Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây

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

TRẦN VĂN THỌ
TRUYỀN ĐA KÊNH TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Truyền thông và mạng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGÔ QUỲNH THU

Hà Nội – 2015


MỤC LỤC:
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 9
1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây [2] ......................................................... 9
1.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 9
1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến ................................................................................. 10
1.1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ....................................................... 11
1.1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ..................................................... 13
1.2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ........................................................ 16
1.2.1 Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến....................................................... 16
1.2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến ............................. 19
1.3 Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây[1] ............................................ 21
1.3.1 Các thách thức của truyền đa kênh. ................................................................ 22

1.3.2 Truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây ................................ 24
1.4 Một số giao thức trong mạng cảm biến không dây .............................................. 26
1.4.1 Giao thức ARPEES [5]................................................................................... 26
1.4.2 Giao thức OEDSR [16] .................................................................................. 27
1.4.3 Giao thức UMRC [15] .................................................................................... 28
CHƯƠNG II: PHÁT BIỂU BÀI TOÁN, ĐỊNH HƯỚNG GIẢI PHÁP VÀ XÂY
DỰNG GIAO THỨC ..................................................................................................... 31
2.1 Phân tích bài toán .................................................................................................. 31
2.2 Giải pháp ............................................................................................................... 32
2.3 Môi trường thực hiện. ........................................................................................... 33
2.3.1 Định tuyến phân cấp theo sự kiện ................................................................. 33
2.3.2 Mô hình năng lượng ....................................................................................... 34
2.3.3 Giao thức truy cập môi trường [1] ................................................................. 35
2.4 Phân tích và thiết kế giao thức. ............................................................................. 38
2.4.1 Giai đoạn khởi tạo mạng. ............................................................................... 39

Trang 2/68


2.4.2 Giai đoạn phân cụm và tìm đường. ................................................................ 40
2.4.3 Giai đoạn truyền dữ liệu. ................................................................................ 47
CHƯƠNG III: CÀI ĐẶT, MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .......................... 51
4.1 Giới thiệu về công cụ mô phỏng Omnet++[14].................................................... 51
4.1.1 OMNET++ là gì ? .......................................................................................... 51
4.1.2 Các thành phần chính của OMNet++ ............................................................. 51
4.1.3 Cài đặt chương trình OMNet++ .................................................................... 54
4.2 Mô phỏng giao thức MMLCP trên OMNeT++. ................................................... 56
4.2.1 Kịch bản và các tham số mô phỏng................................................................ 56
4.2.2 Kết quả thử nghiệm và đánh giá. .................................................................... 58
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 66

Trang 3/68


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Ý nghĩa

BS

Base Station – Trung tâm

CH

Cluster Head – Cụm trưởng

TDMA

Time division multiple access

WSN

Wireless Sensor Network

ARPEES

Adaptive Routing Protocol with Energy Efficiency and Event
Clustering forWireless Sensor Networks

OEDSR

Optimized Energy-Delay Sub-network Routing

UMRC

mUltichannel and Multihop clusteRing
Communication

MMLCP

Multichanel and Multihop Level Clustering Protocol.

HPEQ

Hierarchical Periodic, Event-driven and Query-based
Wireless Sensor Network Protocol

LEACH

Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

PEGASIS

Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems

TEEN

Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols

OMNeT++

Objective Modular Network Tested in C++

FDMA

Frequency Division Multiple Access

CDMA

Code division multiple access

CSMA

Carrier sense multiple access

RTS

Request to send

CTS

Clear to send

Trang 4/68


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây .................................................................. 9
Hình 1.2 Ứng dụng trong nông nghiệp .......................................................................... 15

Hình 1.3 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây .................................................. 19
Hình 2. 1 Mô hình giao thức phân cấp ........................................................................... 34
Hình 2. 2 Mô hình truyền thông và năng lượng ............................................................. 35
Hình 2. 3 Sơ đồ hoạt động của CSMA/CA không chia khe .......................................... 37
Hình 2. 4 Sơ đồ hoạt động giai đoạn phân cụm và tìm đường....................................... 45
Hình 2. 5 Mô hình truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây .................. 46
Hình 2. 6 Sơ đồ hoạt động giai đoạn truyền dữ liệu ...................................................... 50
Hình 3. 1 File cài đặt Omnet++...................................................................................... 55
Hình 3. 2 Hoàn thành cài đặt Omnet++ ......................................................................... 56
Hình 3. 3 Mô hình mạng mô phỏng ở giai đoạn khởi tạo .............................................. 58
Hình 3. 4 Tổng năng lượng còn lại của mạng qua các sự kiện ...................................... 60
Hình 3. 5 Số cảm biến còn hoạt động qua các sự kiện. ................................................. 61
Hình 3. 6 Năng lượng còn lại của từng cảm biến sau 600 sự kiện ................................ 62
Hình 3. 7 Thông lượng trung bình của mạng ................................................................. 63

Trang 5/68


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 Các tham số CSMA/CA ................................................................................ 37
Bảng 2. 2 Ví dụ bảng định tuyến của một nút................................................................ 40
Bảng 3. 1 Các tham số mô phỏng .................................................................................. 57
Bảng 3. 2 Tỉ lệ lỗi của CSMA/CA ................................................................................. 64

Trang 6/68


MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây là một hướng tiếp cận mới đầy triển vọng cho rất
nhiều các ứng dụng như theo theo dõi môi trường, quân sự, y tế, nông nghiệp v.v.Đặc

điểm quan trọng nhất của mạng cảm biến không dây là các nút cảm biến được phân bố
trên một diện tích rộng, hoạt động độc lập với mức năng lượng cố định. Vấn đề định
tuyến và truyền dữ liệu theo nhiều kênh trong mạng cảm biến đặt ra những thách thức
không nhỏ bởi các giao thức cần đơn giản nhưng có khả năng thích nghi tốt, tiết kiệm
năng lượng hiệu quả để có thể hoạt động được với số lượng nút cảm biến lớn có năng
lượng giới hạn đồng thời giao thức định tuyến cần tự điều chỉnh trong trường hợp một
số nút cảm biến gặp lỗi gây thay đổi cấu trúc mạng. Chính vì vậy, luận văn tập trung
vào xây dựng giao thức định tuyến đa kênh trên cơ sở phân cụm, phân cấp hướng sự
kiện với mục đích đáp ứng những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến cho mạng
cảm biến không dây đồng thời giao thức phải tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu suất,
thông lượng cho toàn mạng.
Bố cục của luận văn được trình bày như sau:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Giới thiệu về mạng cảm biến không dây và các vấn đề định tuyến và truyền đa
kênh trong mạng cảm biến không dây. Tìm hiểu một số giao thức như: ARPEES,
OEDSR, UMRC.
Chương 2: Phát biểu bài toán, định hướng giải pháp và thiết kế giao thức
Tìm hiểu bài toán mạng cảm biến không dây, những vấn đề gặp phải khi xây
dựng bài toán theo phương pháp truyền đa kênh. Xây dựng giao thức định tuyến và
truyền đa kênh mới.
Chương 3: Cài đặt mô phỏng và đánh giá kết quả.

Trang 7/68


Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng OMNeT++, Xây dựng mô phỏng và đánh giá
kết quả của giao thức dựa trên một số tiêu chí như: Vấn đề tiết kiệm năng lượng, tuổi
thọ mạng, băng thông v.v.
Em xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô ở Viện Công nghệ thông tin, Đại học
Bách khoa và các đồng nghiệp ở trường Đại học Xây dựng đã có giúp đỡ cả về chuyên

môn cũng như động viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Đặc biệt, em xin
chân thành cảm ơn TS. Ngô Quỳnh Thu, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ các ý
kiến quý báu để em hoàn thành luận văn .
Hà Nội, tháng 9 năm 2015

Trần Văn Thọ

Trang 8/68


CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây [2]
1.1.1 Giới thiệu chung
Cùng với sự phổ cập của mạng không dây và sự phát triển của công nghệ vi xử
lý, mạng cảm biến không dây ngày càng trở nên phổ biến và có những ứng dụng quan
trọng ở khắp các lĩnh vực: từ nông nghiệp (theo dõi nhiệt độ, độ ẩm v.v.) đến công
nghiệp (giám sát rung, đo khoảng cách v.v.) từ quân sự (giám sát chiến trường, thu
thập thông tin chiến địa v.v.) đến dân sinh (chăm sóc sức khỏe, tòa nhà thông minh
v.v.).
Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks-WSN – Hình 1.1) là
một mạng bao gồm nhiều node cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng
ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán
nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi
trường tự nhiên v.v.

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây
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.

Trang 9/68

 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 node cảm biến.
 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các
node.
 Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
Mạng cảm biến không dây có những sự khác biệt rất lớn so với các mạng có dây
và mạng không dây thông thường. Các đặc trưng về mặt kích thước, khả năng xử lý,
năng lượng, số lượng node lớn, sự bất ổn về cấu hình mạng v.v. chính là các thách thức
cơ bản đối với các nhà nghiên cứu về mạng cảm biến không dây. Một node mạng cảm
biến thường có kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt từ vài đến vài chục cm), khả năng
tính toán hạn chế, dung lượng bộ nhớ nhỏ, nguồn cung cấp năng lượng có giới hạn.
Bên cạnh đó, các node mạng thường xuyên được triển khai trên các địa hình xấu, phức
tạp, không được bảo trì và có khả năng di chuyển, do đó có sự bất ổn trong cấu hình
mạng. Đây chính là các thử thách cơ bản hay các tiêu chí thiết kế quan trọng nhất đối
với các nhà nghiên cứu về mạng cảm biến không dây.

1.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến
Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả
nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng. Vì vậy, thiết kế
cấu trúc mạng và kiến trúc mạng phải quan tâm đến các yếu tố sau:
 Giao tiếp không dây đa chặng: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính thì
giao tiếp giữa hai node có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc
biệt là khi node phát và node thu cách xa nhau thì công suất phát cần lớn. Vì vậy
cần các node trung gian làm node chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do
vậy các cảm biến không dây phải dùng giao tiếp đa chặng.

Trang 10/68

 Sử dụng hiệu quả năng lượng: để kéo dài thời gian sống của toàn mạng, việc sử
dụng hiệu quả nguồn năng lượng là kỹ thuật quan trọng của mạng cảm biến
không dây.
 Tự cấu hình: Mạng cảm biến không dây phải cấu hình các thông số một cách tự
động như các node có thể xác định vị trí của nó thông qua các node khác (tự
định vị).
 Xử lý và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node cảm biến không
thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều node cùng cộng tác hoạt động thì mới
thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng node thu dữ liệu gửi ngay đến trạm gốc thì
sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều
node trong một vùng rồi mới gửi tới trạm gốc 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 node lân cận.

1.1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
1.1.3.1 Kích thước vật lý nhỏ
Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào 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.

Trang 11/68

1.1.3.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm biến
và vận chuyển các dòng tin với khối lượng xử lý thấp gồm các hoạt động nhận một
lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến có thể được thu nhận
đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng. Hoặc dữ liệu có thể
được các node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được hướng tới định tuyến
đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối
lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi. Hơn nữa mỗi dòng lại tạo
ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số
hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó các node
mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần có sự tập trung xử lý cao độ.
1.1.3.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi
của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều trong
các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ nhạy cảm hay bộ truyền động cung cấp một
giao diện đơn giản trực tiếp tới bộ vi điều khiển chip đơn. Ngược lại, các hệ thống
thông thường với các hoạt động xử lý phân tán đồng thời kết hợp với một loạt thiết bị
trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc phức tạp. Các hạn chế về kích
thước và công suất, khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng
cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp.
1.1.3.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho các ứng
dụng cụ thể. Vì có một số 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 các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần
cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ

Trang 12/68

nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần
thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập 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.
1.1.3.5 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 và công suất. Việc tăng độ tin
cậy của các thiết bị riêng lẻ là điều thiết yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin
cậy của các ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục lỗi. Như vậy, hệ hống
hoạt động trên từng node đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các
ứng dụng phân tán tin cậy.

1.1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Ngày nay với sự phát triển của công nghệ cao, các mạng cảm biến không dây
không ngừng phát triển và được ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống. Các mạng cảm biến
có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến động đất, cảm biến từ
trường tốc độ lấy mẫu thấp, cảm biến thị giác, cảm biến hồng ngoại, cảm biến thanh,
radar v.v. mà có thể quan sát vùng rộng các điều khiển xung quanh đa dạng bao gồm
nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của xe, điều kiện ánh sáng, áp suất, sự hình thành đất,
mức nhiễu, sự có mặt hay vắng mặt một đối tượng nào đó, mức ứng suất trên các đối
tượng bị gắn, đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng.
Có thể phân loại ứng dụng của mạng cảm biến trong quân đội, môi trường, sức khỏe,
gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.
1.1.4.1 Ứng dụng trong quân đội
Mạng cảm biến không dây có thể là một phần tích hợp trong hệ thống điều
khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu.
Trang 13/68

Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể bị lỗi của mạng cảm biến làm cho chúng
hứa hẹn kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân đội. Vì mạng cảm biến dựa trên sự
triển khai dày đặc của các node cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một
vài node bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của quân đội cũng như sự phá
hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm biến là ứng dụng tốt đối
với chiến trường. Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng,
trang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến trường do thám địa hình và lực lượng quân
địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường, phát hiện và do
thám việc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân.
1.1.4.2 Ứng dụng trong môi trường
Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư của
các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà
ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc lớn đối với
việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh-hóa,
nông nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí
quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý v.v.
1.1.4.3 Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các node cảm biến được đặt ở các phòng để đo
nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến
thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.
1.1.4.5 Ứng dụng trong công nghiệp
Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: Giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ
hàng hóa. Các kiện hàng sẽ bao gồm các node cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời
kỳ lưu trữ và bảo quản. Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng
bản tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ các đặc điểm của
chúng. Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được

Trang 14/68

truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng node. Cảm biến còn có thể được
dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm. Nếu
một ai đó cố dịch một kiện hàng, sensor sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo.
Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn.
Những node cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container
ở cảng. Mỗi một container là một node mạng trong mạng cảm biến và có thể ghi nhớ
thông tin của nó một cách xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thể thực
hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác. Tập hợp các container
tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất quán. Nhờ đó tàu có thể dễ
dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và container thậm chí còn có thể thông
báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn
cầu.
1.1.4.6 Ứng dụng trong nông nghiệp
Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm
để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp (hình 1.2).

Hình 1.2 Ứng dụng trong nông nghiệp
Trang 15/68


1.2 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
1.2.1 Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến
Một trong những mục tiêu chính trong việc thiết kế WSN là truyền tải dữ liệu
trong khi vẫn duy trì năng lượng hoạt động hệ thống mạng và ngăn chặn sự sụt giảm
kết nối bằng cách sử dụng công nghệ quản lý năng lượng linh hoạt  chính là quá
trình định tuyến (hình 1.3). Kiến trúc của giao thức định tuyến trong mạng cảm biến
chịu ảnh hưởng từ nhiều yêu cầu đặt ra. Dưới đây là một số thách thức và vấn đề có
ảnh hưởng tới quá trình định tuyến trong mạng cảm biến:

Sự phân bố các nút mạng: có thể là định trước hay ngẫu nhiên. Trong phân bố định
trước, các cảm biến được đặt vị trí và dữ liệu sẽ được định tuyến qua các tuyến đường
đã định trước. Tuy nhiên trong phân bố nút ngẫu nhiên, các nút cảm biến được phân
tán một cách ngẫu nhiên và nếu kết quả phân tán không đồng đều, việc bó cụm tối ưu
là cần thiết để cho phép các hoạt động mạng sử dụng năng lượng một cách hiệu quả.
Định tuyến chính xác khi mức năng lượng giảm thấp: Sự trục trặc của một vài nút
cảm biến do lỗi nguồn có thể gây thay đổi rõ rệt về cấu hình mạng và đòi hỏi việc định
tuyến lại các gói tin và sắp xếp lại mạng.
Mô hình báo cáo dữ liệu: chia làm ba loại chính: theo thời gian (liên tiếp), theo sự
kiện, theo truy vấn hay lai hóa. Mô hình theo thời gian phù hợp với chức năng đòi hỏi
giám sát dữ liệu theo chu kỳ. Theo đó, các nút cảm biến sẽ bật cảm biến và bộ truyền
dẫn theo chu kỳ, cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu cần thiết sau những chu kỳ
không đổi. Trong mô hình theo sự kiện và theo truy vấn, các nút cảm biến phản ứng
ngay lập tức tới sự thay đổi giá trị bất ngờ và rõ rệt của nhân tố được cảm biến do một
sự kiện nhất định xảy ra hoặc một truy vấn được tạo ra bởi trạm gốc. Cũng tồn tại một
mô hình kết hợp của hai mô hình trên. Mô hình báo cáo dữ liệu liên quan tới việc tiêu
thụ năng lượng và độ ổn định tuyến đường.

Trang 16/68


Tính không đồng nhất giữa nút và liên kết: Việc tồn tại sự không đồng nhất giữa các
nút cảm biến có thể làm gia tăng các vấn đề liên quan đến định tuyến dữ liệu. Ví dụ,
một vài ứng dụng có thể yêu cầu sự kết hợp của nhiều loại cảm biến để theo dõi nhiệt
độ, áp suất và độ ẩm của môi trường, phát hiện chuyển động và ghi lại hình ảnh của đối
tượng chuyển động. Ngay cả việc đọc và báo cáo dữ liệu của các cảm biến này cũng ở
tốc độ khác nhau phụ thuộc vào ràng buộc chất lượng dịch vụ, và có thể sử dụng nhiều
mô hình báo cáo dữ liệu khác nhau.
Tính chịu lỗi: Việc lỗi ở nút cảm biến không thể để ảnh hưởng tới tác vụ chung của
mạng. Nếu một số lượng lớn nút gặp lỗi, giao thức định tuyến bắt buộc phải điều tiết

việc hình thành các liên kết và tuyến đường mới tới trung tâm dữ liệu ở trạm gốc. Điều
này có thể đòi hỏi tinh chỉnh cường độ tín hiệu và năng lượng truyền tải một cách chủ
động để giảm năng lượng tiêu thụ, hoặc định tuyến lại các gói tin qua vùng mạng có
nhiều năng lượng hơn.
Khả năng thích ứng: Số lượng các nút cảm biến đặt trên khu vực cảm biến có thể lên
tới hàng trăm, hàng nghìn hay nhiều hơn. Bất kì một phương thức định tuyến nào cũng
phải có khả năng hoạt động với một số lượng rất lớn các nút cảm biến. Thêm vào đó,
các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến phải đủ linh hoạt để đáp ứng lại các sự
kiện trong môi trường.
Tính di động của mạng: Trong một số trường hợp tính di động của trạm gốc hoặc các
nút cảm biến là cần thiết. Các bản tin định tuyến đến từ hay gửi tới các nút di chuyển sẽ
khó khăn hơn khi độ ổn định của tuyến đường trở thành một vấn đề được đặt ra. Thêm
vào đó, các hiện tượng được cảm biến có thể là tĩnh hoặc động tùy thuộc vào chức
năng mạng, ví dụ: mang tính động trong việc phát hiện và theo dấu đối tượng, mang
tính tĩnh như giám sát rừng để cảnh báo cháy. Việc theo dõi các sự kiện tĩnh cho phép
mạng hoạt động ở chế độ phản ứng, đơn giản là tạo kết nối khi báo cáo. Các sự kiện
động yêu cầu cần có báo cáo theo chu kỳ.

Trang 17/68


Thiết bị truyền tải: Các vấn đề cơ bản liên quan tới kênh truyền dẫn không dây như
suy giảm tín hiệu, tỷ lệ lỗi caov.v. có thể ảnh hưởng tới hoạt động của mạng không
dây. Thông thường, băng thông yêu cầu cho dữ liệu cảm biến là nhỏ, từ khoảng 1100kb/s.
Sự gộp dữ liệu: Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các gói tin giống
nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp cho số lượng các giao tiếp có thể giảm
xuống. Gộp dữ liệu là việc kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dựa trên hàm gộp
nhất định. VD: lược bỏ trùng, cực đại, cực tiểu hay trung bình. Kĩ thuật này được sử
dụng để tận dụng hiệu quả năng lượng và tinh chỉnh việc truyền tải dữ liệu trong một
số các giao thức định tuyến.

Chất lượng dịch vụ: Với một số ứng dụng, dữ liệu cần được chuyển tới trong một
khoảng thời gian xác định kể từ khi thu nhận được nếu không dữ liệu đó sẽ là vô nghĩa.
Do vậy độ trễ giới hạn cho việc truyền tải dữ liệu có thể trở thành một tham số trong
bài toán định tuyến.

Trang 18/68


Sensor Node

Base Station
Hình 1.3 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

1.2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến
Với các điểm khác biệt về giới hạn năng lượng, khả năng truyền tải và tỉ lệ lỗi
giữa mạng cảm biến không dây và mạng cảm biến truyền thống, một số lượng không
nhỏ các giao thức định tuyến đã được đề xuất để giải quyết các thách thức định tuyến
đặt ra bởi các đặc điểm của mạng cảm biến. Theo cách phân chia theo cấu trúc mạng,
các thuật toán định tuyến chia ra làm các loại: định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp,
định tuyến theo vị trí.
Trang 19/68


 Định tuyến phẳng: được thiết kế cho mạng với các nút cảm biến đồng nhất. Có
cùng khả năng truyền tải và khả năng xử lý và các nút giữ vai trò trong quá trình
định tuyến như nhau. Direct Diffusion, Sensor Protocols for Information via
Negotiation(SPIN), Rumor Routing và Energy-Aware Routing (EAR) v.v.được
xếp vào loại giao thức này. Với cấu trúc mạng đơn giản của định tuyến phẳng,
họ giao thức này cho thấy một số ưu điểm như là giảm số bản tin điều khiển sử
dụng, có khả năng tìm kiếm đa tuyến đường.

-

Ưu điểm: Hoạt động giao thức đơn giản và giảm số lượng bản tin điều
khiển sử dụng.

-

Nhược điểm: Không có khả năng tối ưu tuyến đường cũng như không
đảm bảo dữ liệu đến được trạm gốc.

 Định tuyến phân cấp: được đưa ra với mục tiêu tăng cường khả năng thích nghi
và tiết kiệm năng lượng cho mạng thông qua việc phân nhóm các nút cảm biến.
Trong nhóm giao thức này, các giao thức sẽ được phân thành các nhóm và một
nút với nhiều tài nguyên trong mỗi nhóm sẽ giữ vai trò làm nhóm trưởng. Mỗi
nhóm trưởng chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu nhận được từ các thành viên trong
nhóm, giao tiếp với các nhóm trưởng khác và với điểm thu nhận dữ liệu. Ngược
lại, tất cả các nút thành viên trong nhóm thực hiện cảm biến môi trường và
chuyển dữ liệu thu thập được tới nhóm trưởng. Cách tiếp cận này tuy tăng khả
năng thích nghi cho mạng tuy nhiên hoạt động phân nhóm và thay thế nhóm
trưởng (với mục tiêu phân phối đều năng lượng) làm tăng số lượng bản tin điều
khiển phải sử dụng. Một số các giao thức phân nhóm điển hình là ThresholdSensitive Energy-Efficient Sensor Network Protocol (TEEN), Adaptive Periodic
Threshold Sensitive Energy - Efficient Sensor Network Protocol (APTEEN),
Low - Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH), Power-Efficient
Gatheringin Sensor Information Systems (PEGASIS) v.v.

Trang 20/68


-

Ưu điểm: Tiết kiệm và cân bằng năng lượng, khả năng mở rộng cao,
giảm dư thừa dữ liệu.

-

Nhược điểm: Quá trình định tuyến phức tạp, số lượng bản tin điều khiển
nhiều.

 Định tuyến theo vị trí: là họ giao thức sử dụng vị trí chính xác của nút cảm biến
để chọn tuyến đường. Vị trí địa lý của nút cảm biến có thể được lấy trực tiếp sử
dụng thiết bị định vị GPS hoặc gián tiếp thông qua trao đổi dữ liệu về cường độ
tín hiệu nhận được ở mỗi nút. Tuy nhiên, do việc định vị đòi hỏi thiết bị phần
cứng chuyên biệt và làm gia tăng chi phí tính toán cho nút cảm biến, cách tiếp
cận này không thực sự dễ dàng thực hiện do giới hạn về tài nguyên trong mạng
cảm biến. Qua các phân tích trên có thể rút ra một số kết luận về các loại hình
giao thức định tuyến này.
-

Ưu điểm: Đạt độ chính xác cao trong việc chọn tuyến đường.

-

Nhược điểm: Khả năng ứng dụng thực tế với quy mô lớn là không cao do
chi phí module định vị cùng với đó là vấn đề về tiêu thụ năng lượng cho
xác định vị trí.

1.3 Truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây[1]
Mạng cảm biến không dây là mạng lưới các thiết bị nhỏ bao gồm cả hai khả năng
cảm biến và giao tiếp với nhau. Ngày nay nhiều nền tảng phần cứng mạng cảm biến
như MICAZ, Telos v.v. có khả năng giao tiếp ở các kênh khác nhau. Truyền thông đa

kênh là khả năng các cảm biến có thể giao tiếp với nhau trên nhiều tần số nhằm mục
đích làm giảm nhiễu, tăng băng thông, giảm thời gian truyền tin, tăng hiệu năng mạng.
Tuy nhiên vấn đề truyền thông đa kênh cũng gặp phải một số vấn đề cần phải giải
quyết như: định tuyến, chồng kênh, chuyển kênh, và phối hợp các kênh truyền.

Trang 21/68


1.3.1 Các thách thức của truyền đa kênh.
Như đã nói ở trên truyền thông đa kênh là một phương pháp hiệu quả để giảm ảnh
hưởng của nhiễu và tăng khả năng truyền song song đồng thời trên cùng một miền
không gian, do đó làm tăng hiệu năng của mạng. Tuy nhiên, cũng có những khó khăn
tồn tại trong phương pháp truyền đa kênh cần được xem xét.
 Chồng kênh: Các nghiên cứu về truyền thông đa kênh thường giả sử là các kênh
hoàn toàn trực giao hoặc xem như chỉ sử dụng các kênh trực giao. Tuy nhiên
việc chỉ sử dụng các kênh trực giao không thể tận dụng tần số một cách hiệu
quả. Các kênh chồng nhau nếu được sử dụng hợp lý với mức nhiễu chấp nhận
được có thể giúp tăng hiệu năng của mạng. Do đó, ta không nên bỏ qua chồng
kênh và nhiễu kênh kề nhau khi thiết kế giao thức đa kênh.
 Chuyển kênh: Lợi ích cơ bản của truyền thông đa kênh là các nút có thể điều
chỉnh bộ phát sóng của nó sang kênh khác và chuyển đổi động giữa các kênh bất
kỳ khi nào thấy nhiễu trên một kênh nào đó làm giảm hiệu năng truyền thông.
Ngoại trừ chiến lược phân kênh cố định, chiến lược phân kênh bán tự động và tự
động cho phép các nút chuyển bộ thu phát sóng giữa các kênh khác nhau. Tuy
nhiên, các bộ thu phát sóng thường không thể chuyển giữa các kênh một cách
lập tức mà mất một khoảng thời gian, ví dụ, khoảng 200µs với bộ thu phát
CC2420 sử dụng trong WSNs. Nhất là các giao thức mà cho phép chuyển kênh
quá thường xuyên có thể chịu chi phí của thời gian chuyển kênh. Tuy nhiên,
điều này phụ thuộc rất nhiều vào phần cứng được sử dụng và chi phí có thể
được giảm bằng việc kéo dài khoảng thời gian của pha trao đổi dữ liệu một khi

một kênh đã được chọn giữa 2 điểm. Cho nên, khi thiết kế giao thức truyền
thông đa kênh, ta nên tính đến tác động của trễ chuyển kênh.
 Phối hợp kênh: Nếu việc phân kênh được thực hiện động, ví dụ các bộ thu phát
sóng chuyển giữa các kênh thay vì là một kênh cố định, một sự phối hợp chi tiết

Trang 22/68


của việc chuyển kênh được yêu cầu giữa bên gửi và bên nhận để có cùng kênh
tại một thời điểm. Ngay cả nếu các nút có nhiều bộ thu phát, nếu số kênh được
sử dụng lớn hơn số bộ thu phát sẵn có trên nút, điều này gây ra một chuỗi các
vấn đề trong phối hợp kênh.
o Bài toán ẩn thiết bị đầu cuối đa kênh: Bài toán này được liên kết với
giao thức dựa trên CSMA/CA nơi mà cơ chế RTS/CTS (request to
send/clear to send) được sử dụng. Nó xảy ra khi gói tin điều khiển
(RTS/CTS) được gửi trên một kênh nhất định không thể được nhận
bởi các nút đang truyền trên các kênh khác. Các nút sẽ mất các gói tin
điều khiển, bắt đầu truyền các gói tin điều khiển trên kênh của đích
đến dẫn đến xung đột.
o Bài toán điếc: bài toán điếc cũng liên quan đến các giao thức dựa trên
RTS/CTS. Vấn đề xảy ra khi một bộ truyền gửi gói tin điều khiển để
khởi đầu quá trình truyền và đích được điều chỉnh ở một kênh khác.
Sau khi gửi nhiều yêu cầu, nếu người truyền không nhận được bất kỳ
trả lời nào nó có thể kết luận rằng bên nhận là không thể truy cập
được.
o Hỗ trợ quảng bá: Khi các nút đang chuyển động giữa các kênh, nó có
thể không chắc để hỗ trợ quảng bá thành công.
o Phân mảnh mạng: Nếu các bộ truyền của 2 nút gần nhau được cố
định ở tần số khác nhau, chúng không thể truyền thông với nhau.
o Mở rộng mạng: Bài toán này có thể xảy ra cả với phân kênh tĩnh và

phân kênh động. Nếu một nút mới có ý định tham gia vào mạng, nó
nó có thể phá vỡ sự tổ chức kênh đã được khởi tạo hoặc có thể yêu
cầu quét toàn bộ kênh để tìm một kênh phù hợp để truyền và đó là
nguyên nhân tiêu thụ nhiều năng lượng  cần phải xây dựng một

Trang 23/68


phương pháp định tuyến để làm giảm thời gian tìm đường của các gói
tin.
Có nhiều phướng pháp định tuyến được áp dụng trong mạng cảm biến không dây,
trong nội dung luận văn em lựa chọn phương pháp định tuyến phân cấp theo sự kiện vì
định tuyến phân cấp theo sự kiện có một số ưu điển: Tiết kiệm và cân bằng năng lượng,
khả năng mở rộng cao, giảm dư thừa dữ liệu.

1.3.2 Truyền thông đa kênh trong mạng cảm biến không dây
Các giao thức truyền đa kênh trong mạng cảm biến không dây đều có tác dụng cải
thiện công suất, giảm thời gian phân phối dữ liệu, giảm nhiễu nhờ tăng khả năng truyền
song song, khai thác nhiều kênh truyền. Các giao thức đa kênh có thể được phân loại
theo phương pháp gán tần số: gán tần số cố định cho từng vùng, bán động thay đổi tần
số khi cần thiết hoặc hoàn toàn động trong mỗi phiên truyền. Phương pháp cố định có
ưu điểm là đơn giản, ít thông tin điều khiển tuy nhiên phải chịu vấn đề phân mảnh
mạng, khó mở rộng. Phân kênh bán động giải quyết được vấn đề phân đoạn mạng do
nút có thể chuyển sang kênh tần số khác nhau để truyền thông với các hàng xóm, phân
kênh bán động cần cơ chế phối hợp kênh giữa bên gửi và bên nhận và phải giải quyết
vấn đề ẩn thiết bị đầu cuối và hỗ trợ quảng bá. Trong phân kênh động mọi trao đổi
được thực hiện sau khi chọn kênh, phân kênh động cũng cần phối hợp chặt chẽ giữa
bên gửi và nhận, giải quyết các vấn đề về ẩn thiết bị đầu cuối và hỗ trợ quảng bá.
Đã có nhiều giao thức đa kênh cho mạng cảm biến không dây được nghiên cứu,
phát triển. Tuy nhiên chúng không áp dụng được trong lĩnh vực WSN do giới hạn về

năng lượng và khả năng tính toán của các cảm biến. Gần đây, một số giao thức MAC
đa kênh cho WSNs đã được giới thiệu:
 Multifrequency Medium Access Control (MMSN)[9] được đưa ra bởi
G.Zhou. MMSN cho phép người dùng chọn 1 trong 4 chiến lược cấp phát

Trang 24/68


tần số để đáp ứng các yều cầu khác nhau, như mối quan hệ giữa số kênh tần
số và sô nút trong phạm vi 2 nút, chi phí truyền và tiết kiệm năng lượng.
 Tree-based Multi-Channel Protocol (TMCP) [10] phối hợp việc gán kênh và
việc xây dựng cây định tuyến để khai thác truyền song song giữa các cây
con. Tác giả đề xuất phương pháp phỏng đoán tập trung để phân chia mạng
thành các cây con, mỗi cây được gán một tần số khác nhau để giảm thiểu
nhiễu giữa các cây con. Tranh chấp trên mỗi cây con không được giải quyết
do các nút hoạt động trên cùng tần số. TMCP được thiết kế cho kiểu lưu
lượng hội tụ.
 SMC MAC [8]: được đề xuất bởi Ramakrishnan, giao thức dựa vào một
kênh điều khiển dành riêng. Giao thức sử dụng một kênh điều khiển và 8
kênh truyền thông khác. Các nút truyền thông và đàm phán kênh truyền
thông được sử dụng trên kênh điều khiển dành riêng. Việc đàm phán được
thực hiện qua bản tin RTS/CTS.
 Multi-channel clustered LMAC [11]: là giao thức dựa trên lập lịch ở đó các
nút được gán các khe thời gian theo đa kênh để truy cập môi trường. Bên
cạnh những ưu điểm, LMAC hoạt động phụ thuộc vào số khe thời gian và
mật độ hàng xóm. Khi tất cả các khe thời gian bị hết, nút có thể không truy
cập được môi trường.
 IMMAC [12]: an interference-aware multichannel media access control
protocol. IMMAC phân kênh theo cơ sở bên nhận. Giao thức gán kênh sử
dụng phương pháp tô màu 2 hop. Sau quá trình phân kênh ban đầu, nếu một

kênh trở nên chồng lấn, giao thức sử dụng chương trình hiệu chỉnh để
chuyển một số nút sang kênh ít xung đột hơn.
 Hybird MAC [13]: là một giao thức đa kênh sử dụng kết hợp TDMA và
FDMA. Khe thời gian và tần số được gán theo thuật toán tìm kiếm theo

Trang 25/68