bài giảng MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN

MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY

Giảng viên:

ThS. Trần Thục Linh

Điện thoại/E-mail:

0914932955/

Bộ môn:

Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử 1

Học kỳ/Năm biên soạn: 2/2011


Nội dung học phần
 Chương 1- Giới thiệu chung
 Chương 2- Kiến trúc nút đơn
 Chương 3- Kiến trúc mạng
 Chương 4- Lớp vật lý
 Chương 5- Giao thức MAC
 Chương 6- Các giao thức lớp liên kết
 Chương 7- Đặt tên và đánh địa chỉ
 Chương 8- Đồng bộ thời gian

 Chương 9- Định vị và xác định vị trí
 Chương 10- Điều khiển Topology
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 2


Tài liệu học tập
 Tài liệu chính:
 Slide bài giảng
 Bài giảng Mạng cảm biến không dây, Vũ Anh Đào, Trần
Thục Linh, Học viện CNBCVT, 2010

 Tài liệu tham khảo:
 [1] Holger Karl và Andreas Willig, Các giao thức và các kiến
trúc cho các mạng cảm biến không dây, NXB Wiley, ISBN:
978-0-470-09510-2, 6/2005.
 [2] Holger Karl, Slide “Ad hoc and Sensor Networks”.
 [3] Satya Sanket Sahoo, Slide “Sensor Networks”,
Reference: MOBICOM 2002 Tutorial T5 Wireless Sensor
Networks (CSCI 6760)

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 3


Yêu cầu môn học
 Sinh viên phải đọc trước các slide bài giảng trước khi lên lớp
 Tích cực trả lời và đặt câu hỏi trên lớp hoặc qua email của GV
 Điểm môn học:
 Chuyên cần:
10 %
 Kiểm tra giữa kỳ:
10 %
 Tự học, tự nghiên cứu: 10 %
 Thi kết thúc:
70 %

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 4


Chương 1- Giới thiệu chung
 Mục đích của chương:
 Cung cấp sự hiểu biết về mạng ad hoc và mạng cảm
biến, lĩnh vực áp dụng.
 Sự giống nhau và khác nhau
 Những hạn chế

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 5


Nội dung
 Hạ tầng cho WSN?
 Các mạng ad hoc (di động)
 Các mạng cảm biến không dây
 So sánh

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 6


Mạng vô tuyến dựa trên hạ tầng
 Mạng vô tuyến điển hình: dựa trên hạ tầng





VD: GSM, UMTS, …

Các trạm gốc được nối với một mạng xương sống hữu tuyến
Các thực thể di động giao tiếp vô tuyến với các trạm gốc này
Lưu lượng giữa các thực thể di động khác nhau được chuyển tiếp
bởi các trạm gốc và mạng xương sống hữu tuyến
 Sự di động được hỗ trợ bởi chuyển mạch từ một trạm gốc này tới
trạm gốc khác
 Hạ tầng mạng xương sống được yêu cầu cho các tác vụ quản lý
er s Gateways
h
k
rt
Fu twor
ne

Server

www.ptit.edu.vn

IP backbone

Router

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 7


Mạng vô tuyến dựa trên hạ tầng- Hạn chế?
 Trong các trường hợp sau:

 Hạ tầng không có sẵn - Vd: trong các vùng có thảm họa hay
thiên tai
 Quá đắt hoặc không thuận tiện cho việc thiết lập mạng? –
Vd: ở các khu vực hẻo lánh hay các công trường lớn
 Không có thời gian để thiết lập mạng? – Vd: trong các chiến
dịch quân sự

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 8


Ứng dụng cho mạng có hạ tầng tự do
 Tự động hóa ở
sàn của nhà máy

 Khắc phục thảm
họa

 Truyền thông từ
xe đến xe

ad








c
ho

Mạng quân sự: các xe tăng, những người lính, …
Tìm các chỗ đậu xe trống trong thành phố mà không cần hỏi một server
Tìm kiếm và cứu hộ trong tuyết lở
Mạng cá nhân (đồng hồ, kính, PDA, thiết bị y tế, …)
…

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 9


Nội dung
 Hạ tầng cho WSN?
 Các mạng ad hoc (di động)
 Các mạng cảm biến không dây
 So sánh

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 10


Mạng ad hoc (di động)
 Cố gắng xây dựng một mạng không cần hạ tầng, sử dụng
các khả năng thiết lập mạng của các thành viên tham gia
 Đó gọi là mạng ad hoc – một mạng được xây dựng “cho
một mục đích đặc biệt”

 Vd: các máy tính xách tay trong một phòng hội nghị –
một mạng ad hoc đơn bước nhảy

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 11


Các vấn đề/các thách thức đối với các mạng ad hoc
 Do không có một hạ tầng trung tâm nên vấn đề trở nên
khó khăn hơn nhiều
 Các vấn đề là do





Thiếu thực thể trung tâm cho tổ chức sẵn có
Phạm vi của truyền thông vô tuyến bị hạn chế
Sự di chuyển của các thành viên của mạng
Các thực thể hoạt động bằng pin

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 12


Không có thực thể trung tâm ! Tự tổ chức
 Không có một thực thể trung tâm (một trạm gốc chẳng
hạn), các thành viên tham gia buộc phải tự tổ chức giữa
chúng thành một mạng (self-organization)
 Liên quan đến (giữa các nút):
 Điều khiển truy cập đường truyền – không trạm gốc nào có
thể chỉ định các tài nguyên truyền dẫn, bắt buộc phải được
quyết định trong một mô hình phân bố
 Tìm kiếm một tuyến đường từ một thành viên tham gia đến
một thành viên khác

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 13

Phạm vi hạn chế ! Đa bước nhảy
 Đối với nhiều kịch bản, yêu cầu truyền thông với các nút
ngang hàng bên ngoài phạm vi truyền thông trực tiếp
 Truyền thông trực tiếp bị hạn chế do khoảng cách, các vật
cản,…
 Giải pháp: Mạng đa bước nhảy (multi-hop network)

?

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 14


Di động ! Các giao thức thích nghi, phù hợp
 Trong nhiều (không phải tất cả) ứng dụng mạng ad hoc,
các thành viên di chuyển quanh mạng
 Trong mạng tế bào: đơn giản là chuyển giao (hand over) tới
trạm gốc khác

 Trong mạng ad hoc di
động (MANET):
 Việc di chuyển làm thay đổi
các mối quan hệ láng giềng
 Phải được bù cho

 Vd: các tuyến trong mạng
phải bị thay đổi

 Phức tạp bởi kích thước
 Khó có thể hỗ trợ số lượng
lớn các nút như vậy
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 15


Các thiết bị hđộng bằng pin ! Vận hành NL hiệu quả
 Thường thì các thành viên trong một mạng ad hoc lấy năng
lượng từ pin
 Mong muốn: chạy được trong tgian dài cho
 Các thiết bị đơn lẻ
 Toàn thể mạng

 Giao thức kết nối mạng hiệu quả về mặt năng lượng
 Vd: sử dụng các tuyến đường đa bước nhảy với tiêu thụ NL
thấp (NL/bit)
 Vd: tính đến dung lượng pin sẵn có của các thiết bị
 Làm cách nào để giải quyết các xung đột giữa các tối ưu hóa
khác nhau?

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 16


Nội dung
 Hạ tầng cho WSN?
 Các mạng ad hoc (di động)
 Các mạng cảm biến không dây
 Đặc điểm & Cấu trúc mạng
 Các ứng dụng
 Các yêu cầu & các cơ chế

 So sánh

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 17


Các mạng cảm biến không dây
 Các thành viên trong các ví dụ trước là các thiết bị gần gũi
với người sử dụng, tương tác với con người
 Khái niệm thay thế:
Thay vì tập trung vào tương tác giữa con người, ở đây tập
trung vào tương tác với môi trường

 Mạng được nhúng trong môi trường
 Các nút trong mạng được trang bị với cảm biến và cơ cấu
chấp hành để đo/tác động môi trường
 Các nút xử lý thông tin và truyền thông vô tuyến với nhau

! Mạng cảm biến không dây (WSN)
 hay: Mạng cảm biến và chấp hành không dây (WSAN)
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 18


Đặc điểm
 Số lượng nút cảm biến là khá lớn -> không thể xây dựng một
quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai vì phần điều khiển
cho việc thiết lập ID là cao
 Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số
liệu cảm biến từ nhiều nguồn tới một nút gốc
 các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và
dung lượng nhớ
 Các nút trong WSN thường có vị trí cố định (một số ứng
dụng: các nút có thể di động)
 Các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng
 Vị trí của các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng vì việc lựa
chọn số liệu thường dựa vào vị trí
 Số liệu được lựa chọn bởi các nút cảm biến trong WSN
thường dựa vào hiện tượng chung, do đó sẽ có độ dư thừa

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 19


Cấu trúc mạng WSN
 Mạng điểm – điểm

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 20


Cấu trúc mạng WSN
 Mạng điểm – đa điểm

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 21

Cấu trúc mạng WSN
 Mạng đa điểm – đa điểm

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 22


Nội dung
 Hạ tầng cho WSN?
 Các mạng ad hoc (di động)
 Các mạng cảm biến không dây
 Đặc điểm & Cấu trúc mạng
 Các ứng dụng
 Các yêu cầu & các cơ chế

 So sánh

www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 23


Ví dụ ứng dụng WSN

 Các hoạt động cứu trợ thảm họa
 Thả các nút cảm biến từ một máy bay lên khu
vực có cháy rừng
 Mỗi nút đo nhiệt độ
 Tạo ra một “bản đồ nhiệt độ”

 Lập bản đồ đa dạng sinh học
 Sử dụng các nút cảm biến để giám sát động
vật hoang dã

 Các tòa nhà (hoặc các cây cầu) thông minh
 Giảm sự lãng phí n/lượng bằng việc điều khiển
độ ẩm, thông gió và điều hòa (HVAC) phù hợp
 Cần các tham số đo về thời gian chiếm giữ
phòng, nhiệt độ, dòng không khí, …
 Giám sát stress cơ học sau các trận động đất
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 24


Các kịch bản ứng dụng WSN
 Quản lý tiện ích
 Phát hiện xâm nhập vào các khu vực công nghiệp
 Giám sát những rò rỉ trong các nhà máy hóa chất, …

 Giám sát máy móc và bảo dưỡng phòng ngừa

 Nhúng các chức năng cảm biến/điều khiển vào các khu vực
trước đó không đi cáp
 Vd: giám sát áp suất lốp xe

 Nông nghiệp chính xác
 Mang phân bón/thuốc trừ sâu/nước tưới chỉ đến những nơi
cần đến

 Chăm sóc y tế và sức khỏe
 Chăm sóc sau phẫu thuật hoặc chăm sóc chuyên sâu
 Giám sát lâu dài các bệnh nhân mãn tính hay người cao tuổi
www.ptit.edu.vn

GIẢNG VIÊN: ThS. Trần Thục Linh
BỘ MÔN: Kỹ thuật điện tử - KHOA KTĐT1

Trang 25