Cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp mac và giao thức định tuyến (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Vũ Xuân Thao

CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THÔNG QUA
TIẾP CẬN XUYÊN LỚP MAC VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2017


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Vũ Xuân Thao

CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THÔNG QUA
TIẾP CẬN XUYÊN LỚP MAC VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Hoàng Trọng Minh

HÀ NỘI - 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác. Các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn.
Học viên
Vũ Xuân Thao


ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc tới các thầy
cô của Học viện công nghệ Bưu chính viễn thông, đặc biệt là các thầy cô trong khoa
viễn thông I và khoa đào tạo quốc tế, sau đại học đã dành tri thức, tâm huyết của
mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học
tập tại trường.
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Hoàng Trọng Minh – người đã trực tiếp
hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Nếu không có những lời chỉ
bảo tận tình của thầy thì luận văn này của em sẽ không thể thực hiện được. Một lần
nữa em xin chân thành cảm ơn thầy.
Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ em trong
suốt thời gian qua, để em có thể hoàn thành được luận văn tốt nghiệp của mình.
Trong quá trình luận văn, bước đầu đi vào thực tế, tìm hiểu về lĩnh vực sáng
tạo trong nghiên cứu khoa học, kiến thức của em còn nhiều hạn chế và bản thân còn

nhiều bỡ ngỡ. Do vậy, thiếu sót là điều không thể tránh khỏi. Em rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô để kiến thức của em ngày càng
hoàn thiện hơn.
Sau cùng, em xin kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục
thực hiện sứ mệnh cao cả của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.
Trân trọng.
Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Vũ Xuân Thao


iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ................................................................................................................ i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii
Mục lục ...................................................................................................................... iii
Thuật ngữ viết tắt ........................................................................................................ v
Danh mục hình vẽ .....................................................................................................vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................... 2
1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 2
1.1.1. Định nghĩa ................................................................................................. 2
1.1.2. Động lực phát triển .................................................................................... 2
1.2. Cấu trúc và thành phần của mạng cảm biến không dây ................................... 3
1.2.1. Mô tả hệ thống tổng quát ........................................................................... 3
1.2.2. Nút cảm biến .............................................................................................. 3
1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến................................................ 5
1.3. Các thách thức của mạng cảm biến không dây ................................................ 8
1.3.1. Chi phí thấp................................................................................................ 8

1.3.2. Mức độ khả dụng ....................................................................................... 8
1.3.3. Kiểu mạng .................................................................................................. 9
1.3.4. Bảo mật ...................................................................................................... 9
1.3.5. Trễ bản tin ................................................................................................ 11
1.3.6. Tính di động ............................................................................................. 12
1.3.7. Sử dụng hiệu quả năng lượng .................................................................. 12
1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ...................................................... 13
1.4.1. Giám sát và điều khiển công nghiệp ........................................................ 13
1.4.2. Tự động hóa gia đình và điện dân dụng .................................................. 14
1.4.3. Cảm biến trong quân sự ........................................................................... 15
1.4.4. Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ ............................................... 17
1.4.5. Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh .................................. 17


iv

1.5. Kết luận chương ............................................................................................. 18
Chương 2:

ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA LỚP MAC VÀ GIAO THỨC ĐỊNH

TUYẾN ..................................................................................................................... 19
2.1. Giới thiệu mô hình phân lớp OSI ................................................................... 19
2.2. Các tiêu chuẩn lớp MAC trong WSN ............................................................. 23
2.3. Các giao thức MAC trong WSN ..................................................................... 26
2.3.1. CSMA ....................................................................................................... 26
2.3.2. S-MAC (Sensor - MAC) .......................................................................... 28
2.3.3. T-MAC (Time out - MAC) ...................................................................... 37
2.4. Kết luận chương .............................................................................................. 41
Chương 3: KẾT HỢP GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ LỚP MAC ..................... 42

3.1. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................................. 42
3.1.1. Các đặc điểm thiết kế giao thức định tuyến ............................................. 43
3.1.2. Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến ......................................... 45
3.1.3. Giao thức định tuyến tới trung tâm dữ liệu ............................................. 46
3.1.4 Giao thức định tuyến phân cấp ................................................................. 50
3.1.5 Giao thức dựa trên vị trí ............................................................................ 53
3.2. Giao thức định tuyến xuyên lớp MERLIN .................................................... 55
3.2.1. Tổng quan về MERLIN............................................................................ 55
3.2.2 Thiết kế của giao thức MERLIN ............................................................... 57
3.3. Phân tích và đánh giá hiệu quả giao thức MERLIN ..................................... 66
3.3.1 Giả thiết của mô hình giải tích .................................................................. 66
3.3.2 Giới hạn về số lần truyền lại ..................................................................... 68
3.3.4 Kết quả phân tích ....................................................................................... 71
3.3. Kết luận chương .............................................................................................. 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 76
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 77
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 78


v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật ngữ
viết tắt
CSMA

Nghĩa tiếng Anh
Carrier Sense Multiple
Access

Nghĩa tiếng Việt

Đa truy nhập cảm biến sóng mang

Carrier Sense Multiple

Đa truy nhập nhận biết sóng mang

Access with Collision Detect

phát hiện xung đột

CTS

Clear to Send

Xóa để gửi

GAF

Geographic Adaptive Fidelity

Định tuyến dựa trên vị trí

GBR

Gradient based routing

Định tuyến dựa trên khoảng cách

GPS

Global Possition System

Hệ thống định vị toàn cầu

Global Orbiting Navigation

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ

Satellite System

đạo toàn cầu

Geographic and Energy-

Định tuyến dựa trên vị trí và năng

Aware Routing

lượng

CSMA/CD

GLONSS

GEAR

LEACH

Low energy adaptive

Phân cấp cụm thích ứng với năng

clustering hierarchy

lượng thấp
Giao thức điều khiển thâm nhập

MAC

Message Authentication Code

MIC

Message Integrity Code

Mã toàn vẹn của tin nhắn

QoS

Quality of service

Chất lượng của dịch vụ

RTS

Request to Send

Yêu cầu gửi

SMP

Sensor Management Protocol

Giao thức quản lý cảm biến

môi trường


vi

SPIN

SQDDP
IR

TADAP
TDMA

Sensor Protocol for

Giao thức cảm biến thông tin qua

Information via Negotiation

thương lượng

Sensor Query and Data

Giao thức truy vấn cảm biến và

Dissemination Protocol

phổ biến số liệu

Impulse Radio

Vô tuyến xung

Task Assignment and Data

Giao thức phân nhiệm vụ và

Advertisement Protocol

quảng cáo số liệu

Time division multiple access
Threshold sensitive Energy

TEEN

Efficient sensor Network
protocol

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
Giao thức hiệu quả năng lương

cảm nhận mức ngưỡng

Power-efficient Gathering in

Thu thập năng lượng hiệu quả

Sensor Information Systems

trong hệ thống thông tin cảm biến

UWB

Ultrawideband

Băng tần cực rộng

WSN

Wireless sensor network

Mạng cảm biến không dây

PEGASIS


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây .........................................3
Hình 1.2: Cấu tạo nút cảm biến ...................................................................................4

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến ............................................................5
Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến ...............................................................6
Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ..............................................6
Hình 2.1: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến....................................................19
Hình 2.2: Các vấn đề với CSMA căn bản trong môi trường không dây...................28
Hình 2.3: Lược đồ S-MAC .......................................................................................29
Hình 2.4: Đồng bộ giữa các nút. Hai nút lân cận A, B có lịch khác nhau vì A đồng
bộ với C, B đồng bộ với D. .......................................................................................30
Hình 2.5: Quan hệ định thời giữa các nút nhận và các nút gửi .................................33
Hình 2.6: Ví dụ về việc thực hiện tránh nghe lỏm ....................................................35
Hình 2.7: Lược đồ cơ bản T-MAC với thời gian thức thay đổi ................................37
Hình 3.1: Mô hình truyền dữ liệu giữa sink và các nút.............................................45
Hình 3.2: Cơ chế của SPIN .......................................................................................48
Hình 3.3: Các pha trong Directed Diffusion .............................................................49
Hình 3.4: Phân chia mạng theo các vùng thời gian...................................................56
Hình 3.5: Mô hình dữ liệu hai chiều liên tục giữa node và gateway ........................57
Hình 3.6: Mô hình dữ liệu hai chiều không liên tục giữa node và gateway .............58
Hình 3.7: Cơ chế truyền động tránh va chạm của MERLIN ....................................60
Hình 3.8: Cơ chế cảm nhận đa đường thông qua các nút lân cận .............................64
Hình 3.9: Phân vùng thời gian duy trì trong MERLIN .............................................65
Hình 3.10: Giả thiết vùng thời gian ..........................................................................67
Hình 3.11: Chuyển tiếp đa đường của MERLIN ......................................................68
Hình 3.12: Đường bao ngoài của tất cả các vòng tròn trung tâm .............................69
Hình 3.13: Các vùng I thu được giao nhau giữa các vành khăn ...............................70
Hình 3.14: Các cạnh của các vùng chuyển tiếp I ......................................................70
Hình 3.15: Chiều dài tối đa của vòng cung ...............................................................71


viii

Hình 3.16: Tổng số gói tin truyền trong trường hợp xấu nhất và trung bình............72
Hình 3.17: Tổng số gói tin truyền cho d = 0.99 đối với trường hợp xấu nhất và
không gian trung bình ...............................................................................................73
Hình 3.18: Tác động của d trên tổng số lần truyền ...................................................74


1

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng thông tin máy
tính di động được phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến không
dây – WSN (Wireless Sensor Networks) đã và đang thu hút được sự quan tâm của
rất nhiều nhà khoa học, viện nghiên cứu, tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh và
kinh tế khác nhau trên thế giới.
Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến không dây
(Wireless Sensor Network - WSN) để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó
là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai
không xa, các ứng dụng của WSN sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc
sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải
mạng nào cũng có được. Đặc biệt, khi kịch bản về một thế giới IoT được đưa ra,
việc nghiên cứu về WSN càng trở nên có ý nghĩa.
Tuy nhiên, mạng cảm biến đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một
trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới, hạn khả năng xử lý
thấp, tín hiệu yếu và hoạt động dưới tần số chia sẻ. Hiện nay rất nhiều nhà nghiên
cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của
mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong quá trình tìm hiểu và nghiên
cứu về mạng cảm biến, em đã lựa chọn và tìm hiểu về việc nâng cấp hiệu năng
mạng để khai thác hiệu quả thông qua việc lựa chọn các phương pháp xâm nhập
môi trường MAC phù hợp kết hợp lựa chọn phương pháp định tuyến để được
phương pháp tối ưu nhất, và em quyết định lựa chọn đề tài: “Cải thiện hiệu năng

mạng cảm biến không dây thông qua tiếp cận xuyên lớp MAC và giao thức
định tuyến” để làm luận văn tốt nghiệp.


2

Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Định nghĩa
Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor network - WSN) bao gồm một
tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại
hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán
với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất cứ vùng địa lí nào. WSN có thể thực
hiện liên kết với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu
phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh.

1.1.2. Động lực phát triển
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang
được phát triển cho nhiều các ứng dụng khác nhau: theo dõi sự thay đổi của môi
trường, khí hậu, điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ,…Lợi thế chủ yếu
của chung là khả năng triển khai hầu như trong bất kỳ loại hình địa lý nào kể cả các
môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.
Hơn nữa, với sự tiến bộ của công nghệ và sự hội tụ của hệ thống các công
nghệ như: kỹ thuật vi điện tử, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi
mạch phần cảm ứng, xử lý và tính toán tín hiệu,…làm nền tảng thúc đẩy, tạo ra
những node cảm biến có kích thước nhỏ,đa chức năng, giá thành thấp, công suất
tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm nhận không dây.
Khi nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây, một trong những đặc điểm
quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của node cảm biến hay chính là sự giới

hạn về năng lượng của chúng. Các node cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất
thấp. Các node cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế
được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được


3

các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm nhận phải tập trung vào vấn
đề tiết kiệm năng lượng.

1.2. Cấu trúc và thành phần của mạng cảm biến không dây
1.2.1. Mô tả hệ thống tổng quát
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1.1.
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field). Mỗi nút
cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến
số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các
bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định
tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng
nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu
phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm
điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet
hay vệ tinh (Satellite).

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

1.2.2. Nút cảm biến
Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến gồm 4 thành phần chính:
- Bộ phận cảm biến (Sensing unit): bao gồm cảm biến và bộ phận chuyển
đổitín hiệu tương thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter – ADC).
Bộcảmbiến dựa trên những thông số thu được từ môi trường sản sinh ra tín hiệu

4

tươngtự, những tín hiệu này được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC rồi sau đó
được đưa vào đơn vị xử lý.
- Đơn vị xử lý (Processing unit): thường được kết hợp với một bộ lưu trữ
nhỏ(Storage unit) quản lý các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện
các nhiệm vụ định sẵn.
- Bộ phận truyền nhận (Transceiver unit): kết nối nút với mạng.
- Bộ nguồn (Power Unit): là một trong các thành phần quan trọng nhất của
một nút mạng vì nó cung cấp năng lượng hoạt động cho mọi hoạt động của nút.
Ngoài ra, tùy theo mục đích mà các nút cảm biến có thể được bổ sung them
những thành phần khác như:
- Hệ thống định vị (Location finding System): hầu hết kỹ thuật định tuyến và
những nhiệm vụ cảm biến của mạng đòi hỏi có độ chính xác cao về vị trí thì nút
cảm biến phải được gắn thêm bộ phận này.
- Bộ phận quản lý di động (Mobilizer): tùy thuộc vào ứng dụng mà nút
cảmbiến có thể được trang bị thêm bộ phận này để quản lý chuyển động khi nó
được yêu cầu thực hiện nhiệm vụ định trước.
- Bộ thu phát nguồn (Power Generator): bộ nguồn thường được hỗ trợ bởicác
bộ phận tiếp năng lượng như pin mặt trời.

Hình 1.2: Cấu tạo nút cảm biến


5

Tất cả các bộ phận này được tích hợp trong một mô đun với kích thước nhỏ
chỉ bằng hộp diêm hoặc có khi nhỏ hơn 1cm3 và cần phải thỏa mãn các yêu cầu

như: tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự
hoạt động và thích ứng với sự biến đổi của môi trường.
Những nút cảm biến thường là không tác động được, tuổi thọ của một mạng
cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của những nguồn cung cấp năng lượng. Vì kích
thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến cũng trở thành một tài nguyên khan
hiếm.

1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến
 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất cả các nút đều ngang
hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua
multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định,
các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn
nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu,
vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là
có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến

 Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), các cụm được tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc


6

vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head).
Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một
mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp
nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm biến, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên
cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.5).

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng, do các lý do sau:


7

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm biến bằng việc định vị các
tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các
phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện
tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác
định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao. Thay vào đó, nếu một số lượng lớn
các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm biến, một số lượng nhỏ hơn
các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ
thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần
phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời
gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm biến cần hoạt
động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu
xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức
năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng
sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.

- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút
yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc
phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong
mạng có n nút là

𝑊
√𝑛

, trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi

kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm dần về 0.
- Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc
phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu 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 nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao
tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng
của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm
tăng ít nhất phải nhanh bằng n. Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh
khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp này, dung


8

lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp
xác định là độc lập với nhau.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi
dùng cấu trúc tầng. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về
tìm địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân
bố đến tập con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay
đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào

tân số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất
nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.

1.3. Các thách thức của mạng cảm biến không dây
1.3.1. Chi phí thấp
Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí
sản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi phí
của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm
biến là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ
ở mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn
1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài các thành
phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý,
nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, di
động, tạo năng lượng, v.v... tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Do đó, chi phí sản xuất trở
thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá
thành thấp.

1.3.2. Mức độ khả dụng
Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như các
thẻ hành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng có
mức độ khả dụng cao. Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán và hiệu
quả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không dây
được nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi trong
vùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ) dây


9

truyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng vận hành
trên khắp thế giới. Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử dụng bởi

việc tận dụng các bộ thu nhận GPS hoặc GLONASS trong mỗi node mạng và điều
chỉnh node cách thức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu nhận
thứ hai, cộng thêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để nhận các yêu
cầu khắp thế giới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp này là không tồn
tại. Bởi vậy, cần tận dụng một băng thông đơn có ít, trong các yêu cầu điều luật của
chính phủ từ quốc gia, để tăng cực đại toàn bộ thị trường tiêu thụ cho các mạng cảm
biến không dây.

1.3.3. Kiểu mạng
Một mạng star thông thường tận dụng một thiết bị master đơn và một hoặc
nhiều hơn thiết bị slave có thể thoả mãn nhiều ứng dụng. Bởi vì công suất truyền
dẫn của các thiết bị mạng bị giới hạn bởi các điều luật chính phủ và các công ty
cung cấp nguồn nuôi battery-life, tuy nhiên, thiết kết mạng này sẽ hạn chế phạmvi
vật lý một mạng có thể phục vụ đến phạm vi của một thiết bị đơn (master). Khi
phạm vi bổ xung được yêu cầu, các kiểu mạng hỗ trợ định tuyến multi-hop (ví dụ
các kiểu mesh hoặc cluster) phải được tận dụng; bộ nhớ bổ xung và chi phí tính toán
cho các bảng hoặc thuật toán định tuyến, trong quá trình bổ xung overhead bảo trì
mạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu thụ nguồn. Để được
xác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>256
node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng dụng thẻ báo giá trong
siêu thị).

1.3.4. Bảo mật
Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng:
bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết do
người sử dụng và đặc biệt là người sử dụng tiềm năng. Việc nhận biết bảo mật là
vấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của họ
(hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để nhận.
Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một phiên bản

10

có dây mà ng ười sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các cấp tải
thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận được thông
tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận. Ứng dụng không dây phải
làm việc để chiếmlại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng lớn được yêu cầu
với chi phí thấp hơn.
Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin. Thực tế, trong
nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá không phải là một mục đích bảo mật quan trọng
của các mạng cảm biến không dây. Thường các mục đích bảo mật quan trọng là
đảm bảo rằng nhiều bản tin được nhận không bị sửa đổi theo nhiều con đường từ
người gửi nó với nội dung đó.
Có trường hợp, sự sửa đổi bản tin không đến từ những máy nghe trộm bên
ngoài, ví dụ có thể nguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên. Các yêu cầu
này là một kiểu bảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính
nguyên vẹn của bản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message
Integrity Code) phụ thuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát. Trong
các trường bảo mật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication
Code) nhưng MIC được sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có thể
với lớp MAC của ngăn xếp giao thức OSI. Người thu mong muốn và người gửi chia
sẻ một khoá, nó được sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với người nhận để
phê chuẩn tính nguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi. Để tránh “replay
attacks”, trong một máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và truyền phát lại nó sau
đó, một bộ đếm hoặc bộ định thời bản tin được gộp lại trong trường tính toán MIC.
Trong cách này, không có hai bản tin xác thực - thậm chí chứa cùng dữ liệu - được
nhận dạng.
Về bảo mật, người thiết kế mạng cảm biến không dây gặp phải ba vấn đề khó
khăn:
- Chiều dài MIC, để phù hợp với kế hoạch bảo mật tại mọi nơi, phải được

cân bằng với chiều dài điển hình của dữ liệu được truyền phát, và mong muốn cho
các bản tin được truyền phát ngắn. Dù vậy, một MIC 16-byte (128 bit) thường được


11

đưa ra như một thiết yếu cho hầu hết các hệ thống bảo mật, nó trở nên cồng kềnh
khi dữ liệu bit đơn được truyền đi (ví dụ bật, tắt). Người thiết kế có thể cân bằng các
yêu cầu bảo mật của nhiều người sử dụng với các yêu cầu nguồn thấp của mạng.
Chú ý rằng điều này có thể bao gồm các lựa chọn chiều dài MIC, phù hợp với các
quá trình kết hợp xác nhận bản tin, kiểm tra tính toàn vẹn, và mã hoá - và phải được
thực hiện tự động, giống như một phần của một mạng tự tổ chức.
- Để tối thiểu hoá chi phí các thiết bị mạng, các tính năng bảo mật phải có
khả năng bổ xung với phần cứng rẻ, với một bổ xung tối thiểu các cổng logic,
RAM, và ROM. Thêm nữa, công suất tính toán có sẵn trong hầu hết các thiết bị
mạng là rất giới hạn. Sự kết hợp này của số lượng cổng thấp, các yêu cầu bộ nhớ
nhỏ, và số lượng lệnh thực thi thấp giới hạn các kiểu các thuật toán bảo mật mà có
thể được sử dụng.
- Cuối cùng, vấn đề khó khăn nhất để giải quyết phổ biến là quá trình phân
tán khoá. Nhiều phương pháp có hiệu lực, bao gồm một vài kiểu của mật mã hoá
khoá công cộng tận dụng khoá chuyên dụng tải trên các thiết bị và các loại khoá
khác nhau của quá trình can thiệp của người sử dụng trực tiếp. Tất cả đều có những
ưu điểm và nhược điểm khi được sử dụng trong một hệ thống nhất định; người thiết
kế mạng cảm biến phải lựa chọn một mà thích hợp nhất cho ứng dụng trong tầm
kiểm soát.
Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phân
chia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạng
rộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý. Mặc dù việc thiết kế một
mạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, người thiết kế
của một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ. Các yêu cầu về nguồn

và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu không bắt buộc trong các phạm vi khác.

1.3.5. Trễ bản tin
Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúng
không hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông lượng
dữ liệu ngăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong nhiều


12

ứng dụng. Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy rất thoải
mái trong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng dụng, một độ
trễ và giây hoặc vài phút có thể chấp nhận tương đối.

1.3.6. Tính di động
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính di
động. Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các
đường định tuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang lưu lượng
điều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giản hơn so
với mạng di động Ad hoc.

1.3.7. Sử dụng hiệu quả năng lượng
Đây là một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây,
bởi vì, như đã đề cập ở trêndo kích thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến
cũng trở thành một tài nguyên khan hiếm và tuổi thọ của một mạng cảm biến phụ
thuộc vào tuổi thọ của những nguồn cung cấp năng lượng.
Các nguyên nhân gây ra sự lãng phí năng lượng:
- Xung đột – tắc nghẽn (Collision – Obstruction): là nguyên nhân đầu tiên
gây ra sự lãng phí năng lượng. Khi hai gói tin của 2 nút trong mạng được truyền
cùng thời điểm thì sẽ xảy ra xung đột, chúng bị hỏng và bị loại bỏ. Yêu cầu truyền

lại gói tin lần nữa sẽ làm hao phí thêm năng lượng của nút. Tuy nhiên, có thể khi đó
cả 2 nút cùng được yêu cầu truyền lại cùng một thời điểm nên rất có thể xảy ra xung
đột một lần nữa. Điều này sẽ gây ra sự tắc nghẽn trong môi trường truyền khi mà 2
nút cứ cố gắng truyền lại mãi. Nếu cứ tiếp tục như vậy thì hao phí năng lượng sẽ là
rất lớn vì việc thực hiện phát tín hiệu là công việc gây tiêu tốn năng lượng nhất của
một nút. Do đó, tất cả các giao thức MAC đều phải cố gắng tránh gây ra xung đột
bằng mọi cách để làm tăng hiệu quả năng lượng cho nút mạng.
- Nghe lỏm (Overhearing): do môi trường truyền dẫn của WSN là môi trường
không khí nên vấn đề nghe lỏm sẽ xảy ra khi một nút nhận được những gói tin dành
cho nút khác. Mà khi một nút muốn nhận được một gói tin thì nó sẽ phải tiêu tốn
năng lượng cho việc này, tuy mức tiêu tốn không bằng việc phát sóng vô tuyến


13

nhưng cũng vẫn gây tiêu hao năng lượng đáng kể của nút. Việc nghe lỏm những gói
tin không cần thiết này cũng là một nhân tố chính gây ra việc tiêu hao năng lượng.
- Nghe nhàn rỗi (Idle listening): xảy ra khi nút nhận nghe kênh trong tất cả
xem có dữ liệu không để nhận và cố gắng để không mất gói tin nào. Tuy nnhiên thì
trong các mạng cảm biến không dây thì chỉ khi cảm biến được sự kiện xảy ra thì
mới có dữ liệu được phát đi, còn lại thì không có dữ liệu trong một khoảng thời gian
dài.Việc nghe nhàn rỗi trong một thời gian dài như vậy gây ra sự tiêu hao năng
lượng cũng rất đáng kể.
- Xử lý các gói tin điều khiển (overhead): bao gồm việc gửi, nhận nghe các
gói tin này của nút. Dù các gói tin điều khiển không không chuyên chở dữ liệu
nhưng nó cũng làm tiêu thụ năng lượng đáng kể của nút mạng.
Một giao thức MAC thiết kế cho WSN cần giải quyết được các nguyên nhân
trên bằng việc điều khiển các thành phần sóng vô tuyến để tránh hoặc giảm bớt tiêu
hao năng lượng.

1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.4.1. Giám sát và điều khiển công nghiệp
Một nhà máy công nghiệp, có quy mô rộng điển hình có một phòng điều
khiển tương đối nhỏ, xung quanh có các thiết máy móc tương đối lớn. Phòng điều
khiển có các đồng hồ chỉ báo và các máy hiển thị để mô tả trạng thái các thiết bị
(trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu
trữ, v.v…), đầu vào các thiết bị để điều khiển các bộ truyền động trong các máy
móc (các van, các bếp lò, v.v…) mà tác động đến trạng thái được theo dõi của máy
móc. Các cảm biến mô tả trạng thái các máy móc, các kết quả hiển thị của chúng
nằm trong phòng điều khiển, các thiết bị đầu vào điều khiển, và các bộ truyền động
trong các máy tất cả tương đối rẻ khi được so sánh với chi phí của các đường dây
bọc kim loại mà được sử dụng để truyền thông giữa chúng. Tiết kiệm chi phí đáng
kể được hoàn tất nếu một phương tiện không dây rẻ có sẵn để cung cấp kiểu truyền
thông này. Bởi vì thông tin được truyền thông là thông tin trạng thái, nó thường
thay đổi chậm. Vì vậy, trong chế độ vận hành bình thường, thông lượng dữ liệu


14

được yêu cầu của mạng tương đối chậm, nhưng độ tin cậy được yêu cầu của mạng
lại rất cao. Mạng cảm biến không dây của nhiều node, cung cấp nhiều đường dẫn
định tuyến bản tin của quá trình truyền thông multi-hop, có thể nhận được các yêu
cầu này.
Một ví dụ về điều khiển công nghiệp không dây là quá trình điều khiển bố trí
ánh sáng quảng cáo. Rất nhiều phí tổn trong quá trình cài đặt các bóng đèn trong
một toà nhà lớn liên quan đến việc điều khiển các bóng đèn – nơi mà các chuyển
mạch có dây, với các bóng đèn được bật và tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn,
v.v… Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển
handheld có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn trong một
theo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh

được yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo.
Thêm một ví dụ nữa là việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong các
ứng dụng an toàn công nghiệp. Các mạng cảm biến không dây có thể tận dụng các
cảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy
hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc pháthiện tràn
các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng có xảy ra (và
trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát). Bởi vì mạng không dây có thể sử
dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến, và có thể tự
chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ
hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông
tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó.

1.4.2. Tự động hóa gia đình và điện dân dụng
Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không
dây.Các loại thiết bị như TV, máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi, các bóng đèn, các
cánh cửa, và các ổ khoá cũng được trang bị với một kết nối mạng cảm biến không
dây. Với điều khiển chung từ xa, một bộ có thể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên
ghế. Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như
các cánh cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc có thể tự động ngưng hệ thống


15

giải trí gia đình khi nghe một cuộc điện thoại hoặc chuông cửa kêu. Với chiếc cân
và máy tính cá nhân cả hai được kết nối với nhau thông qua một mạng cảm biến
không dây, sức nặng của một vật có thể được tự động ghi lại không cần yêu cầu sự
can thiệp bằng tay.
Ứng dụng gia đình lớn hơn khác là một mở rộng của đặc điểm RKE (Remote
Keyless Entry) được tìm thấy trên nhiều ô tô. Với các mạng cảm biến không dây, ổ
khoá không dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các bộ điều khiển bóng đèn

không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key-fob với một node bấm.
Khi bấm node, thiết bị khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết
các bóng đèn trong nhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoài
nhà, và thiết lập hệ thống kiểm tra nhiệt độ, thông hơi và không khí. Người sử dụng
nhận một tiếng beep một lần hồi đáp thể hiện tất cả đã thực hiện thành công, và nghỉ
ngơi hoàn toàn, như vậy ngôi nhà an toàn. Khi một cánh cửa hỏng không thể mở,
hoặc vấn đề tồn tại, một màn hình hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng. Mạng có
thậm trí có thể tận dụng một hệ thống an ninh gia đình đầy đủ để phát hiện một cửa
sổ bị gãy hoặc chỗ hỏng khác.

1.4.3. Cảm biến trong quân sự
Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng
dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình
báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Các đặc
tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm
biến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các
mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các node giá rẻ và chỉ dùng
một lần, việc bị địch phá huỷ một số node không ảnh hưởng tới hoạt động chung
như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng
dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến
trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh,
trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân.