Định tuyến tin cậy trong mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM TRUNG KIÊN

ĐỊNH TUYẾN TIN CẬY TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS. TRẦN THỊ NGỌC LAN

Hà Nội – Năm 2016


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn
khoa học của TS. Trần Thị Ngọc Lan. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này
là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kì hình thức nào trước đây. Ngoài ra
trong đề tài có dùng một số hình vẽ của các tác giả khác đều có trích dẫn và chú thích
nguồn gốc.
Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung
luận văn của mình.

Hà Nội, ngày 27 tháng 9 năm 2016
Tác giả luận văn

Phạm Trung Kiên

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

1

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ .................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY – WSN ................ 9
1.1.

Giới thiệu ................................................................................................................... 9

1.2.

Cấu trúc của mạng WSN ......................................................................................... 10

1.2.1. Cấu trúc của 1 node mạng WSN ...................................................................... 10
1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ................................................................. 11
1.3.

Kiến trúc giao thức mạng ........................................................................................ 18

1.4.

Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến ................................................ 14

1.5.

Ứng dụng của mạng WSN....................................................................................... 16

1.6.

Kết luận ................................................................................................................... 17

CHƯƠNG 2 : ĐỊNH TUYẾN TIN CẬY TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 18
2.1.

Giới thiệu ................................................................................................................. 18

2.2.

CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI TIN CẬY........................................................ 23

2.2.1. Giao thức RMST............................................................................................... 23
2.2.1.1. Các ví dụ .................................................................................................... 24

2.2.1.2. Đánh giá chất lượng ................................................................................... 26
2.2.2. Giao thức PSFQ ................................................................................................ 26
2.2.2.1. Các ví dụ .................................................................................................... 27
2.2.2.2. Đánh giá chất lượng ................................................................................... 30
2.2.3. Giao thức CODA .............................................................................................. 30
2.2.3.1. Các ví dụ .................................................................................................... 31
2.2.3.2. Đánh giá chất lượng ................................................................................... 33
2.2.4. Giao thức ESRT ................................................................................................ 34
2.2.4.1. Các ví dụ .................................................................................................... 35
2.2.4.2. Đánh giá chất lượng ................................................................................... 38

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

2

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

2.2.5. Giao thức GARUDA ........................................................................................ 39
2.2.5.1. Các ví dụ .................................................................................................... 40
2.2.5.2. Đánh giá chất lượng ................................................................................... 45
2.2.6. Giao thức truyền tải tin cậy và thời gian thực (RT)2 ........................................ 45
2.2.6.1. Các ví dụ .................................................................................................... 48
2.2.6.2. Đánh giá chất lượng ................................................................................... 52
2.3.

Kết luận ................................................................................................................... 53

CHƯƠNG 3: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN EARQ ......................................................... 55
3.1.

Giới thiệu ................................................................................................................. 55

3.2.

Lý do lựa chọn nghiên cứu giao thức EARQ .......................................................... 57

3.3.

Giao thức định tuyến EARQ ................................................................................... 59

3.3.1. Thông điệp beacon và bảng định tuyến ............................................................ 59
3.3.2. Việc lựa chọn nút và chuyển tiếp gói tin .......................................................... 63
3.3.3. Xem xét lựa chọn thời gian deadline ................................................................ 65
3.4.

Thiết kế với mạng nhỏ ............................................................................................. 68

3.5.

Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 75

3.6.

Nâng cấp giao thức EARQ trong mạng cảm biến không dây ................................. 84

3.6.1. Mục đích của việc nâng cấp ............................................................................. 84
3.6.2. Kết quả phân tích .............................................................................................. 85
3.7.

Kết luận ................................................................................................................... 90

KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 92

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

3

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACK
ADC
CODA
EAR
EAR-DPS
EARQ
EAR-RT
EEARQ
ESRT

GARUDA

Acknowledgement
Analog to digital converter
Congestion Detection and
Avoidance
Energy and Activity-Aware
Routing Protocol
Energy Aware Routing with
Dynamic Probability Scaling
Energy Aware Routing Protocol
Energy Aware Routing with RealTime Guarantee
Enhanced EARQ Protocol for
Reliable Routing
Event-to-Sink Reliable Transport

MAC

Achieving Effective Reliability for
Downstream Communication
Media Access Control

MMSPEED
NACK
PSFQ
PDR
PLR
QoS
RF
RMST

(RT)2

Multipath Multi-SPEED Protocol
Non-Acknowledgement
Pump-slowly, fetch-quickly
Packet Delivery Rate
Packet Loss Rate
Quality of Service
Radio Frequency
Reliable Multi-Segment Transport
Real-Time and Reliable Transport

SMP
SPEED:
TCP
UDP
WISN

Sensor Management Protocol
Stateless Protocol for Real-Time
Communication
Transmission Control Protocol
User Datagram Protocol
Wireless Industry Sensor Network

WSN

Wireless Sensor Network

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

4

Bộ chuyển đổi tương tự ra số
Giao thức nhận biết và tránh tắc
nghẽn

Giao thức truyền tải tin cậy sự
kiện đến sink
Giao thức điều khiển truy nhập
môi trường

Giao thức gửi chậm nhận nhanh
Tỉ lệ chuyển gói tin
Tỷ lệ mất gói tin
Chất lượng dịch vụ
Sóng vô tuyến
Giao thức truyền tin cậy đa đoạn
Giao thức truyền tải tin cậy và
thời gian thực
Giao thức quản lí mạng cảm biến
Giao thức điều khiển truyền vận
User Datagram Protocol
Mạng cảm biến công nghiệp
không dây
Mạng cảm biến không dây

LỚ P KTVT-2014B

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Vùng hoạt động của mạng dựa trên mức tắc nghẽn và mức tin cậy………….34
Bảng 3.1: Thông số mô phỏng EARQ và một số giao thức khác………………………..75
Bảng 3.2: Các thông số mô phỏng của giao thức EARQ và EEARQ…………………...85

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

5

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây .................................................................... 9
Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm ứng ............................................................... 10
Hình 1.3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến ............................................................ 13
Hình 2.1: Phân loại độ tin cậy trong mạng WSN .............................................................. 19
Hình 2.2: Cơ chế truyền iACK và eACK .......................................................................... 20
Hình 2.3: Cơ chế dự phòng dựa trên mã xóa ..................................................................... 21
Hình 2.4: Phục hồi lỗi với RMST trong chế độ không đệm.............................................. 24
Hình 2.5: Phục hồi lỗi trong chế độ đệm…………………………….……….…………..25
Hình 2.6: Hoạt động gửi và nhận của giao thức PSFQ ..................................................... 29

Hình 2.7: Cơ chế Open-loop hop-by-hop backpressure của CODA ................................. 32
Hình 2.8: Cơ chế closed-loop multi-source regulation ..................................................... 33
Hình 2.9: Mối liên hệ giữa độ tin cậy và tốc độ báo cáo và định nghĩa vùng hoạt động của
ESRT ................................................................................................................................. 36
Hình 2.10: Phân tích chiếm dụng bộ đệm trong ESRT ..................................................... 37
Hình 2.11: Cơ chế chuyển gói đầu tiên trong GARUDA .................................................. 41
Hình 2.12: Truyền gói đầu tiên và kiến trúc lõi trong GARUDA ..................................... 42
Hình 2.13: Cơ chế phục hồi hai bước của GARUDA ....................................................... 44
Hình 2.14: Kết quả của tần số báo cáo của chuyển tin đúng thời gian (a) và tin cậy (b) .. 49
Hình 3.1: Các nút hàng xóm trong bảng định tuyến của nút i trong WISN ...................... 60
Hình 3.2: Ví dụ cho giá trị đơn hop cho thông tin đơn hop giữa nút i và các hàng xóm của
nó, và giá trị kỳ vọng của nút hàng xóm ........................................................................... 63
Hình 3.3: Triển khai các nút cảm biến .............................................................................. 65
Hình 3.4: Ví dụ tính toán đường đi trong giao thức EARQ .............................................. 69
Hình 3.5: Hiệu suất của EARQ theo tần số của thông điệp beacon .................................. 77
Hình 3.6: Tỉ lệ các gói nhỡ deadline, xem xét duy nhất deadline ..................................... 78
Hình 3.7: Tiêu hao năng lượng trung bình của các nút, chỉ xem xét deadline .................. 78
Hình 3.8: Tỉ lệ mất các gói chỉ xem xét duy nhất độ tin cậy ............................................. 79
Hình 3.9: Tiêu thụ năng lượng trung bình của các nút ...................................................... 80

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

6

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

Hình 3.10: Tỉ lệ các gói tin lỡ thời hạn deadline hoặc bị mất gói, được xem xét cả deadline
và độ tin cậy ....................................................................................................................... 81
Hình 3.11: Tiêu thụ năng lượng trung bình của các nút, xem xét cả deadline và độ tin cậy
........................................................................................................................................... 82
Hình 3.12: Số các gói tin kỳ vọng được vận chuyển kịp thời hạn tới nút sink thành công
với 1mWhr ......................................................................................................................... 83
Hình 3.13: Chuyển gói tin của EARQ và EEARQ ............................................................ 86
Hình 3.14: Mất gói tin của EARQ và EEARQ .................................................................. 87
Hình 3.15: Phân tích trễ của EARQ và EEARQ ............................................................... 88
Hình 3.16: Phân tích năng lượng còn lại của EEARQ với EARQ .................................... 89

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

7

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

LỜI NÓI ĐẦU
Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây,
mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít
năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin. Hiện nay, người
ta tập trung triển khai các mạng cảm ứng không dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng
ngày. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực đời sống như
y tế, quân sự, môi trường, giao thông…

Để xây dựng một mạng cảm biến không dây, rất nhiều vấn đề sẽ được quan tâm như
môi trường của mạng, đối tượng giám sát, mô hình, giao thức, giá thành,… trong đó giao
thức định tuyến trong mạng đóng vai trò quan trọng bậc nhất cho một hệ thống. Có rất
nhiều giao thức được xây dựng cho WSN với nhiều mục đích, mỗi giao thức có những ưu
nhược điểm riêng và phù hợp với đặc thù từng mạng WSNs. Một yếu tố khác cũng luôn
được đặt lên hàng đầu đó là năng lượng. Có nhiều cách để giải quyết vấn đề tiết kiệm năng
lượng, chọn một giao thức truyền tin tin cậy trong mạng là một trong số đó. Một gói tin
được truyền đi chính xác sẽ giúp tiết kiệm năng lượng cho việc phải gửi lại, một gói tin
được truyền đến tức thời sẽ giúp giảm áp lực xử lý và bộ nhớ của các nút cảm biến từ đó
cũng giúp tiết kiệm năng lượng. Đây là một trong những thách thức rất lớn cho việc xây
dựng giao thức định tuyến trong mạng WSN. Nói cách khác sử dụng giao thức định tuyến
độ tin cậy cao sẽ tối ưu về mặt hiệu năng để có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, nhờ sự định
hướng và chỉ bảo tận tình của Ts. Trần Thị Ngọc Lan – bộ môn kĩ thuật thông tin, viện
Điện tử - Viễn thông, em đã chọn tìm hiểu về các giao thức định tuyến tin cậy trong mạng
WSN và đánh giá hiệu quả hoạt động của một trong số giao thức đó, cụ thể ở đây là giao
thức EARQ (Energy Aware Routing Protocol). Do khả năng, kinh nghiệm còn hạn chế nên
luận văn của em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận được sự đánh
giá nhận xét của các thầy cô giáo trong hội đồng bảo vệ giúp em có thêm kỹ năng và kinh
nghiệm chuyên môn.

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

8

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
– WSN
1.1.

Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng
vô tuyến (RF connection), 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 (nontopology) trên một phạm vi hoạt động rộng, sử dụng năng lượng hạn chế (pin), có thời gian
hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt
(chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…). Hình 1.1 mô tả cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không
dây.

Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh
chóng nhất,với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực : theo dõi sự thay đổi của môi trường
khí hậu, giám sát các hoạt động quân sự, do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

9

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, giám sát các bác sĩ, bệnh nhân cũng như
quản lí thuốc, theo dõi, điều khiển giao thông …..
Mạng cảm biến 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 không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop.
 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến.
 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng các node.
 Các giới hạn về năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.

1.2.

Cấu trúc của mạng WSN

1.2.1. Cấu trúc của 1 node mạng WSN
Mỗi nút cảm ứng được cấu tạo bởi 4 thành phần cơ bản (hình 1.2) : đơn vị cảm biến
(sensing unit), đơn vị xử lí (processing unit), đơn vị truyền dẫn (transceiver unit) và bộ
nguồn (power unit) [4]. Ngoài ra còn có thêm các thành phần khác tùy vào từng ứng dụng
như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) hay bộ
phận di động (mobilizer).

Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm ứng

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

10

LỚ P KTVT-2014B

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số.
Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển
sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Đơn vị xử lý thường được
kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp
với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào
mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút
khác hoặc tới sink. Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn
có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó
phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời. Hầu hết các
kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao
về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển
các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi
sự chuyển động của vật nào đó. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ
từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác,
như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự
hoạt động, và thích ứng với môi trường.
1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính thì giao tiếp
trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi
nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn. Vì vậy cần các nút trung gian
làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần
phải dùng giao tiếp multihop.
Hoạt động hiệu quả năng lượng: Để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt
động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây.
Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một các

tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác
(gọi là tự định vị).

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

11

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không
thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ
dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng
lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì
sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.
Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận
Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.1. Mỗi một nút cảm
ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến
lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý
nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.

1.3.

Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình 1.3. Trong mạng cảm
biến, dữ liệu thu được bởi các nút sẽ được định tuyến để gửi đến sink, sau đó sink sẽ gửi
đến thiết bị đầu cuối thông qua truyền dẫn internet hay vệ tinh. Đây là kiến trúc được sử
dụng ở các nút gốc và nút cảm biến.

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

12

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải,
lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.
 Lớp ứng dụng: Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phầnmềm ứng
dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng
có mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (Sensor
Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng
sensor (Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và
truy vấn cảm biến (Sensor Query and Data Dissemination).
 Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng

Internet hoặc các mạng bên ngoài khác. Giao thức vận chuyển giữa sink và người
dùng (nút quản lý nhiệm vụ) có thể là giao thức gói người dùng UDP hay giao thức
điều khiển truyền tải TCP thông qua Internet hoặc các mạng khác. Còn giao thức
giữa sink và nút cảm biến là giao thức kiểu như UDP.
 Lớp mạng: Thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:
 Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.
 Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

13

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí.
 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) phải xét đến vấn đề công suất và phải có
khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
 Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu,
điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng rãi trong
mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật
lý, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân.

 Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví dụ,
nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân
cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. 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: có nhiệm vụ phát hiện và đăng kí sự chuyển động của các
nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là hàng xóm của chúng.
 Phần quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong
một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ
cảm nhận ở cùng một thời điểm.
Những phần quản lý này là cần thết 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.

1.4.

Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến

Thời gian sống bên ngoài: Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn. Ví dụ:
một loại pin kiềm cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế
HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

14

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

độ tích cực gần 1 tháng hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin
cho một mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế. Trong thực tế, pin rất cần
thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng không cần
thay thế trong vài năm. Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng
lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin.
Sự đáp ứng: Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển
các node trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: chế độ ngủ (mode
sleep) và chế độ hoạt động (mode active). Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là 1
thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ 1 cách tùy ý có thể làm
giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các sensor.
Tính chất mạnh (Robustness) : Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ
bao phủ chính xác (fine-grained coverage). Mục tiêu này phổ biến ở số lượng lớn các thiết
bị không đắt tiền. Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi. Tốc
độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắt khe
và trong vùng của kẻ địch. Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng kỹ xảo để có thể
đáp ứng tốt. Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầu của hệ thống là không bị
hỏng với các thiết bị lỗi.
Hiệu suất: Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị
về các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh
chóng sự chính xác của bộ cảm biến. Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được đặt ra ở đây là giá cả
trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài cent), nó có thể làm cho dung
năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhất định. Đó là lý do để thiết kế các giao thức
cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn so với dung
năng của các thành phần trong nó cộng lại. Các giao thức cung cấp một khả năng hợp tác
giữa lưu trữ, máy tính và các tài nguyên thông tin.
Tính mở rộng (Scalability) : WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn
hơn 10 ngàn, thậm chí là hàng triệu node trong một giới hạn về độ dài). Có một vài hạn
chế về thông lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến scalability của hoạt động mạng.

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

15

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

Tính không đồng nhất (Heterogeneity) : Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng
của thiết bị trong quá trình cài đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm
biến). Sự không đồng nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế.
Tự cấu hình (Autoconfigure) : Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các
hệ thống phân phối không cần chủ. Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong
thiết kế. Ngay từ khi bắt đầu, các node trong WSN có thể được cấu hình theo topo mạng
của chúng, tự đồng bộ, tự kiểm tra và quyết định các thông số hoạt động khác.
Tự tối ưu và thích nghi: Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về
điều kiện hoạt động trước khi triển khai. Dưới những điều kiện đó, việc xây dựng những
máy móc để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học
được đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng. Ngoài ra, một điều trước tiên
không biết chắc được là môi trường mà WSN hoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời
gian. Các giao thức WSN sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môi trường năng động
trong khi nó đang sử dụng.
Thiết kế có hệ thống: WSN có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng, nên
cần có sự cân bằng giữa hai yếu tố:
 Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng riêng để đưa ra những
hoạt động phát triển cao.

 Tính mềm dẻo: các phương pháp thiết kế phải phổ biến cho các hoạt động.
Cách biệt và bảo mật: Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng, nhạy của thông tin thu
được bởi vì WSN làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm sự cách biệt và bảo mật.

1.5.

Ứng dụng của mạng WSN

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát triển của
ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế ...
WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng.
Một số ứng dụng cơ bản của WSN:
 Cảm biến môi trường:

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

16

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…
Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…
Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…
 Điều khiển:
Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…

Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
 Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải...
 Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…
 Hệ thống giao thông thông minh:
Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công
cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…
Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao thông,…
 Gia đình: nhà thông minh, hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị
thông minh,…
WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông
minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác
(hệ thống thông tin di động, internet,…).

1.6.

Kết luận

Qua chương này, ta tìm hiểu được về định nghĩa, cấu trúc và các thành phần của một
mạng cảm biến không dây. Hiểu được thế nào là một mạng cảm biến WSN, cách thức hoạt
động, liên lạc giữa các node và các ứng dụng của nó. Đi sâu hơn ta thấy được các yếu tố
ảnh hưởng đến hoạt động của mạng để từ đó có hướng nghiên cứu cải tiến và tối ưu cho
từng mô hình mạng cụ thể.

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

17

LỚ P KTVT-2014B

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

CHƯƠNG 2 : ĐỊNH TUYẾN TIN CẬY TRONG MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY
2.1.

Giới thiệu

Trong WSN các dữ liệu quan trọng được thu thập bởi các nút cảm biến cần phải được
chuyển tin cậy tới sink để giám sát môi trường. Do tính chất nhạy với lỗi của liên kết không
dây, đảm bảo truyền dữ liệu tin cậy từ các nút cảm biến tới sink là một thách thức lớn trong
WSN. Truyền dữ liệu tin cậy là đảm bảo rằng các gói mang thông tin sự kiện đến đích.
Trong WSN truyền tin cậy có thể chia thành các mức khác nhau (xem hình 2.1):
 Mức tin cậy gói hay sự kiện (packet hay event)
 Mức tin cậy hop-by-hop, hay end-to-end
Độ tin cậy packet yêu cầu tất cả các gói mang thông tin cảm nhận từ tất cả các nút cảm
biến được truyền tin cậy tới sink. Trong khi đó tin cậy event đảm bảo rằng sink chỉ lấy đầy
đủ thông tin về một sự kiện chắc chắn nào đó xảy ra trong mạng thay vì gửi tất cả các gói
cảm nhận được.
Để đạt được tin cậy packet hay event trong khôi phục thông tin bị mất tại mức hop by
hop hay end-to-end thông qua việc sử dụng cơ chế truyền lại hay dự phòng. Cơ chế truyền
lại là đơn giản truyền lại những thông tin bị mất và có thể thực hiện trên cả mô hình endto-end hoặc hop-by-hop. Truyền lại end-to-end chỉ yêu cầu nút nguồn mà tạo ra gói tin
truyền lại thông tin bị mất. Truyền lại hop-by-hop cho phép các nút trung gian truyền lại
thông tin bị mất tại bộ nhớ trong bộ nhớ đệm của chúng. Trong cơ chế dự phòng, thông tin
dự phòng sẽ được thêm vào dữ liệu ban đầu cho phép nhận và khôi phục thông tin bị mất.
Giống như cơ chế truyền lại cơ chế dự phòng cũng thực hiện được trên cả hop-by-hop và
end-to-end.

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

18

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

Hình 2.1: Phân loại độ tin cậy trong mạng WSN

Trong dự phòng end-to-end mã hóa và giải mã chỉ được thực hiện tại nút nguồn và nút
sink. Trong khi đó dự phònghop-by-hop mã hóa và giải mã được thực hiện tại mỗi chặng
trung gian để tái tạo lại bit bị mất tại mỗi chặng.
Trong mạng cảm biến multi-hop, truyền tin cậy bằng truyền lại có thể được thực hiện
nhờ cơ chế acknowledgement. Cơ chế acknowledgement cơ bản gồm là eACK, NACK và
iACK [12]. eACK là phương thức truyền thống để chắc chắn nút nhận sẽ nhận được gói
tin nó cần. eACK dựa vào một thông điệp điều khiển đặc biệt mà nút nhận sau khi đã nhận
thành công gói tin sẽ gửi lại. Cũng như vậy NACK là thông điệp điều khiển đặc biệt cho
phép người nhận thông báo cho người gửi truyền lại chuỗi mất tích cụ thể của tất cả các
gói tin (xem hình 2.2).

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

19

LỚ P KTVT-2014B

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

Hình 2.2: Cơ chế truyền iACK và eACK
Quá nhiều bản tin eACK và NACK phát sinh có thể dẫn tới tắc nghẽn và lãng phí tài
nguyên mạng, những đặc điểm này hoàn toàn không phù hợp với mạng cảm biến. Mặt khác,
trong cơ chế iACK luân phiên, nút gửi sau khi truyền gói tin, sẽ lắng nghe kênh truyền xem
gói tin nó gửi đi có đến được đích không. iACK khai thác tính broadcast của kênh không
dây để tránh truyền tải thêm và lãng phí năng lượng do việc truyền thông điệp điều khiển
(eACK/NACK).
Để ngăn chặn việc chiếm dữ bộ đệm do việc truyền lại mà có thể là nguyên nhân cho
việc chậm trễ. Các gói tin cần phải truyền lại ngay lập tức khi được phát hiện là mất. Việc
truyền lại ngay lập tức sẽ làm trầm trọng thêm trong tình trạng tắc nghẽn. Điều này dẫn
đến phải có một cơ chế truyền lại thông minh. Tuy nhiên hạn chế về bộ nhớ của các nút và

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

20

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

số lượng lớn các gói tin nên có thể không đạt được tin cậy trong các nút cảm biến. Điều đó
cho ta nghĩ đến phương pháp truyền khác dựa trên thông tin dự phòng, để giải quyết vấn

đề do bộ nhớ đệm dữ liệu tại các nút (xem hình 2.3).

Hình 2.3: Cơ chế dự phòng dựa trên mã xóa
Ngoài truyền lại, một cách khác để đạt được mức truyền tin cậy là phương pháp dự
phòng. Trong đó nhiều bản sao của cùng một gói tin sẽ được truyền đi dựa trên mã xóa
(erasures code), mã này sẽ cho phép phía thu có khả năng khôi phục lại các gói tin bị mất.
Đầu tiên ở phía gửi, gói tin sẽ bị phân mảnh thành m phần, sau đó mã hóa lại bằng cách
thêm vào k mảnh dự phòng. Khi đó sẽ có k+m mảnh được truyền đến sink, sau khi nhận
bộ k+m mảnh đã được mã hóa, sink tiến hành tái cấu trúc lại dữ liệu gốc. Phía nhận có khả
năng tái cấu trúc lại dỡ liệu gốc chỉ khi nó nhận được bằng hoặc nhiều hơn số phân mảnh
gói tin của dữ liệu gốc. Cũng giống như cơ chế truyền lại, cơ chế mã xóa có thể thực thi
được trên cả hai mô hình truyền thông: hop-by-hop và end-to-end. Với end-to-end, quá
trình mã hóa/giải mã được thực hiện ở nút nguồn và sink, các nút trung gian chỉ đóng vai
trò chuyển gói tin. Tuy nhiên, với mô hình hop-by-hop quá trình mã và giải mã sẽ được
thực hiện tại mỗi nút trung gian để giảm dữ liệu dư thừa. Do đó mô hình end-to-end làm

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

21

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐHBKHN

tăng lưu lượng mạng vì làm tạo ra số lượng lớn mảnh dư thừa (dự phòng) khi so sánh mã
xóa trong hop-by-hop.

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

22

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
2.2.

ĐHBKHN

CÁC GIAO THỨC TRUYỀN TẢI TIN CẬY

2.2.1. Giao thức RMST
Giao thức truyền tin cậy đa đoạn RMST [7] là một trong những giao thức đầu tiên được
phát triển cho WSN. Mục tiêu chính của RMST là cung cấp độ tin cậy end-to end. Theo
đó, RMST được xây dựng trên giao thức truyền tin trực tiếp, và sử dụng một số chức năng
của giao thức này. Đặc biệt hơn, RMST được thiết kế như một bộ lọc có thể gắn vào giao
thức truyền tin trực tiếp. RSMT cung cấp 2 trong 3 chức năng cần thiết cho một giao thức
lớp truyền tải: vận chuyển đáng tin cậy và ghép/giải mã kênh. Ghép kênh và giải mã kênh
được thực hiện tại các nút nguồn và sink, tương ứng. Trong khi đó, RMST cung cấp cơ chế
xử lý lỗi khắp các tuyến trong mạng. Cuối cùng, RMST sử dụng trong mạng lưới bộ nhớ
đệm và đảm bảo cung cấp các dữ liệu gói được tạo bởi dòng sự kiện. RMST dựa trên cơ
chế định tuyến khuếch tán trực tiếp của một đường dẫn giữa nguồn và đích. Do đó, một giả
thuyết là các gói tin của một dòng chảy theo cùng một đường dẫn trừ khi có nút lỗi. Trong
trường hợp nút lỗi, khuếch tán trực tiếp được giả định để định tuyến lại các gói tin. Trên
cơ sở giả định này, RMST có hai chế độ hoạt động:
 Chế độ không đệm: chế độ này hoạt động rất giống với giao thức lớp truyền tải
thông thường, tức là chỉ có nguồn và đích đóng vai trò cung cấp độ tin cậy. Do đó,

những tổn thất gói tin được phát hiện tại đích và yêu cầu từ nút nguồn trong kiểu
end-to-end qua một gói NACK. Ưu điểm của chế độ này là không yêu cầu có sự
tham gia và, xử lý bổ sung, lưu trữ và tiêu thụ điện năng từ các nút trung gian trong
mạng multi-hop.
 Chế độ đệm: trong chế độ này, các nút trung gian trên đường dẫn tăng cường lưu
trữ dữ liệu gói đã truyền để giảm chi phí trong truyền lại end-toend. Trong RMST,
mỗi gói tin của một dòng được đánh dấu bởi một chuỗi số duy nhất. Theo đó, các
gói tin lỗi được phát hiện bất cứ khi nào có một lỗ trong chuỗi số nhận được. Trong
trường hợp lỗi gói, các nút yêu cầu truyền lại bằng cách gửi một gói NACK theo
hướng ngược lại từ phía sink đến cảm biến, nghĩa là, con đường ngược lại như được
giải thích trong các ví dụ dưới đây về chế độ không đệm và chế độ đệm.

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

23

LỚ P KTVT-2014B


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
2.2.1.1.

ĐHBKHN

Các ví dụ

a) Ví dụ 1
Khôi phục lỗi trong chế độ không đệm được minh họa trong hình 2.4, trong đó một nút
cảm biến đang cố gắng truyền tải một loạt các gói tin đến sink thông qua định tuyến multihop. Số thứ tự của gói tin nhận được cuối cùng tại sink được thể hiện trong từng trường
hợp.

Hình 2.4: Phục hồi lỗi với RMST trong chế độ không đệm
Trong chế độ không đệm, truyền lại end-to-end được thực hiện để cung cấp độ tin
cậy. Trong hình 2.4(a), 4 gói tin bị mất trước khi đến sink. Sink chỉ có thể nhận các gói
tin bị mất sau khi nhận được gói 5 (xem hình 2.4 (b)). Sau đó, sink phát đi một gói

HVTH: PHẠM TRUNG KIÊN

24

LỚ P KTVT-2014B