Tìm hiểu các phương pháp định tuyến tập trung dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.79 MB, 109 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------
NGUYỄN THANH LÂM
TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐỊNH TUYẾN TẬP TRUNG DỮ LIỆU TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG THỊ DIỆU LINH
HÀ NỘI, 2010
LI CM N
Để hoàn thành luận văn này tôi đã nhận đợc
sự giúp đỡ của nhiều tổ chức, cá nhân.
Trớc hết tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân
thành nhất tới TS Trơng Thị Diệu Linh Giảng viên Bộ
môn Truyền thông và mạng máy tính Viện công nghệ
thông tin và truyền thông thuộc Trờng đại học bách
khoa Hà Nội ngời đã tận tình hớng dẫn tôi nghiên
cứu, chỉnh lý và hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô
giáo trong Viện công nghệ thông tin và truyền thông và
các cán bộ Viện đào tạo sau đại học thuộc Trờng đại
học bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn
thành các thủ tục trong quá trình bảo vệ luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới Bố Mẹ và
gia đình, bạn bè, ngời thân những ngời đã luôn
quan tâm giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành luận văn
này.
Tác giả luận văn: Nguyễn Thanh Lâm
LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Nguyễn Thanh Lâm – cam kết Luận văn tốt nghiệp là công trình
nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Trương Thị Diệu
Linh.
Các kết quả nêu trong Luận văn tốt nghiệp là trung thực, không phải là
sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, tháng 04 năm 2010
Tác giả luận văn
Nguyễn Thanh Lâm
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ......................................... 3
KHÔNG DÂY................................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến.................................................................. 3
1.1.1. Các tham số của mạng cảm biến. ..................................................... 7
1.1.1.1. Giai đoạn tiền triển khai và triển khai. ...................................... 8
1.1.1.2. Giai đoạn sau triển khai. .......................................................... 10
1.1.1.3. Giai đoạn triển khai lại các nốt phụ thêm................................ 10
1.1.2. Kiến trúc mạng cảm biến. .............................................................. 11
1.1.2.1. Tầng vật lý. .............................................................................. 13
1.1.2.2. Tầng liên kết dữ liệu. ............................................................... 13
1.1.2.3. Tầng mạng. .............................................................................. 18
1.1.2.4. Tầng giao vận........................................................................... 27
1.1.2.5. Tầng ứng dụng. ........................................................................ 29
1.1.3. Directed Diffusion.......................................................................... 30
1.2. Tổng quan về mạng cảm biến không dây. ............................................ 37
1.2.1. Giới thiệu........................................................................................ 37
1.2.2. Mạng cảm biến không dây quy mô lớn.......................................... 38
1.2.3. Các thách thức thiết kế. .................................................................. 40
1.2.4. Phần cứng ....................................................................................... 42
1.2.4.1. Các ràng buộc năng lượng không dây. .................................... 42
1.2.4.2. Đặc tả nút cảm biến. ................................................................ 43
1.2.5. Truyền thông không dây. ............................................................... 46
1.2.5.1. Liên kết không dây. ................................................................. 46
1.2.5.2. Chất lượng đường truyền......................................................... 47
1.2.5.3. Tính toán so với Truyền thông. ............................................... 47
1.2.5.4. Định tuyến đa điểm và Short Hops.......................................... 48
1.2.5.5. Định tuyến Multi-hop và Long Hops. ..................................... 49
1.2.5.6. Điều khiển truy cập thiết bị (MAC)......................................... 49
1.2.6. Clustering nhằm làm giảm chi phí truyền thông............................ 49
1.2.6.1. Xử lý In-network ..................................................................... 50
1.2.6.2. Tổng hợp dữ liệu...................................................................... 52
1.2.7. Định tuyến. ..................................................................................... 52
1.2.8. Xử lý truy vấn. ............................................................................... 54
1.2.9. Thiết kế của mạng cảm biến không dây......................................... 55
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TẬP TRUNG DỮ LIỆU
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. ............................................... 57
2.1. Định tuyến tập trung dữ liệu................................................................. 57
2.1.1. Các giao tác one-shot ..................................................................... 57
2.1.2. Các giao tác lặp .............................................................................. 59
2.2. Phương pháp định tuyến Directed Diffusion........................................ 61
2.2.1. Phương pháp đặt tên....................................................................... 62
2.2.2. Interest và Gradient. ....................................................................... 65
2.2.3. Truyền bá dữ liệu. .......................................................................... 70
2.2.4. Tăng cường cho quá trình khởi tạo và lược bớt đường.................. 72
2.2.4.1. Khởi tạo đường bằng cách sử dụng tăng cường khẳng định. .. 72
2.2.4.2. Khởi tạo đường cho đa nguồn và sink. .................................... 74
2.2.4.3. Khôi phục cục bộ các đường lỗi. ............................................. 76
2.2.4.4. Loại bỏ lặp sử dụng tăng cường phủ định. .............................. 78
2.2.5. Ngắt lặp bằng cách sử dụng tăng cường phủ định. ........................ 79
Chương 3. ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRUYỀN TIN
TRỰC TIẾP VÀ CÁC MÔ PHỎNG. ............................................................. 82
3.1. Đánh giá bằng phân tích. ...................................................................... 82
3.1.1. Flooding ......................................................................................... 83
3.1.2. Omniscient Multicast ..................................................................... 84
3.1.3. Directed Diffusion.......................................................................... 86
3.1.4. So sánh ........................................................................................... 87
3.2. Mô phỏng.............................................................................................. 90
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
P2P
: Point-to-Point
ID
: Identification
QoS
: Quality of Service
LAN
: Local Area Network
WLAN
: Wireless LAN
ISM
: Industrial, Scientific and Medical
MHz
: Mega Hertz
GHz
: Giga Hertz
kHz
: kilo Hertz
MAC
: Media Access Control
S-MAC
: Sensor-MAC
B-MAC
: Berkeley-MAC
MANET
: Mobile Ad hoc Network
IEEE
: Institute of Electrical and Electronics Engineers
SMACS
: Self-Organizing Medium Access Control for Sensor
EAR
: Eavesdrop-And-Register
CSMA
: Carrier Sense Multiple Access
CDMA
: Code Division Multiple Access
PA
: Power Available
ME
: Minimum Energy
MH
: Minimum Hop
SPIN
: Sensor protocol for Information via Negotiation
SAR
: Sequential Asignment Routing
LEACH
: Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
TCP
: Tranmission Control Protocol
UDP
: User Datagram Protocol
ESRT
: Event-to-Sink Reliable Transport
SMP
: Sensor Management protocol
TADAP
: Task Assignment and Data Advertisement Protocol
SQDDP
: Sensor Query and Data Dissemination Protocol
SQTL
: Sensor Query and Tasking Language
GPS
: Global Positioning System
PDA
: Personal Digital Assistant
WSN
: Wireless Sensor Network
MEMS
: Micro-Electro Mechanical System
MIPS
: Million of Instructions Per Second
SRAM
: Static Random Access Memory
Kbps
: Kilobits per second
CMOS
: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
ADC
: Analog-to-Digital Converter
I/O
: Input/Output
UART
: Universal Asynchronous Receiver/Transmiter
RAM
: Random Access Memory
SNR
: Signal to Noise Ratio
RF
: Radio Frequency
SQL
: Structure Query Language
ACQUIRE
: Active Query forwarding In sensoR nEtworks
NS
:
Network
Simulator
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Dải tần số dành cho các ứng dụng ISM........................................... 11
Bảng 1.2. Phân loại các giao thức MAC......................................................... 14
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Giám sát chiến trường. ....................................................................... 6
Hình 1.2 Sơ đồ mạng cảm biến. ........................................................................ 9
Hình 1.3 Giao thức mạng cảm biến. ............................................................... 13
Hình 1.4. Phân loại các mô hình MAC ........................................................... 14
Hình 1.5 Định tuyến multihop vì giới hạn phạm vi truyền tín hiệu................ 19
Hình 1.6. Quảng bá interest (có kẻ địch trong địa bàn không?) và quảng cáo
(có kẻ địch trong địa bàn)................................................................................ 21
Hình 1.7. Tổng hợp dữ liệu. ............................................................................ 22
Hình 1.8. Data funneling: (a) giai đoạn khởi tạo; (b) giai đoạn truyền dữ liệu.
......................................................................................................................... 24
Hình 1.9. Ví dụ về truyền bá trực tiếp: (a) truyền interest, (b) thiết lập dải
gradient và (c) gửi dữ liệu. .............................................................................. 27
Hình 1.10 ESRT .............................................................................................. 28
Hình 1.11 Diffusion: (a) khởi tạo gradient; (b) tăng cường; (c) đa nguồn; (d)
đa sink; và (e) khôi phục. ................................................................................ 35
Hình 1.12: WSN: Sink được biểu diễn bằng các ăng ten ở các góc. Các thiết
bị di động truy cập tới mạng qua các sink. Các mote là các chấm trắng nhỏ,
trong khi các nút relay là các hình vuông trắng. ............................................. 40
Hình 1.13 Cảm biến MICA2........................................................................... 44
Hình 1.14 Cảm biến MICA2DOT................................................................... 44
Hình 1.15 Cảm biến Spec đặt bên cạnh đầu bút bi ......................................... 44
Hình 1.16 Cảm biến Java SunSpot.................................................................. 45
Hình 1.17 Mạng bên trái: gói tin được định tuyến bởi đường đi ngắn nhất tới
sink. Mạng bên phải: gói tin được định tuyến bằng tổng hợp dữ liệu ............ 51
Hình 2.1 Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN ............................................. 58
Hình 2.1 Ngữ nghĩa đơn giản hóa cho Directied Diffusion............................ 64
Hình 2.2 Thiết lập gradient ............................................................................. 68
Hình 2.3 Gradient sau khi sink tăng cường đường có độ trễ nhỏ nhất ........... 74
Hình 2.4 Gradient sau khi tăng cường, đa nguồn ........................................... 75
Hình 2.5 Gradient sau khi tăng cường, đa sink............................................... 76
Hình 2.6 Gradient sau khi khôi phục cục bộ gây ra bởi sự cắt giảm chất lượng
kết nối .............................................................................................................. 77
Hình 2.7 Gradient sau nhiều vòng tăng cường, đa đường .............................. 77
Hình 2.8 Tăng cường phủ định để ngắt lặp..................................................... 79
Hình 3.1 Một ví dụ về lưới hình vuông. ......................................................... 83
Hình 3.2 Tác động của nhiều tham số............................................................. 90
Hình 3.3 Hai ngôn ngữ và bộ liên kết trong NS ............................................. 91
Hình 3.4 Ví dụ về công cụ đồ họa NAM trong NS......................................... 92
Hình 3.5 Thống kê trích chọn từ tệp vết mô phỏng bằng công cụ TraceGraph
......................................................................................................................... 94
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, mạng cảm biến nói chung và mạng cảm biến không dây nói
riêng đang dần trở nên quan trọng đối với nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Nó
khắc phục được một số nhược điểm của các mạng truyền thống là có thể triển
khai được ở những nơi có địa hình hiểm trở, phức tạp, hoặc có tính di động
cao.
Ở những nước công nghiệp phát triển, việc ứng dụng mạng cảm biến
không dây đã trở nên phổ biến trong các lĩnh vực như phát triển nông, lâm
nghiệp, hỗ trợ y học, nghiên cứu về môi trường, dự báo các thảm họa động
đất, núi lửa, ứng dụng trong lĩnh vực quân sự… Tuy nhiên, ở Việt Nam, mạng
cảm biến không dây chưa được ứng dụng nhiều bởi giá cả đối với các thiết bị
cảm biến không dây còn cao và trình độ công nghệ của nước ta còn tương đối
thấp so với các nước công nghiệp phát triển. Mặc dù vậy, theo xu hướng phát
triển chung của công nghệ, tác giả luận văn nhận thấy rằng tương lai mạng
cảm biến không dây cũng sẽ được phát triển mạnh tại Việt Nam. Do đó,
những nghiên cứu có giá trị về mô hình mạng này là rất cần thiết, và tác giả
luận văn đã lựa chọn hướng nghiên cứu này.
Đã có rất nhiều nghiên cứu ở nước ngoài về mạng cảm biến không dây,
trong đó tập trung chủ yếu về các vấn đề định tuyến dữ liệu nhằm làm tăng
hiệu năng của hệ thống cũng như tiết kiệm được năng lượng tiêu thụ của các
nốt cảm biến và giúp làm tăng tuổi thọ của mạng cảm biến không dây. Riêng
về vấn đề định tuyến, đã có nhiều nghiên cứu đề xuất và chứng minh được
tính đúng đắn. Có rất nhiều giao thức định tuyến dành cho mạng cảm biến
không dây và một nhóm trong số đó là nhóm các phương thức định tuyến tập
trung dữ liệu (Data-Centric Routing). Nổi bật trong nhóm giao thức này là
2
giao thức định tuyến Directed Diffusion với nhiều tính năng ưu việt. Và tác
giả luận văn, với sự hướng dẫn của TS. Trương Thị Diệu Linh, đã quyết định
lựa chọn hướng nghiên cứu về phương thức định tuyến này, đồng thời đưa ra
một số kết quả mô phỏng chứng minh được tính ưu việt của thuật toán này.
2. Mục đích nghiên cứu
Qua việc nghiên cứu về mạng cảm biến không dây nói chung và
phương thức định tuyến Directed Diffusion, một điển hình của phương pháp
định tuyến tập trung dữ liệu, sẽ giúp có được cái nhìn tổng quan về mô hình
mạng thế hệ mới này, đồng thời nó sẽ giúp ích cho việc ứng dụng thực tiễn
mạng cảm biến không dây vào trong các lĩnh vực của cuộc sống như y học,
môi trường, quân sự…
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Mạng cảm biến không dây và các phương
pháp định tuyến tập trung dữ liệu.
- Phạm vi nghiên cứu: Một số phương thức định tuyến tập trung dữ
liệu, đặc biệt phương thức Directed Diffusion.
4. Kết cấu của luận văn
Ngoài Phần mở đầu và Phần kết luận, luận văn gồm có ba chương cơ
bản:
-
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
-
Chương 2. Phương pháp định tuyến tập trung dữ liệu trong mạng
cảm biến không dây.
-
Chương 3. Đánh giá phương pháp định tuyến Directed Diffusion
và các mô phỏng.
3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY.
1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến.
Mạng cảm biến là sự kết hợp một số lượng lớn các thiết bị cảm biến
(nút cảm biến) được đặt một cách dày đặc ở bên trong vùng cần quan sát sự
vật, hiện tượng hoặc rất gần với nó. Phần lớn các nút cảm biến được đặt một
cách ngẫu nhiên ở những nơi có địa hình khó tiếp cận hoặc làm giảm thiểu sự
nguy hiểm khi thực hiện quan sát. Điều đó cũng có nghĩa là các giao thức và
thuật toán cho mạng cảm biến phải có khả năng tự-tổ-chức. Tính năng khác
nữa của mạng cảm biến là “sự nỗ lực có tính tương tác” của các nốt cảm biến.
Các nốt cảm biến được thiết kế với một bộ vi xử lý mạch-liền. Thay vì gửi dữ
liệu thô tới nốt có trách nhiệm tổng hợp thông tin, các nốt cảm biến sử dụng
khả năng xử lý của chúng để thực hiện những tính toán đơn giản cục bộ và chỉ
truyền dữ liệu cần thiết dưới dạng đã được xử lý theo từng phần.
Các tính năng mô tả ở trên giúp cho mạng cảm biến có thể được ứng
dụng rộng rãi. Một số lĩnh vực ứng dụng mạng này là: sức khỏe, quân sự và
bảo mật. Ví dụ, dữ liệu sinh học về một bệnh nhân có thể được bác sỹ kiểm
soát từ xa. Nó vừa thuận tiện cho bệnh nhân và cũng cho phép bác sỹ hiểu rõ
hơn về tình trạng sức khỏe hiện tại của bệnh nhân. Mạng cảm biến cũng có
thể được sử dụng để phát hiện các tác tử hóa học lạ trong khí quyển và nguồn
nước. Chúng có thể giúp cho việc xác định loại, sự tập trung và nơi xảy ra ô
nhiễm. Điều cốt lỗi là mạng cảm biến sẽ cung cấp cho người dùng cuối hiểu
rõ hơn về môi trường. Người ta mong đợi trong tương lai các mạng cảm biến
4
không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống, có khi còn
hơn cả máy tính cá nhân hiện nay.
Để hiểu được những mạng cảm biến này và các ứng dụng mạng cảm
biến khác đòi hỏi những công nghệ mạng không dây đặc biệt. Mặc dù nhiều
giao thức và thuật toán đã được đề xuất cho các mạng không dây ad hoc
truyền thống nhưng chúng không hoàn toàn phù hợp với những đặc điểm
riêng và những yêu cầu ứng dụng riêng của mạng cảm biến. Để minh họa cho
điểm này, tôi sẽ liệt kê những sự khác biệt giữa mạng cảm biến và mạng ad
hoc như sau:
-
Nốt cảm biến được lắp đặt dày đặc;
-
Nốt cảm biến dễ bị lỗi;
-
Số nốt cảm biến trong một mạng cảm biến có thể ở “nhiều mức
độ lớn” cao hơn trong mạng ad hoc.
-
Sơ đồ mạng cảm biến thay đổi thường xuyên.
-
Nốt cảm biến chủ yếu sử dụng kiểu truyền thông quảng bá trong
khi phần lớn mạng ad hoc dựa trên truyền thông điểm-điểm (P2P).
-
Nốt cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng tính
toán và bộ nhớ.
-
Nốt cảm biến có thể không có định danh (ID) toàn cầu bởi số
lượng lớn overhead và số lượng lớn các cảm biến.
Một trong những ràng buộc quan trọng nhất trên các nốt cảm biến là
yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp. Nốt cảm biến có nguồn năng lượng giới
hạn, thường không thay thế được. Do đó, trong khi mạng truyền thống đạt
được QoS cao, các giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu đến sự
bảo tồn năng lượng. Chúng phải được sản xuất bằng các kỹ thuật trade-off
giúp người dùng cuối lựa chọn sao cho có thể kéo dài tuổi thọ của mạng với
chi phí thấp hoặc độ trễ truyền dữ liệu cao.
5
Mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến như địa chấn, mức
từ trường lấy mẫu thấp, luồng không khí nóng, thị giác, hồng ngoại, âm thanh
và radar. Những cảm biến này có thể theo dõi một khoảng lớn khác nhau
những điều kiện xung quanh bao gồm các tính chất hiện tại như tốc độ, hướng
và kích thước của một đối tượng, nhiệt độ, độ ẩm, sự di chuyển của phương
tiện giao thông, điều kiện ánh sáng, áp suất, mức độ ô nhiễm, độ ồn, sự xuất
hiện hoặc vắng mặt của các loại đối tượng nhất định, độ căng kỹ thuật của các
đối tượng được gắn vào, v.v…
Các nốt cảm biến có thể được sử dụng cho khả năng cảm biến liên tục,
phát hiện sự kiện, định danh sự kiện, cảm biến vị trí, và điều khiển cục bộ của
các bộ kích thích cảm biến. Khái niệm “vi- cảm biến” và kết nối không dây
của những nốt này hứa hẹn nhiều lĩnh vực ứng dụng mới. Thường những ứng
dụng này được phân loại thành các lĩnh vực quân sự, môi trường, sức khỏe,
gia đình và các lĩnh vực thương mại khác. Ngoài ra còn có thể kể đến một số
lĩnh vực như khám phá vũ trụ, xử lý hóa học và giảm bớt thiên tai.
Các mạng cảm biến không dây có thể là một phần không thể thiếu
trong các hệ thống chỉ huy, điều khiển, truyền thông, tính toán, tin tức tình
báo, giám sát, do thám và tìm mục tiêu của lĩnh vực quân sự. Chúng được sử
dụng để theo dõi các lực lượng đồng minh, thiết bị, đạn dược và giám sát
chiến trường (Hình 1.1). Các mạng cảm biến có thể được triển khai tại những
nơi có địa hình xấu, và một số tin tức tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời về
các lực lượng và địa hình của đối phương có thể được truyền tải về trong thời
gian tính bằng phút trước khi lực lượng đối lập có thể ngăn chặn được chúng.
Mạng cảm biến cũng có thể được tích hợp vào các hệ thống định hướng của
đầu đạn thông minh (vũ khí đạn đạo).
Mạng cảm biến được triển khai tại vùng đồng minh và được sử dụng
như một hệ thống cảnh báo hóa học, sinh học có thể cung cấp cho các lực
6
lượng đồng minh thời gian hành động chính xác làm giảm thiểu số lượng
thương vong. Các ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm kiểm
soát sự di chuyển của các loài chim, động vật nhỏ và côn trùng; giám sát các
điều kiện môi trường ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; thiết bị đo đạc
tích hợp cho việc giám sát Trái đất và khám phá các hành tinh; phát hiện
hóa/sinh học; sự chính xác trong nông nghiệp; sinh học, theo dõi Trái đất và
môi trường nước biển, đất và khí quyển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí
tượng học, địa lý học; phát hiện lũ lụt; nghiên cứu sự ô nhiễm.
Hình 1.1 Giám sát chiến trường.
Các ứng dụng về sức khỏe của mạng cảm biến là cung cấp các phương
thức cho việc giám sát bệnh nhân tàn tật, chẩn đoán, quản lý thuốc trong bệnh
viện, theo dõi sự di chuyển và xử lý ngay từ bên trong các loài côn trùng hoặc
7
động vật nhỏ, theo dõi từ xa dữ liệu sinh học người, kiểm tra giám sát bác sỹ
và bệnh nhân trong bệnh viện.
1.1.1. Các tham số của mạng cảm biến.
Thiết kế của mạng cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiều tham số, bao gồm
tính chịu lỗi, khả năng mở rộng, giá thành sản phẩm, môi trường vận hành, sơ
đồ mạng cảm biến, ràng buộc phần cứng, thiết bị truyền và sự tiêu thụ năng
lượng. Sự hỏng hóc của nốt cảm biến phải không ảnh hưởng đến công việc
chung của cả mạng cảm biến. Đây là vấn đề độ tin cậy và tính chịu lỗi. Tính
chịu lỗi là khả năng đảm bảo được các chức năng của mạng cảm biến mà
không bị ngắt quãng khi có lỗi xảy ra ở các nốt cảm biến.
Có thể thiết kế các giao thức và thuật toán để giải quyết mức độ chịu lỗi
theo yêu cầu của các mạng cảm biến. Nếu môi trường mà các nốt cảm biến
được triển khai có ít nhiễu, thì các giao thức có thể là “nhẹ nhàng” hơn. Ví dụ,
nếu các nốt cảm biến đang được triển khai trong một ngôi nhà để theo dõi độ
ẩm và nhiệt độ, thì yêu cầu về tính chịu lỗi có thể là rất thấp vì loại mạng cảm
biến này không dễ gì bị hư hỏng hoặc bị nhiễu gây ra bởi nhiễu môi trường.
Ngược lại, nếu các nốt cảm biến được triển khai trong một cuộc chiến để do
thám và phát hiện, thì tính chịu lỗi phải rất cao vì dữ liệu do thám là rất quan
trọng và các nốt cảm biến có thể bị phá hủy bởi các hoạt động thù địch. Kết
quả là, mức chịu lỗi phụ thuộc vào ứng dụng của các mạng cảm biến, và các
mô hình phải được triển khai với lưu ý này. Số các nốt cảm biến triển khai để
nghiên cứu một hiện tượng có thể lên đến hàng trăm hoặc hàng nghìn. Các
mạng phải có khả năng làm việc với số lượng lớn nốt này. Mật độ có thể từ
vài nốt cảm biến đến vài trăm nốt cảm biến trong một vùng có đường kính có
thể nhỏ hơn 10m. Mật độ nốt cảm biến phụ thuộc vào ứng dụng mà nó được
triển khai. Với ứng dụng chẩn đoán máy, mật độ nốt là khoảng 300 nốt cảm
8
biến trong một vùng 5 x 5 m2, và mật độ cho ứng dụng theo dõi xe cộ là
khoảng 10 nốt cảm biến trong một vùng. Trong một số trường hợp, mật độ có
thể rất cao, lên tới 20 nốt cảm biến /m3. Một gia đình có thể có tới 2 tá dụng
cụ gia đình chứa các nốt cảm biến, nhưng số này sẽ còn tăng nếu các nốt cảm
biến được nhúng vào đồ gia dụng và các sản phẩm khác. Với ứng dụng giám
sát môi trường sống, số nốt cảm biến có thể từ 25 đến 100 trên một vùng. Mật
độ sẽ tăng khủng khiếp khi một người thông thường có tới hàng trăm nốt cảm
biến, khi được nhúng vào mắt kính, quần áo, giày, đồng hồ, trang sức và trên
thân thể, ngồi trong một sân vận động để xem bóng chày, bóng đá hoặc bóng
bầu dục.
Xét cho cùng, giá của mỗi nốt cảm biến phải giữ ở mức thấp. Công
nghệ state-of-the-art cho phép một hệ radio Bluetooth có giá thấp hơn 10
USD. Tương tự như vậy, giá của một PicoNode là nhỏ hơn 1USD. Giá mục
tiêu của một nốt cảm biến có thể phải nhỏ hơn 1USD thì mạng cảm biến mới
được gọi là khả thi. Giá của một BlueTooth radio, được xem là một thiết bị có
giá thấp, vẫn đắt gấp 10 lần so với giá mục tiêu cho một nốt cảm biến. Chú ý
rằng một nốt cảm biến còn có một số phụ kiện nữa, như bộ cảm biến và bộ xử
lý. Ngoài ra, nó có thể được trang bị với một hệ định vị, bộ chuyển động hoặc
bộ tái tạo nguồn tùy thuộc vào các ứng dụng của các mạng cảm biến. Kết quả
là, giá của một nốt cảm biến là một vấn đề thách thức rất lớn.
Một mạng cảm biến mô phỏng như trong Hình 1.2 được triển khai với
số lượng lớn các nốt cảm biến với mật độ dày đặc đòi hỏi phải được xử lý cẩn
thận mới có thể quản lý được chúng. Các vấn đề liên quan đến duy trì, bảo
dưỡng và thay đổi mô hình có thể được phân chia thành ba giai đoạn.
1.1.1.1. Giai đoạn tiền triển khai và triển khai.
9
Các nốt cảm biến có thể hoặc được “quăng lộn xộn” hoặc được đặt cẩn
thận từng cái một vào vùng cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng cách
thả từ một máy bay, rải bằng đạn pháo, tên lửa hoặc đầu đạn tên lửa, ném bởi
máy bắn đá (từ một con tàu…), đặt trong nhà máy hoặc đặt từng cái một bởi
robot hoặc con người. Mặc dù số lượng tuyệt đối các cảm biến và việc triển
khai không được giám sát của chúng thường ngăn việc đặt chúng theo một kế
hoạch triển khai một cách cẩn thận bằng máy móc, các mô hình cho triển khai
ban đầu phải giảm được chi phí “cài đặt”, loại bỏ sự cần thiết cho bất kỳ việc
tổ chức trước và lập kế hoạch trước nào, làm tăng tính mềm dẻo của việc sắp
xếp lại và đẩy mạnh tính tự tổ chức và tính chịu lỗi.
Hình 1.2 Sơ đồ mạng cảm biến.
10
1.1.1.2. Giai đoạn sau triển khai.
Sau khi triển khai, những thay đổi về sơ đồ là do sự thay đổi về vị trí
của các nốt cảm biến, về tính tiếp cận được (vì lỗi, nhiễu, sự di chuyển của
chướng ngại vật…), năng lượng sẵn có, lỗi chức năng và các chi tiết tác vụ.
Các nốt cảm biến có thể được triển khai tĩnh. Tuy nhiên, lỗi hỏng thiết bị là
thường xảy ra vì hết hoặc hỏng nguồn. Cũng có khả năng có các mạng cảm
biến với các nốt di động cao. Do đó, tất cả những nhân tố này gây ra những
thay đổi thường xuyên về sơ đồ mạng cảm biến sau triển khai.
1.1.1.3. Giai đoạn triển khai lại các nốt phụ thêm.
Các nốt cảm biến có thể được triển khai lại tại bất kỳ thời điểm nào để
thay thế các nốt hư hỏng hoặc vì những thay đổi về “task dynamics”. Vì có
thêm những nốt cảm biến mới nên cần phải tổ chức lại mạng. Đối phó với
những thay đổi thường xuyên về sơ đồ mạng trong mạng ad hoc mà có vô số
các nốt và những ràng buộc tiết kiệm năng lượng nghiêm ngặt đòi hỏi những
thuật toán định tuyến đặc biệt.
Trong một mạng cảm biến nhiều điểm (multihop), liên kết giữa các nốt
cảm biến là một thiết bị không dây. Một lựa chọn cho kết nối radio là sử dụng
băng tần công nghiệp, khoa học và y học (ISM), như liệt kê trong Bảng 1.1.
Băng tần này là miễn phí ở nhiều nước trên thế giới.
Một số băng tần loại này đã được sử dụng cho truyền thông trong các
hệ thống đàm thoại cordless và các mạng cục bộ không dây (WLAN). Với các
mạng cảm biến, cần một bộ nhận tín hiệu có kích thước nhỏ, giá thành thấp,
tiêu tốn năng lượng vô cùng thấp. Những ràng buộc phần cứng nhất định và
11
việc cân bằng giữa các yếu tố hiệu quả antenna và tiết kiệm nguồn giới hạn sự
lựa chọn một tần số sóng mang cho bộ thu tín hiệu đó với dải tần số siêu cao.
Ở Châu Âu dùng dải tần 433 MHz ISM còn ở Bắc Mỹ là 915 MHz ISM.
1.1.2. Kiến trúc mạng cảm biến.
Các nốt cảm biến thường được rải vào một vùng cảm biến giống như
trong Hình 1.2. Mỗi nốt cảm biến đã rải này đều có khả năng thu thập thông
tin và gửi lại cho Bộ tập trung (sink) và người dùng cuối. Dữ liệu được gửi lại
người dùng cuối bởi một kiến trúc phi hạ tầng (infrastructureless) đa điểm
(multihop) qua Bộ tập trung, như thể hiện trong Hình 1.2. Bộ tập trung có thể
giao tiếp với Nốt quản lý tác vụ qua Internet hoặc vệ tinh.
Bảng 1.1 Dải tần số dành cho các ứng dụng ISM
Bộ giao thức mà Bộ tập trung và tất cả các nốt cảm biến sử dụng được
thể hiện trong Hình 1.3. Bộ giao thức này kết hợp năng lượng với nhận biết
định tuyến (routing awareness), tích hợp dữ liệu với các giao thức mạng,
12
truyền thông một cách hiệu quả về nguồn năng lượng qua đường truyền
không dây và đẩy mạnh hiệu quả hợp tác giữa các nốt cảm biến. Bộ giao thức
này bao gồm Tầng Ứng dụng, Tầng Giao vận, Tầng mạng, Tầng liên kết dữ
liệu, Tầng vật lý, Quản lý nguồn, Quản lý tính di động và Quản lý tác vụ. Tùy
theo các tác vụ cảm biến mà ta có các loại ứng dụng khác nhau được xây
dựng và sử dụng ở tầng ứng dụng. Tầng giao vận giúp ta duy trì luồng dữ liệu
nếu ứng dụng mạng cảm biến cần nó. Tầng mạng chịu trách nhiệm định tuyến
dữ liệu cung cấp bởi tầng giao vận. Vì môi trường bị nhiễu nhiều và các nốt
cảm biến có thể không cố định, nên giao thức MAC phải thực sự mạnh và có
khả năng làm giảm thiểu xung đột với tín hiệu quảng bá của “láng giềng”.
Tầng vật lý chỉ cần đơn giản nhưng lại cần công nghệ mạnh cho điều biến,
truyền tín hiệu và nhận tín hiệu. Ngoài ra, Quản lý nguồn, tính di động và tác
vụ giúp theo dõi nguồn, sự di chuyển và phân bố tác vụ của các nốt cảm biến.
Những “plane” này giúp các nốt cảm biến sắp xếp, phối hợp tác vụ cảm biến
và làm cho việc tiêu tốn năng lượng tổng thể là ít nhất.
13
Hình 1.3 Giao thức mạng cảm biến.
1.1.2.1. Tầng vật lý.
Tầng vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, sinh tần số mang, phát
hiện tín hiệu, điều biến và mã hóa dữ liệu. Lựa chọn được mô hình điều biến
tốt là rất quan trọng cho truyền thông đảm bảo tính tin cậy trong một mạng
cảm biến. Các mô hình điều biến Nhị phân và M-ary được Shih giới thiệu
trong nghiên cứu [RF01]. Trong khi mô hình M-ary có thể làm giảm phát tín
hiệu đúng giờ bằng cách gửi nhiều bít cho một mẫu, nó đòi hỏi một mạch
phức tạp và làm tăng sự tiêu thụ năng lượng phát sóng radio. Shih kết luận
rằng dưới những điều kiện có ưu thế ngồn khởi động thì mô hình điều biến
Nhị phân hiệu quả hơn về mặt tiết kiệm năng lượng. Do đó, điều biến M-ary
chỉ được dùng trong những hệ thống nguồn khởi động thấp.
1.1.2.2. Tầng liên kết dữ liệu.
Tầng liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép kênh các luồng dữ liệu,
phát hiện frame dữ liệu, điều khiển truy cập thiết bị là điều khiển lỗi.
a. Điều khiển truy cập thiết bị (MAC).
Giao thức MAC trong một mạng cảm biến không dây tự-tổ-chức
multihop phải đạt được hai tiêu chuẩn. Thứ nhất là việc tạo kiến trúc mạng. Vì
hàng ngàn nốt cảm biến được rải dày đặc trong vùng cảm biến, nên mô hình
MAC phải thiết lập các kết nối truyền thông để truyền dữ liệu. Nó tạo nên
kiến trúc căn bản cần thiết cho truyền thông không dây điểm-nối-điểm và tạo
cho mạng cảm biến khả năng tự-tổ-chức. Tiêu chuẩn thứ hai là chia sẻ công
bằng và hiệu quả các tài nguyên truyền thông giữa các nốt cảm biến. Các mô
hình MAC truyền thống được tổng kết và mô tả trong Hình 1.4 và Bảng 1.2.
