Nghiên cứu về hiệu quả năng lượng của một số giao thức điều khiển thâm nhập môi trường trong mạng cảm biến không dây

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM MẠNH TOÀN

NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA MỘT SỐ
GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Vương Đạo Vy

Hà Nội - 2009
MỤC LỤC


2

Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Mạng cảm biến không dây
1.1.1. Khái niệm
1.1.2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.2.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2. Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC
Chương 2 - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1. Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến
không dây
2.1.1. Tránh xung đột
2.1.2. Hiệu quả năng lượng
2.1.3. Khả năng thích ứng và biến đổi được
2.1.4. Khả năng sử dụng kênh
2.1.5. Độ trễ
2.1.6. Thông lượng
2.1.7. Công bằng
2.2. Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng
2.2.1. Xung đột
2.2.2. Nghe khi rỗi
2.2.3. Nghe thừa
2.3. Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây
2.3.1. CSMA
2.3.2. Sensor-MAC

2
3
4

6
7
8
9
11
11
11
12
14
17
19
19
19
19
19
19
20
20
20
21
21
21
21
22
22
25


3
2.3.3. Time out-MAC

Chương 3 - PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG OMNET++
3.1. OMNET++
3.1.1. Giới thiệu
3.1.2. Các thành phần chính của OMNET++
3.1.3. Ứng dụng
3.2. Mô hình trong OMNET++
3.2.1. Cấu trúc phân cấp của các module
3.2.2. Kiểu module
3.2.3. Message, cổng, liên kết
3.2.4. Mô hình truyền gói tin
3.2.5. Tham số
3.3. Sử dụng OMNET++
3.3.1. Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng
3.3.2. Hệ thống file
3.4. Ngôn ngữ NED
3.4.1. Các chỉ dẫn import
3.4.2. Khai báo các kênh
3.4.3. Khai báo các module đơn giản
3.4.4. Khai báo các module kết hợp
3.4.5. Khai báo mạng
Chương 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG
LƯỢNG CỦA CSMA, S-MAC, T-MAC
4.1. Thiết lập mô hình mô phỏng
4.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

33
41

41
41
41
41
42
42
42
43
44
45
45
45
47
48
48
48
49
50
51
53
53
55
60
61
62


4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt
CDMA

Tiếng Anh
Code Division Multiple Access

CTS
FDMA
FRTS
MAC

Clear to Send
Frequency Division Multiple
Access
Future Request to Send
Medium Access Control

RTS
S-MAC
TDMA

Request to Send
Sensor-MAC
Time Division Multiple Access

T-MAC
WSN

Timeout-MAC
Wireless Sensor Network

Tiếng Việt
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Sẵn sàng nhận
Đa truy nhập phân chia theo
tần số
Yêu cầu gửi sớm
Điều khiển truy nhập đường
truyền
Yêu cầu gửi
Giao thức S-MAC
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Giao thức T-MAC
Mạng cảm biến không dây


5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Thông số tiêu thụ điện của nút cảm biến EYES
Bảng 4.2. Tiến trình mô phỏng giao thức CSMA
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng giao thức CSMA
Bảng 4.4. Tiến trình mô phỏng giao thức S-MAC
Bảng 4.5. Kết quả mô phỏng giao thức S-MAC
Bảng 4.6. Tiến trình mô phỏng giao thức T-MAC
Bảng 4.7. Kết quả mô phỏng giao thức T-MAC
Bảng 4.8. Tổng hợp kết quả mô phỏng

Trang
53
55
55
56
56
56
57
57


6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thành phần của một nút cảm biến
Hình 1.2. Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến.
Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.
Hình 2.1. Ba trạng thái của CSMA/CD
Hình 2.2. Thời gian cần thiết để truyền một khung
Hình 2.3. Phát hiện xung đột khi truyền tin
Hình 2.4. Xử lý khung xung đột
Hình 2.5. Lược đồ S-MAC
Hình 2.6. Đồng bộ giữa các nút
Hình 2.7. Quan hệ định thời giữa một nút nhận và các nút gửi
Hình 2.8. Thực hiện tránh nghe thừa
Hình 2.9. Lược đồ cơ bản T-MAC với thời gian thức thay đổi
Hình 2.10. Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản
Hình 2.11. Hiện tượng ngủ sớm
Hình 2.12. Thực hiện gửi sớm

Trang
15
16
17
23
23
24
24
26
26
29
31
33
36
37
38


7
Hình 2.13. Thực hiện ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy
Hình 3.1. Các module đơn giản và kết hợp
Hình 3.2. Các kết nối
Hình 3.3. Truyền message
Hình 4.1. Nút cảm biến EYES
Hình 4.2. Ma trận 100 nút cảm biến phân bố đều nhau
Hình 4.3. Dòng điện tiêu thụ trung bình ứng với từng giao thức
thay đổi theo tốc độ phát sinh gói tin
Hình 4.4. So sánh T-MAC-oa với T-MAC-oa-frts

39

42
43
44
53
54
57
58

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng cảm biến
được phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến không dây (wireless
sensor network).
Mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng nghìn, thậm chí hàng triệu
thiết bị cảm biến (sensors) thông minh, được trang bị một bộ xử lý, một bộ nhớ
dung lượng nhỏ và các cảm biến để đo ánh sáng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ. Mạng
cảm biến liên hệ bằng sóng vô tuyến, tiêu thụ cực ít năng lượng, hoạt động liên tục
trong mọi điều kiện, môi trường.


8
Để thiết kế và thực hiện các mạng cảm biến, nhiều vấn đề điều khiển được
đặt ra, phải được nghiên cứu, giải quyết tối ưu, phù hợp với đặc thù của mạng cảm
biến không dây, ví dụ: điều khiển truy nhập mạng không dây, định tuyến, điều
khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các thiết bị cảm biến. Nghiên cứu, đánh giá một
số cơ chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây có ý nghĩa lý luận và
thực tiễn.
Mục tiêu chính của luận văn là cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng cảm
biến không dây; nguyên tắc hoạt động một số cơ chế điều khiển truy nhập mạng
cảm biến không dây; phân tích, đánh giá hiệu quả năng lượng của một số cơ chế
điều khiển trên.

Ngoài bốn chương chính, bố cục luận văn còn có các phần mở đầu, kết luận
và tài liệu tham khảo. Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày trong các
chương, đánh giá các kết quả đã đạt được, đồng thời đưa ra các định hướng nghiên
cứu, phát triển tiếp theo. Nội dung các chương được tóm tắt như sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, kiến trúc mạng
cảm biến, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến, một số vấn đề đặt ra
trong cơ chế điểu khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến.
Chương 2 trình bày nguyên nhân gây nên sự lãng phí năng lượng trong
mạng cảm biến không dây; nghiên cứu một số thủ tục điều khiển thâm nhập môi
trường điển hình trong mạng cảm biến không dây, các thủ tục đó bao gồm CSMA,
Sensor-MAC và Time out - MAC.
Chương 3 giới thiệu bộ chương trình mô phỏng đang được sử dụng rộng rãi
trong lĩnh vực viễn thông OMNet++. Luận văn sử dụng OMNet++ để mô phỏng
phương thức hoạt động của các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường ở trên.
Chương 4 thực hiện mô phỏng, ghi nhận kết quả và đánh giá hiệu quả sử
dụng năng lượng của các thủ tục CSMA, Sensor - MAC, Time out - MAC bằng bộ
chương trình OMNet++.
Mặc dù đã rất cố gắng, song luận văn còn những hạn chế nhất định, tác giả
rất mong nhận được những góp ý để vấn đề nghiên cứu này ngày càng được hoàn
thiện hơn. Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Vương Đạo Vy,
người thầy hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình thực hiện luận văn này,


9
xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã dạy và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập
tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.

Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Mạng cảm biến không dây

10
1.1.1. Khái niệm
Một mạng cảm biến [ 3 ] bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân
bố cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng. Vị trí của các nút
cảm biến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước, điều này cho phép các nút
cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp. Điều đó cũng có nghĩa là
các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng tự tổ chức.
Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng phối hợp giữa
các nút cảm biến. Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong. Thay vì gửi
đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiện các tính toán
đơn giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu.
Những ứng dụng của mạng cảm biến đòi hỏi nó phải có những kỹ thuật đặc
biệt hơn so với các kỹ thuật áp dụng cho các mạng không dây phi cấu trúc (mạng
ad hoc). Mặc dù nhiều giao thức và giải thuật đã được thiết kế cho những mạng ad
hoc không dây truyền thống, nhưng chúng chưa thỏa mãn những đặc tính và yêu
cầu ứng dụng của mạng cảm biến. Để thấy được điểm này, ta hãy xem xét sự khác
nhau giữa mạng cảm biến và mạng ad hoc:
 Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so
với những nút trong mạng ad hoc.
 Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn.
 Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động.
 Topo mạng cảm biến thay đổi rất thường xuyên.
 Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá (broadcast)
trong khi mà đa số các mạng ad hoc là điểm - điểm (point-to-point).
 Những nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ
nhớ.
 Những nút cảm biến có thể không có định danh toàn cầu (global ID).
Khi số lượng lớn những nút cảm biến được triển khai mật độ dày thì những
nút lân cận phân bố rất gần lẫn nhau, vì vậy truyền thông đa bước nhảy trong mạng

cảm biến phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy truyền thống.
Hơn nữa, năng lượng phục vụ truyền dữ liệu có thể để ở mức thấp, chủ yếu dành


11
cho các hoạt động chuyển đổi, xử lý. Truyền thông đa bước nhảy cũng khắc phục
có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa trong giao tiếp không dây.
Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là mức
độ tiêu thụ điện phải thấp. Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm biến là có
hạn và nói chung là không thể thay thế. Bởi vậy, trong khi các mạng truyền thống
tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những giao thức
mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng. Chúng phải có
những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ của mạng hay
thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao.
Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác
nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm
biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao quanh
đa dạng như:
 nhiệt độ,
 độ ẩm,
 sự chuyển động của phương tiện,
 điều kiện ánh sáng,
 sức ép,
 sự ô nhiễm,
 mức độ ồn,
 sự có mặt hoặc không những loại đối tượng nhất định,
 những đặc trưng hiện thời như tốc độ, hướng, và kích thước một đối
tượng.
Những nút cảm biến có thể được sử dụng cho cảm biến liên tục, phát hiện sự
kiện, định danh sự kiện, cảm biến vị trí, và điều khiển cục bộ thiết bị khởi động...

1.1.2. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Những đặc tính của mạng cảm biến hứa hẹn một phạm vi ứng dụng rộng rãi
với một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể như: an ninh quốc phòng, y tế, môi trường,


12
thương mại… Có thể hình dung trong tương lai, những mạng cảm biến không dây
sẽ là một phần gắn liền với cuộc sống nhiều hơn so với những máy tính cá nhân
hiện nay.
Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, với những đặc tính triển khai nhanh, tự
tổ chức và độ thứ lỗi cao cho phép mạng cảm biến trở thành một thành phần trong
hệ thống C4ISRT (Command, Control, Communications, Calculation, Intelligence,
Surveillance, Reconnaissance, and Targeting - hỗ trợ ra mệnh lệnh, điều khiển,
truyền thông, tính toán, tình báo, giám sát theo dõi, trinh sát và mục tiêu). Vì mạng
cảm biến dựa vào sự triển khai dày đặc những nút cảm biến có chi phí thấp và sẵn
có, sự hỏng hóc, ngừng hoạt động của vài nút do những hoạt động thù địch không
ảnh hưởng nhiều đến hoạt động quân sự như cảm biến truyền thống. Một số ứng
dụng quân sự khác của mạng cảm biến có thể kể đến như hỗ trợ giám sát lực
lượng, thiết bị và quân nhu một cách thân thiện; theo dõi trận địa; do thám lực
lượng và trận địa đối phương; xác định mục tiêu; đánh giá tổn thất sau trận chiến;
do thám và xác định tấn công hóa sinh hoặc hạt nhân.
Trong lĩnh vực môi trường, mạng cảm biến được sử dụng để theo dõi
chuyển động của những động vật hoang dã cần giám sát, nghiên cứu hoặc bảo vệ,
theo dõi những động vật nhỏ như sâu, bọ; theo dõi những yếu tố môi trường ảnh
hưởng đến gieo trồng và chăn nuôi; tình trạng tưới tiêu; theo dõi môi trường trái
đất, sinh học bên trong lòng biển, đất, và khí quyển; phát hiện cháy rừng; nghiên
cứu thời tiết hoặc địa vật lý; cảnh báo lũ lụt; nghiên cứu bản đồ sinh học phức tạp
của môi trường và nghiên cứu sự ô nhiễm.
Trong lĩnh vực y tế, mạng cảm biến cung cấp những công cụ hỗ trợ giao tiếp
cho người tàn tật; theo dõi bệnh nhân; hỗ trợ chẩn đoán; quản trị thuốc trong bệnh

viện; giám sát từ xa dữ liệu vật lý của con người; kiểm tra và theo dõi bác sĩ và
bệnh nhân trong bệnh viện. Mỗi bệnh nhân có thể được gắn kết các nút cảm biến
nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ, một nút cảm biến xác định
nhịp tim, trong khi nút khác đang xác định huyết áp. Bác sĩ có thể cũng mang một
nút cảm biến cho phép những bác sĩ khác định vị bên trong phạm vi bệnh viện.
Việc những nút cảm biến có thể được gắn tới từng loại thuốc, những bệnh nhân có
nút cảm biến xác định những dị ứng của họ và yêu cầu thuốc tương ứng thì sẽ tránh
được việc chỉ định thuốc sai.


13
Trong lĩnh vực ứng dụng gia đình, khi công nghệ phát triển, những nút và
những thành phần phát sinh cảm biến nhỏ gọn có thể được trang bị bên trong
những đồ dùng gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, và thiết bị VCRs.
Những nút cảm biến này tương tác với nhau và với bên ngoài có thể nối mạng qua
Internet hoặc vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý từ xa thiết bị đồ dùng dễ dàng hơn.
Trong lĩnh vực thương mại, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc theo
dõi chất lượng sản phẩm; xây dựng văn phòng thông minh; điều khiển môi trường
trong những tòa nhà; điều khiển robot trong những nhà máy sản xuất tự động; sản
xuất đồ chơi tương tác; xây dựng bảo tàng tương tác; điều khiển tự động hóa; giám
sát thảm hoạ; điều khiển thiết bị khởi động; thiết bị chống mất cắp ô tô…Ví dụ
trong những tòa nhà văn phòng, điều hoà không khí và nhiệt độ hầu hết là điều
khiển tập trung, vì vậy nhiệt độ bên trong một phòng có thể giảm hoặc tăng một
vài độ, một mặt có thể ấm hơn mặt khác vì có duy nhất một điều khiển trong phòng
và luồng không khí từ hệ thống trung tâm thì không phải là phân tán bằng nhau.
Một hệ thống mạng cảm biến vô tuyến phân tán có thể được thiết đặt để điều khiển
luồng khí và nhiệt độ trong các bộ phận khác nhau của phòng. Công nghệ này được
đánh giá có thể giảm bớt đáng kể mức độ tiêu thụ điện năng.
Một ví dụ khác, trong tương lai trẻ em sẽ có khả năng tương tác trực tiếp với
những hiện vật trong bảo tàng. Những đối tượng, hiện vật này sẽ có thể trả lời, đáp

ứng qua va chạm hoặc giọng nói, qua đó giúp các em có sự hiểu biết hơn về chúng.
1.1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.1.1. 1.1.3.1. Nút cảm biến
Một nút cảm biến [ 5 ] được cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản như hình 1.1
gồm: Bộ phận cảm biến (Sensing Unit), bộ phận xử lý (Processing Unit), bộ phận
thu phát (Transceiver Unit) và bộ phận cung cấp năng lượng (Power Unit). Ngoài
ra, chúng cũng có thể có những thành phần bổ sung phụ thuộc ứng dụng như: Hệ
thống định vị (Location Finding System); Bộ phận phát điện (Power Generator) và
bộ phận quản lý di động (Mobilizer).
Bộ phận cảm biến thường bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận
chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter ADCs). Tín hiệu tương tự được sản sinh bởi những thành phần cảm biến dựa vào


14
quan sát hiện tượng được chuyển đổi tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó được
chuyển tới bộ phận xử lý. Bộ phận xử lý thường liên quan đến một bộ phận lưu trữ
nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau khác để thực
hiện nhiệm vụ cảm biến được định trước. Bộ phận thu phát kết nối nút với mạng.
Một trong những thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ phận cung cấp
quản lý năng lượng. Bộ phận này có thể được hỗ trợ bởi một bộ phận tiếp thu năng
lượng như pin mặt trời. Nút cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ
thuộc từng ứng dụng cụ thể.

Hình 1.1. Thành phần của một nút cảm biến
Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi
hỏi kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao, vì vậy, các nút cảm biến thường
có hệ thống định vị vị trí. Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, nút cảm biến có thể
được trang bị một bộ phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó được
yêu cầu để thực hiện nhiệm vụ định trước.
Tất cả những bộ phận cần phải tích hợp trong một mô đun cỡ hộp diêm.

Kích thước yêu cầu đôi khi phải nhỏ hơn một 1cm3. Ngoài kích thước, nút cảm
biến phải thỏa mãn yêu cầu:
 Tiêu thụ điện cực nhỏ,
 Hoạt động được ở mật độ cao,
 Có chi phí sản xuất thấp và không thiết yếu,
 Không có định danh và thực hiện tự quản trị,
 Thích ứng với môi trường.


15
Những nút cảm biến thường là không tác động được, tuổi thọ của một mạng
cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của những nguồn cung cấp năng lượng cho những
nút. Vì kích thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến cũng trở thành một tài
nguyên khan hiếm.
1.1.3.2. Mạng cảm biến
Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến. Mỗi nút cảm
biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút gốc.
Việc chọn đường tới nút gốc theo đa bước nhảy được minh hoạ trong Hình 1.2.
Nút gốc có thể liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh.
Việc thiết kế mạng cảm biến như mô tả trong Hình 1.2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố
như khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng
cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất.

Hình 1.2. Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến
Kiến trúc giao thức [ 3 ] được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến ở
Hình 1.2 được trình bày trong Hình 1.3. 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 số 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 vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, phát và thu. Vì môi trường có tạp âm và
các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC)
phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với


16
thông tin quảng bá của các nút lân cận. Lớp mạng quan tâm đến việc chọn đường
số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu
nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần
mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Ngoài
ra, các phần quản lý công suất, di chuyển và nhiệm vụ sẽ giám sát việc sử dụng
công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những phần
này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ công suất tổng
thể thấp hơn.
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. Cũng vậy, 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. 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 có thể lưu vết của các nút cảm biến lân cận.
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 dùng để làm
cân bằng và 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
thiết 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.


17

Lớp truyền tải
Lớp mạng
Lớp liên kết số
liệu

Phần quản lý nhiệm
vụ
Phần quản lý di
chuyển
Phần quản lý công
suất

Lớp ứng dụng

Lớp vật
lý
Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
1.2. Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC
Mạng cảm biến không dây là loại mạng đặc biệt với số lượng lớn nút cảm
biến được trang bị bộ vi xử lý, thành phần cảm biến và thành phần quản lý sóng vô
tuyến. Các nút cảm biến cộng tác với nhau để hoàn thành một nhiệm vụ chung.
Trong nhiều ứng dụng, các nút cảm biến sẽ được triển khai phi cấu trúc như mạng
ad hoc. Chúng phải tự tổ chức để hình thành một mạng không dây đa bước nhảy.
Thách thức chung trong mạng không dây là vấn đề xung đột do hai nút gửi dữ liệu
cùng lúc trên cùng kênh truyền. Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền

(MAC) [ 1, 2, 3 ] đã được phát triển để giúp đỡ mỗi nút quyết định khi nào và làm
sao để truy nhập kênh. Vấn đề này cũng được biết như sự định vị kênh hoặc đa
truy nhập. Lớp MAC được xem xét bình thường như một lớp con của lớp liên kết
dữ liệu trong chồng giao thức mạng. Những giao thức MAC đã nghiên cứu rộng rãi
trên những lĩnh vực truyền thống của truyền thông tiếng nói và dữ liệu không dây.
Đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division multiple Access - TDMA),
Đa truy nhập phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access - FDMA)
và đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA) là
những giao thức MAC được sử dụng rộng rãi trong những hệ thống truyền thông tế
bào hiện đại. Ý tưởng cơ bản của các phương pháp trên là sẽ tránh xung đột bởi


18
việc chia nhỏ kênh truyền thành những kênh truyền con, các nút sẽ phân chia truy
nhập các kênh truyền con đó. Việc phân chia kênh được thực hiện theo thời gian,
tần số hoặc theo mã. Những kênh truyền con này không ảnh hưởng lẫn nhau,
những giao thức MAC này được phân vào nhóm phi xung đột (collision-free). Lớp
giao thức MAC khác dựa trên sự cạnh tranh dành quyền truy nhập trên một kênh
dung chung, kết quả trong sự phối hợp xác suất có điều kiện, không cần cấp phát
sẵn kênh truyền. Xung đột có thể xảy ra trong thời gian thủ tục cạnh tranh trong
những hệ thống như vậy. Những ví dụ cổ điển của những giao thức MAC trên nền
cạnh tranh bao gồm ALOHA và đa truy nhập cảm ứng sóng mang (CSMA). Trong
giao thức ALOHA, một nút đơn giản truyền một gói khi nó được phát sinh (pure
ALOHA) hoặc tại khe sẵn có tiếp theo (slotted ALOHA). Những gói tin va chạm
với nhau được vứt bỏ và sẽ được truyền lại. Trong CSMA, một nút thăm dò trước
khi phát, nếu nó phát hiện ra kênh bận, thì nó dừng lại và thử lại sau đó. Giao thức
CSMA đã được nghiên cứu rộng rãi, hiện nay nó là nền tảng của nhiều chuẩn mở
rộng gồm IEEE 802.11. Mạng cảm biến khác với mạng dữ liệu không dây truyền
thống trên một vài khía cạnh. Trước hết, đa số các nút trong những mạng cảm biến
hoạt động dựa trên nguồn điện pin, và rất khó để nạp điện cho những nguồn pin

của tất cả các nút. Thứ hai, những nút thường được triển khai trong một kiểu cách
đặc biệt phi cấu trúc; chúng phải tự tổ chức hình thành một mạng truyền thông. Ba
là, nhiều ứng dụng cần phải sử dụng số lượng lớn những nút, và mật độ nút sẽ thay
đổi tại những địa điểm và thời gian khác nhau, với cả những mạng mật độ thưa lẫn
những nút với nhiều lân cận. Cuối cùng, đa số các lưu thông trong mạng được thúc
đẩy bởi những sự kiện cảm ứng, phân bố không đều và rất co cụm. Tất cả những
đặc trưng này cho thấy những giao thức MAC truyền thống không thích hợp cho
những mạng cảm biến không dây nếu không có những sự cải biến.

Chương 2 - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1. Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây
2.1.1. Tránh xung đột


19
Tính tránh xung đột (Collision Advoidance) [ 1, 2 ] là một yêu cầu cơ bản của
tất cả các giao thức MAC, nó xác định khi nào một nút có thể truy nhập đường
truyền và thực hiện trao đổi dữ liệu.
2.1.2. Hiệu quả năng lượng
Tính hiệu năng (Energy Efficiency) [ 1, 2 ] là một trong những thuộc tính
quan trọng nhất những giao thức MAC mạng cảm biến. Như đã đề cập ở trên, đa số
các nút cảm biến hoạt động bằng pin, rất khó để thay đổi hoặc nạp điện lại cho pin
của những nút này. Thực tế, nhiều mục đích thiết kế của những mạng cảm biến
được xây dựng bằng những nút đủ rẻ để vứt bỏ hơn là nạp lại. Trong tất cả các
trường hợp, việc kéo dài cả cuộc đời của mỗi nút là một vấn đề then chốt. Dù với
nền tảng phần cứng nào, năng lượng cho thu phát sóng vô tuyến là nguồn tiêu thụ
năng lượng chính. Lớp MAC trực tiếp điều khiển hoạt động thu phát sóng vô
tuyến, và sự tiêu thụ năng lượng của nó như thế nào ảnh hưởng đáng kể tới cả cuộc
đời của nút.

2.1.3. Khả năng thích ứng và biến đổi được
Tính biến đổi được và khả năng thích ứng (Scalability and Adaptivity) là
những thuộc tính liên quan của một giao thức MAC điều tiết những sự thay đổi
trong kích thước mạng, mật độ và topo mạng. Nhiều nút có thể không hoặc ngừng
hoạt động trong thời gian dài; vài nút mới có thể tham gia về sau; một vài nút khác
có thể di chuyển tới những vị trí khác. Một giao thức MAC tốt cần phải điều tiết
những sự thay đổi như vậy một cách hợp lý. Tính biến đổi được và khả năng thích
ứng để thay đổi trong kích thước, mật độ và topo mạng là những thuộc tính quan
trọng, bởi vì những mạng cảm biến được triển khai phi cấu trúc và thường hoạt
động trong những môi trường không chắc chắn.
2.1.4. Khả năng sử dụng kênh
Sự sử dụng kênh (Channel utilization) phản chiếu toàn bộ băng thông của
kênh được dùng trong truyền thông ra sao, nó cũng được đề cập như sự sử dụng
băng thông hoặc dung lượng kênh truyền. Đó là một vấn đề quan trọng đối với hệ
thống điện thoại tế bào hoặc mạng cục bộ không dây (WLANs), khi băng thông là
tài nguyên quý giá nhất trong những hệ thống như vậy và các nhà cung cấp dịch vụ
đều muốn càng nhiều người dùng càng tốt. Mặt khác, số những nút hoạt động trong


20
mạng cảm biến chủ yếu về được xác định bởi loại ứng dụng. Sự sử dụng kênh
thường là một mục tiêu thứ nhì trong những mạng cảm biến.
2.1.5. Độ trễ
Độ trễ (Latency) đó là sự trì hoãn một nút gửi có một gói tin để gửi cho đến
khi gói tin được nhận thành công bởi nút nhận. Trong mạng cảm biến, sự quan
trọng của độ trễ phụ thuộc vào ứng dụng. Trong những ứng dụng như giám sát
hoặc theo dõi, các nút cảm biến không hoạt động phần lớn thời gian cho đến khi
một sự kiện nào đó được phát hiện. Những ứng dụng này có thể thường bỏ qua sự
trễ thông điệp bổ sung nào đó, bởi vì tốc độ mạng nhanh hơn tốc độ của một đối tượng vật lý. Tốc độ cảm biến đối tượng đặt một ranh giới trên về tốc độ phản ứng
mà mạng phải đạt được. Trong khoảng thời gian không có sự kiện cảm ứng, có rất

ít dữ liệu trao đổi trong mạng. Sự trễ ở mức nhỏ hơn một giây cho một khởi tạo
một thông báo sau thời kỳ nhàn rỗi thì không quan trọng bằng sự tiết kiệm năng
lượng và thời gian hoạt động của thiết bị. Nhưng ngược lại, sau khi cảm biến xác
định được sự kiện, hoạt động với độ trễ thấp thành quan mục tiêu quan trọng.
2.1.6. Thông lượng
Thông lượng (Throughput) đề cập tới số lượng của dữ liệu chuyển thành
công từ một nơi gửi đến một nơi nhận trong một khoảng thời gian cho trước. Nhiều
nhân tố ảnh hưởng đến thông lượng, bao gồm hiệu quả của sự tránh xung đột, sự
sử dụng kênh, độ trễ, và xử lý thông tin điều khiển. Giống với độ trễ, sự quan trọng
của thông lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng. Những ứng dụng cảm biến mà yêu
cầu vòng đời lâu thường chấp nhận độ trễ nhiều hơn và thông lượng thấp hơn.
Một thuộc tính liên quan gọi là goodput, thể hiện thông lượng được đo chỉ
bởi dữ liệu được nhận bởi nơi nhận mà không có bất kỳ lỗi nào.
2.1.7. Công bằng
Fairness thể hiện khả năng những người dùng, những nút hoặc những ứng
dụng khác nhau cùng nhau chia sẻ kênh truyền một cách công bằng. Nó là một
thuộc tính quan trọng trong mạng tiếng nói hoặc những mạng dữ liệu truyền thống,
một khi mỗi người dùng mong muốn một cơ hội như nhau để gửi hoặc nhận dữ
liệu cho những ứng dụng của chính mình. Tuy nhiên, trong những mạng cảm biến,
tất cả các nút hợp tác cho một nhiệm vụ chung đơn lẻ. Ở tại thời điểm đặc biệt, một
nút có thể có nhiều dữ liệu hơn để gửi so với các nút khác, như vậy, hơn là đối xử


21
với mỗi nút công bằng, thành công được đo bởi sự thực hiện của ứng dụng, Và độ
fairness đối với từng nút hoặc từng người dùng trở nên ít quan trọng hơn.
Tóm lại, các vấn đề nêu ở trên là những thuộc tính thể hiện những đặc trưng
của một giao thức MAC. Đối với mạng cảm biến không dây, những yếu tố quan
trọng nhất là sự tránh xung đột có hiệu quả, hiệu quả năng lượng, tính biến đổi và
thích ứng được với mật độ và số lượng nút. Những thuộc tính khác là thứ yếu.

2.2. Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng
2.2.1. Xung đột
Sự xung đột (Collision) [ 1, 2 ] là nguyên nhân đầu tiên gây tiêu phí năng
lượng. Khi hai gói được truyền cùng thời điểm sẽ xảy ra xung đột, chúng bị hỏng
và phải được loại bỏ. Yêu cầu truyền lại gói tin sau đó sẽ làm phát sinh sự tiêu hao
năng lượng. Do đó tất cả các giao thức MAC cố gắng tránh xung đột bằng mọi
cách.
2.2.2. Nghe khi rỗi
Nguyên nhân thứ hai gây tiêu hao năng lượng là vấn đề nghe khi rỗi (Idle
Listening) [ 1, 2 ]. Nó xảy ra khi thành phần sóng vô tuyến thực hiện “nghe” kênh
xem có dữ liệu không để nhận. Sự tiêu hao này đặc biệt cao trong những ứng dụng
mạng cảm biến, nơi không có dữ liệu trao đổi trong thời gian không có sự kiện
được cảm biến. Nhiều giao thức MAC (như CSMA và CDMA) luôn luôn nghe
kênh khi hoạt động dù không có dữ liệu để gửi. Chi phí chính xác của vấn đề nghe
khi rỗi phụ thuộc vào phần cứng và chế độ hoạt động thành phần sóng vô tuyến.
Đa số các mạng cảm biến được thiết kế để hoạt động trong thời gian dài và các nút
cảm biến cũng sẽ trong ở trạng thái nghe khi rỗi một thời gian dài. Trong những
trường hợp như vậy, nghe khi rỗi là một yếu tố chính trong vấn đề tiêu thụ năng
lượng của thành phần sóng vô tuyến.
2.2.3. Nghe thừa
Nguyên nhân thứ ba là vấn đề nghe thừa (overhearing) [ 1, 2 ] xuất hiện khi
một nút nhận được những gói tin mà được dành cho những nút khác. Phải nghe
thừa những lưu thông không cần thiết, không giành cho mình có thể là một nhân tố
chính gây tiêu hao năng lượng khi lưu lượng, tải truyền tăng và mật độ phân bố
nút cao.


22
Nguyên nhân cuối cùng mà chúng ta xem xét là sự xử lý gói tin điều khiển.
Sự gửi, nhận, và nghe những gói tin điều khiển cũng tiêu thụ năng lượng. Khi

những gói điều khiển không trực tiếp chuyên chở dữ liệu, chúng cũng làm giảm
goodput.
Một giao thức MAC thiết kế cho mạng cảm biến phải đạt được yêu cầu tiết
kiệm năng lượng bởi việc điều khiển thành phần sóng vô tuyến để tránh hoặc giảm
bớt tiêu phí năng lượng do những nguyên nhân trên. Việc tắt thành phần sóng vô
tuyến khi nó chưa được cần đến là một chiến lược quan trọng cho việc tiết kiệm
năng lượng. Một lược đồ quản lý năng lượng đầy đủ phải xem xét tất cả các nguồn
làm tiêu phí năng lượng, không phải là chỉ là thành phần sóng vô tuyến.
2.3. Các giao thức MAC trong mạng cảm nhận không dây
2.3.1. CSMA
Các giao thức mà trong đó các trạm làm việc lắng nghe đường truyền trước
khi đưa ra quyết định mình phải làm gì tương ứng với trạng thái đường truyền đó
được gọi là các giao thức có “cảm nhận” đường truyền (carrier sense protocol).
Cách thức hoạt động của CSMA [ 3 ] như sau: lắng nghe kênh truyền, nếu thấy
kênh truyền rỗi thì bắt đầu truyền khung, nếu thấy đường truyền bận thì trì hoãn lại
việc gởi khung.
Thế nhưng trì hoãn việc gởi khung cho đến khi nào?
Có ba giải pháp:
- Theo dõi không kiên trì (Non-persistent CSMA): Nếu đường truyền bận,
đợi trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên rồi tiếp tục nghe lại đường truyền.
- Theo dõi kiên trì (persistent CSMA): Nếu đường truyền bận, tiếp tục nghe
đến khi đường truyền rỗi rồi thì truyền gói tin với xác suất bằng 1.
- Theo dõi kiên trì với xác suất p (P-persistent CSMA): Nếu đường truyền
bận, tiếp tục nghe đến khi đường truyền rỗi rồi thì truyền gói tin với xác suất bằng
p.
Dễ thấy rằng giao thức CSMA cho dù là theo dõi đường truyền kiên trì hay
không kiên trì thì khả năng tránh xung đột vẫn tốt hơn là ALOHA. Tuy thế, xung
đột vẫn có thể xảy ra trong CSMA.
Tình huống phát sinh như sau: khi một trạm vừa phát xong thì một trạm
khác cũng phát sinh yêu cầu phát khung và bắt đầu nghe đường truyền. Nếu tín

23
hiệu của trạm thứ nhất chưa đến trạm thứ hai, trạm thứ hai sẽ cho rằng đường
truyền đang rảnh và bắt đầu phát khung. Như vậy xung đột sẽ xảy ra.
Hậu quả của xung đột là: khung bị mất và toàn bộ thời gian từ lúc xung đột
xảy ra cho đến khi phát xong khung là lãng phí.
Bây giờ phát sinh vấn đề mới: các trạm có quan tâm theo dõi xem có xung
đột xảy ra không và khi xung đột xảy ra thì các trạm sẽ làm gi?
CSMA/CD (CSMA với cơ chế theo dõi xung đột) về cơ bản là giống như
CSMA: lắng nghe trước khi truyền. Tuy nhiên CSMA/CD có hai cải tiến quan
trọng là: phát hiện xung đột và làm lại sau xung đột.

Hình 2.1. CSMA/CD có thể ở một trong ba trạng thái:
tranh chấp, truyền, rảnh
Phát hiện xung đột: Trạm vừa truyền vừa tiếp tục dò xét đường truyền. Ngay
sau khi xung đột được phát hiện thì trạm ngưng truyền, phát thêm một dãy nhồi
(dãy nhồi này có tác dụng làm tăng cường thêm sự va chạm tín hiệu, giúp cho tất
cả các trạm khác trong mạng thấy được sự xung đột), và bắt đầu làm lại sau xung
đột.
CSMA/CD, cũng giống như các giao thức trong LAN khác, sử dụng mô
hình quan niệm như trong hình sau:
Tại thời điểm t0, một trạm đã phát xong khung của nó. Bất kỳ trạm nào khác
có khung cần truyền bây giờ có thể cố truyền thử. Nếu hai hoặc nhiều hơn các trạm
làm như vậy cùng một lúc thì sẽ xảy ra xung đột. Xung đột có thể được phát hiện
bằng cách theo dõi năng lượng hay độ rộng của xung của tín hiệu nhận được và
đem so sánh với độ rộng của xung vừa truyền đi.


24

Hình 2.2. Thời gian cần thiết để truyền một khung
Bây giờ ta đặt ra câu hỏi: Sau khi truyền xong khung (hết giai đoạn truyền),
trạm sẽ bỏ ra thời gian tối đa là bao lâu để biết được là khung của nó đã bị xung
đột hoặc nó đã truyền thành công?

Hình 2.3. Phát hiện xung đột khi truyền tin
Gọi thời gian này là “cửa sổ va chạm” và ký hiệu nó là Tw. Phân tích sau đây
sẽ cho ra câu trả lời.


25

Hình 2.4. Xử lý khung xung đột
Hình 2.2 sẽ mô phỏng chi tiết về thời gian phát khung giữa hai trạm A và B
ở hai đầu mút xa nhất trên đường truyền tải.Đặt Tprop là thời gian lan truyền tín hiệu
giữa hai đầu mút xa nhau nhất trên đường truyền tải.
- Tại thời điểm t, A bắt đầu phát đi khung dữ liệu của nó.
- Tại t+Tprop - ε, B phát hiện kênh truyền rảnh và phát đi khung dữ liệu của
nó.
- Tại t+ Tprop , B phát hiện sự xung đột.
- Tại t+2Tprop - ε, A phát hiện sự xung đột.
Theo phân tích trên, thì Tw = 2Tprop
Việc hủy bỏ truyền khung ngay khi phát hiện có xung đột giúp tiết kiệm thời
gian và băng thông, vì nếu cứ tiếp tục truyền khung đi nữa, khung đó vẫn hư và
vẫn phải bị hủy bỏ.
Làm lại sau khi xung đột: Sau khi bị xung đột, trạm sẽ chạy một thuật toán
gọi là back-off dùng để tính toán lại lượng thời gian nó phải chờ trước khi gởi lại
khung. Lượng thời gian này phải là ngẫu nhiên để các trạm sau khi quay lại không
bị xung đột với nhau nữa.

- Kỳ hạn mà trạm phải chờ trước khi thử lại một lần truyền mới là M*Tw.