Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu thời gian tới hạn

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỒ HỮU TRUNG

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ
TRONG CÁC ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY YÊU CẦU THỜI GIAN TỚI HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP.Hồ Chí Minh - 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỒ HỮU TRUNG
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ
TRONG CÁC ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY YÊU CẦU THỜI GIAN TỚI HẠN
Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN
Mã số:

60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN CÔNG HÙNG

TP.Hồ Chí Minh - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Tp.HCM, ngày tháng năm 2016
Học viên thực hiện luận văn

Hồ Hữu Trung


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Công Hùng, giảng
viên Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông – cơ sở TPHCM, thầy đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin – Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông TPHCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những
kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua.
Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè và đồng nghiệp
đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận
văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song chắc chắn luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp, chỉ dẫn giúp đỡ của Quý Thầy Cô giáo,
Quý đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!

Tp.HCM, ngày tháng năm 2016

Học viên thực hiện luận văn

Hồ Hữu Trung


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ WSN .........................................................................3
1.1

Giới thiệu Wireless Sensor Networks [13] ..................................................3

1.2

Mô tả tổng quát hệ thống WSN ...................................................................3

1.3

Cấu trúc mạng cảm biến ..............................................................................5

1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến ...................................5
1.3.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến ................................................6

1.4

Các vấn đề khi thiết kế WSN .......................................................................9

1.4.1 Triển khai ....................................................................................................9
1.4.2 Vùng phủ sóng ...........................................................................................10
1.4.3 Kết nối .......................................................................................................10
1.4.4 Cảm biến di động ......................................................................................11
1.5

Kiến trúc giao thức mạng WSN .................................................................11

1.5.1 Lớp ứng dụng ............................................................................................12
1.5.2 Lớp giao vận ..............................................................................................13
1.5.3 Lớp mạng ...................................................................................................13
1.5.4 Lớp liên kết dữ liệu ....................................................................................14
1.5.5 Lớp vật lý ...................................................................................................15
1.5.6 Miền quản lý chức năng, quản lý sự di chuyển, quản lý công suất...........15
1.6

Thách thức về tiết kiệm năng lượng của mạng cảm biến không dây ........16

1.7

Kết luận chương 1 ......................................................................................17

Chương 2 – CÁC NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG BẰNG PHƯƠNG
PHÁP PHÂN CỤM...................................................................................................18
2.1

Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) [6] ......................18


iv

2.1.1 Giới thiệu ...................................................................................................18
2.1.2 Tự động cấu hình tạo thành cụm mạng. ....................................................19
2.2

Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized (LEACH-C) ....27

2.3

Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems (PEGASIS) ..28

2.3.1 Tổng quan về giao thức PEGASIS [7] .......................................................29
2.3.2 Nhược điểm của giao thức PEGASIS ........................................................29
2.4

Threshold-sensitive Energy Efficeent sensor Network protocol (TEEN) .30

2.5
Energy Efficient Cluster-Chain based Protocol for Time Critical
applications (ECCPTC) [9]....................................................................................30
2.6

Kết luận chương 2 ......................................................................................31

Chương 3 – PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN ...................................................................................32

3.1

Giới thiệu ...................................................................................................32

3.2

Thách thức trong vấn đề định tuyến ..........................................................32

3.3

Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến ..............................................33

3.3.1 Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng ..........................33
3.3.2 Ràng buộc về tài nguyên ...........................................................................33
3.3.3 Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến ......................................................33
3.3.4 Cách truyền dữ liệu ...................................................................................34
3.4

Tiết kiệm năng lượng trong phương pháp phân cụm ................................35

3.4.1 Lựa chọn nút chủ cụm ...............................................................................36
3.4.2 Mô hình sử dụng năng lượng ....................................................................37
3.5

Thuật toán cải tiến......................................................................................39

3.6

Kết luận chương 3 ......................................................................................42

Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ..............................................................43
4.1

Mô hình mạng ............................................................................................43

4.2

Mô hình năng lượng ...................................................................................43

4.3

Kết quả thực nghiệm ..................................................................................45

4.4

Kết luận và hướng phát triển .....................................................................53

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................54


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết Tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADC

Analog Digital Converter

Bộ chuyển đổi analog sang digital

BS

Base Station

Trạm cơ sở

CDMA

Code Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo mã

Access
CH

Cluster Head

Cụm đầu, Chủ cụm

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy cập cảm nhận sóng mang

DSSS

Directed Sequence Spread

Công nghệ trải phổ chuỗi trực tiếp

Spectrum
ECCPTC

Energy Efficient Cluster-

Hiệu quả năng lượng cho các ứng

Chain based Protocol for Time dụng trong cụm-chuỗi giao thức
Critical applications

cần thời gian tới hạn

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

IEEE

Institute of Electrical and

Viện kỹ sư điện và điện tử

Electronics Engineers
Low Energy Adaptive

Phân cấp theo cụm thích ứng năng

Clustering Hierarchy

lượng thấp

Low-Energy Adaptive

Phân cấp theo cụm thích ứng năng

Clustering

lượng thấp- Tập trung

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy cập đa phương tiện

MANET

Mobile Ad Hoc Networks

Mạng Ad Hoc di động

MEMS

Micro electro mechanical

Hệ thống vi cơ điện tử

LEACH

LEACH-C

systems
Power-Efficient Gathering in

Tập trung hiệu suất năng lượng

Sensor Information Systems

trong hệ thống thông tin cảm biến

SMP

Sensor Management Protocol

Giao thức quản lý cảm biến

SQDDP

Sensor Query and Data

Giao thức phân phối dữ liệu và truy

PEGASIS


vi

TADAP

TCP/IP

TDMA

TEEN

Dissemination Protocol

vấn cảm biến

Task Assignment and Data

Chỉ định nhiệm vụ giao thức quảng

Advertisement Protocol

bá dữ liệu

Transmission Control

Giao thức điều khiển truyền

Protocol/Internet Protocol

tải/Giao thức liên mạng

Time Division Multiplexing

Đa truy cập phân chia theo thời

Access

gian

Threshold-sensitive Energy

Giao thức hiệu quả về năng lượng

Efficeent sensor Network

nhạy cảm với mức ngưỡng

protocol
UAV

Unmanned Aerial Vehicle

Máy bay không người lái

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức gói dữ liệu người dùng

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số được sử dụng để mô phỏng của LEACH ...................... 37
Bảng 4.1: Các thông số được sử dụng để mô phỏng ........................................... 45


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút cảm biến không dây ................................. 4
Hình 1.2: Các thành phần của nút cảm biến ........................................................ 5
Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến ..................................................... 6
Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến ........................................................ 7
Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ....................................... 8

Hình 1.6: Mô hình kiến trúc phân lớp của WSN ................................................ 12
Hình 2.1: Mô tả giao thức LEACH...................................................................... 18
Hình 2.2: Time-line hoạt động của LEACH ........................................................ 19
Hình 2.3: Trạng thái của pha thiết lập ................................................................. 22
Hình 2.4: Thuật toán hình thành cụm trong LEACH .......................................... 22
Hình 2.5: Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau của LEACH ......................... 23
Hình 2.6: Mô hình LEACH sau khi đã ổn định trạng thái.................................. 24
Hình 2.7: Hoạt động của pha ổn định trong LEACH .......................................... 24
Hình 2.8: Time-line hoạt động của LEACH trong một vòng .............................. 25
Hình 2.9: Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng ....................................................... 26
Hình 2.10: Pha cài đặt của LEACH-C ................................................................. 28
Hình 3.1: Mô hình truyền dữ liệu giữa CH và các nút ........................................ 36
Hình 3.2: Mô hình năng lượng được sử dụng trong giao thức LEACH .............. 38
Hình 4.1. Kết quả phân vùng mạng (a) LEACH, (b) LEACH CAI TIEN .......... 48
Hình 4.2. Năng lượng trung bình của mỗi nút sau mỗi vòng .............................. 49
Hình 4.3. Năng lượng tiêu tán ............................................................................. 50


ix

Hình 4.4. Số lượng nút chết ................................................................................. 51
Hình 4.5. Số lượng nút còn sống ......................................................................... 51
Hình 4.6. Dữ liệu trung bình gửi tới base station (BS) ........................................ 52
Hình 4.7. Số lượng nút normal chết ..................................................................... 53
Hình 4.8. Số lượng nút advance chết ................................................................... 53


1

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây mạng cảm biến không dây đã và đang phát triển
chóng mặt và đạt được nhiều thành tựu về mặt nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Đó
là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai
không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu
trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà
không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến.Tuy nhiên mạng cảm biến
đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó
là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. Đặc biệt xét về khía cạnh tiết
kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu
thời gian tới hạn là một lĩnh vực thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học.
Chính vì thế đồ án sẽ trình bày các thuật toán liên quan, đề nghị một phương án đề
xuất cải tiến thuật toán cũ và đánh giá kết quả dựa trên lý thuyết và các kết quả mô
phỏng.
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) trở nên nổi tiếng
với sự tiến bộ của công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), các bộ
cảm biến có nguồn năng lượng pin hỗ trợ các thiết bị rất nhỏ vì thế năng lượng hạn
chế dẫn đến việc tiêu thụ năng lượng và truyền nhận dữ liệu trong khoảng thời gian
cho phép là một vấn đề quan trọng trong WSN. Tất cả các cảm biến cảm nhận môi
trường và truyền dữ liệu đến trạm gốc (Base Station - BS), mỗi cụm có một chủ
cụm (Cluster-Head - CH) sẽ giao tiếp với tất cả các thành viên trong cụm. CH sẽ
truyền toàn bộ dữ liệu đến BS, trong kỹ thuật phân cụm có thể làm giảm chi phí
thông tin liên lạc của các nút bởi vì các nút chỉ cần gửi dữ liệu đến khu vực gần chủ
cụm. Tuy nhiên CH sẽ dùng năng lượng nhiều hơn so với các nút bình thường để
giao tiếp với BS. Các chuyên gia đã và đang nghiên cứu cải thiện về thuật toán tối
ưu để tối ưu hóa hiệu suất nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của mạng cảm biến.
Hai vấn đề quan trọng cơ bản được đề cập là giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và
giảm thời gian chậm trễ trong truyền dữ liệu để tối ưu hóa tuổi thọ mạng. Kỹ thuật


2

Clustering [1] đã nổi lên như một lựa chọn phổ biến để đạt được hiệu quả năng
lượng và khả năng mở rộng trong các mạng cảm biến quy mô lớn [2-4]. Sử dụng
phương pháp Clustering, cảm biến có thể được quản lý tại địa phương bằng một
cụm (Cluster), một CH để quản lý các cụm và chịu trách nhiệm về thông tin liên lạc
giữa các cụm và các trạm cơ sở. Clustering cung cấp một khuôn khổ thuận lợi cho
việc quản lý tài nguyên. Clustering có thể hỗ trợ nhiều tính năng quan trọng trong
một cụm thiết bị, chẳng hạn như truy cập kênh cho các thành viên trong cụm và
kiểm soát quyền lực, định tuyến và tách mã để tránh nhiễu liên cụm. Hơn nữa, nó
giúp phân phối trách nhiệm quản lý từ trạm gốc đến đầu cụm các thiết bị [5].
Trong những năm gần đây, có rất nhiều các giao thức định tuyến trong mạng cảm
biến không dây được sử dụng mà một vài trong số đó đã xem xét việc các ứng dụng
mạng yêu cầu thời gian tới hạn trong việc truyền dữ liệu là quan trọng [6-11]. Trong
mạng cảm biến không dây dữ liệu tập hợp từ các dữ liệu có liên quan (hoặc từ nhiều
dữ liệu tương ứng) sẽ làm giảm một lượng lớn lưu lượng dữ liệu trên mạng, tránh
quá tải thông tin, tạo ra một tín hiệu chính xác hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn so
với gửi tất cả các dữ liệu chưa qua xử lý bên trong mạng.
Đề tài “Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không
dây yêu cầu thời gian tới hạn” với mục đích giảm khoảng cách giữa CH và các nút
thành viên trong cụm để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống cho
mạng cảm biến vô tuyến.
Nội dung đề tài gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về WSN.
Chương 2: Các nghiên cứu tiết kiệm năng lượng bằng phương pháp phân cụm.
Chương 3: Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến.
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá.


3

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ WSN
1.1 Giới thiệu Wireless Sensor Networks [13]
Mạng cảm biến (Wireless Sensor Networks-WSN) là hệ thống ít tốn chi phí,
không đòi hỏi năng lượng cao, đa chức năng và các nút cảm biến kích thước nhỏ có
thể kết hợp với nhau để cảm biến môi trường, xử lý dữ liệu và giao tiếp không dây
qua một khoảng cách ngắn. Các cảm biến thường được sử dụng để giám sát vật lý
hoặc các yếu tố môi trường như nhiệt độ, âm thanh, rung động, sự chuyển động
hoặc ô nhiễm tại các khu vực khảo sát. Một số các cảm biến có thể di chuyển, bằng
cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động, như đã đạt được trong dự án
Robomote [14].
Sự phát triển của WSN ban đầu chỉ được thúc đẩy trong những ứng dụng quân sự
như giám sát chiến trường. Tuy nhiên, WSN hiện đang được sử dụng trong nhiều
ứng dụng công nghiệp và dân dụng, bao gồm cả giám sát và điều khiển quá trình xử
lý công nghiệp, máy theo dõi sức khỏe, môi trường và môi trường sống, quản lý
thiên tai, các ứng dụng chăm sóc sức khỏe, điều khiển giao thông và tự động hóa
nhà.
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có
giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây,
có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu
để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.

1.2 Mô tả tổng quát hệ thống WSN
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (Sensor Field) được
minh họa trên hình 1.1. Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng
thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (CH) để chuyển tới người
dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút CH đến
các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (CH) theo cấu trúc
đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multi-hop Infrastructureless
Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển,

4

như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task
Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh
(Satellite).

Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút cảm biến không dây

Một nút cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử
lý, bộ thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có
thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị
di động. Các thành phần trong một nút cảm biến được minh họa trên hình 1.2. Bộ
cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và
bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có được từ các cảm biến
trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển
đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ
nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác
để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến
và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu
quang. Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể
là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế được
nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi
các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ.


5

Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm

biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết
để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân
công.

Hình 1.2: Các thành phần của nút cảm biến

1.3 Cấu trúc mạng cảm biến
1.3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad-hoc không dây không dùng
được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau:
 Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số
lượng nút trong mạng ad-hoc.
 Các nút cảm biến dễ bị lỗi.
 Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.
 Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu
hết các mạng ad-hoc đều dựa trên việc truyền từ điểm-điểm.
 Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ.
 Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (ID) vì chúng có
một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các nút cảm biến.


6

Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.

1.3.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến

a) Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất cả các nút đều ngang hàng
và đồng nhất trong chức năng. Các nút giao tiếp với BS qua multi-hop sử dụng các
nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần BS hơn
sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn dữ liệu. Tuy
nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như
thời gian, tần số…

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến


7

b) Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), các cụm được tạo ra giúp các
tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single-hop hay multi-hop (tùy thuộc vào
kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ cụm (CH). Trong cấu
trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác
định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp (hình
1.5).


8

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

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 chi 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 lượng tài nguyên tối
thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ
thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không
cao.
 Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần phải
tính toán nhiều thì một 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 khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng 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 được 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 với số lượng các nút yêu
cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc
phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút
𝑊

trong mạng có n nút là ( ), trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia
√𝑛


9

sẻ. Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng 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 cấp 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
trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm,
với điều kiện là số lượng các cụm 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 trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc
tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi
dùng cấu trúc tầng. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về
tìm địa chỉ. Những chức năng như 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 kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào
tần số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất
nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.

1.4 Các vấn đề khi thiết kế WSN
1.4.1 Triển khai
Việc triển khai gắn liền với việc cài đặt hệ thống mạng. WSN thường được triển
khai theo hai phương pháp: tập trung hay phân tán. Trong phương pháp triển khai
tập trung, vị trí của các nút cảm biến được quyết định trước khi các nút cảm biến
được thực thi. Với phương pháp này, các vấn đề khác như vùng phủ sóng và kết nối
được đảm bảo. Triển khai phân tán đơn giản hơn triển khai tập trung, chỉ cần rải các
nút cảm biến ở khu vực khảo sát. WSN có thể được triển khai ở môi trường khắc
nghiệt hoặc những nơi tưởng chừng khó xâm nhập, ví dụ: các nút có thể được phân


10

tán từ một phương tiện không người lái (UAV) và điều khiển từ xa để phát hiện
động đất.

1.4.2 Vùng phủ sóng
Có ba loại vùng phủ sóng được đề cập: Blanket, Barrier và Sweep. Các phân loại
này được mượn từ hệ thống robot. Phủ sóng theo Blanket nhằm mục đích cung cấp
tối đa tỉ lệ phát hiện trong khu vực khảo sát trong khi phủ sóng theo Barrier thì thay
vì cung cấp vùng phủ sóng xuyên suốt khu vực khảo sát thì lại tập trung vào việc
đảm bảo toàn bộ chu vi khu vực được phủ sóng. Phủ sóng theo Blanket và Barrier
đều được hình thành bằng sự sắp xếp tĩnh các nút cảm biến. Trong khi đó, phủ sóng
dạng Sweep lại được hình thành bằng việc di chuyển các nút cảm biến để khu vực
khảo sát được quét bởi các nút cảm biến.
Thêm một số loại vùng phủ sóng khác nhau đã được liệt kê trong mục như: Area,
Barrier, Sweep. Vùng phủ sóng dạng area tập trung vào việc làm thế nào phủ sóng
một khu vực với các cảm biến, mục tiêu là tối đa hóa phần trăm che phủ. Phần trăm
che phủ là tỉ lệ che phủ bởi ít nhất một cảm biến đến toàn bộ khu vực đang khảo sát.
Vấn đề về che phủ cũng được xem như một vấn đề về giảm thiểu. Từ quan điểm
giảm thiểu, mục tiêu là đảm bảo các lỗ hổng phủ sóng trên mạng càng nhỏ càng tốt.
Vùng phủ song dạng Area tương tự như dạng Blanket. Điểm phủ sóng là dạng phủ
sóng để thiết lập các điểm khảo sát. Về cơ bản, loại phủ sóng này chỉ quan tâm làm
thế nào để phủ sóng các mục tiêu hoặc điểm nóng trên một khu vực, thay vì toàn bộ
khu vực.
Phủ sóng dạng Area, Blanket và Sweep thích hợp cho các ứng dụng quản lý thảm
họa. Một khu vực thiên tai có thể giám sát triệt để bằng việc sử dụng Blanket
Coverage trong khi phủ sóng dạng Sweep được dùng cho các cảm biến tích cực
hơn.

1.4.3 Kết nối
Mỗi nút cảm biến trong mạng WSN cảm nhận sự xuất hiện của các sự kiện đang
được theo dõi, thông tin này được chuyển tiếp đến trung tâm. Do đó, kết nối của các

11

nút cảm biến đến trung tâm cũng như kết nối giữa các nút cảm biến là một vấn đề
cũng cần được xem xét.
Trong hệ thống WSN, thông tin được chuyển tiếp đến trung tâm bằng kết nối đa
điểm, nơi thông tin được truyền từ nút này đến nút khác, cho đến khi thông tin được
đưa về trung tâm. Tuy nhiên, cách tiếp cận này cần một mạng đã kết nối có ít nhất
một cây bao trùm (spanning tree) để kết nối từ trạm gốc đến trung tâm. Với loại
mạng này, chúng ta gặp phải vấn đề đó là thông tin có khả năng bị mất nếu một liên
kết bị hỏng, thêm vào đó cũng tồn tại các trở ngại môi trường như rừng nhiệt đới
rậm rạp hoặc một trở ngại nào khác sẽ gây khó khăn cho việc duy trì kết nối. Vấn đề
trung tâm di động đã được đề xuất để giải quyết khuyết điểm trên. Trung tâm di
động thu thập thông tin bằng cách di chuyển quanh khu vực khảo sát.

1.4.4 Cảm biến di động
Cảm biến di động là một khía cạnh khác được xem xét trong việc thiết kế một hệ
thống WSN. Di động có thể được phân thành hai loại: kiểm soát và không kiểm
soát. Đối với cảm biến không kiểm soát, sự chuyển động gây nên bởi ảnh hưởng
của môi trường như sức gió và sóng hoặc do thiết bị cảm biến được gắn vào đối
tượng di chuyển. Với cảm biến có kiểm soát, các nút cảm biến có thể tự xác định
thời điểm và vị trí di chuyển. Cảm biến di động là một tính năng hấp dẫn vì nó cho
phép các cảm biến tự duy trì mạng tự cung cấp năng lượng tự thu thập thông tin
bằng cách sử dụng các trạm di động và bù vào phần khuyết hệ thống cảm biến trong
việc phủ sóng bằng cách di chuyển thường xuyên nên các cảm biến có cơ hội phát
hiện mục tiêu cao hơn. Nó cũng cho phép WSN cung cấp phủ sóng dạng sweep để
giảm thiểu tối đa việc bỏ sót các mục tiêu. Mặt khác, cảm biến di động thường dùng
các nút cảm biến to và cồng kềnh, làm hạn chế khả năng di chuyển của các cảm
biến trong không gian nhỏ và hẹp.

1.5 Kiến trúc giao thức mạng WSN
Như các mạng khác, hoạt động của WSN cũng được xây dựng trên mô hình kiến
trúc phân lớp (lớp ứng dụng, lớp truyền tải, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu, lớp vật


12

lý). Ngoài ra, còn có các phần quản lý công suất, quản lý di động và quản lý tác vụ
sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút
cảm biến hoạt động tốt hơn. Kiến trúc này được mô tả như hình 1.6

Hình 1.6: Mô hình kiến trúc phân lớp của WSN

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng
và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng
dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu
được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể
di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va
chạm trong việc phát broadcast với các nút lân cận. Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật
điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt
bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng,
phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Các mặt bằng này giúp cho
các nút cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng
lượng tiêu thụ.

1.5.1 Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đề
xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là một
vùng rộng lớn chưa được khám phá. Trong lớp ứng dụng có ba giao thức lớp ứng

13

dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor Management
Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP (Task Assignment
and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu
SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng
cảm biến trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới những lớp khác và
các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là
những vấn đề nghiên cứu có tính mở.

1.5.2 Lớp giao vận
Lớp giao vận giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu.
Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi mạng có kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối
với người dùng qua internet. Với WSN giao thức TCP hoặc UDP có thể được dùng
để truyền thông giữa nút đích với internet/ vệ tinh. Còn giao tiếp giữa BS và các nút
cảm biến cần các giao thức như UDP vì các nút bị hạn chế về bộ nhớ. Thêm vào đó
là những yêu cầu về tổn hao công suất, sự gia tăng về số lượng nút… làm cho WSN
phải cần một cơ chế khác trong lớp truyền tải này

1.5.3 Lớp mạng
Các nút cảm biến được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên
trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Kỹ thuật định tuyến trong mạng
Ad-hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng
của mạng cảm biến được thiết kế theo những nguyên tắc sau:
 Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng.
 Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung.
 Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp
tác của các nút cảm biến.

 Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc
tính cơ sở và vị trí.
Trong lớp mạng, vấn đề định tuyến là quan trọng và định tuyến như thế nào để
sử dụng nguồn năng lượng trên mỗi nút, tuyến, mạng là hiệu quả nhất để làm tang


14

thời gian sống của mạng. Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho WSN.
Xét theo cấu trúc mạng có định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến
dựa theo vị trí. Xét theo hoạt động thì định tuyến được chia dựa trên đa đường
(multipathbased), theo truy vấn (query-based), theo chất lượng dịch vụ (QoS), kết
hợp (coherent).

1.5.4 Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách
khung số liệu, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin cậy
cho kết nối điểm - điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint)
trong mạng truyền thông. Sau đây là các vấn đề liên quan đến lớp liên kết dữ liệu:
Điều khiển truy xuất môi trường (MAC)
Giao thức MAC trong điều khiển truy xuất môi trường trong mạng cảm biến vô
tuyến có khả năng tự tổ chức mạng phải thỏa mãn 2 mục tiêu:
 Phải thiết lập các kết nối truyền thông để trao đổi dữ liệu
 Cung cấp một cách công bằng khả năng truy xuất môi trường truyền cho
các nút.
Với MAC truyền thống, xét một hệ thống điện thoại di động tế bào, các trạm cơ
sở (BS) được liên kết là những đường trục chính (Backbone). Một nút di động
thường ở xa so với trạm cơ sở gần nó nhất. Mục tiêu chính của MAC trong những
hệ thống như thế này là cung cấp chất lượng dịch vụ (Quality of Service -QoS) và
hiệu quả sử dụng băng thông cao. Việc duy trì nguồn năng lượng là vấn đề thứ yếu,

nguồn cung cấp đều có thể thay thế hoặc nạp cho cả trạm cơ sở và các nút di động.
Do đó vấn đề truy xuất chỉ thiên về cơ chế phân chia tài nguyên sẵn có.
Với WSN, không nút nào có chức năng như các đặc tính trạm cơ sở của mạng di
động tế bào. Điều này tạo nên sự khó khăn trong việc đồng bộ hoạt động trên diện
rộng mạng. Hơn nữa, việc sử dụng năng lượng không hiệu quả sẽ ảnh hưởng trực
tiếp đến thời gian sống của mạng.