Nghiên cứu mạng cảm biến cơ thể không dây (WBSN)

MỤC LỤC
.......................................................................................................................2
DANH MỤC HÌNH VẼ..............................................................................I
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................II
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT........................................................................III
LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN CƠ THỂ
KHÔNG DÂY (WBSN).......................................................................................2
1.1. GIỚI THIỆU VỀ WBSN

2

1.1.1. Định nghĩa mạng cảm biến không dây (WSN)......................................2
1.1.2. Giới thiệu về WBSN..............................................................................2
1.2. CÁC LOẠI CẢM BIẾN WBSN

3

1.3. ĐẶC TÍNH CỦA CÁC NODE CẢM BIẾN

4

1.4. ƯU ĐIỂM CỦA WBSN

5

1.5. ỨNG DỤNG CỦA WBSN

5

1.6. KẾT LUẬN

8

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG........................................9
2.1. KIẾN TRÚC CÁC NODE CẢM BIẾN
2.2. CÁC MÔ HÌNH TRIỂN KHAI

9
11

2.2.1. Đặc điểm của mạng WBSN.................................................................11
2.2.2. Kiến trúc mạng WBSN........................................................................12
2.2.3. Mô hình triển khai..............................................................................14
2.3. CÁC GIAO THỨC SỬ DỤNG TRONG WBSN

16

2.3.1. Các giao thức lớp Mac cho mạng WBSNs..........................................16
2.3.2. Các giao thức định tuyến....................................................................29
2.4. CÔNG NGHỆ ZIGBEE

30

2.4.1. Dải tần................................................................................................30
2.4.2. Mô hình mạng Zigbee.........................................................................31
2.4.3. Ưu và nhược điểm của mạng Zigbee..................................................33
2.5. KẾT LUẬN

33

CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ TRONG MẠNG CẢM BIẾN CƠ THỂ
KHÔNG DÂY....................................................................................................34
3.1. VẤN ĐỀ LỚP VẬT LÝ

34


3.2. VẤN ĐỀ LỚP MẠNG

34

3.3. VẤN ĐỀ ĐỊNH TUYẾN

35

3.4. THỬ THÁCH KHI TRIỂN KHAI WBSN

36

3.4.1. Thách thức cấp độ nút........................................................................36
3.4.2. Thách thức cấp độ mạng....................................................................37
3.4.3. Sự chuẩn hóa......................................................................................38
3.5. KẾT LUẬN

38

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN CƠ THỂ KHÔNG
DÂY (WBSN).....................................................................................................39
4.1. THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

39

4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ

43

4.3. KẾT LUẬN

46

KẾT LUẬN................................................................................................46
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................47


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1.1. SPO2–MÁY ĐO NHỊP TIM VÀ NỒNG ĐỘ OXY TRONG
MÁU......................................................................................................................6
HÌNH 2.2. KIẾN TRÚC NÚT CẢM BIẾN...............................................9
HÌNH 2.3. KIẾN TRÚC MẠNG WBSN.................................................13
HÌNH 2.4. MẠNG HÌNH SAO.................................................................14
HÌNH 2.5. MẠNG SƠ ĐỒ LƯỚI.............................................................15
HÌNH 2.6. MẠNG HÌNH CÂY................................................................16
HÌNH 2.7. CSMA/CD CÓ THỂ Ở MỘT TRONG 3 TRẠNG THÁI:
TRANH CHẤP, TRUYỀN, RẢNH..................................................................17
HÌNH 2.8. THỜI GIAN CẦN ĐỂ TRUYỀN MỘT KHUNG................18
HÌNH 2.9. VÍ DỤ SƠ ĐỒ CÂY................................................................20

HÌNH 2.10. VÍ DỤ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG......................20
HÌNH 2.11. KẾT QUẢ PHÁT HIỆN ĐỈNH...........................................25
HÌNH 2.12. MINH HỌA KHOẢNG THỜI GIAN BẢO VỆ.................27
HÌNH 2.13. CÁC MÔ HÌNH MẠNG ZIGBEE......................................32
HÌNH 4.14. ENTER NAME.....................................................................39
HÌNH 4.15. OBJECT PALETTE TREE.................................................40
HÌNH 4.16. CỬA SỔ ATTRIBUTES......................................................41
HÌNH 4.17. SƠ ĐỒ KIẾN TRÚC: A) HÌNH SAO B) HÌNH CÂY C)
MẮT LƯỚI........................................................................................................43
HÌNH 4.18. PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CỦA KIẾN TRÚC HÌNH SAO,
CÂY VÀ MẮT LƯỚI DỰA TRÊN A) ĐỘ TRỄ TỪ ĐẦU CUỐI TỚI ĐẦU
CUỐI B) THÔNG LƯỢNG C) TẢI MAC D) LƯU LƯỢNG NHẬN..........45
Hình 1.1.

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

i


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG 2.1. ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH CỦA CHU KỲ CON ĐIỀU KHIỂN
CHO MẠNG VÍ DỤ Ở HÌNH 2.8....................................................................21
BẢNG 2.2. THÔNG TIN CHU KỲ CON ĐIỀU KHIỂN CỦA CÁC
NÚT KHÁC NHAU...........................................................................................22
BẢNG 2.3. BẢNG CON............................................................................23

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

ii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục hình vẽ

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

BAN

Tên đầy đủ
Autonomous Wireless Body
Sensor Networks
Body Area Network

Nghĩa tiếng việt
Mạng cảm biến cơ thể không dây
độc lập
Mạng vùng cơ thể

BCU

Control Unit Body

Bộ điều chỉnh cơ thể

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection
Electrocardiography
ECG

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
phát hiện đụng độ
Điện tâm đồ

EMG

Personal Digital Assistant

Đo điện cơ
Thiết bị đo nhịp tim không cần tiếp
xúc
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
Mạng cảm biến cơ thể không dây
thông minh
Điều khiển truy nhập môi trường
Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân

RAM

Quality of Service
Random Access Memory

Chất lượng dịch vụ
Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên

ROM

Read Only Memory.

Bộ nhớ chỉ đọc

TDMA

Time Division Multiple Access

WBSN

Wireless Body Sensor Networks

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
Mạng cảm biến cơ thể không dây

WIFI

Wireless Fidelity

Hệ thống mạng không dây sử dụng

sóng vô tuyến

WSN

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây

AWBSN

EPS
GSM
IWBSN
MAC
PDA
QoS

Electromyography
Electric Potential Sensors
Global System for Mobile
Communications
Intelligent Wireless Body Sensor
Networks
Medium Access Control

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

iii

Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nhờ có sự tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ làm cho hệ
thống mạng ngày càng phát triển vượt bậc. Nổi bật là sự xuất hiện của các mạng cảm
biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng. Hiện nay, việc ứng dụng các
mạng cảm biến vào đời sống đang được quan tâm nhiều hơn. Cụ thể là được ứng dụng
trong các lĩnh vực như: Quân sự, y tế, giao thông, nông nghiệp...Sự phát triển này giúp
cho cuộc sống ngày càng tiện nghi hơn, tiết kiệm thời gian, công sức hơn đồng thời
cũng đặt ra nhiều thách thức trong quá trình triển khai.
Đặc biệt, trong nhiều lĩnh vực, sức khỏe luôn là vấn đề quan trọng nhất đối với mỗi
con người. Do cuộc sống cũng như công việc bận rộn nên con người mong muốn có
một thiết bị nào đó giúp theo dõi và cập nhật về sức khỏe thường xuyên. Vì vậy, một
mạng cảm biến cơ thể không dây là vô cùng cần thiết. Một thiết bị y tế có thể theo dõi
và chăm sóc sức khỏe liên tục, vừa nhỏ gọn và phù hợp khi mang trên cơ thể.
Với lý do trên, em xin chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến cơ thể không dây
(WBSN)”. Đồ án này gồm 4 chương:
• Chương 1: Giới thiệu chung về mạng cảm biến cơ thể không dây (WBSN)
• Chương 2: Mô hình kiến trúc mạng
• Chương 3: Các vấn đề trong mạng cảm biến cơ thể không dây
• Chương 4: Mô phỏng mạng cảm biến cơ thể không dây (WBSN)
Em xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Trần Tuấn đã giúp đỡ em hoàn thành
đồ án tốt nghiệp này. Do thời gian tìm hiểu có hạn nên đồ án không tránh khỏi thiếu
sót về cả nội dung và hình thức. Em rất mong nhận được sự đóng góp từ phía thầy, cô
và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện
Đào Thị Thúy

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN CƠ THỂ
KHÔNG DÂY (WBSN)
1.1. Giới thiệu về WBSN
1.1.1. Định nghĩa mạng cảm biến không dây (WSN)
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được
phát triển và triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau như: Theo dõi sự thay đổi của
môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công
bằng hạt nhân, chẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, giám sát bệnh nhân cũng
như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông…
Trước tiên, để hiểu rõ mạng cảm biến không dây là gì, ta cần hiểu rõ về mạng cảm
biến. Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm
biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và
phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Môi
trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học.
Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút với nhau
bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ
gọn, giá thành thấp…và có số lượng lớn. Chúng được phân bố một cách không có hệ

thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và có thể hoạt động
trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao…).
Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần:
- Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không
dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to đến nhỏ, tùy
thuộc vào từng ứng dụng.
- Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan
trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới hạn
về thời gian sống của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp.
Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và không thể thay đổi được nguồn cung cấp.
Do đó, khi các mạng truyền thông tập trung vào đạt được chất lượng dịch vụ thì các
mạng cảm biến cần tập trung vào bảo toàn công suất.
1.1.2. Giới thiệu về WBSN
Mạng cảm biến không dây áp dụng cho cơ thể con người thường được gọi là mạng
cảm biến cơ thể không dây. Mạng cảm biến cơ thể không dây (WBSN) định nghĩa một

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

hệ thống độc lập được sử dụng để giám sát các hoạt động trong cuộc sống hằng ngày
của mỗi người. WBSN được chú ý nhờ các ứng dụng thực tế của nó nhằm cải thiện
chất lượng cuộc sống của con người với chi phí thấp. Nó bao gồm các nút cảm biến
thông minh mà không gây ảnh hưởng tới các hoạt động hàng ngày và rất hữu ích trong

việc phát hiện sớm các bệnh mãn tính như tim mạch, hen suyễn, tiểu đường…, hỗ trợ
người già tại nhà, phục hồi chức năng sau phẫu thuật (như đầu gối hay khuỷu tay), để
cảnh báo bệnh nhân trong các trường hợp khẩn cấp và trợ giúp y tế trong nhiều sự kiện
thảm họa như các cuộc tấn công khủng bố, cháy rừng, động đất…
Các mạng này cung cấp dịch vụ đầy hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực như quốc phòng,
nghiên cứu, các ngành công nghiệp, kinh doanh…Các nút cảm biến trong WBSN tiêu
thụ ít điện năng hơn và phục vụ các ứng dụng trong huấn luyện thể thao, vui chơi giải
trí, các lực lượng đặc biệt (cứu hỏa, bộ khuyếch tán bom, quân sự, giám sát phi hành
gia…) và người tiêu dùng các thiết bị điện tử. Với sự giúp đỡ của các mạng cảm biến
cơ thể không dây chúng ta có thể giám sát các hoạt động, các chuyển động và các tín
hiệu quan trọng của cơ thể con người ở một địa điểm từ xa của các phương tiện mạng.
Vì vậy, nó giúp tiết kiệm tiền bạc. Nhu cầu của các thiết bị này đang tăng lên từng
ngày và một số khía cạnh như đảm bảo lỗi, độ tin cậy, chất lượng dịch vụ (QoS) và
bảo mật cần phải được ứng nghiệm. Do thay đổi cấu trúc liên kết, nguồn lực có hạn
như bộ nhớ, pin và băng thông khác nhau. Các mạng cảm biến cơ thể không dây đã
không thể thực hiện đầy đủ các yêu cầu nêu trên.
Với sự phát triển của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, giao tiếp
không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín
hiệu… đã tạo ra các cảm biến có kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao
và đáng tin cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WBSN hoạt động hiệu quả và
kinh tế. Để mạng có thể tồn tại lâu dài thì yếu tố hiệu quả và kinh tế luôn đứng hàng
đầu.

1.2. Các loại cảm biến WBSN
Mạng cảm biến cơ thể không dây có thể chia thành ba loại cơ bản dựa trên người
lấy quyết định của các dữ liệu thu thập được từ các nút cảm biến khác nhau:
- Mạng quản lý cảm biến cơ thể không dây: Một mạng quản lý cảm biến cơ thể
không dây là một mạng lưới trong đó quyết định trên các dữ liệu thu thập từ một hoặc
nhiều hơn một nút cảm biến được thực hiện bởi một bên thứ ba mà có thể là bất cứ bác
sĩ, y tá hoặc trung tâm y tế nào đó. Các dữ liệu được thu thập và gửi cho bên thứ ba,

nơi nó được phân tích để chẩn đoán bệnh tật. Bây giờ các bên thứ ba sẽ quyết định dựa
trên các dữ liệu thu được, rằng những gì sẽ được thực hiện tiếp theo hoặc những đơn
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

thuốc đã được đưa tới cho các bệnh nhân. Mạng này được kết nối với các mạng khác
thông qua WIFI hoặc GSM. Ưu điểm của việc quản lý WBSN trong thực tế rằng tất cả
các dấu hiệu quan trọng có thể được phân tích và chẩn đoán tức thời. Nhưng có thể có
vấn đề khi người thứ ba quá bận rộn, không thể trả lời trong khi mạng cảm biến đang
cố gắng gửi thông tin hoặc có một số vấn đề với các thông tin liên lạc tầm xa. Trong
trường hợp như vậy tình hình của bệnh nhân có thể đi đến tồi tệ hơn.
- Mạng cảm biến cơ thể không dây độc lập (AWBSN): Mục đích của mạng cảm
biến cơ thể không dây độc lập giống như mạng quản lý cảm biến cơ thể không dây
nhưng cách thức tiến hành khác nhau. Trong một AWBSN có thiết bị truyền động
cùng với các nút cảm biến có thể gây tác động lên cơ thể con người theo các dữ liệu
thu thập được từ các nút cảm biến hoặc bởi sự tương tác trực tiếp với cơ thể con người
mà không cần phải chờ đợi cho bất kỳ quyết định nào của bên thứ ba. AWBSN hoạt
động tốt nhất trong trường hợp điều kiện khẩn cấp nơi quyết định được thực hiện trong
thời gian thực mà không tăng độ trễ và hành động thích hợp sau đó được thực hiện bởi
các phần cứng thiết bị truyền động. Ở đây có các bộ điều chỉnh cơ thể (BCU) không
yêu cầu phải được kết nối với mạng bên ngoài. Điều này dẫn đến việc truyền dẫn thấp,
lãng phí pin thấp. Nhưng vấn đề có thể xảy ra trong trường hợp BCU không được lập
trình để phát hiện một bệnh đặc biệt.

- Mạng cảm biến cơ thể không dây thông minh (IWBSN): Mạng này là sự kết hợp
của cả hai loại mạng trên. Nếu tình huống đơn giản, quyết định được đưa riêng vào
cho nó bởi các nút truyền động, nhưng nếu phức tạp, sau đó các thông tin được gửi tới
người thứ ba. Nếu người thứ ba đang bận, IWBSN đợi trong một khoảng thời gian cụ
thể sau đó sẽ đưa ra quyết định riêng của mình nếu không có sự trả lời của bác sĩ.

1.3. Đặc tính của các node cảm biến
Các nút cảm biến của mạng cảm biến cơ thể không dây có một số tính năng làm cho
chúng phù hợp để sử dụng trong nhiều ứng dụng hiện nay.
- Hiệu quả năng lượng: Đa số các nút cảm biến hoạt động bằng pin, rất khó để thay
đổi hay nạp điện lại cho pin của những nút này. Vì vậy, các nút được thiết kế nhằm
mục đích tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Sơ đồ quản lý điện năng được sử dụng để xử
lý tối ưu các nguồn tài nguyên năng lượng để các nút vẫn còn hoạt động cho thời gian
dài hơn và tuổi thọ của mạng tăng lên.
- Phức hợp: Cảm biến được sử dụng trong WBSNs là không đồng nhất trong tự
nhiên, mỗi một thành phần có chức năng riêng của nó, một số nút cảm nhận nhiệt độ,
những nút khác cảm nhận được huyết áp.... Mỗi một nút cảm biến có khả năng lưu trữ
khác nhau, khả năng tính toán và tiêu thụ năng lượng khác nhau.
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

4


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

- Hiệu quả về giá: Kể từ khi các nút sử dụng năng lượng một cách tối ưu và được
triển khai trên diện tích nhỏ để chúng hoạt động lâu hơn và số ít các nút được yêu cầu

trong công việc hình thành mạng lưới và thay thế khi bị hư hỏng. Vì vậy, tất cả điều
này dẫn đến chi phí thấp hơn của việc tạo ra một mạng lưới.
- Đơn giản: Trọng lượng nhẹ, các nút có kích thước nhỏ, gọn được sử dụng để có
thể dễ dàng mang từ nơi này sang nơi khác bằng cách đeo chúng hoặc giữ chúng trong
một cái túi.

1.4. Ưu điểm của WBSN
Mạng BAN được chứng minh là tốt hơn tất cả các giao thức khác cho đến thời điểm
hiện tại đang được ứng dụng trong việc hỗ trợ theo dõi bệnh nhân nói chung. Nó có
một số ưu điểm sau đây:
- Không dây: Các phương pháp tiếp cận truyền thống để giám sát sức khỏe sử dụng
rất nhiều dây kết nối do đó làm cho toàn bộ hệ thống cồng kềnh, khó coi. Mạng cảm
biến cơ thể không dây sử dụng các thiết bị nhỏ gọn kết nối không dây với nhau.
- Hiệu quả năng lương và thân thiện với người dùng: Các phương pháp trước đây
không hiệu quả về mặt năng lượng, tính di động… nhưng cách tiếp cận mới này sử
dụng các cảm biến đã dẫn đến các kỹ thuật thân thiện với người sử dụng để theo dõi
các chuyển động, nhiệt độ cơ thể và tín hiệu cơ thể con người. Chúng ta có thể khai
thác được các thông tin trên PDA, máy tính xách tay bất cứ lúc nào chúng ta muốn và
có thể lưu trữ chúng để sử dụng cho sau này.
- Hỗ trợ người dùng tính di động: Theo cách truyền thống, người sử dụng thiết bị
giám sát phải ở lại bệnh viện cho đến khi họ được giám sát bởi các dây gắn vào cơ thể
con người mà lần lượt kết nối với màn hình. Bệnh nhân không thể di chuyển khỏi
giường của mình. Nhưng các bệnh nhân sử dụng công nghệ mới làm cho họ có thể tự
do đi lại, ngay cả khi họ đang ở nhà, văn phòng và ở những nơi xa bệnh viện, các bác
sĩ không cần phải biết vị trí của họ và có thể dễ dàng truy cập vào dữ liệu của họ trên
máy tính của mình và chẩn đoán chúng.

1.5. Ứng dụng của WBSN
Hiện này mạng cảm biến cơ thể không dây ngày càng được phát triển mạnh mẽ hơn.
Các mạng cảm biến cơ thể không dây phục vụ đa dạng các ứng dụng trong thiết bị

điện tử tiêu dùng, y tế, trò chơi và lối sống. Trong mỗi lĩnh vực nó lại mang lại những
hiệu quả nhất định. Dưới đây là một số ứng dụng của WBSN:
- Thể thao và thể hình: Trong thể thao, WBSN có thể được sử dụng để kiểm tra sức
khỏe của các vận động viên. Các chỉ số có thể được lấy từ các vận động viên mà
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

không cần yêu cầu họ luyện tập trên một máy chạy bộ. Huấn luyện viên có thể có một
cái nhìn sâu hơn về các điểm mạnh và điểm yếu của một vận động viên bằng cách đo
các điều kiện cơ thể khác nhau như thay đổi trong nhịp tim, nồng độ oxy…trong một
cuộc đua và các tình huống thực tế đời sống khác. Điều này có thể giúp đỡ trong việc
cải thiện những thiếu sót của họ và nâng cao kỹ năng của họ.

Hình 1.1. SPO2–Máy đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu
- Quân sự: Trong lĩnh vực quân sự sử dụng WBSN trong phòng thủ rất nhiều. Kiểm
tra tình trạng sức khỏe của những người lính, kiểm tra mức độ hydrat hóa, theo dõi vị
trí và theo dõi nhiệt độ cơ thể. Tất cả các chỉ số có thể được sử dụng để cung cấp, trợ
giúp cho người lính khi họ bị thương, để có được một phương án về độ bền, độ chính
xác, sự chú ý phải được tăng cường và cũng có thể được sử dụng để làm giảm sự cố
đáng tiếc do sự hiểu lầm trong nhận dạng bằng cách cho họ vị trí và tính chính xác của
họ theo thời gian.
- Các dịch vụ khẩn: WBSN có thể được sử dụng trong việc cung cấp các dịch vụ
khẩn cấp để bắn máy bay chiến đấu. Các chỉ số của những thay đổi trong điều kiện cơ

thể của lính cứu hỏa như mức độ oxy, mạch…được thực hiện và cùng với nó là mức
độ độc tố trong không khí được giám sát và lính cứu hỏa đã được cảnh báo trong
trường hợp các điều kiện khẩn cấp hoặc yêu cầu rời khỏi vị trí hoặc sử dụng một số
biện pháp phòng ngừa như cách sử dụng mặt nạ phòng độc.

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

- Phát hiện cảm xúc: Cảm xúc của con người cũng có thể được theo dõi bởi WBSN.
Một chất hóa học gọi là serotonin, nó là một hợp chất, có phân bố rộng trong các mô,
đặc biệt trong tiểu cầu máu, thành ruột và hệ thần kinh. Giảm mức độ serotonin gây ra
nỗi buồn và tăng mức độ gây ra hạnh phúc hay lo âu. Như vậy chúng ta có thể theo dõi
các hóa chất này và biết được tâm trạng của con người.
- Giám sát sức khỏe cá nhân: Không ngừng theo dõi các thông số quan trọng của
các bệnh nhân mắc các bệnh mãn tính như bệnh tim, hen suyễn và bệnh tiểu đường có
thể được thực hiện bằng cách sử dụng WBSN. Các chỉ số của ECG, EMG có thể được
thực hiện bởi các bệnh nhân khi họ ở nhà và có thể được kiểm tra bởi bác sĩ.
- Phát hiện tư thế: Các tư thế của một người có thể được phát hiện bằng cách sử
dụng các nút cảm biến. Trò chơi có thể được chơi trên máy tính bằng cách mặc bộ cảm
biến trên cơ thể tạo một cảm giác như thể một người đang chơi thực sự. Sự chuyển
động của người chơi thay đổi theo mỗi chuyển động của họ. Cũng có thể học khiêu vũ
bởi việc phát hiện cử chỉ và chuyển động cơ thể.
- Y khoa: Một số bệnh viện và trung tâm y tế đang ứng dụng công nghệ WBSN vào

tiền chuẩn đoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với dịch bệnh và phục hồi chức năng cho
người bệnh. Điều đặc biệt là bệnh nhân và bác sĩ không nhất thiết phải có mặt ở bệnh
viện. Nó cho phép theo dõi sức khỏe của bệnh nhân kinh niên ngay tại nhà, các dấu
hiệu quan trọng của cơ thể như mức độ đường huyết trong máu, nhịp tim, huyết áp…
có thể được kiểm tra, làm cho việc phân tích và điều trị thuận tiện hơn, rút ngắn thời
gian điều trị tại bệnh viện. WBSN còn cho phép thu thập thông tin y tế qua thời gian
dài thành cơ sở dữ liệu quan trọng, các biện pháp can thiệp hiệu quả. Trong tương lai
gần các bệnh nhân sẽ được theo dõi phụ thuộc vào vị trí của họ và các loại thuốc cần
thiết đối với mỗi bệnh nhân.
Thành công trong lĩnh vực này là sự xuất hiện của EPS, nó là thiết bị đầu tiên trên
thế giới có khả năng theo dõi chính xác nhịp tim của người bệnh từ xa với khoảng
cách lên đến 1 mét trong khi họ đang nằm trên giường hay đang nghỉ ngơi tại nhà
riêng. Với EPS, đội ngũ y bác sĩ giờ đây có thể trông nom các bệnh nhân của mình từ
xa mà không phải đến tận giường từng người như trước đây. Các thiết bị cảm biến dải
tần rộng của EPS nhạy đến nỗi nó có thể "bắt" được cả tín hiệu của cơ, theo dõi sự
chuyển động của mắt người, các tín hiệu của não bộ và của dây thần kinh. Và EPS sẽ
báo hiệu cho các nhân viên y tế biết mỗi khi nhịp tim của bệnh nhân có sự thay đổi.
- Thiết bị điện tử dân dụng: Các thiết bị như micrô, máy nghe nhạc MP3 và đầu gắn
màn hình có thể tạo thành một phần của BAN và đóng vai trò tương ứng của chúng.

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

1.6. Kết luận
Chương này đã giới thiệu một cái nhìn tổng quát nhất về mạng cảm biến cơ thể
không dây. Cụ thể là khái niệm, các loại cảm biến, các đặc tính cũng như ưu điểm và
ứng dụng của mạng cảm biến cơ thể không dây trong thực tế. Từ đó ta biết được thế
nào là một mạng cảm biến cơ thể không dây, đồng thời hiểu rõ được các ưu điểm mà
mạng này đem lại. Từ những ưu điểm của mình mà mạng cảm biến cơ thể không dây
được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, thể thao, giám sát sức khỏe…Trong
tương lai mạng cảm biến cơ thể không dây sẽ được phát triển và ứng dụng rộng rãi
hơn nữa.

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

8


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG
2.1. Kiến trúc các node cảm biến
Một nút cảm biến thực hiện ba nhiệm vụ chính: Phát hiện tín hiệu, tín hiệu số hóa /
mã hóa / kiểm soát thông tin có liên quan đến đa truy nhập và cuối cùng là truyền dữ
liệu thông qua một bộ thu phát không dây. Kiến trúc của một nút cảm biến được cho
trên hình 2.1.

Hình 2.2. Kiến trúc nút cảm biến
Trong đó:
- Bộ cảm biến: Cho phép các nút cảm biến có khả năng tương tác với môi trường

vật lý. Các nút cảm biến không dây tương tác với môi trường vật lý nhờ các cảm biến.
Các cảm biến được gắn trên nút cảm biến không dây có thể từ rất đơn giản đến rất
phức tạp. Nhiều bộ cảm biến đơn giản từ hình thức đến chức năng. Ví dụ như các cảm
biến nhiệt độ là một biến trở mà trở kháng của nó thay đổi theo nhiệt độ môi trường.
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

- Bộ nguồn: Cung cấp năng lượng cho nút cảm biến hoạt động. Một nút cảm biến
không dây bao gồm nhiều thiết bị điện tử và các thiết bị đó cần năng lượng. Vì vậy,
mỗi nút cảm biến cần một nguồn cung cấp năng lượng. Ngày nay, các nguồn cung cấp
năng lượng phổ biến là pin nhưng trong một số trường hợp sử dụng các tế bào năng
lượng mặt trời hay các hình thức tích trữ năng lượng khác.
- Bộ vi điều khiển: Điều khiển các hành vi, hoạt động của nút cảm biến. Nó là một
bộ vi xử lý nhỏ, trên đó chạy các chương trình phần mềm của nút cảm biến, được kết
nối với bộ thu phát vô tuyến và các cảm biến. Vi điều khiển là một bộ vi xử lý có bộ
nhớ trong, bộ định thời và các thiết bị phần cứng để kết nối với các thiết bị bên ngoài.
• Do hạn chế về giá thành và năng lượng nên các vi điều khiển sử dụng trong các
nút cảm biến đơn giản hơn nhiều so với các bộ vi xử lý sử dụng trong máy tính cá
nhân. Thông thường, một bộ vi điều khiển sử dụng trong các nút cảm biến có vài KB
bộ nhớ của chip và hoạt động ở tốc độ xung nhịp một vài MHz.
• Vi điều khiển có hai loại bộ nhớ: Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) và bộ nhớ truy nhập
ngẫu nhiên (RAM). ROM được sử dụng để lưu trữ mã chương trình phần mềm còn
RAM được dùng để lưu trữ cho các dữ liệu tạm thời của các chương trình phần mềm.

• Những tín hiệu nhận được từ cơ thể con người không phải là mạnh và có thêm
nhiễu. Vì vậy, trước hết là các cường độ tín hiệu được tăng lên bằng cách khuếch đại
tín hiệu sau đó lọc tín hiệu được thực hiện để loại bỏ nhiễu. Bộ chuyển đổi tương tự
sang số thực hiện chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu kỹ thuật số mà sau khi số
hóa được lưu trữ trong vi điều khiển.
• Tại các vi điều khiển kết thúc gửi dữ liệu này ở dạng các gói tin thông qua bộ
thu phát với mạng. Các vi điều khiển thực hiện điều khiển các bộ phận năng lượng từ
pin một cách tối ưu nhất. Điều này được thực hiện thông qua các phương pháp quản lý
năng lượng bằng cách tắt các thiết bị đang trong trạng thái chờ.
- Bộ truyền động: Bộ truyền động đôi khi cần dịch chuyển các nút cảm biến khi cần
thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu độ
chính xác cao về vị trí. Tất cả các thành phần này cần phù hợp kích cỡ từng module.
Ngoài kích cỡ ra, các nút cảm biến còn có ràng buộc nghiêm ngặt khác như phải tiêu
thụ ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, giá thành thấp, có thể tự hoạt động và thích
ứng với sự biến đổi của môi trường.
Hiện nay, tồn tại một số cảm biến cụ thể như sau:
 Cảm biến ECG: Các hoạt động điện của tim được biểu diễn dưới dạng một đồ
thị được gọi là điện tâm đồ và được sử dụng để chẩn đoán bệnh tim. Các điện cực
được đặt trên cơ thể con người tại những nơi như ngực, cánh tay.
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

 Huyết áp: Cảm biến này được sử dụng để đo huyết áp tâm thu và huyết áp tâm
trương.
 Cảm biến khí CO2: Nó được sử dụng để theo dõi sự thay đổi của nồng độ
carbon dioxit và theo dõi nồng độ oxy trong máu trong quá trình hô hấp.
 Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ: Những cảm biến đo độ ẩm của môi trường xung
quanh và nhiệt độ cơ thể. Nếu có một số thay đổi trên giá trị ngưỡng thì xuất hiện tín
hiệu báo động.
 Đường huyết: Mức độ đường trong máu được đo bằng cách lấy máu từ ngón tay
của một người bằng cách châm nó và chuyển nó trên một số dải được tạo thành từ các
hóa chất nhạy cảm với đường. Phân tích các mẫu thu thập được thực hiện bởi đường
kế đó cho thấy việc đọc số. Nhưng giờ đây, theo dõi nồng độ đường mỗi ngày có thể
được thực hiện bằng cảm biến quang học và công nghệ hồng ngoại.
 Cảm biến EEG: Cảm biến này được sử dụng để đo hoạt động điện xảy ra bên
trong não. Điều này được thực hiện bằng cách đặt điện cực ở các vị trí khác nhau trên
da đầu của con người. Các điện cực cảm nhận được thông tin về các hoạt động điện
của não và chuyển nó cho một bộ khuếch đại mà sau đó tạo ra các mô hình truy tìm.
Nếu hoạt động điện ở một số vùng của não được đồng bộ này có nghĩa là các khu vực
này có một số loại mối quan hệ chức năng.
 Đo độ bão hòa oxy: Cảm biến này đo độ bão hòa oxy. Đối với điều này một cái
kẹp có một cảm ứng được đặt trên ngón tay, ngón chân, dái tai…của con người và cảm
biến tạo ra một tín hiệu ánh sáng rơi trên da và đi qua nó.

2.2. Các mô hình triển khai
2.2.1. Đặc điểm của mạng WBSN
Bản chất của mạng cảm biến cơ thể không dây chính là một mạng cảm biến không
dây nên nó có đầy đủ các đặc điểm của mạng cảm biến không dây. Cụ thể như sau:
- Kích thước vật lý nhỏ gọn: Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả
năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế phần cứng cho
mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất
định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại

các hạn chế của phần cứng.
- Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao: Hoạt động chính của các thiết bị trong
mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý
thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng. Vì dung lượng bộ nhớ
trong nhỏ nên cần tính toán kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự kiện mức
thấp xen vào các hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

11


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

và khó đáp ứng tính năng thời gian thực. Do đó các nút mạng phải thực hiện nhiều
công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
- Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế: Tính năng điều khiển ở
các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên kết xử lý – lưu trữ - chuyển
mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông
thường. Điển hình là bộ cảm biến cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ
vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất). Ngược lại, các hệ thống
thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các
thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp.
- Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng: Các thiết bị cảm biến được nối mạng có
khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ
riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng
có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị, điều quan trọng là

phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng. Như vậy, các loại
thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu
quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các
ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức
tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong
khả năng công nghệ.
- Hoạt động tin cậy: Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi
rộng với một ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống
nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và
công suất. Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng
ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự
hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không
những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
2.2.2. Kiến trúc mạng WBSN
Hình 2.2 mô tả một vài nút cảm biến được đặt trên cơ thể con người để thực hiện
các chức năng khác nhau. Có thể dùng để đo huyết áp, để đo điện tâm đồ, điện não
đồ... Những nút này cũng được gọi là đơn vị cảm biến cơ thể (BSU). Những đơn vị
cảm biến cơ thể giao tiếp với nhau và thực hiện truyền thông/thu thập dữ liệu bên
trong WBSN tại pha 1 của mạng WBSN. Các dữ liệu được thu thập từ các nút cảm
biến và được thông qua vào một nút được gọi là đơn vị kiểm soát cơ thể. Từ đây, dữ
liệu được gửi đến các thiết bị hoặc các mạng khác, các thiết bị có thể là máy tính xách
tay, điện thoại di động...và thực hiện liên kết WBSN với mạng bên ngoài tại pha 2. Từ
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

12


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

những thiết bị các dữ liệu được truyền về tiếp tục đến điểm truy cập bằng cách sử dụng
các tiêu chuẩn không dây hiện có như Bluetooth, ZigBee…Từ đây dữ liệu được thông
qua, vào các cổng được sử dụng để kết nối với một phạm vi rộng của các mạng. Các
mạng này có thể là các mạng bệnh viện, mạng điện thoại hoặc một trung tâm y tế
chuyên dụng.

Hình 2.3. Kiến trúc mạng WBSN
Mỗi WBAN có một nút chuyển tiếp hay máy chủ cá nhân như PDA, tiếp nhận tất cả
các thông tin từ các cảm biến và cung cấp một giao diện đối với các mạng khác.
Một khi dữ liệu được gửi qua mạng nó có sẽ sẵn trên toàn thế giới. Các dữ liệu tại
các địa điểm này có thể được lưu trữ trong các máy chủ cơ sở dữ liệu và có thể được
sử dụng cho phân tích của các bác sĩ, các nhà nghiên cứu, sử dụng để giữ cho bệnh án
của bệnh nhân hoặc cho các mục đích khác. Một số tính năng bảo mật cũng có thể
được áp dụng để làm cho nó dễ tiếp cận, chỉ để vài người xác thực để tránh lạm dụng
nó. Các thông tin này cũng có thể được lưu trữ trên iPod hoặc điện thoại di động và
sau đó có thể được chuyển giao cho một máy tính. Các bác sĩ trong khi ngồi xa bệnh
nhân có thể chẩn đoán bệnh nhân và quản lý bệnh nhân đó để có thể xác định được
những loại thuốc cần thiết. Tại pha 3 thực hiện truyền tải dữ liệu thu được từ pha 1 tới
mạng ngoài. Có thể sử dụng mạng 3G / 4G để chuyển dữ liệu qua mạng.

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

2.2.3. Mô hình triển khai
Mạng cảm biến cơ thể không sử dụng công nghệ Zigbee, nó hỗ trợ 3 mô hình triển
khai sau:
2.2.3.1. Mạng hình sao

Hình 2.4. Mạng hình sao
Mạng hình sao là một mạng có tất cả các trạm kết nối với một thiết bị trung tâm
có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển đến trạm đích. Vai trò của thiết bị
trung tâm là thiết lập các kết nối điểm – điểm.
- Ưu điểm:
• Mạng dạng hình sao cho tốc độ nhanh nhất.
• Khi cáp mạng bị đứt thì thường chỉ làm mất kết nối của một máy, còn những
máy khác vẫn hoạt động bình thường.
• Khi có lỗi xảy ra, ta dễ dàng kiểm tra và sửa chữa.
• Mạng có thể được mở rộng tuỳ theo nhu cầu sử dụng của người dùng.

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

14


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

- Nhược điểm:
• Khả năng mở rộng mạng đều phụ thuộc vào khả năng của trung tâm. Khi trung

tâm gặp sự cố thì toàn mạng đều ngưng hoạt động.
• Mạng yêu cầu nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin đến trung
tâm. Khoảng cách từ máy đến trung tâm rất hạn chế (100 m).
• Chi phí dây mạng và thiết bị trung gian tốn kém nhiều.
Kiến trúc hình sao nhìn thấy như Hình 2.3 có một cấu trúc mạng với quản lý và
truyền thông tập trung. Kiến trúc của nó được dựa trên các nút trung tâm. Các ZED
không liên lạc trực tiếp với nhau, mà giao tiếp thông qua các ZC ở trung tâm. Các ZC
giữ một ID PAN, ID này không được định nghĩa trong bất kỳ mạng ZigBee nào khác
trong môi trường. Kiến trúc sao tiêu thụ năng lượng pin nhanh chóng vì nó hướng về
phía trung tâm. Ngoài ra, hệ thống ZigBee là cồng kềnh trong khi giải quyết các mạng
quy mô lớn. Vì lý do này, các kiến trúc sao không phải là thích hợp cho các mạng cảm
biến không dây thông thường.
2.2.3.2. Mạng sơ đồ lưới
Các vùng mạng lưới hiện trong Hình 2.4. Thực chất đây là sự kết hợp giữa cấu trúc
mạng hình sao và cấu trúc ngang hàng, nút bất kỳ có thể tiếp cận và giao tiếp với bất
kỳ nút khác trong mạng. Mặc dù điều này mang lại sự linh hoạt cao cho mạng, nó cũng
tạo ra sự phức tạp của truyền thông đầu cuối tới đầu cuối. Các vùng mạng lưới quản lý
hiệu quả năng lượng và sử dụng pin tốt hơn so với kiến trúc hình sao. Vì nó không xác
định một tuyến đường duy nhất giữa các nút.

Hình 2.5. Mạng sơ đồ lưới

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

15


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

2.2.3.3. Mạng hình cây

Hình 2.6. Mạng hình cây
Kiến trúc cây thể hiện trong Hình 2.5, với mức tiêu thụ điện năng và chi phí thấp, là
rất thích hợp cho mạng cảm biến không dây. Mặc dù cấu trúc cây liên kết hiệu quả cho
các mạng cảm biến không dây, nhưng nó có nhược điểm liên quan gây hạn chế quá
trình định tuyến và sử dụng băng tần. Bất kỳ sự ngắt kết nối nào trong kiến trúc cây
gây chậm luồng dữ liệu và một khối lượng lớn công việc được tạo ra với quá trình
phục hồi. Cấu trúc liên kết không sử dụng nhiều tuyến đường. Kiến trúc cây là tốt hơn
so với kiến trúc mạng lưới liên quan đến việc sử dụng bộ nhớ, như một tuyến đường
duy nhất được sử dụng từ nút nguồn đến nút đích và bộ nhớ dư thừa không được lưu.

2.3. Các giao thức sử dụng trong WBSN
2.3.1. Các giao thức lớp Mac cho mạng WBSNs
Tất cả các nút trong WBSN chia sẻ cùng một kênh cho truyền thông và truyền dữ
liệu. Nhiệm vụ kiểm soát truy nhập từ các nút tới kênh trong WBSN được thực hiện
bởi lớp Mac.
2.3.1.1. CSMA
Các giao thức mà trong đó các trạm 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. Cách thức hoạt động của CSMA như sau: Lắng
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

16


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

nghe kênh truyền, nếu thấy kênh truyền rỗi thì bắt đầu truyền khung, nếu thấy kênh
truyền bận thì trì hoãn việc gửi khung.
Thế nhưng, việc trì hoãn gửi khung tới khi nào là hợp lý?
Có 3 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 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 thì truyền gói tin với xác suất bằng p.
Ta thấy rằng giao thức CSMA dù là theo dõi đường truyền kiên trì hay không kiên
trì thì khả năng tránh xung đột vẫn tốt hơn ALOHA. Tuy vậy, 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
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 hay không và khi xung đột xảy ra thì các trạm sẽ làm gì?
CSMA/CD (CSMA với cơ chế phát hiện xung đột) về cơ bản là giống CSMA: Lắng
nghe trước khi truyền. Nhưng CSMA/CD có 2 cải tiến quan trọng là: Phát hiện xung
đột và truyền lại sau xung đột.

Hình 2.7. CSMA/CD có thể ở một trong 3 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

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

17


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

này có tác dụng 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 truyền lại sau xung đột.
Dựa trên Hình 2.6 ta thấy, 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 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 tín hiệu nhận được và
đem so sánh với độ rộng của xung vừa truyền đi.

Hình 2.8. Thời gian cần để truyền một khung
Bây giờ 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?
Việc hủy bỏ truyền khung ngay sau khi phát hiện xung đột giúp tiết kiệm thời gian
và băng thông, vì nếu cứ tiếp tục truyền khung đi nữa, khung đó vẫn hỏng và vẫn phải
loại bỏ.
Truyền lại sau 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 gửi lại khung.

Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

18


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

Lượng thời gian này phải là ngẫu nhiên để các trạm sau khi quay lại không bị xung đột
với nhau nữa.
Cơ chế back-off của CSMA: Một khi việc truyền tải kết thúc. Nếu môi trường vẫn
còn nhàn rỗi trong khoảng thời gian này. Các nút chọn ra một số ngẫu nhiên của các
khe trong một phạm vi của các giá trị để chờ đợi trước khi truyền tải gói dữ liệu của
nó. Phạm vi này của các giá trị được gọi là của sổ tranh chấp. Back-off được thực hiện
thông qua một bộ đếm thời gian, làm giảm giá trị back-off cho từng thời gian cụ thể
gọi là khe. Sau khi các nút nhập thời gian back-off, nút đầu tiên bắt đầu truyền khi
đồng hồ đếm hết hạn. Thiết bị đầu cuối khác cảm nhận được truyền tải mới và đóng
băng đồng hồ back-off của nó, sẽ được khởi động lại sau khi hoàn thành việc truyền tải
hiện nay trong giai đoạn tranh chấp tiếp theo.
- Mục đích: Để ngăn chặn các nút tự đồng bộ hóa vào cuối đường truyền và va
chạm với nhau.
- Nhược điểm:
 Trường hợp mạng lưới dày đặc, sẽ có nhiều nút tham gia vào cơ chế back-off.
Một số nút có thể chọn cùng thời gian back-off và va chạm với nhau.
 Trong trường hợp một truyền thông thành công, cửa sổ tranh chấp được thiết
lập lại giá trị ban đầu của nó là 32, như vậy trong khoảng thời gian chờ các nút sẽ tiêu
hao năng lượng lớn.
 Trong CSMA cơ bản, các nút truyền thông không có cách nào biết được rằng
gói tin đã được truyền thành công.

 Một gói tin có thể bị hỏng do lỗi kênh không dây hoặc xung đột với các gói
khác.
2.3.1.2. CICADA
Nó sử dụng một cấu trúc cây để cung cấp truy cập môi trường tự do khi xung đột và
cho định tuyến dữ liệu từ nguồn đến nút chuyển tiếp. Nó cung cấp độ trễ thấp và có thể
được sử dụng cho các WBSN đa điểm đó là điện thoại di động trong tự nhiên. Năng
lượng tiêu thụ cũng ít hơn là các nút có thể đi vào chế độ chờ khi chúng không gửi
hoặc nhận bất kỳ dữ liệu nào.
a. Giới thiệu chung
CICADA là một giao thức xuyên lớp. Nó sử dụng các gói dữ liệu giống nhau cho cả
truy cập môi trường cũng như định tuyến. Chúng được sử dụng để phát hiện sự có mặt
hay vắng mặt của các nhánh và để kiểm soát truy nhập môi trường. Các giao thức thiết
lập một cây mở rộng và chia trục thời gian trong khe để giảm nhiễu và tránh chế độ
không tải. Sự phân chia các khe được thực hiện một cách phân tán, có thể đồng bộ khe
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

19


Đồ án tốt nghiệp Đại học
đầu

Lời nói

vì một nút biết chiều dài của mỗi chu kỳ. Mỗi nút thông báo cho nhánh con của nó khi
nhánh con đó được phép gửi dữ liệu.

Hình 2.9. Ví dụ sơ đồ cây
Sự truyền dữ liệu được xác định bởi một chuỗi các chu kỳ. Vào thời điểm bắt đầu
của mỗi chu kỳ, các khe trong phần còn lại của chu kỳ được ấn định. Việc phân khe

được thực hiện bằng cách gửi một sơ đồ từ một nút gốc đến một nút nhánh. Một nút
tính toán sơ đồ riêng của mình dựa trên các sơ đồ đã nhận được từ nút gốc của mình.
Mỗi chu kỳ được chia thành hai phần: Phần chu kỳ con điều khiển và chu kỳ con dữ
liệu. Mỗi chu kỳ con có sơ đồ riêng của mình để phân khe: Các sơ đồ điều khiển và
các sơ đồ dữ liệu tương ứng. Các sơ đồ này đều được gửi trong chu kỳ con điều khiển,
nó được sử dụng để truyền các sơ đồ từ gốc cho tới nhánh. Khi tất cả các nút đã nhận
được sơ đồ của mình, chu kỳ điều khiển đã kết thúc và chu kỳ dữ liệu bắt đầu.

Hình 2.10. Ví dụ truyền thông trong mạng
Đào Thị Thúy – Lớp L14VT

20