Nghiên cứu lớp MAC trong mạng cảm biến không dây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU LỚP TRUY NHẬP PHƯƠNG TIỆN
MAC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Giảng viên hướng dẫn: TS. HOÀNG TRỌNG MINH
Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN THỊ DUYÊN

Lớp

: D14CQVT04-B

Khóa

: 2014 - 2019

Hệ

: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội - 2018


Đồ án tốt nghiệp Đại học

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Điểm: ……………………. (Bằng chữ:………………)
Hà Nội, ngày ... tháng 12 năm 2018
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. HOÀNG TRỌNG MINH

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04


Đồ án tốt nghiệp Đại học

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Điểm: ………………. (Bằng chữ:………………)
Hà Nội, ngày ... tháng 12 năm 2018
NGƯỜI PHẢN BIỆN

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Hoàng Trọng
Minh đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Em xin gửi lời cảm ơn các thầy cô trong trường Học viện công nghệ Bưu chính
Viễn thông đã dạy dỗ chúng em trong suốt nhiều năm qua. Đặc biệt, em xin chân thành
cảm ơn các thầy cô trong khoa viễn thông 1 đã truyền đạt những kiến thức quý giá làm
hành trang cho chúng em trên bước đường sự nghiệp.
Xin cảm ơn các bạn trong lớp và toàn thể những người đã giúp đỡ em trong thời
gian học tập cũng như trong thời gian làm đồ án.
Do hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ bản thân, đồ án của em không thể
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý để đồ án tốt nghiệp của em được
hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2018
SINH VIÊN

NGUYỄN THỊ DUYÊN

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

i


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i
MỤC LỤC .......................................................................................................................ii
DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT ................................................................ iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................vi
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .......................... 2
1.1. Giới thiệu............................................................................................................ 2
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây .......................................................... 2
1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ................................................................... 3
1.3.1.

Cấu tạo của một node cảm biến ............................................................... 4

1.3.2.

Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây .................................. 5

1.3.3.

Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến.............................................. 7

1.4. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây ................................................. 10
1.4.1.

Tự động hóa gia đình và điện dân dụng................................................. 10

1.4.2.

Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự ..................... 11

1.4.3.

Mạng cảm biến không dây trong y tế và giám sát sức khỏe .................. 12

1.4.4.

Mạng cảm biến không dây với môi trường và ngành nông nghiệp ....... 13

1.5. Kết luận chương ............................................................................................... 14
CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG................................. 15
2.1. Giới thiệu.......................................................................................................... 15
2.2. Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây ................... 15
2.3. Các nguyên nhân gây ra lãng phí năng lượng .................................................. 17
2.4. Các giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC .................................... 18
2.4.1.

Giao thức phân chia cố định .................................................................. 18

2.4.2.

Giao thức phân chia theo nhu cầu.......................................................... 18

2.4.3.

Giao thức phân chia ngẫu nhiên ............................................................ 19

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

ii

Đồ án tốt nghiệp Đại học

2.4.4.

Mục lục

Giao thức 802.11 .................................................................................... 25

2.5. Các kỹ thuật truy nhập MAC trong mạng cảm biến không dây ...................... 27
2.5.1.

Giao thức dựa trên lập lịch..................................................................... 28

2.5.2.

Giao thức dựa trên tranh chấp ................................................................ 32

2.5.3.

Truy nhập môi trường dựa trên kết hợp ................................................. 35

2.6. Kết luận chương ............................................................................................... 37
CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC S-MAC .............................................................................. 38
3.1. Tổng quan về S-MAC ...................................................................................... 38
3.2. Chu kỳ nghe và ngủ ......................................................................................... 38
3.3. Đồng bộ hóa ..................................................................................................... 39
3.3.1.

Chọn lịch trình đầu tiên ......................................................................... 39

3.3.2.

Cập nhật và duy trì lịch biểu .................................................................. 40

3.3.3.

Khám phá lân cận định kỳ ..................................................................... 41

3.3.4.

Cập nhật danh sách lân cận định kỳ....................................................... 42

3.4. Cảm biến sóng mang ............................................................................................ 42
3.5. Kỹ thuật RTS/CTS ........................................................................................... 44
3.6. Nghe thích ứng ................................................................................................. 46
3.7. Truyền thông điệp ............................................................................................ 50
3.8. So Sánh hiệu năng của S-MAC so với 802.11 ................................................. 51
3.9. Kết luận chương ............................................................................................... 56
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

iii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục các thuật ngữ viết tắt

DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

ACK

ACKnowledgement

Xác nhận là đã nhận gói tin

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự số

ALP

Adaptive Listen Period

Giai đoạn nghe thích ứng

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CS

Carrier Sense

Cảm ứng sóng mang

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access
with collision Avoidance

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
tránh xung đột

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detect

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang
phát hiện xung đột

CTS

Clear To Send

Sẵn sàng nhận

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

MAC

Media access control

Điều khiển truy nhập môi trường

NAV

Network Allocation Vector

Véc tơ định vị mạng

RTS

Request To Send

Yêu cầu gửi

S-MAC

Sensor media access control

Cảm biến điều khiển truy nhập
môi trường

SYNC

Synchronization

Đồng bộ hóa

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

WSN

Media Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

iv


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1: Cập nhật và duy trì lịch trình ....................................................................... 40
Bảng 3. 2: Sự khác nhau giữa NAV và neighbor NAV ................................................ 43

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

v


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục các hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Cấu trúc tổng quan của mạng cảm biến không dây ........................................ 4
Hình 1. 2: Các thành phần của một nút cảm biến............................................................ 5
Hình 1. 3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây ....................................... 6
Hình 1. 4: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây .............................................. 8
Hình 1. 5: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây ................................................. 8
Hình 1. 6: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ................................................. 9
Hình 1. 7: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong quân đội............................ 12
Hình 1. 8: Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe ............................................................. 13
Hình 1. 9: Ứng dụng trong môi trường.......................................................................... 14

Hình 2. 1: Hiện tượng node ẩn trong mạng WSN…………………………………….23
Hình 2. 2: Hiện tượng node hiện trong mạng WSN ...................................................... 24
Hình 2. 3: Tránh xung đột dùng thủ tục bắt tay RTS/CTS ............................................ 25
Hình 2. 4: IEEE 802.11 MAC ....................................................................................... 27
Hình 2. 5: Giao thức MAC dựa trên TDMA ứng dụng trong WSN.............................. 29
Hình 2. 6: Khoảng thời gian lắng nghe và ngủ của DSMAC ........................................ 33
Hình 2. 7: Cơ chế đánh thức của STEM ........................................................................ 34
Hình 2. 8: Cơ chế đánh thức của WiseMAC ................................................................. 34
Hình 2. 9: Hoạt động của giao thức DRAND................................................................ 36
Hình 3. 1: Chu kỳ nghe và ngủ định kỳ trong S-MAC………………………………..38
Hình 3. 2: Khuôn dạng của một khung S-MAC ............................................................ 39
Hình 3. 3: Một gói DATA được chuyển thành công giữa 2 nút thực hiện cơ chế
RTS/CTS........................................................................................................................ 45
Hình 3. 4: Thực hiện tránh nghe thừa để xem nút nào nên chuyển sang trạng thái
ngủ ................................................................................................................................. 45
Hình 3. 5: Một mạng 3 hop với một nút nguồn và một nút sink ................................... 46
Hình 3. 6: Vận chuyển gói DATA mà không có nghe thích ứng .................................. 47
Hình 3. 7: Vận chuyển gói dữ liệu qua 3 hop với nghe thích ứng ................................ 47
Hình 3. 8: Nghe thích ứng được thực hiện tiếp theo trong 1 khung .............................. 49
Hình 3. 9: Nghe thích ứng được thực hiện hai lần trong một khung ............................. 50
Hình 3. 10: Bộ Rene Mote UCB.................................................................................... 51
Hình 3. 11: Mô hình giao thức sử dụng trong thử nghiệm là mạng hai hop với hai nút
nguồn và hai nút đích đến .............................................................................................. 53
Hình 3. 12: Tiêu thụ năng lượng đo được trong các nút nguồn .................................... 54
SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

vi


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục các hình vẽ

Hình 3. 13: Đo phần trăm thời gian mà các nút nguồn ở chế độ ngủ............................ 55
Hình 3. 14: Tiêu thụ năng lượng đo được tại nút trung gian ......................................... 56

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

vii


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời mở đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Mạng cảm biến là một hệ thống hạ tầng bao gồm các node có khả năng cảm biến,
tính toán, giao tiếp với nhau và cung cấp cho hệ thống quản lý khả năng đo đạc, quan
sát và tác động lại với các sự kiện hiện tượng trong một môi trường.
Mạng cảm biến không dây sẽ mang đến các ứng dụng thiết thực nâng cao chất
lượng cuộc sống. Với tầm quan trọng của mạng cảm biến không dây đặc biệt là các node
có nguồn năng lượng vô cùng hạn chế. Vì vậy em đã chọn nghiên cứu lớp truy nhập
phương tiện MAC của mạng cảm biến không dây đặc biệt là nghiên cứu kỹ thuật SMAC. S-MAC dùng chu kỳ nghe và ngủ định kỳ và kỹ thuật nghe đáp ứng nên tiết kiệm
được rất nhiều năng lượng.
Nội dung đồ án bao gồm 3 chương:
Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến không dây bao gồm khái niệm, cấu trúc
mạng cảm biến không dây, cấu trúc giao thức mạng và các ứng dụng.
Chương 2 : Các kỹ thuật truy nhập môi trường đi sâu vào tìm hiểu các kỹ thuật
truy nhập chung, truy nhập môi trường dựa trên lập lịch, truy nhập môi trường dựa trên
tranh chấp, truy nhập môi trường dựa trên kết hợp.

Chương 3 : Kiến trúc S-MAC. Trong chương 3 sẽ đi sâu vào các kỹ thuật được
dùng trong giao thức S-MAC, tiếp đó sẽ đi so sánh hiệu năng giữa S-MAC và 802.11
và chương 3 cũng là nội dung chính của đồ án này.

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2018
SINH VIÊN

NGUYỄN THỊ DUYÊN

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

1


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

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

Giới thiệu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) bao gồm tập hợp
các thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây như vô tuyến, hồng ngoại để phối hợp
thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và
ở bất kỳ vùng địa lý nào.
Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản ký giám sát thông
qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như internet hay vệ tinh.

Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý
nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền
thống.
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn
tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian,
có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý cao.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm
tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công
nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống
hàng ngày.
Trong chương 1 em sẽ đi tìm hiểu về các vấn đề chính sau:
 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.2.

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

 Kích thước vật lý nhỏ gọn
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 và phù hợp 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.
 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển
các dòng thông tin, bao gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng.

Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính toán rất kỹ về khối lượng công việc
cần xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động
SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

2


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp về mặt thời gian. Do đó, các nút mạng phải thực
hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên
kết xử lý-lưu trữ-chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong
các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành (actuator) cung
cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ
điện thấp nhất). Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân
tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ
bởi một cấu trúc bus phức tạp.
 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng
cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một 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 phần mềm để có được
ứng dụng từ phần cứng.
Các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ 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 các thiết bị mà không cần

giao diện phức tạp. Cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong
khả năng công nghệ.
 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 cảm biến và công suất. Việc tăng
độ tin cậy của các thiết bị đơn lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, có thể tăng độ tin cậy
của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn
lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ
dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.

1.3.

Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được triển khai dầy
đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò để thu thập thông tin dữ liệu.
Vị trí các node cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu
nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm.
Khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là
những đặc trưng rất cơ bản của mạng này. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không
dây được thể hiện trên hình 1.1
SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

3


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Hình 1.1: Cấu trúc tổng quan của mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến như hình 1.1. Mỗi
một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các thiết bị thu phát
(sink). Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý tác vụ (task manager node) qua
mạng internet hoặc vệ tinh.

1.3.1. Cấu tạo của một node cảm biến
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu
phát không dây và nguồn điện. Tùy theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến có thể có các
thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các
thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 1.2.

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

4


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm biến
 Bộ cảm biến
Gồm hai thành phần là đầu đo cảm biến (sensor) và bộ chuyển đổi tín hiệu tương
tự sang tín hiệu số ADC. Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được
chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý.
 Bộ xử lý
Bộ xử lý thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và
quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ.

 Bộ thu phát
Đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là
vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang.
 Bộ nguồn
Bộ nguồn, có thể là pin hoặc ắcquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và
không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể
được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm biến
thường phải có hệ thống tìm vị trí.

1.3.2. Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm
biến được thể hiện trên hình 1.3. Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định
tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tín hiệu quả về năng
lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến.

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

5


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng, lớp giao vận, lớp mạng, lớp liên kết
dữ liệu, lớp vật lý, mặt bằng quản lý năng lượng, mặt bằng quản lý di động và mặt bằng
quản lý nhiệm vụ.

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây
 Lớp vật lý
Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, phát hiện tín hiệu,quy ước về điện, kênh truyền,
cảm biến, xử lý tín hiệu. Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần
thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ.
 Lớp liên kết dữ liệu
Có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ liệu, cách truy cập
đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di
động nên giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công
suất và phải có khả năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút
lân cận. Các kỹ thuật truy nhập môi trường chính trong mạng cảm biến không dây bao
gồm: truy nhập môi trường dựa trên lập lịch, truy nhập môi trường dựa trên tranh chấp
và truy nhập môi trường dựa trên kết hợp.
 Lớp mạng
Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải.
 Lớp vận chuyển
Lớp vận chuyển, truyền dữ liệu trong mạng, lưu trữ dữ liệu. Lớp vận chuyển giúp
duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu.
 Lớp ứng dụng
SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

6


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Phục vụ các ứng dụng trong mạng, bao gồm xử lí ứng dụng, kết hơp dữ liệu, xử
lí các yêu cầu từ bên ngoài.Tùy theo nhiệm vụ của mạng cảm biến, các kiểu phần mềm

ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng.
 Mặt bằng quản lý năng lượng
Quản lý việc một nút cảm biến sử dụng năng lượng của nó như thế nào. Ví dụ,
nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các nút lân
cận. Điều này có thể tránh được việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng
lượng của nút cảm biến thấp, nút cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng
mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho
các bản tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến.
 Mặt bằng quản lý di động
Dò tìm và ghi lại chuyển động của nút cảm biến, vì thế các nút cảm biến có thể
theo dõi được các nút cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được các bút cảm biến lân
cận, nút có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng.
 Mặt bằng quản lý nhiệm vụ
Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả
các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực hiện nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một
thời
điểm. Kết quả là một vài nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tùy
theo mức năng lượng của chúng.
Các mặt bằng quản lý giúp cho các nút cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ
cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ. Từ đó, các nút cảm biến có thể làm
việc cùng nhau, có thể định tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động và chia sẻ
tài nguyên giữa các nút cảm biến. Nếu không, mỗi nút cảm biến sẽ chỉ làm việc một
cách đơn lẻ.

1.3.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến
 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng trên hình 1.4, 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.

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

7


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Hình 1.4: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây
 Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng trên hình 1.5, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong
cùng một cụm gửi dữ liệu đơn hop hay đa hop đến một nút định sẵn, thường gọi là nút
đầu cụm (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 1.5: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây
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 nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng thực hiện
phân phối dữ liệu trên hình 1.6.

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

8

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
 So sánh giữa hai cấu trúc
Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí 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 nhận, 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 nhận 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 thì mỗi mạng cảm biến phải phù hợp 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 n W,
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 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
SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

9


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

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 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 tần 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.

1.4.

Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại 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 âm thanh, radar và có thể quan sát vùng rộng các điều kiện xung quanh đa dạng
bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của xe cộ, 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.
Các nút cảm biến được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện sự kiện, nhận
dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ bộ phận phát động. Khái niệm vi cảm
biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiều vùng ứng dụng mới. Vì vậy
ứng dụng của mạng cảm biến được phân thành các ứng dụng trong quân đội, môi trường,
sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.

1.4.1. 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.
SmartHome là thuật ngữ để chỉ một ngôi nhà thông minh với sự ứng dụng toàn diện của
các thiết bị cảm biến không dây. Một ứng dụng điều khiển chung từ xa, một PDA
(Personal Digital Assistant – thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân) có thể điều khiển TV,
máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác như các bóng
đèn, các cánh cửa và các ổ khóa cũng được trang bị với kết nối mạng cảm biến không
dây. Với điều khiển chung từ xa, một bộ có thể điều khiển ngôi nhà vô cùng tiện ích.
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 giải trí gia đình
khi nhận được một cuộc điện thoại hoặc chuông cửa kêu. Mục đích lớn của các mạng
SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

10


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

cảm biến không dây trong gia đình được mong chờ với mức tiêu thụ điện thấp là điều
kiện thiết yếu của các mạng cảm biến không dây. Ứng dụng khác trong gia đình như
việc hỗ trợ các dịch vụ gia đình trên ô tô.
Với các mạng cảm biến không dây, ổ khóa 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 nút bấm. Khi bấm nút, thiết bị khóa 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 HVAC (viết tắt của Heating,
Ventilation và Air conditioning mang nghĩa là hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa
không khí) đến chế độ ngủ. Người sử dụng nhận một tiếp 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 một màn hình hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị
hỏng.
Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để
đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển
trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không
có ai ở nhà.

1.4.2. Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự
Mạng cảm biến không dây 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. Đặc tính triển
khai nhanh, tự tổ chức của mạng cảm biến 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 nút cảm biến có sẵn,
chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt
động của quân đội 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.
Giám sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược. Các người lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo

dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bị và đạn
dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến. Quân đội, xe cộ, trang thiết
bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng
thái. Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các nút sink để gửi tới lãnh đạo trong
quân đội. Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn. Giám sát chiến
trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường , đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể nhanh
chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thể theo dõi các hoạt động của
quân địch. Khi các hoạt động này được mở rộng và kế hoạch hoạt động mới được chuẩn
bị một mạng mới có thể được triển khai bất cứ thời gian nào khi theo dõi chiến trường.
Giám sát địa hình và lực lượng quân địch. Mạng cảm biến có thể được triển
SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

11


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biến cần nhanh
chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về trong vài phút trước khi quân
địch phát hiện và có thể chặn lại chúng. Hình 1.7 cho thấy hình dung được về ứng dụng
của mạng cảm biến trong hoạt động quân đội.

Hình 1.7: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong quân đội
Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường, trước và sau khi tấn công mạng cảm
biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy hiểm của
chiến trường. Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân.
Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan trọng là
sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai ở những

vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung cấp
các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong nghiêm trọng.

1.4.3. Mạng cảm biến không dây trong y tế và giám sát sức khỏe
Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả năng
giao tiếp cho người khuyết tật, kiểm tra tình trạng của bệnh nhân, chuẩn đoán, quản lý
dược phẩm trong bệnh viện, kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của
côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác, kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người,
giảm sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.
Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện. Mỗi bệnh nhân được gắn một nút
cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm
biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ cũng
có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong bệnh
viện.

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

12


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Hình 1.8: Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

1.4.4. Mạng cảm biến không dây với môi trường và ngành nông nghiệp
Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến không dây bao gồm theo
dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng, kiểm tra các điều kiện môi
trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi, tình trạng nước tưới, các công cụ vĩ mô

cho việc giám sát mặt đắt ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh, phát hiện hóa
học, sinh học, tính toán trong nông nghiệp, kiểm tra môi trường không khí, đất trồng,
biển, phát hiện cháy rừng: vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách ngẫu
nhiên, có chiến lược với mật độ cao trong rừng, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc
của lửa để thông báo cho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát
được, nghiên cứu khí tượng và địa lý, phát hiện lũ lụt, vẽ bản đồ sinh học phức tạp của
môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường.
Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các
trang trại chăn nuôi. Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình
quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến gắn theo mỗi động
vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký
sinh. Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các chuồng nuôi mát, thoáng khí. Mạng cảm biến
không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo
an toàn cho đàn.
Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống
tần số không dây hoặc quang học. Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại
Mỹ. Một vài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mức
nước, thời tiết. Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống cơ sở
dữ liệu đã được định nghĩa trước.

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

13


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Hình 1.9: Ứng dụng trong môi trường

1.5.

Kết luận chương

Các mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện năng, cho
phép triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự
tổ chức mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu được các hư hỏng sự cố đã tạo ra một
triển vọng ứng dụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Mạng cảm biến
không dây phục vụ đa dạng các mục tiêu không chỉ thu thập thông tin dữ liệu mà còn
điều khiển và giám sát hệ thống trên phạm vi rộng lớn.Tuy nhiên để triển khai mạng
cảm biến không dây, thì cần quan tâm những nhân tố tác động đến mạng, những nhược
điểm của mạng cần khắc phục. Một trong những nhược điểm lớn nhất của mạng cảm
biến được đề cập tới chính là khả năng về nguồn năng lượng hạn chế. Vì vậy cần có
những giao thức điều khiển truy nhập mạng giúp tiết kiệm năng lượng một cách tối đa
và S-MAC chính là giao thức sẽ được tìm hiểu ở chương sau, nó có những tính năng tiết
kiệm năng lượng vô cùng tốt.

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

14


Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Các kỹ thuật truy nhập môi trường

CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG
2.1.

Giới thiệu

Một đặc tính cơ bản của mạng không dây là hoạt động trong môi trường không
khí vốn đã được chia sẻ. Tất cả các giao thức điều khiển truy nhập môi trường
(Medium Access Control - MAC) cho mạng không dây quản lý việc sử dụng liên kết
sóng vô tuyến để đảm bảo hiệu quả sử dụng của các băng thông chia sẻ. Những giao
thức MAC được thiết kế cho mạng WSN ngoài mục đích giống các mạng không dây
khác là quản lý hoạt động của sóng vô tuyến còn có một mục tiêu bảo toàn năng lượng
cho nút mạng. Mạng cảm biến khác với các mạng không dây truyền thống trên một vài
khía cạnh:
 Năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động của các nút trong mạng cảm biến không
dây đều dựa vào nguồn điện từ pin và rất khó để có thể nạp điện hoặc thay thế
nguồn pin cho tất cả các nút.
 Các nút thường được triển khai theo kiểu phi cấu trúc tức là chúng phải tự tổ chức
thành một mạng.
 Nhiều ứng dụng của mạng cần phải sử dụng một số lượng lớn các nút có thể lên
tới hàng nghìn, hàng triệu và mật độ của chúng sẽ thay đổi tùy theo những địa
điểm và thời gian khác nhau.
 Hầu hết các lưu thông trong mạng được thúc đẩy bởi những sự kiện các nút cảm
biến được từ môi trường.
Vì vậy, trong khi giao thức MAC truyền thống phải cân bằng tốc độ truyền tải,
độ trễ và quan hệ công bằng giữa những nút, những người dùng, những ứng dụng khác
nhau thì các giao thức MAC trong WSN đặt trọng tâm vào hiệu quả năng lượng là chủ
yếu.
Trong chương 2 sẽ tìm hiểu các vấn đề chính sau:
 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây
 Các nguyên nhân gây ra lãng phí năng lượng
 Các giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC
 Các kỹ thuật truy nhập MAC trong mạng cảm biến không dây

2.2.

Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây

 Khả năng mở rộng
Là khả năng của hệ thống đáp ứng được các thay đổi như kích thước mạng, mật
độ và cấu trúc liên kết mạng. Do WSN được triển khai phi cấu trúc và các nút có khả
năng tự tổ chức thành một mạng nên bất kỳ thời điểm nào người ta cũng có thể bổ sung
thêm các nút cho mạng hoặc bổ sung thay thế các nút không còn hoạt động. Một giao
thức MAC tốt cần phải điều tiết một cách hợp lý những sự thay đổi này.

SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04

15