai lệch
thông tin khi truyền từ nút về trạm gốc.
1.4.4. Định tuyến trong WSNs
Định tuyến trong mạng không dây đã là đề tài nghiên cứu nóng hổi
trong nhiều năm gần đây. Công nghệ định tuyến khởi điểm từ ngành truyền
thông dữ liệu máy tính đã đƣợc khai thác những tiềm năng ứng dụng trong
mạng không dây, mang lại rất nhiều mô hình tự tổ chức và tự phục vụ trong
những kế hoạch thƣơng mại.
Nguyên nhân của hoạt động này là quá trình vận hành ổn định mà chỉ
cần thay đổi những điều kiện truyền dƣới sự kết hợp băng thông và năng
lƣợng đã hạn chế việc sử dụng các giao thức dựa trên IP và tạo nên những
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>

15

thách thức mới cho kỹ thuật định tuyến WSN. Nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì
các tuyến là không hề đơn giản do những giới hạn về năng lƣợng và những sự
thay đổi trạng thái tại các điểm nút (ngừng, tắc và các trở ngại khác) thƣờng
tạo nên những thay đổi đột ngột. Xây dựng và tạo nên những tuyến tự động
qua mạng đòi hỏi phải có những bộ xử lý điểm nút hiệu quả, dung lƣợng bộ
nhớ lớn và các bộ định tuyến phụ trợ, cũng nhƣ thời gian chờ của mạng đến
khi hình thành tuyến thay thế.
Xây dựng và duy trì các bảng định tuyến với các tuyến thay thế (để phù
hợp với những thay đổi của điều kiện truyền) dựa trên những bộ xử lý chi phí
thấp và tiêu tốn ít năng lƣợng là một khó khăn thực sự lớn. Độ khó khăn của
phƣơng pháp này tỉ lệ thuận với kích cỡ và số lƣợng của các chặng.
Nhiều kỹ thuật mới và phức tạp đã đƣợc đề xuất để giải quyết vấn đề này. Để
giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng, công nghệ định tuyến ứng dụng một vài công
nghệ đặc trƣng riêng của WSN nhƣ phƣơng pháp tập hợp dữ liệu, xử lý nội bộ

mạng, tạo nhóm, phân cấp chức năng cho các điểm nút khác nhau…
Công nghệ định tuyến tìm kiếm sự trung hòa giữa những giải pháp đơn giản
và những giải pháp có tính phức tạp nhất định. Ngay cả trong những phƣơng
pháp khá tinh vi, trong những mạng có phạm vi rộng và các tin nhắn ngắn,
việc định tuyến vẫn tiêu thụ khá nhiều tài nguyên nhƣ băng thông và năng
lƣợng, đôi khi gây tắc nghẽn đƣờng truyền. Tồi tệ hơn, khi các yếu tố này kết
hợp lại có thể làm giảm hiệu suất, lƣu lƣợng của đƣờng truyền, và làm tăng độ
trễ.
1.5. Tổng quan về Bảng băm phân tán
1.5.1. Bảng băm (Hash Table)
Bảng băm là cấu trúc dữ liệu sử dụng hàm băm để truy vấn dữ liệu, các
dữ liệu đƣợc ánh xạ từ từ khóa đến các giá trị tƣơng ứng với khóa đó. Do đó
bảng băm là một mảng kết hợp và các hàm băm đƣợc sử dụng để băm các giá
trị khóa trong các mảng giá trị tìm kiếm. Trong các hàm băm có kích thƣớc đủ
lớn thời gian trung bình cho mỗi lần tra cứu độc lập với số phần tử trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
/>