Nghiên cứu và thử nghiệm giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp

LỜI CẢM ƠN
  

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô giáo ở Viện Công nghệ thông tin và
Truyền thông, Viện đào tạo Sau đại học, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã
trang bị cho tôi những kiến thức nền tảng trong thời gian học tại trƣờng.
Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Kim Khánh,
giảng viên bộ môn Kỹ thuật máy tính, Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông
đã nghiêm khắc, tận tình hƣớng dẫn cho tôi những kiến thức và tài liệu quý giá,
định hƣớng trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Nhờ sự giúp đỡ và
hƣớng dẫn tận tâm của thầy, tôi mới có thể hoàn thành đƣợc luận văn này.
Con xin gửi lời ghi ơn sâu sắc đến cha mẹ, những ngƣời đã luôn động viên
con suốt mọi hoàn cảnh. Cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, những ngƣời thân yêu đã
luôn sát cánh, ủng hộ và động viên trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Mặc dù tôi đã nghiêm túc và cố gắng hoàn thành đề tài luận văn thạc sỹ
nhƣng do kiến thức còn hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót,
tôi mong muốn nhận đƣợc sự phê bình, góp ý của các Thầy cô để luận văn của tôi
đƣợc tốt hơn.
Ngày 22 tháng 09 năm 2015
Học viên thực hiện
Lê Gia Hòa


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................. 5
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................ 1
1.1 Giới thiệu............................................................................................................... 1
1.2 Các kỹ thuật đƣợc dùng cho mạng cảm biến không dây ...................................... 2
1.2.1 Mô tả mạng cảm biến không dây ................................................................... 2
1.2.2 Phần cứng và phần mềm của nút cảm biến.................................................... 4

1.2.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây ............................................................. 6
1.2.4 Phân loại mạng cảm biến không dây dựa trên đồ hình mạng ........................ 8
1.3 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây..................................................... 10
1.3.1 Năng lƣợng tiêu thụ ..................................................................................... 10
1.3.2 Chi phí.......................................................................................................... 10
1.3.3 Loại hình mạng ............................................................................................ 11
1.3.4 Tính bảo mật ................................................................................................ 11
1.3.5 Độ trễ ........................................................................................................... 11
1.3.6 Tính di động ................................................................................................. 12
1.4 Kiến trúc phân tầng mạng WSN ......................................................................... 12
1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây ..................... 15
1.5.1 Giới hạn năng lƣợng .................................................................................... 15
1.5.2 Giới hạn về băng thông ................................................................................ 15
1.5.3 Giới hạn về phần cứng ................................................................................. 15
1.5.4 Ảnh hƣởng của nhiễu bên ngoài .................................................................. 15
1.6 Ứng dụng mạng cảm biến không dây ................................................................. 16
1.7 Chuẩn mạng WSN: ............................................................................................. 18
CHƢƠNG 2: ............................................................................................................. 19
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................................ 19
2.1 Giới thiệu............................................................................................................. 19
2.2 Thách thức về định tuyến và thiết kế trong các WSN ........................................ 20
2.2.1 Triển khai nút cảm biến ............................................................................... 20
2.2.2 Tiêu thụ năng lƣợng mà không làm mất tính chính xác .............................. 20
2.2.3 Mô hình báo cáo dữ liệu .............................................................................. 20
2.2.4 Tính không đồng nhất của nút cảm biến/ kết nối ........................................ 21
2.2.5 Chịu lỗi ........................................................................................................ 21
2.2.6 Khả năng mở rộng ....................................................................................... 22
2.2.7 Tính động của mạng (dynamics): ................................................................ 22
2.2.8 Môi trƣờng truyền: ....................................................................................... 22
2.2.9 Kết nối (connectivity): ................................................................................. 23

2.2.10 Độ hội tụ: ................................................................................................... 23
2.2.11 Tập hợp dữ liệu: ......................................................................................... 23
2.2.12 Chất lƣợng dịch vụ QoS: ........................................................................... 24
2.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến .................................................... 24
2.3.1 Phân loại ...................................................................................................... 24


2.3.2 Tổng quan các giao thức dựa trên cấu trúc mạng ........................................ 26
CHƢƠNG 3: ............................................................................................................. 28
GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH PHÂN CẤP ................................ 28
3.1 Giới thiệu............................................................................................................. 28
3.2 Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) ................... 29
3.2.1 Mô tả giao thức LEACH .............................................................................. 29
3.2.2 Hoạt động của giao thức LEACH ................................................................ 30
3.2.3 Tổng hợp dữ liệu (Sensor Data Aggregation) ............................................. 37
3.2.4 Ƣu điểm ....................................................................................................... 37
3.2.5 Nhƣợc điểm ................................................................................................. 37
3.3 Giao thức LEACH - C (LEACH – Centralized) ............................................... 38
3.3.1 Mô tả hoạt động giao thức LEACH-C ......................................................... 38
3.3.2 Ƣu điểm, nhƣợc điểm: ................................................................................. 39
3.4 Giao thức STAT-CLUSTER .............................................................................. 41
3.5 Giao thức PEGASIS ........................................................................................... 41
3.6 Một số ý tƣởng cải tiến giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp ................ 44
3.6.1 Cải tiến giao thức LEACH........................................................................... 44
3.6.2 Cải tiến giao thức PEGASIS ........................................................................ 48
CHƢƠNG 4: ............................................................................................................. 50
MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐÁNH GIÁ ................................. 50
4.1 Phần mềm mô phỏng mạng NS2 ......................................................................... 50
4.1.1 Giới thiệu về NS2 ........................................................................................ 50
4.1.2 Các ngôn ngữ lập trình trong NS2 ............................................................... 53

4.1.3 Mã MIT ........................................................................................................ 57
4.2. Mô phỏng các giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp và đánh giá .......... 60
4.2.2 Thử nghiệm quá trình hình thành cụm ........................................................ 62
4.2.3 Thử nghiệm số nút mạng còn sống theo thời gian ....................................... 67
4.2.4 Thử nghiệm tổng số năng lƣợng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian ............ 72
4.2.4 Thử nghiệm tỉ lệ nút/ số byte nhận đƣợc ở trạm gốc ................................... 72
4.2.5 Thử nghiệm tỉ lệ dữ liệu/ năng lƣợng .......................................................... 74
4.3 Tóm tắt ................................................................................................................ 75
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 79


LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Lê Gia Hòa – cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân
tôi dƣới sự hƣớng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Lê Gia Hòa


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
BS
CH
CSMA
FDMA
GPS
LEACH

LEACH-C
MAC
NAM
NS-2
Otcl
PA
PEGASIS
QoS
SPIN
STATCLUS
TDMA
TORA
WINS
WLAN
WSN

Nghĩa tiếng Anh
Base Station
Cluster Head
Carrier sense multiple access
Frequency division multiple
access
Global Possition System
Low energy adaptive clustering
hierarchy
Low energy adaptive clustering
hierarchy- Centralized
Medium access control

Nghĩa tiếng Việt

Trạm cơ sở, nút gốc
Nút chủ cụm
Đa truy nhập cảm biến sóng mang
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Hệ thống định vị toàn cầu
Phân cấp cụm thích nghi với năng lƣợng
thấp
LEACH – Tập trung

Network Animator
Network Simulator version 2
Object-oriented tool command
language
Power available
Power-Efficient Gathering in
Sensor Information Systems
Quality of service
Sensor protocols for information
via negotiation
Status Cluster

Điều khiển truy nhập môi trƣờng truyền
dẫn
Mô tả mạng bằng hình ảnh động
Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2
Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hƣớng
đối tƣợng
Mức năng lƣợng hiện tại
Tập hợp dữ liệu hiệu quả về năng lƣợng
cho các hệ thống thông tin cảm biến

Chất lƣợng dịch vụ
Các giao thức thông tin sensor thông
qua thỏa thuận
Phân chia cụm một lần rồi cố định

Time division multiple access
Temporally Ordered Routing
Algorithm
Wireless Integrated network
sensors
Wireless local area network
Wireless sensor network

Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Định tuyến bằng thuật toán tìm đƣờng
tuần tự theo thời gian
Mạng các thiết bị cảm biến tích hợp
thiết bị thu phát không dây
Mạng cục bộ không dây
Mạng cảm biến không dây


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng WSN
Bảng 4.1: Phân cụm và chọn nút chủ cụm theo vòng
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây
Hình 1.2: Mạng đơn bƣớc (A) và mạng đa bƣớc (B)
Hình 1.3: Phần cứng và phần mềm của nút
Hình 1.4: Kiến trúc phẳng

Hình 1.5: Kiến trúc phân cấp hai tầng
Hình 1.6: Mạng hình sao đa bƣớc
Hình 1.7: Mạng đa chặng lƣới và ô vuông
Hình 1.8: Mạng phân cấp cụm hai tầng
Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
Hình 1.10: Ứng dụng của WSN trong quân sự
Hình 1.11: Ứng dụng cảnh báo cháy rừng
Hình 1.12: Ứng dụng trong y tế
Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến trong mạng WSN
Hình 3.1: Cấu trúc của giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp
Hình 3.2: Giao thức LEACH
Hình 3.3: Các pha của giao thức LEACH theo thời gian
Hình 3.4: Giải thuật thành lập cụm trong LEACH
Hình 3.5: Sự hình thành cụm ở 2 vòng khác nhau
Hình 3.6: Mô hình Leach ở pha ổn định
Hình 3.7: Hoạt động của pha ổn định trong LEACH
Hình 3.8: Hoạt động của LEACH trong một vòng
Hình 3.9: Sự ảnh hƣởng của kênh phát sóng
Hình 3.10: Pha thiết lập của LEACH – C
Hình 3.11: Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy


Hình 3.12: Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS
Hình 3.13: Biểu đồ giao thức E-LEACH
Hình 3.14: Giao thức M-LEACH
Hình 3.15: Định tuyến của giao thức Multihop-LEACH
Hình 3.16: Định tuyến PEGASIS phân cấp
Hình 4.1: Mô hình đơn giản của NS
Hình 4.2: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS
Hình 4.3: Sự tƣơng đồng giữa C++ và OTcl

Hình 4.4: Kiến trúc của NS
Hình 4.5: Sự hoạt động của NS
Hình 4.6: Tổ chức thƣ mục NS2
Hình 4.7: Kiến trúc MIT
Hình 4.8: Topo 100 nút mạng
Hình 4.9: Số nút CH theo thời gian
Hình 4.10: Số nút CH tối ƣu
Hình 4.11: Tổng số nút còn sống theo thời gian
Hình 4.12: Số phần trăm nút chết
Hình 4.13: Tổng số nút còn sống theo thời gian
Hình 4.14: Tổng số nút còn sống theo thời gian
Hình 4.15: Tổng số nút năng lƣợng tiêu thụ theo thời gian
Hình 4.16: Tỷ lệ nút/ số byte nhận đƣợc ở trạm gốc
Hình 4.17: Tỷ lệ dữ liệu/ năng lƣợng


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Ngày nay mạng không dây đã phổ biến ở gia đình, cơ quan hoặc nơi
công cộng nhƣng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mạng cảm biến
không dây (Wireless Sensor Networks – WSN) mà mạng WSN đã có những
ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống. Mạng cảm biến không dây là sự
kết hợp của việc cảm nhận thông tin, tính toán và truyền thông vào trong các
thiết bị cảm biến nhỏ. Thế mạnh của mạng WSN ở chỗ nó có khả năng triển
khai một số lƣợng lớn các thiết bị cảm biến có khả năng tự thiết lập cấu hình
cho hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi thông tin môi trƣờng
vật lý, hóa học, sinh học v.v.. theo thời gian thực.
Nhƣợc điểm lớn nhất của hệ thống mạng cảm biến không dây là thời
gian sống của các nút cảm biến là giới hạn vì chúng đƣợc cấp nguồn bởi pin.
Những nghiên cứu mới nhất hiện nay liên quan đến hiệu quả năng lƣợng của

mạng cảm biến không dây nhằm giúp hệ thống hoạt động hiệu quả, thời gian
sống lâu hơn có nghĩa là mạng không dây ổn định hơn. Các nghiên cứu cho
thấy giao thức định tuyến hiệu quả năng lƣợng giúp giảm mức tiêu thụ năng
lƣợng cho các nút cảm biến nhờ vậy thời gian sống tăng lên. Trƣớc xu thế
phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây. Căn cứ tình hình thực
tế cần các hệ thống WSN để phục vụ cho nhiều lĩnh vực tôi đã chọn hƣớng
nghiên cứu là “Nghiên cứu và thử nghiệm giao thức định tuyến theo mô hình
phân cấp trong mạng cảm biến không dây”.
Luận văn gồm có 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây
Chƣơng 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Chƣơng 3: Giao thức định tuyến theo mô hình phân cấp
Chƣơng 4: Sử dụng NS2 để mô phỏng WSN, nghiên cứu và phân tích các
giải thuật LEACH, LEACH-C, STAT-CLUS, PEGASIS.


2. Mục đích nghiên cứu
Luận văn này thực hiện với mục đích tìm hiểu nghiên cứu các phƣơng
pháp xây dựng mạng cảm biến dựa trên các kỹ thuật, các giao thức định
tuyến trên mạng không dây. Trên cơ sở đó, đề tài sẽ mô phỏng mạng không
dây để nghiên cứu các vấn đề về năng lƣợng, thời gian sống, dữ liệu truyền
và thời gian trễ trên trạm gốc. Để đáp ứng mục đích đề tài cần tìm hiểu về lý
thuyết mạng cảm biến không dây, nghiên cứu và thử nghiệm một số giao
thức định tuyến theo mô hình phân cấp thông qua các phần mềm mô phỏng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
 Đối tƣợng nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng của mạng cảm biến không dây, Phần
mềm mô phỏng để xây dựng và thử nghiệm mạng cảm biến.
 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây, các giao

thức định tuyến, đặc biệt đề tài tập trung nghiên cứu giao thức định tuyến
theo mô hình phân cấp.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Thu thập các tài liệu liên quan, phân tích các thông tin liên quan đến đề
tài.
Phƣơng pháp chính đƣợc sử dụng là phƣơng pháp mô phỏng. Thay vì
triển khai trên hệ thống thực sẽ gặp nhiều khó khăn, chúng tôi tiến hành mô
phỏng và đánh giá kết quả đạt đƣợc thông qua phần mềm mô phỏng.
Phần mềm mô phỏng là phần mềm NS2.
Đề tài đã tập trung nghiên cứu và thử nghiệm các giao thức định tuyến
theo mô hình phân cấp đó là các giao thức LEACH, LEACH C, STATCLUSTER, PEGASIS. So sánh và đánh giá các thông số liên quan nhƣ: Số
nút mạng còn sống theo thời gian, Năng lƣợng tiêu thụ toàn mạng theo thời
gian, Tỉ lệ nút/ số byte nhận đƣợc ở gốc, Tỉ lệ dữ liệu/ năng lƣợng v.v..


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu
Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (WSN Wireless Sensor
Network) là một trong những ngành công nghệ thông tin phát triển nhanh chóng,
đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Dây chuyền sản xuất công nghiệp,
theo dõi sự thay đổi của môi trƣờng, khí hậu, theo dõi do thám các mặt trận quân sự
nhƣ hạt nhân, sinh học hay hóa học, chẩn đoán sự hỏng hóc của thiết bị, tự động thu
nhận thông tin của bệnh nhân để gửi thông báo cho bác sỹ, theo dõi và điều khiển
giao thông v.v..
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ vi mạch, các hệ thống trên chip (SoC) có
đầy đủ các chức năng: giao tiếp không dây, cảm biến, bộ xử lý và tính toán tín
hiệu...đã tạo ra những thiết bị cảm biến có kích thƣớc nhỏ, đa chức năng, công suất
tiêu thụ điện thấp, giá thành thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng
cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây WSN là một mạng liên kết các nút cảm biến với

nhau thông qua các kết nối không dây, mỗi nút mạng có đầy đủ các chức năng để
cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu, các nút mạng có số lƣợng lớn, đƣợc
phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng năng lƣợng là pin có dung
lƣợng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài khoảng vài tháng đến vài năm, có thể
hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt nhƣ: chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...
Các nút mạng thƣờng có chức năng cảm nhận, thu nhận các thông số môi
trƣờng xung quanh nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, theo dõi hay định vị các mục tiêu
cố định hoặc di động. Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm gốc
(base station) bằng nhiều kỹ thuật khác nhau.
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm
quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các nút cảm biến hay chính là sự
giới hạn về năng lƣợng của chúng. Giới hạn năng lƣợng phụ thuộc nhiều vào các
yếu tố khác nhau trong đó việc sử dụng các giao thức định tuyến có quản lý năng
lƣợng sẽ làm thay đổi thời gian sống của các nút rất hiệu quả.

1


Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:
 Hình thành bởi nhiều nút cảm biến, các nút có thể không đồng nhất,
các nút có khả năng tự tổ chức.
 Yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con ngƣời.
 Các nút truyền thông vô tuyến và truyền đơn bƣớc hoặc đa bƣớc.
 Triển khai số lƣợng lớn trên phạm vi rộng.
 Các nút bị giới hạn về năng lƣợng, bộ nhớ và khả năng xử lý.
 Giao thức mạng có thể thay đổi do môi trƣờng hoặc thay đổi số nút.

1.2 Các kỹ thuật đƣợc dùng cho mạng cảm biến không dây
1.2.1 Mô tả mạng cảm biến không dây
Trong một mạng cảm biến không dây (hình 1.1) các nút cảm biến đƣợc triển

khai trong một trƣờng cảm biến (Sensor field). Các mũi tên trong hình cho thấy kiến
trúc truyền thông của một WSN. Mỗi nút cảm biến đƣợc đặt phân tán trong trƣờng
cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu. Mỗi nút cảm biến dựa vào quyết định của nó
tùy theo nhiệm vụ, thông tin mà nó có và khả năng của nó về tính toán, truyền thông
và tài nguyên năng lƣợng. Mỗi loại cảm biến đƣợc phân bố rải rác này có khả năng
lựa chọn và định tuyến số liệu đến các cảm biến khác hoặc ngƣợc trở lại một hoặc
nhiều trạm cơ sở (BS) bên ngoài. Một trạm cơ sở có thể là một nút cố định hoặc một
nút di động nối với mạng cảm biến đến hạ tầng truyền thông đang tồn tại hoặc đến
Internet và từ đó con ngƣời có thể truy cập vào dữ liệu. [1][3][8]

BS

Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây

2


Trong mạng WSN vì kỹ thuật giao tiếp không dây sử dụng cho các nút cảm
biến có nhiều hạn chế nếu gặp vật cản hoặc khoảng cách quá xa. Đặc biệt khi
khoảng cách giữa nút phát và nút thu càng xa nhau thì cần công suất phát sóng càng
lớn.Vì vậy để giảm công suất tổng thể cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp.
Đó là lý do đa số các mạng cảm biến không dây dùng giao tiếp đa bƣớc (multihop)
đƣợc mô tả trong hình 1.2B.

Nút cảm biến

Nút gốc

Nút trung gian

A
B
Hình 1.2: Mạng đơn bƣớc (A) và Mạng đa bƣớc (B)
Mạng đơn bƣớc (single-hop) trong hình 1.2A cho thấy từ các nút con có thể
gửi dữ liệu trực tiếp về nút gốc, mạng này thích hợp mạng nhỏ, có thể coi mạng đơn
bƣớc là một trƣờng hợp đặc biệt của mạng đa bƣớc nếu xét trên một phạm vi nhỏ.
Mạng đa bƣớc thật sự hiệu quả trong trƣờng hợp các nút có khoảng cách lớn, dữ
liệu không thể gửi trực tiếp từ nút con về nút gốc thì dữ liệu sẽ đƣợc gửi thông qua
các nút trung gian trƣớc khi tới nút gốc. Lợi ích thực sự của truyền đa bƣớc đôi khi
không phải vì không thể truyền trực tiếp từ nút con tới nút gốc do khoảng cách xa
mà trong truyền đa bƣớc sử dụng nút trung gian để giảm tải và chia sẻ tiêu thụ năng
lƣợng giữa các nút.
Nhƣ vậy các nút con ngoài nhiệm vụ thu nhận dữ liệu còn phải chuyển tiếp dữ
liệu về nút gốc. Tuy truyền đa bƣớc có thể giải quyết bài toán về khoảng cách
nhƣng lại gặp phải vấn đề là sử dụng năng lƣợng hiệu quả và xung đột khi có quá
nhiều nút yêu cầu gửi dữ liệu tới một nút trung gian để chuyển tiếp, Điều này thể
hiện trong mạng WSN hình cây, hình lƣới thì những nút càng gần nút gốc càng phải

3


làm trung gian chuyển tiếp nhiều gói tin nên sẽ dễ bị tắt nghẽn và tổn hao năng
lƣợng hơn nút khác. Để nâng cao hiệu suất trong truyền đa bƣớc thƣờng ngƣời ta
can thiệp bằng thuật toán định tuyến, hoặc dựa trên việc nút truyền tiếp.
1.2.2 Phần cứng và phần mềm của nút cảm biến
Các thành phần trong một nút cảm biến đƣợc minh họa trên hình 1.3. Bản
thân một nút cảm biến là một máy vi tính nhỏ nên một nút cảm biến có thể phân tích
dựa trên phần cứng và phần mềm của nó nhƣ sau:[3]
HARDWARE

Hệ thống định vị

Thiết bị di động
Anten

Bộ cảm biến

Bộ xử lý
Thiết bị xử lý

Sensor ADC

Bộ thu phát
Thiết bị nhớ

Bộ nguồn

Bộ phát điện

SOFTWARE

. Hình 1.3: Phần cứng và phần mềm của nút
Phần cứng của nút gồm có 4 thành phần chính:

4


 Bộ cảm biến thƣờng có hai thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và
bộ chuyển đổi tƣơng tự/ số (ADC). Các cảm biến thu đƣợc các tín hiệu
tƣơng tự các sự kiện, sau đó sẽ đƣợc chuyển đổi sang tín hiệu số bằng

bộ chuyển đổi ADC rồi đƣa tới bộ xử lý.
 Bộ xử lý với một bộ nhớ bên trong sẽ phân tích thông tin cảm biến và
quản lý các thủ tục tƣơng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện
nhiệm vụ.
 Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến với nhau và với trạm
gốc với nhau bằng kết nối không dây nhƣ là vô tuyến, hồng ngoại hoặc
tín hiệu quang.
 Thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có
thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lƣợng cho nút cảm biến hoạt
động trong vài tháng hoặc vài năm. Bộ nguồn có thể đƣợc hỗ trợ bởi
các bộ phát điện năng nhƣ các tấm pin mặt trời.
 Do hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và nhiệm
vụ các cảm biến cần có sự nhận biết vị trí với độ chính xác cao. Vì vậy
các nút cảm biến đƣợc tích hợp thêm hệ thống định vị.
Phần mềm của nút gồm có 5 thành phần chính:
 Hệ điều hành (còn gọi là middleware) để quản lý và vận hành bộ xử lý,
các thiết bị phần cứng khác trong nút, các hệ điều hành thƣờng thiết kế
mã nguồn mở dành riêng cho từng mạng WSN. Hệ điều hành thƣờng
đƣợc sử dụng là TinyOS.
 Sensor Drivers là những module quản lý các cấu hình cơ bản của phần
tử cảm biến.
 Bộ xử lý truyền thông dùng quản lý chức năng giao tiếp, gồm định
tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi.
 Trình điều khiển truyền thông gồm các gói phần mềm điều khiển kênh
truyền, xử lý bit, xung nhịp và đồng bộ, mức tín hiệu và điều chế
 Bộ phận xử lý dữ liệu-Các ứng dụng dùng hỗ trợ xử lý tín hiệu đã lƣu
trữ ở các node trong mạng, xử lý nhiều gói tin thành một khung dữ liệu

5

mới trƣớc khi chuyển tiếp đi. Các ứng dụng cơ bản để ngƣời dùng sử
dụng
1.2.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây
1.2.3.1 Kiến trúc phẳng
Trong kiến trúc phẳng (flat architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và
đồng nhất cả hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với trạm gốc bằng đa bƣớc
sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút
gần trạm gốc hơn sẽ đóng vai trò của bộ tiếp sóng cho các nút ở xa. Nếu tất cả các
nút đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, cần chia sẻ thời gian để tránh xung
đột. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví
dụ nhƣ thời gian, tần số... [2][14]

Hình 1.4: Kiến trúc phẳng
1.2.3.2 Kiến trúc phân cấp

Trong kiến trúc phân cấp (hierarchy architecture), các cụm đƣợc tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc
vào giải thuật định tuyến, kích cỡ của cụm) đến một nút đƣợc chọn, thƣờng gọi là
nút chủ cụm (cluster head). Trong kiến trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp
bậc mà ở đó mỗi nhóm nút có nhiệm vụ và chức năng định sẵn.
Trong kiến trúc phân cấp thì chức năng cảm biến, tính toán và tập hợp dữ liệu
đƣợc quy định tùy theo khả năng các nút. Những chức năng này có thể phân theo
cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện định

6


tuyến, tập hợp dữ liệu của cụm, và cấp trên cùng thực hiện định tuyến, tập hợp dữ
liệu của trƣờng cảm biến.

Hình 1.5: Kiến trúc phân cấp hai tầng
Mạng cảm biến xây dựng theo kiến trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn
kiến trúc phẳng, do các lý do sau:
+ Kiến trúc phân cấp giúp giảm thiểu số lƣợng các nút tham gia vào việc
truyền dữ liệu trên khoảng cách dài với trạm gốc. Mỗi nút chỉ cần một lƣợng tài
nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ nhờ vậy chi phí của toàn mạng vì
thế sẽ không cao. Với kiến trúc phân cấp nếu thay vào đó một số lƣợng lớn các nút
có cấu hình, chi phí thấp đƣợc chỉ định làm nhiệm vụ cảm biến, một số lƣợng nhỏ
hơn các nút có cấu hình, chi phí cao hơn đƣợc chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị
và đồng bộ thời gian, lúc này chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi, điều này làm tăng
tuổi thọ cho mạng
+ Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lƣợng các nút
để thỏa mãn yêu cầu điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng kiến trúc
phẳng, kích cỡ mạng tăng thì thông lƣợng của mỗi nút sẽ giảm.
+ Việc nghiên cứu các mạng kiến trúc phân cấp đem lại nhiều triển vọng để
khắc phục vấn đề kích cỡ mạng tăng thì thông lƣợng của mỗi nút giảm. Một cách áp
dụng là dùng một kênh đơn lẻ trong kiến trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp
hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu

7


nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ
phận hữu tuyến.
1.2.4 Phân loại mạng cảm biến không dây dựa trên đồ hình mạng
Dựa trên đồ hình mạng (topology), mạng cảm biến không dây có thể phân
thành ba loại sau: [1][3][8]
1.2.4.1 Mạng hình sao đơn bƣớc
Mạng hình sao đơn bƣớc là topo đơn giản nhất đƣợc sử dụng trong mạng

cảm biến không dây. Trong cấu trúc này, tất cả các nút giao tiếp trực tiếp với các
gateway. Cấu trúc này có thiết kế đơn giản, phù hợp quy mô mạng nhỏ, dễ dàng
triển khai trên thực tế.
Do tính đơn giản mà cấu trúc này có những hạn chế về khả năng mở rộng,
Nếu mạng có quy mô lớn hơn thì các nút ở xa sẽ có các kết nối chất lƣợng thấp đến
gateway. Lúc này chất lƣợng thông tin nhận đƣợc dễ bị sai lệch

Hình 1.6: Mạng hình sao đơn bƣớc
1.2.4.2 Mạng lƣới và mạng lƣới vuông đa bƣớc:
Đối với mạng cảm biến không dây có quy mô lớn, sử dụng mạng đa bƣớc là
phù hợp. Trong cấu trúc này, các tín hiệu đƣợc truyền đi từ nút cảm biến này đến
nút cảm biến khác cho đến khi nó gửi đến đƣợc gateway. Các tuyến đƣờng của các
tín hiệu đƣợc xác định bởi một giao thức định tuyến cụ thể nào đó.
Tùy thuộc vào thực tế, cho dù các WSN đƣợc triển khai nhƣ thế nào thì
topology nào cũng có hai dạng chính là mạng lƣới và mạng lƣới vuông. Topology

8


kiểu mạng lƣới và mạng lƣới vuông còn đƣợc gọi topology ngẫu nhiên và topology
cấu trúc. Hình dạng hai cấu trúc mạng này đƣợc mô tả trong hình 1.7A và hình 1.7B

A

B

Hình 1.7: Mạng đa chặn lƣới và ô vuông
1.2.4.3 Phân cấp cụm hai tầng:
Các topo phổ biến nhất cho mạng cảm biến không dây có quy mô rộng là
topo dạng phân cấp cụm hai tầng. Trong dạng topo này, các nút trong một khu vực

đặc biệt sẽ báo cáo dữ liệu của nó cho một nút đƣợc chọn gọi là nút chủ cụm. Nút
chủ cụm này cùng với các nút chủ cụm trong các cụm khác tạo thành một tầng
mạng bao phủ lên các các cụm trong mạng (Hình 1.5 và Hình 1.8).
Các mạng trong các tầng có thể trao đổi dữ liệu với nhau thông qua các nút
chủ cụm, các nút chủ cụm cũng có thể trao đổi dữ liệu với nhau. Cuối cùng dữ liệu
thu thập đƣợc từ các nút con, thông qua nút chủ cụm sẽ đƣợc gửi về nút gốc.
Ƣu điểm của cấu trúc phân cấp này là nó hình thành nên hai nhóm các nút có
chức năng và nhiệm vụ khác nhau, Hai nhóm nút trong một mạng lớn hình thành
tạo nên cấu trúc phân tầng, việc định tuyến có thể đƣợc thực hiện trên cơ sở các
tầng. Các nút chủ cụm cũng có thể đƣợc thiết kế mạnh hơn về cấu hình, khả năng
xử lý thông tin hoặc thậm chí có thể đƣợc liên kết thông qua một mạng có dây để
tăng tốc độ truyền và độ tin cậy.

9


Hình 1.8: Mạng phân cấp cụm hai tầng

1.3 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
1.3.1 Năng lƣợng tiêu thụ
Mạng cảm biến không dây có công suất tiêu thụ thấp hơn rất nhiều so với các
công nghệ không dây khác. Ví dụ các cảm biến dùng trong công nghiệp và y tế
đƣợc cung cấp năng lƣợng từ những cục pin nhỏ, có thể hoạt động đƣợc vài tháng
đến vài năm. Với các ứng dụng theo dõi môi trƣờng nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, áp suất,
mức phóng xạ… khi mà số lƣợng lớn cảm biến đƣợc trãi trên diện tích rất rộng thì
việc thƣờng xuyên phải thay pin để cung cấp nguồn năng lƣợng là điều không khả
thi. Vì vậy trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lƣợng để sử
dụng một cách hiệu quả nhất cần kết hợp các thuật toán định tuyến hiệu quả năng
lƣợng. [2][3][4]
1.3.2 Chi phí

Khi thiết kế dự toán mạng cảm biến không dây thì giá thành cũng là một yếu
tố cần đƣợc quan tâm. Vì vậy khi thiết kế, cấu hình mạng và giao thức truyền thông
cần tránh sử dụng các thành phần đắt tiền và tối thiểu hóa độ phức tạp của giao thức
truyền thông. Trong mạng cảm biến không dây, số lƣợng các nút mạng sử dụng là
khá lớn và khi chi phí để sản xuất từng nút đƣợc giảm đi thì giá thành của toàn bộ
hệ thống giảm đi đáng kể.
Ngoài chi phí mua thiết bị, mạng cảm biến cần thêm chi phí quản trị và bảo
trì hệ thống. Mạng cảm biến không dây có khả năng là tự cấu hình và tự bảo trì. Tự
cấu hình có nghĩa là tự động dò tìm vị trí các nút lân cận và tổ chức thành một cấu
trúc xác định. Tự bảo trì có nghĩa là tự động phát hiện và sửa lỗi nếu phát sinh trong

10


hệ thống mà không cần sự tác động của con ngƣời. Với các tính năng này thì mạng
cảm biến không dây ngày càng chứng tỏ những ƣu việt của mình.
1.3.3 Loại hình mạng
Mạng cảm biến không dây với số ứng dụng đơn giản trong phạm vi nhỏ thì
mạng hình sao đơn bƣớc (single-hop star) có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu truyền
nhận và xử lý dữ liệu. Trong mạng hình sao chỉ một nút sẽ đóng vai trò nút chủ, còn
lại là nút con kết nối tới nút chủ. Khi mạng WSN đƣợc mở rộng thì cấu trúc hình
sao đơn thuần này sẽ không đáp ứng đƣợc, mạng sẽ phải có cấu hình đa chặng
(multi-hop) kiểu phân cấp. Cấu hình này sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên bộ nhớ và xử
lý tính toán hơn do mật độ của các nút mạng tăng và diện tích của mạng đƣợc phủ
trên một phạm vi lớn.
1.3.4 Tính bảo mật
Tính bảo mật trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất quan
trọng, đặc biệt là các ứng dụng trong quân sự. Nếu các mạng có dây rất khó có thể
lấy đƣợc thông tin khi truyền đi giữa 2 đối tƣợng thì việc truyền tín hiệu không dây
trong không gian có thể thu đƣợc bởi ngƣời ngoài. Sự nguy hiểm không chỉ là việc

đánh cắp thông tin mà còn ở chỗ những thông tin đó có thể bị chỉnh sửa và phát lại
để phía thu nhận đƣợc những thông tin không chính xác.
Bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ liệu
đƣợc mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa ngƣời gửi và ngƣời nhận. Các kỹ
thuật bảo mật sẽ thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã
hóa các tập tin, điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bít xác thực v.v..
Các nút có tăng cƣờng chức năng bảo mật sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên
về mặt năng lƣợng và băng thông, tuy nhiên bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong
truyền tin.
1.3.5 Độ trễ
Các ứng dụng thông thƣờng của mạng cảm biến không có yêu cầu cao về
thời gian thực khi truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lƣợng nguồn tin trừ một số

11


trƣờng hợp đặc biệt nhƣ các hệ thống có tính khẩn cấp. Trong một mạng cảm biến
không dây khá lớn, các thông tin của các nút con đƣợc tập hợp ở nút chủ để xử lý và
đƣa về trạm trung tâm. Việc thông tin phải đƣợc xử lý nhiều lần ở các nút trung
gian sẽ làm trễ luồng dữ liệu. Đồng bộ hóa là một trong các kỹ thuật để tránh thông
tin thu đƣợc bị sai lệch.
1.3.6 Tính di động
Đa số các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di
động vì khi triển khai hệ thống các nút cảm biến thƣờng ở vị trí cố định. Một số ứng
dụng đòi hỏi nút gốc và các nút cảm biến phải di chuyển, khoảng cách tƣơng đối
giữa chúng cũng có thể thay đổi nên hệ thống gặp nhiều vấn đề nhƣ cấu hình mạng,
năng lƣợng thu phát vô tuyến v.v..

1.4 Kiến trúc phân tầng mạng WSN
Để giảm độ phức tạp của việc thiết kế và cài đặt mạng, mạng WSN đƣợc

phân tích thiết kế theo quan điểm các tầng chồng nhau, mỗi một tầng sẽ có giao
thức tƣơng ứng. Vì vậy kiến trúc phân tầng còn đƣợc gọi là kiến trúc giao thức.
Trong mạng cảm ứng không dây, dữ liệu sau khi đƣợc thu thập bởi các nút sẽ đƣợc
định tuyến gửi đến trạm gốc. Trạm gốc sẽ gửi dữ liệu đến ngƣời dùng thông qua
internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức đƣợc sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm
biến đƣợc mô tả trong hình 1.9. [8]

Communication Protocols

Management Protocols

Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

12


Kiến trúc giao thức có hai nhóm chính là nhóm các giao thức truyền thông và
nhóm các giao thức quản lý. Nhóm các giao thức truyền thông bao gồm tầng ứng
dụng (Application Layer), tầng giao vận (Transport Layer), tầng mạng (Network
Layer), tầng liên kết số liệu (Datalink Layer) và tầng vật lý (Physical Layer). Nhóm
các giao thức quản lý bao gồm mặt bằng quản lý năng lƣợng (Power Management
Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản
lý nhiệm vụ (Task Management Plane). [3][4]
Chức năng, nhiệm vụ cơ bản của các tầng và các mặt bằng nhƣ sau:
 Tầng ứng dụng: Các phần mềm ứng dụng phù hợp đƣợc xây dựng và sử
dụng trong tầng ứng dụng tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến. Tầng ứng
dụng cài đặt một số giao thức quan trọng nhƣ giao thức quản lý mạng cảm biến
(SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định
nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement),
giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and

Data Dissemination).
 Tầng giao vận: Tầng này giúp thiết lập, duy trì luồng số liệu mà ứng dụng
mạng cảm biến yêu cầu. Tầng giao vận cần thiết khi mạng cảm biến kết nối với
mạng bên ngoài, hay kết nối với ngƣời dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển
giữa trạm gốc với ngƣời dùng thì có thể là giao thức gói ngƣời 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 trạm gốc và
các nút cảm biến sử dụng giao thức UDP.
 Tầng mạng: Nhiệm vụ chính của tầng này chủ yếu xử lý việc định tuyến
dữ liệu đƣợc cung cấp bởi tầng giao vận. Việc định tuyến trong mạng cảm biến đối
mặt với rất nhiều thách thức nhƣ mật độ các nút, hạn chế về năng lƣợng, tính di
động v.v… Vì vậy thiết kế tầng mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên
tắc sau để có hiệu quả tốt nhất:
 Hiệu quả về năng lƣợng luôn là vấn đề trọng tâm.
 Các mạng cảm biến cần xử lý tập trung dữ liệu tại một số nút
 giao thức mạng cần chú ý vấn đề tích hợp dữ liệu.

13


 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và xác định vị trí
Nhiều giao thức định tuyến đã đƣợc thiết kế cho mạng cảm biến không dây.
Cơ bản chúng đƣợc chia thành hai nhóm chính, nhóm thứ nhất dựa theo cấu trúc
mạng, nhóm thứ hai tùy thuộc cơ chế hoạt động của giao thức. Mỗi nhóm còn đƣợc
chia thành các nhóm nhỏ hơn sẽ đƣợc trình bày rõ hơn ở phần sau.
 Tầng liên kết dữ liệu: Tầng liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc hợp
nhất các luồng dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi
trƣờng. Nó đảm bảo truyền thông tin cậy điểm nối điểm và điểm nối đa điểm. Vì
môi trƣờng có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy
nhập môi trƣờng (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và

phải có khả năng tránh va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
 Tầng vật lý: Tầng vật lý là tầng thấp nhất, nó liên quan đến định nghĩa cấu
trúc mạng vật lý bao gồm lựa chọn công suất, tần số sóng mang, điều chế, mã hóa
việc truyền bít và các qui tắc định thời.
 Mặt bằng quản lý công suất: Có nhiệm vụ điều khiển việc sử dụng công
suất của nút cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu sau khi thu đƣợc 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 đƣờng. Công suất còn lại sẽ đƣợc dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
 Mặt bằng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự di chuyển
của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới ngƣời sử dụng và các nút cảm biến. Nhờ
xác định đƣợc các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa
công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.
 Mặt bằng quản lý nhiệm vụ: Có nhiệm vụ 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 cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số
nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất
của nó.

14


Những giao thức quản lý và giao thức truyền thông phối hợp hoạt động sao
cho sử dụng hiệu quả công suất, hiệu quả định tuyến trong mạng cảm biến không
dây và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn
chế và khó khăn về mặt kỹ thuật. Khi nắm rõ đƣợc những khó khăn này chúng ta sẽ

có phƣơng án thiết kế phù hợp để mạng cảm biến hoạt động tối ƣu hơn. [1][5][10]
1.5.1 Giới hạn năng lƣợng
Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thƣờng sử dụng các nguồn năng
lƣợng là pin. Khi số lƣợng nút mạng lớn, yêu cầu tính toán cao, khoảng cách truyền
lớn thì sự tiêu thụ năng lƣợng sẽ tăng lên. Chính vì vậy cần tìm các giải pháp để có
thể tối ƣu việc xử lý và truyền dữ liệu với một năng lƣợng ban đầu của các nút
nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng.
1.5.2 Giới hạn về băng thông
Tốc độ truyền thông vô tuyến mạng WSN bị giới hạn tốc độ trong khoảng từ
20-250 Kbps. Sự giới hạn về băng thông này ảnh hƣởng trực tiếp đến việc truyền
thông tin giữa các nút.
1.5.3 Giới hạn về phần cứng
Các nút cảm biến của mạng cảm biến không dây có kích thƣớc nhỏ, tốc độ xử lý
thấp để tiết kiệm năng lƣợng. Một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lƣợng lớn
các nút trên một phạm vi hẹp. Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng nhƣ
không gian lƣu trữ trên mỗi nút.
1.5.4 Ảnh hƣởng của nhiễu bên ngoài
Các nút trong mạng cảm biến không dây sử dụng đƣờng truyền vô tuyến nên
dễ bị ảnh hƣởng bởi những can nhiễu vô tuyến bên ngoài, điều này có thể làm mất
hoặc sai lệch thông tin khi truyền từ nút về trạm gốc.

15


1.6 Ứng dụng mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây có thể phân loại khác nhau tùy theo cảm biến đƣợc
dùng. Các cảm biến đã đƣợc các nhà sản xuất nhƣ cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ
ẩm, từ tính, ánh sáng, tín hiệu hồng ngoại, âm thanh v.v... Một số thiết kế các bộ
cảm biến cho phép cảm biến các đặc điểm môi trƣờng nhƣ lƣợng xe cộ, mức độ
tiếng ồn, các loại ô nhiễm môi trƣờng, tốc độ và kích thƣớc vật thể v.v.. Hiện nay

do sự phát triển của công nghệ mà mạng WSN đã có những ứng dụng trong gia
đình.
Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế nhƣ sau:
 Ứng dụng trong quân sự: Mạng cảm biến không dây có thể triển khai nhanh
chóng nhờ thả từ máy bay, Các thiết bị cảm biến nhƣ camera, camera hồng
ngoại, micro sẽ theo dõi lực lƣợng, trang bị, hƣớng di chuyển, phát hiện giám
sát mục tiêu, các dấu hiệu vũ khí nguyên tử, sinh học của đối phƣơng v.v..
Các mạng WSN này với khả năng tự cấu hình lại khi có nút bị hỏng nên độ
ổn định cao. Nhờ thế mạng cảm biến không dây trở thành một ứng dụng
chiến lƣợc trong quân sự (Hình 1.10).

Hình 1.10: Ứng dụng của WSN trong quân sự
 Ứng dụng trong quản lý môi trường: Ứng dụng thƣờng gặp là cảnh báo cháy
rừng (hình 1.11), cảnh báo lũ, ô nhiễm môi trƣờng. Các ứng dụng phổ biến

16