NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Đồ án tốt nghiệp đại học

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin phép được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy cô giáo
trong trường Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã dìu dắt em trong suốt
thời gian học tập. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các
cô trong thời gian học tập này. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
Ths.Nguyễn Trần Tuấn, đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em nghiên cứu đề tài
này. Thầy đã cho em những lời khuyên quan trọng trong suốt quá trình hoàn thành
đồ án. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi,
động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên
cứu, hoàn thành đồ án này.
Do hạn chế về thời gian thực tập, tài liệu và trình độ bản thân, bài đồ án của
em không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý và sửa chữa
để bài đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!
Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để
tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai
sau.
Trân trọng.

TP.Hà Nội, ngày

tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện
(ký và ghi họ tên)

Trần Thị Thúy Nga

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

1


Đồ án tốt nghiệp đại học

Mục lục

MỤC LỤC

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

2


Đồ án tốt nghiệp đại học

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết
tắt
WSN
SMP

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

Wireless Sensor Network
Sensor Management Protocol

TADAP

Tack Assignment and Data
Advertisement

SQDDP

Sensor Query and Data Dissemination

UDP
TCP
MAC

User Datagram Protocol
Transmission Control Protocol
Media Access Control

TDMA

Time Division multiple Access

FDMA

Frequency Division Multiple Access

CDMA
NAV

Code Division Multiple Access
Network Allocation Vector

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

3

Mạng cảm biến không dây
Giao thức quản lí mạng cảm
biến
Giao thức quảng bá dữ liệu và
chỉ định nhiệm vụ cho từng
sensor
Giao thức phân phối dữ liệu
truy vấn cảm biến
Giao thức gói người dùng
Giao thức điều khiển truyền tải
giao thức điều khiển truy nhập
môi trường
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
Đa truy nhập phân chia theo mã
Vectơ thời gian chiếm giữ mạng


Đồ án tốt nghiệp đại học

Danh mục hình ảnh và bảng

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

4


Đồ án tốt nghiệp đại học

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Khi một công nghệ mới ra đời luôn có những ý kiến đánh giá khác nhau về
công nghệ đó và mạng cảm biến không dây cũng vậy. Với những tính năng ưu việt và
khả năng ứng dụng to lớn, mạng cảm biến không dây đã nhanh chóng giành được sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu và các giáo sư trên toàn thế giới.

Ngày nay cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung
và ngành Điện tử Viễn thông nói riêng, mạng cảm biến không dây ra đời là một trong
những thành tựu cao của Khoa học Công nghệ. Rất nhiều mạng cảm biến không dây
đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau cho đời sống
của con người như : theo dõi sự biến đổi của môi trường, chuẩn đoán sự hỏng hóc của
máy móc thiết bị...

Trong quyển đồ án này, em xin trình bày một cách khái quát nhất về mạng cảm
biến không dây – WSN, tìm hiểu về công nghệ Zigbee một trong những công nghệ
quan trọng trong việc triển khai các ứng dụng phổ biển của mạng cảm biến không dây.

Một trong số các ứng dụng nổi bật nhất của mạng cảm biến không dây đó là
ứng dụng cho Ngôi nhà thông minh (Smart Home ) là sự kết hợp của việc cảm biến,
tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng
cao của con người làm cho con người không mất quá nhiều sức lực nhân công nhưng
hiệu quả công việc vẫn cao đem đến giá trị đích thực cho một cuộc sống hưng thịnh
với Ngôi nhà thông minh. Với ứng dụng này bạn có thể theo dõi hay giám sát từ xa các
hệ thống bật tắt bóng đèn, hệ thống an ninh....trong ngôi nhà thân yêu và thông minh
của bạn.

Một trong những ưu điểm lớn nhất của mạng cảm biến không dây là chi phí
triển khai và lắp đặt được giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt nhỏ gọn, đa chức năng và dễ
sử dụng với các thao tác đơn giản và Ngôi nhà thông minh sẽ là sự lựa chọn tất yếu
cho tất cả mọi người. Và trước xu thế phát triển nhanh chóng đó em đã chọn hướng
nghiên cứu với đề tài đồ án là : “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH”.

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

5


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Khởi đầu của đề tài là việc tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, các chuẩn
mạng không dây và một số mô hình không dây hiện nay đang sử dụng. Những nội
dung trong chương này là cơ sở để thực hiện các chương tiếp theo.

1.1

Giới thiệu về mạng cảm biến không dây.

Trong nhiều 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, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, ngôi
nhà thông minh hay giám sát theo dõi các bác sỹ và bệnh nhân..... vậy mạng cảm
biến không dây là gì và tại sao lại có nhiều ứng dụng có ích cho cuộc sống như vậy?
1.1.1 Định nghĩa
Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) có thể hiểu đơn
giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các node
mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn,
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…).
Mạng cảm biến không dây (WSN - Wireless Sensor Network) bao gồm một tập
hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc
quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy
mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây
có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một
điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh.

Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên
dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống
thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế; … Lợi
thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào
SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

6


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền
thống.
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ
gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không
gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như
nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra
giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công
nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời
sống hàng ngày.
1.1.2.Cấu trúc
Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được triển khai
dầy đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin dữ liệu. Vị
trí các cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong
các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ chức mạng
và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản của
mạng này. Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì
truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền
thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng
cách xa.

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

7


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1.1 Các
nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field). 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 (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang
theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu
nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop
Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung
tâm điều khiển. 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).
Để xây dựng mạng cảm biến, trước tiên phải chế tạo và triển khai các nút cấu
thành mạng, nút cảm biến. Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ
cảm biến ( a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát không dây (a
transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến
còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống định vị vị trí, bộ sinh năng lượng
và thiết bị di động. Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 1.2.
Bộ cảm biến là thành phần chính của một nút cảm biến không dây. Các bộ cảm
biến có thể bao gồm nhiều cảm biến, cung caaos khả năng thu thập thông tin từ thế
giới vật lý và có trách nhiệm thu thập thông tin của một loại nhất định, chẳng hạn như
nhiệt độ, độ ẩm hay ánh sáng. Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu

đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được
thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi
mới được đưa tới bộ xử lý.
Bộ xử lý là bộ điều khiển chính của út cảm biến không dây, thông qua ó mà
mỗi thành phần được quản 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.

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

8


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

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. Về cơ bản, các WSN
được kết nối vào mạng thông qua bộ thu phát.
Một thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, thông
thường có thể là pin hoặc ắc quy, nhưng cũng có thể dùng các nguồn năng lượng khác.
Mỗi thành phần trong các nút cảm biến không dây được hỗ trợ thông qua bộ nguồn và
vì năng lượng hạn chế có giới hạn nên yêu cầu các thành phần hoạt động tiết kiệm. Bộ
nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ.
Một nút cảm biến được trang bị một hệ thống định vị vị trí. Hệ thống này có thể
bao gồm một module GPS cho một nút cảm biến cao cấp hoặc có thể là một module
phần mềm thực hiện các thuật toán.
Trong khi nặng lượng pin là chủ yếu được sử dụng trong các nút cảm biến, bổ
sung năng lượng như một máy phát điện có thể được sử dụng cho các ứng dụng trong

thời gian lâu dài là điều cần thiết.
Thiết bị di động ( Mobilizer) có thể có khả năng di chuyển các nút cảm biến
nếu như nút cảm biến thực hiện các nhiệm vụ được giao.
Mobilizer cũng có thể hoạt động trong sự tương tác chặt chẽ với các đơn vị biến
và bộ vi xử lý để kiểm soát các chuyển động của các nút cảm biến.
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 định vị 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.

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

9


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Hình 1. 2: Các thành phần của nút cảm biến

1.1.3.Các chỉ tiêu của mạng không dây
Thời gian sống : Trong các ứng dụng, các nút mạng được đặt bên ngoài môi
trường không có người giám sát. Yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của nút mạng
cảm nhạn là năng lượng cung cấp. Mỗi nút cần được thiết kế cơ chế quản lí năng
lượng nội bộ để tối đa thời gian sống của mạng. Đặc biệt trong an ninh thì thời gian
sống của nút mạng phải là dài, một nút lỗi sẽ làm ảnh hưởng đế hệ thống an ninh. Yếu
tố quyết định thời gian sống là năng lượng tiêu thụ. Một nút cảm nhận không dây khi
phát hay nhận tín hiệu thì sẽ tiêu thụ năng lượng lớn.
Độ bao phủ : Độ bao phủ có thuận lợi là khả năng triển khai một mạng trên

một vùng rộng lớn. Điều này làm tăng giá trị cho người dùng cuối và quan trọng là độ
bao phủ của mạng không tương đương với khoảng cách kết nốt không dây được sử
dụng. Kỹ thuật truyền multi-hop có thể mở rộng độ bao phủ của mạng.
Nhưng trong một khoảng truyền xác định giao thức mạng multi-hop làm tăng
năng lượng tiêu thụ của các nút và sẽ làm giảm thời gian sống của mạng, làm tăng chi
phí triển khai.
Chi phí và dễ triển khai : Một trong những ưu điểm lớn nhất của mạng không
dây là dễ triển khai. Nó cho phép người sử dụng có thể truy xuất tài nguyên mạng ở
bất kì nơi đâu trong khu vực được triển khai. Để triển khai thành công cần tự cấu hình,
SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

10


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

các nút được đặt vào môi trường có thể hoạt động được ngay. Trong suốt thời gian
sống, có thể có sự thay đổi vị trí gây nhiễu tới truyền thông giữa hai nút. Mạng cần có
khả năng tự cấu hình để khắc phục.
Độ chính xác về thời gian : Tính chính xác phụ thuộc vào tốc độ lan truyền
của hiện tượng đo được. Để đạt được độ chính xác theo thời gian một mạng cần xây
dựng và duy trì một thời gian cơ sở toàn cục có thể được sử dụng để sắp xếp các mẫu
và sự kiện theo thời gian.
Thời gian đáp ứng : là yếu tố để đánh giá hệ thống. Một cảnh báo sẽ được tạo
ra ngay lập tức khi có một sự sai phạm. Dù hoạt động năng lượng thấp, các nút cần có
khả năng truyền tức thời các thông điệp càng nhanh càng tốt. Thời gian đáp ứng có thể
cải thiện bằng cách cấp nguồn cho một số nút trong toàn bộ thời gian. Những nút này
có thể nghe các thông điệp cảnh báo và chuyển tiếp chúng khi cần.

Tốc độ lấy mẫu hiệu quả : Trong một mạng thu thập dữ liệu, thì tốc độ thu
nhập dữ liệu hiệu quả làm tham số đánh giá hiệu suất của hệ thống, Thông thường thu
thập dữ liệu chỉ có tốc độ lấy mẫu là 1-2 mẫu trong một phút. Trong một cây thu nhập
dữ liệu một nút cần điều khiển dữ liệu tất cả các con cháu. Tốc độ và kích thước mạng
cũng ảnh hưởng đến tốc độ lấy mẫu hiệu quả.
Bảo mật : Toàn bộ các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi
trường dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin là rất quan trọng. Trong các
ứng dụng về an ninh bảo mật dữ liệu trở nên vô cùng quan trọng. Không chỉ duy trì
tihs bảo mật nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền. Sự kết hợp giữa tính bảo
mật và tính xác thực là rất cần thiết cùng với đó là việc mã hóa và giải mã sẽ làm tăng
chi phí về năng lương và băng thông.
Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền trên cùng một gói tin. Điều đó ảnh
hưởng đến hiệ suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống
mong đợi.

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

11


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.1.4. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
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 các 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 rất kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự
kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ
khá lâu 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, bộ cảm biến hay bộ chấp hành (actuator) 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 riêng, 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
SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

12


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

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.
Ngoài ra thì mạng cảm biến còn có một số đặc điểm sau : có khả năng tự tổ
chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người, truyền thông vô tuyến và
truyền đa bước, triển khai số lượng lớn trên phạm vi rộng....
1.1.5 Đánh giá ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây
1.1.5.1 Ưu điểm

Mạng cảm biến không dây càng một phát triển và mở rộng hơn với vô số những
ứng dụng thực tiễn vào cuộc sống vậy những tính năng ưu việt của nó là gì chúng ta sẽ
cùng nhau tìm hiểu điều đó ngay dưới đây.
Dễ lắp đặt và triển khai : việc triển khai rất đơn giản dễ dàng, việc thiết lập hệ
thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất một access point. Với mạng dùng cáp,
phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở
nhiều nơi trong tòa nhà.
Khả năng mở rộng : mạng không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng
người dùng. Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp.
Khả năng di động và sự tự do : với sự phát triển của các mạng không dây công
cộng, người dùng có thể truy nhập Internet ở bất cứ nơi đâu. Chẳng hạn như các quán
ăn hay quán cafe...người dùng có thể truy cập Internet không dây miễn phí.

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

13


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Sự tiện lợi và hiệu quả : Đối với mạng không dây cũng như hệ thống mạng
thông thường nó cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kì nơi đâu
trong khu vực được triển khai ( nhà hay văn phòng hay quán cafe..). Với sự gia tăng số
người sử dụng máy tính xách tay, đó là một điều rất thuận lợi.Hiệu quả của mạng
không dây là rất lớn vì nó cho phép người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi
từ nơi này đến nơi khác.
Ngoài ra mạng cảm biến không dây còn dễ dàng mở rộng, không cần mua cáp,
tiết kiệm thời gian lắp đặt cáp.
1.1.5.2

Nhược điểm.

Cùng với những ưu điểm nêu bên trên thì song song với đó mạng cảm biến
không dây còn tồn tại những nhược điểm cần khắc phục sửa chữa để mạng có thể hoàn
thiện hơn.
Bảo mật : môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn công
của người dùng là rất cao vì môi trường không khí có thể bị thay đổi và tấn công dễ
dàng.
Tốc độ : tốc độ của mạng không dây là 1 – 125 Mbps rất chậm so với mạng sử
dụng cáp có tốc độ từ 100 Mbps đến hàng Gbps.
Độ tin cậy : vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín

hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác như lò vi sóng chẳng hạn là không tránh
khỏi. Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng.
Phạm vi : một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động
tốt trong phạm vi vài chục mét. Nó phù hợp trong một căn nhà, nhưng với một tòa nhà
lớn thì không đáp ứng được nhu cầu. Để đáp ứng cần phải mua thêm Repeater hay
access point dẫn đến chi phí bị gia tăng.
Ngoài ra còn có một số nhược điểm khác như: vấn đề năng lượng, năng lực xử
lý, tính toán, bộ nhớ lưu trữ, vấn đề mở rộng mạng, giá thành các node, quyền sở
hữu....

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

14


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Tuy mạng cảm biến không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức bởi
những nhược điểm trên đây nhưng trong một tương lai không xa, các nhà nghiên cứu
khoa học sẽ tìm ra cách để khác phục và các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành
một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta biết phát huy được
hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến không
dây.

1.2 Mô hình kiến trúc mạng cảm biến không dây.
Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến
gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ
tinh. Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến. ( Hình 1.3 )

Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản
lý này làm cho các node có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định
tuyến dữ liệu trong mạng cảm nhận di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm
biến.

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

15


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận
(Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer),
lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane),
mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm
vụ (Task Management Plane)
Lớp ứng dụng : Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm
ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng
dụng có một số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến ( SMP –
Sensor Management Protocol ), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho
từng sensor ( TADAP – Tack Assignment and Data Advertisement ), giao thức phân
phối dữ liệu truy vấn cảm biến ( SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination ).
Lớp truyền tải : giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu
cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay
kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người

dùng ( nút quản lý nhiệm vụ ) thì có thể là giao thức gói người dùng ( UDP – User
Datagram Protocol ) hay giao thức điều khiển truyền tải ( TCP – Transmission Control
Protocol ) thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến
cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa
các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến
tập trung dữ liệu.
Lớp mạng : Quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp
truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức
như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng.... Do vậy thiết kế lớp mạng trong
mạng cảm biến cần phải theo các nguyên tắc sau:
-

Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

16


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

-

Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.

-

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

-

Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí.

Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không dây.
Nhìn chung chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là định tuyến
phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo hoạt động thì chúng được chia thành
tuyến dựa trên đa đường ( multipath – based ), định tuyến theo truy vấn ( query –
based ), đinh tuyến thỏa thuận ( negotiation – based ), định tuyến theo chất lượng dịch
vụ ( QoS – Quanlity of Service ), định tuyến kết hợp ( coherent – based ).
Lớp liên kết dữ liệu : Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các
luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường. Vì môi trường
có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi
trường ( MAC – Media Access Control ) phai xét đến vấn đề công suất và phải có khả
năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
Lớp vật lý : chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế,
lập mã và tách sóng.
Phần quản lý năng lượng : 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. 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. 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.

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

17


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Phần quản lý nhiệm vụ : có thể 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 nhiều hơn các nút khác tùy theo mức công suất của nó.
Nhưng 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.

1.3 Giao thức trong mạng cảm biến không dây
Mạng WSNs được xây dựng với số lượng lớn cảm biếm , phân bố trên một vùng
địa lý. Các thiết bị cảm biến (node) này bị hạn chế về nguồn cung cấp và do đó bị giới
hạn khả năng xử lý và thông tin.
Việc khai thác để sử dụng hiệu quả các lợi ích tiềm năng của mạng WSNs đòi hỏi
khả năng tự tổ chức và kết hợp ở mức độ cao của các node cảm biến. Do đó, thiết kế
giao thức mạng và liên lạc hiệu quả cho WSNs trở thành điều quan trọng để mang lại
thành công trong hoạt động của mạng. Xây dựng phần cứng cho mạng không dây liên
kết đa đường để truyền dữ liệu đòi hỏi phải tạo sự liên lạc giữa các node lân cận.
Không giống thông tin trong mạng có dây dẫn, mạng không dây dựa trên truyền sóng
điện từ qua môi trường không khí, tuân theo các đặc tính truyền sóng. Việc đối xử với
các node trong mạng phải ngang nhau. để đạt được các mục tiêu này, việc sử dụng
giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) là cần
thiết.
Một số giao thức MAC đã được đề nghị cho mạng WNSs, lựa chọn giao thức do

đặc tính của mạng quyết định.
1.3.1 Giao thức 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

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

18


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

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) 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 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 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.
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.
1.3.1.1.Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

19


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Tránh xung đột : Tính tránh xung đột (Collision Advoidance) là một yêucầu
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.
Hiệu quả năng lượng : Tính hiệu năng (Energy Efficiency) 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.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng của lớp MAC:
• Sự đụng độ (Collision): xảy ra khi có 2 hay nhiều node cùng phát tại một thời điểm.
Phát lại gói bị hư sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ.
• Trạng thái lắng nghe (idle listening)
• Overhearing: khi node nhận ñược các gói dành riêng cho các node khác.
• Overhead điều khiển gói
• Chuyển nổi (frequent switching): thay đổi các trạng thái hoạt động khác nhau có thể
gây hao phí năng lượng. Hạn chế số lần chuyển đổi giữa chế độ hoạt động-ngủ của
node có thể tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Giao thức lớp liên kết dữ liệu sử dụng năng lượng hiệu quả khi loại bỏ hay ít
nhất là làm giảm hao phí năng lượng từ các nguồn nên trên. Hơn nữa hiệu quả có thể
nâng lên bằng cách dùng các sơ ñồ quản lý năng lượng thông minh tập trung không chỉ
tại các node mà còn ở các nguồn tiêu thụ năng lượng khác.
Khả năng mở rộng (Scalability): Mở rộng là khả năng của hệ thống đáp ứng
được các đặc điểm mà không quan tâm đến kích thước mạng hay số node cùng tranh
chấp. Trong mạng WSNs, số node là rất lớn, hàng ngàn thậm chí hàng triệu node. Khả
SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

20


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

năng mở rộng trở thành một nhân tố quan trọng. đây là thách thức, đặc biệt trong môi
trường thay đổi theo thời gian như mạng không dây. Việc nhóm các node cảm biến
vào các cluster cho phép thiết kế các giao thức đa truy cập với khả năng mở rộng cao.
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.
Khả năng sử dụng kênh : Và độ fairness đối với từng nút hoặc từng người
dùng trở nên ít quan trọng hơn.
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.
Thời gian trễ là lượng thời gian cần thiết để gói dữ liệu được xử lý bởi lớp
MAC trước khi nó được phát thành công. Trễ không chỉ phụ thuộc vào lưu lượng tại

trong mạng mà còn do lựa chọn thiết kế giao thức MAC. đối với các ứng dụng khắc
SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

21


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

khe về thời gian, giao thức MAC cần phải cung cấp lượng biên trễ đảm bảo cho các
ứng dụng có được QoS (chất lượng dịch vụ) đáp ứng yêu cầu.
Có 2 dạng đảm bảo thời gian trễ là xác suất (probanilistic) và tất định
(deterministic).
Thời gian trễ theo xác suất được mô tả bởi một giá trị kỳ vọng, độ lệch và khoảng tin
cậy. Thời gian trễ tất định đưa ra một số trạng thái có thể đoán trước được giữa thông
điệp đến và thông điệp truyền đi. Do đó, tất định đảm bảo mộ biên trên cho thời gian
truy cập. Sự tất định là yêu cầu quan trọng trong các hệ thống thời gian thực, ở đó sự
chính xác của ứng dụng liên quan mật thiết thời gian hoạt động riêng ở các lớp dưới.
Lưu lượng (Throughput): Lưu lượng được định nghĩa là tốc độ thông điệp
được lưu thông trong hệ thống. Nó thường được đo bằng thông điệp trên giây hay bit
trên giây. Trong môi trường không dây, lưu lượng là phần dung lượng kênh truyền
được dùng cho truyền dữ liệu. Lưu lượng tăng lên khi tại trong hệ thống tăng lên. Vấn
đề quan trọng của giao thức MAC là phải làm tối đa lưu lượng kênh truyền trong khi
độ trễ tin là nhỏ nhất.
Lưu lượng còn 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 lưu 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 lưu 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.
Sự công bằng (Fairness): Một giao thức MAC được xem là công bằng nếu nó
phân chia dung lượng kênh truyền đều cho tất cả các node tranh chấp mà không giảm
quá mức lưu lượng mạng. đạt được sự công bằng giữa các node tranh chấp là có sự
ngang bằng về QoS và tránh những tình huống một vài node được nhiều hơn các node
còn lại. Có nhiều trường hợp, mạng phải thích ứng các nguồn lưu lượng đa dạng với
các kiểu khác nhau và đòi hỏi về QoS cũng khác nhau. Để thích ứng với các nhu cầu
tài nguyên không đồng nhất, các node được chia trọng số khác nhau để phản ánh việc
phân chia tài nguyên trong mạng. Sự công bằng được tính dựa trên phân chia trọng số.
SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

22


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Một giao thức MAC được xem là công bằng một cách tỉ lệ nếu nó không tăng tài
nguyên cho node nào đó, trong khi lại giảm tỉ lệ phục vụ cho node khác dưới mức tỉ lệ
phân chia của nó.
Sự công bằng còn 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 với mỗi nút
công bằng, thành công được đo bởi sự thực hiện của ứng dụng, 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.
Độ chắc chắn (Robustness): độ chắc chắn là sự kết hợp của sự tin cậy, linh
động và các yêu cầu phụ thuộc khá, phản ánh mức độ của giao thức trong việc đối phó
với lỗi và thông tin sai. đạt được sự chắc chắn trong mạng thời gian thực như WSNs là
rất khó khăn, vì nó phụ thuộc vào tính chất của các yếu tố gây hư hỏng cho đường
truyền và các node.
Tính ổn định (Stability): Tính ổn định là khả năng hệ thống thông tin điều
khiển được sự dao động của tải qua một khoảng thời gian dài hoạt động. Một giao thức
MAC ổn định phải có thể điều khiển tải tức thời, để không đạt tới mức tối đa dung
lượng kênh truyền. Thông thường, khả năng mở rộng của giao thức MAC xét theo
khía cạnh trễ hay lưu thông trong mạng. Còn tính ổn định là về mặt trễ, nếu thời gian
chờ có giới hạn biên. Về mặt lưu thông trong mạng, giao thức MAC ổn định nếu lưu
thông không bị tắt nghẽn khi tải tăng lên.
1.3.1.2 Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng
Sự xung đột (Collision) 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
SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

23


Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

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.
Nghe khi rỗi : Nguyên nhân thứ hai gây tiêu hao năng lượng là vấn đề nghe khi
rỗi (Idle Listening). 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.
Nghe thừa : Nguyên nhân thứ ba là vấn đề nghe thừa (overhearing) 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.
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.
1.3.1.3 Các giao thức MAC trong mạng cảm nhận không dây

SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

24

Đồ án tốt nghiệp đại học

Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

 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 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 gửi khung cho đến khi nào? Sẽ có ba giải pháp như
sau :
- 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 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.
SVTH: Trần Thị Thúy Nga-L14VT

25