Nghiên cứu về nhận thức trong mạng cảm biển không dây bằng phương pháp Watermarking (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

HOÀNG THỊ THU

NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN THỰC TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2019


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

HOÀNG THỊ THU

NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN THỰC TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 08.52.02.08

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HOÀNG TRỌNG MINH

HÀ NỘI – 2019

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được của luận văn là sản phẩm của cá nhân tôi nghiên
cứu, tổng hợp. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa
được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, tháng 11 năm 2018
Tác giả luận văn

Hoàng Thị Thu


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới TS. Hoàng Trọng Minh, người thầy đã
định hướng và hướng dẫn tôi thực hiện thành công đề tài nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc, Khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại
học - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cũng như Ban lãnh đạo và các
đồng nghiệp tại Viện công nghệ Thông tin và Truyền thông CDIT, nơi tôi đang
công tác, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện
luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong và ngoài trường đã trang bị
cho tôi những kiến thức trong quá trình hoàn thành các học phần cao học.
Tôi xin được cám ơn những người thân, bạn bè đã thường xuyên quan tâm,
giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, cung cấp các tài liệu hữu ích trong thời gian học
tập, nghiên cứu cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới gia đình đã kiên trì chia sẻ

và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận văn.

Hà Nội, tháng 11 năm 2018
Tác giả luận văn

Hoàng Thị Thu


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... vi
BẢNG KÝ HIỆU ................................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... xi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................. 4
1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây .............................................. 4
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ................................................................. 5
1.2.1. Cấu trúc của một node mạng WSN ............................................................... 5
1.2.2. Cấu trúc của toàn mạng WSN ....................................................................... 6
1.2.3. Cấu trúc đặc trưng của WSN ......................................................................... 8
1.3. Đặc điểm và yếu tố ảnh hưởng tới WSN ........................................................ 13
1.3.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây .................................................... 13
1.3.2. Yếu tố ảnh hưởng của mạng cảm biến không dây ...................................... 14
1.4. Các công nghệ truyền dữ liệu trong WSN ..................................................... 17
1.4.1. Bluetooth ..................................................................................................... 17

1.4.2. Zigbee .......................................................................................................... 17
1.4.3. Z-ware.......................................................................................................... 18
1.4.4. 6LoWPAN ................................................................................................... 18
1.4.5. Thread .......................................................................................................... 18
1.4.6. Wifi .............................................................................................................. 18
1.4.7. Cellular ........................................................................................................ 19
1.4.8.NFC .............................................................................................................. 19
1.4.9. Sigfox .......................................................................................................... 19
1.4.10. Neul ........................................................................................................... 20


iv

1.4.11. Lora............................................................................................................ 20
1.5. Các ứng dụng .................................................................................................... 20
1.5.1. Trong quân đội ........................................................................................... 20
1.5.2. Trong môi trường ........................................................................................ 21
1.5.3. Trong y học.................................................................................................. 23
1.5.4. Trong gia đình ............................................................................................. 23
1.5.5. Trong công nghiệp, nông nghiệp ................................................................. 24
1.5.6. Trong giao thông ......................................................................................... 26
1.6. Kết luận chương ............................................................................................... 27
CHƯƠNG 2. NHẬN THỰC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ...... 28
2.1. Nguyên lý nhận thực ........................................................................................ 28
2.1.1. Lý do nhận thực ........................................................................................... 29
2.1.2. Giai đoạn nhận thực..................................................................................... 29
2.1.3. Quy trình nhận thực ..................................................................................... 29
2.2. Các giải pháp kỹ thuật cơ bản ........................................................................ 30
2.2.1. Nhận thực dựa trên khóa công khai ............................................................. 30
2.2.2. Nhận thực dựa trên khóa đối xứng .............................................................. 30

2.2.3. Lược đồ nhận thực động .............................................................................. 30
2.2.4. Lược đồ nhận thực động lớn ....................................................................... 30
2.2.5. Lược đồ nhận thực nhẹ ................................................................................ 31
2.2.6. Lược đồ nhận thực hiệu quả ........................................................................ 31
2.2.7. Nhận thực sử dụng cấp hai TTUA .............................................................. 31
2.2.8. Nhận thực sử dụng cấp cao hai cấp TTUA ................................................. 31
2.3. Các giao thức trao đổi khóa ............................................................................ 32
2.3.1. Giao thức thỏa thuận chính.......................................................................... 32
2.3.2. Giao thức truy xuất chính ............................................................................ 33
2.3.3. Giao thức quản lý khác cho các nút thu nhận.............................................. 35
2.4. Các giao thức xác thực ..................................................................................... 36
2.4.1. Giao thức kích hoạt và xác thực cảm biến (SAAP)..................................... 37


v

2.4.2. Giao thức xác thực lại Sensor -1 (SRP1)..................................................... 38
2.4.3. Giao thức xác thực lại Sensor - 2 (SRP2).................................................... 39
2.4.4. Giao thức kích hoạt và xác thực người dùng (UAAP) ................................ 41
2.4.5. Giao thức xác thực người dùng chìm (USiAP) ........................................... 42
2.4.6. Giao thức xác thực người dùng cảm biến (USeAP) .................................... 43
2.5. Kết luận chương ............................................................................................... 44
CHƯƠNG 3. NHẬN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING ... 45
3.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 45
3.2. Giải pháp nhận thực bằng watermarking ..................................................... 46
3.2.1. Kỹ thuật Watermark .................................................................................... 47
3.2.2. Phân loại Watermark ................................................................................... 49
3.2.3. Một số giải pháp nhận thực bằng watermarking ......................................... 51
3.3. Mô hình hóa và mô phỏng kiểm chứng .......................................................... 53
3.3.1. Bài toán đặt ra ............................................................................................. 53

3.3.2. Mô phỏng kiểm chứng kịch bản tấn công lưu lượng .................................. 59
3.4.

Đánh giá giải pháp ........................................................................................ 61

3.5.

Kết luận chương ............................................................................................ 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 65


vi

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

BS

Basic Station

Trạm gốc

CC

Communication

Giao tiếp

CH

Cluster Head

Nút chủ

DAC

Digital to Analog Converter

Bộ chuyển đổi số - tương tự

DCT

Discrete Cosine Transform

Biến đổi Cosin rời rạc

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DP

Data Processing

Xử lý dữ liệu

DWT

Discrete Wavelet Transform

Chuyển đổi Wavelet rời rạc

FA

Flat Architecture

Cấu trúc phẳng

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FT

Fault to Lerance

Khả năng chịu lỗi

HC

Hardware Constraints

Ràng buộc phần cứng

IAT

Inter Arrival Time

Thời gian liên tiếp giữa các gói tin

ID

Identification

Mã nhận dạng

LFS

Location Finding System

Hệ thống định vị

MB

Mobilizer

Bộ phận di động

MH

Multihop

Đa chặng

NT

Network Topology

Cấu hình mạng cảm ứng

PC

Production Costs

Chi phí sản xuất

PC

Power Consumption

Tiêu thụ năng lượng

PDA

Personal Digital Assistant

Thiết bị trợ giúp cá nhân

PG

Power Generator

Bộ phát nguồn

PKC

Public Key Crypto

Mật mã khóa công khai

PU

Power Unit

Bộ nguồn

PU

Processing Unit

Bộ xử lý

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến


vii

SB

Scability

Khả năng mở rộng

SD

Smart Dust

Hạt bụi thông minh

SF

Sensor Field

Trường cảm biến

SH

Singlehop

Duy nhất

SKC

Symmetric Key Cryptography

Mật mã khóa đối xứng

SN

Sensor Nodes

Nút cảm biến

SS

Sensing

Cảm nhận

SU

Storage Unit

Bộ lưu trữ nhỏ

SU

Sensing Unit

Bộ cảm nhận

TA

Tiered Architecture

Cấu trúc tầng

TM

Transmission Media

Phương tiện truyền dẫn

TMN

Task Manager Node

Nút quản lý nhiệm vụ

TU

Transceiver Unit

Bộ thu phát

WINS

Wireless Integrated Network

Mạng cảm biến tích hợp không dây

Sensors
WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây


viii

BẢNG KÝ HIỆU
A

Cơ quan kiểm soát A

B

Cơ quan kiểm soát B

BSj

Trạm cơ sở thứ j

EiB(m)

Mã hóa của m, sử dụng khóa KiB

G0j

Nhóm tất cả các thực thể không liên quan đến BSj

Gj

Nhóm tất cả các thực thể liên quan đến BSj

KiPS

Khóa phiên riêng tư

KiS

Khóa phiên S tạo ra ở khoảng thứ i

KiTS

Khóa phiên tạm thời

KjG

Một khóa tạo ra từ BSj

Kji

Khóa thời gian được BSj tạo ra ở khoảng cách thứ i

N

Số lượng các nút cảm ứng phân bố trong vùng A

Ni

Nút thứ i

ni

Chuỗi thứ i trong trao đổi tin nhắn

R

Phạm vi truyền sóng

Rk(t)

Độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm ứng

Sj

Bộ sink thứ j

t

Khoảng thời gian khảo sát

Td

Khoảng thời gian thỏa thuận

Tk

Vé thứ k

Ui

Nút thứ i

Uk

Người dùng thứ k

Vi

Giá trị chỉ số cho khoảng thứ i

Z (A)

Phần tử xâm nhập Z bắt chước thực thể A

λk

Tỷ lệ lỗi của nút k


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Thành phần của một nút cảm ứng ...............................................................5
Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây ............................................................7
Hình 1.3: Cấu trúc tầng ...............................................................................................8
Hình 1.4: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ..............................................9
Hình 1.5:Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý ...................................................9
Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân cấp logic ...................................................................10
Hình 1.7: Cấu trúc phẳng ..........................................................................................11
Hình 1.8: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng ...............................................................22
Hình 1.9: Cảnh báo và đo thông số động đất ............................................................22
Hình 1.10: WSN trong y tế .......................................................................................23

Hình 1.11:Mạng gia đình thông minh .......................................................................24
Hình 1.12: WSN trong quản lý hàng hóa ..................................................................25
Hình 1.13: WSN trong bến cảng ...............................................................................25
Hình 1.14: WSN trong trồng trọt ..............................................................................26
Hình 1.15: WSN trong chăn nuôi ..............................................................................26
Hình 1.16: WSN trong giao thông ............................................................................27
Hình 2.1: Tạo và nhập khóa dựa trên thời gian với tham chiếu đến đoạn thời gian .33
Hình 2.2: Cây Hash nhị phân được tạo ra với vectơ chỉ số V = v1, v2, v3, v4 ........35
Hình 2.3: Quản lý chuỗi khóa trong nút thu nhận .....................................................36
Hình 2.4: Trao đổi bản tin cho giao thức kích hoạt và xác thực cảm biến (SAAP) .37
Hình 2.5: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực lại Sensor-1 (SRP1) ..................39
Hình 2.6: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực lại Sensor-2 (SRP2) ..................40
Hình 2.7: Trao đổi bản tin cho giao thức kích hoạt và xác thực Người dùng (UAAP)
...................................................................................................................................42
Hình 2.8: Trao đổi bản tin cho giao thức xác thực người dùng cảm biến (USeAP) .43
Hình 3.1: Phân loại Watermarking............................................................................49


x

Hình 3.2: Phân loại các thuật toán Watermarking dựa trên miền biến đổi dùng cho
quá trình nhúng Watermarking .................................................................................50
Hình 3.3: Phân loại Watermarking dựa vào ứng dụng của watermarking ................51
Hình 3.4: Mô hình mã hóa và giải mã watermark ....................................................56
Hình 3.5: Tỷ lệ phát hiện tấn công lưu lượng dựa trên tỷ lệ thay đổi tốc độ gói tin và
khoảng tin cậy ...........................................................................................................60


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Ký hiệu các tham số..................................................................................55


1

MỞ ĐẦU
Trong số các mạng không dây hiện nay, mạng cảm biến không dây là một
trong số những thành tựu công nghệ mới đang thu hút nhiều sự quan tâm. Mạng
cảm biến không dây với hạ tầng truyền thông cho các hệ thống IoT được ứng dụng
để truyền tải thông tin môi trường từ các node cảm biến về trung tâm xử lý và hỗ trợ
các tác vụ điều khiển ngược về phía môi trường.
Vì vậy, vấn đề an toàn mạng cảm biến đã và đang là một vấn đề thu hút
nhiều nhà nghiên cứu, triển khai hệ thống trước hàng loạt các yêu cầu và ứng dụng
mới được đặt ra trong thời gian gần đây. Trong đó, tính nhận thực đảm bảo dữ liệu
không bị thay đổi trong quá trình truyền là một vấn đề có nhiều thách thức khi số
lượng thiết bị cảm biến tăng rất nhanh và đa dạng kéo theo nhiều điều kiện ràng
buộc khác biệt với các hạ tầng đã có. Do đó, đề tài này tập trung nghiên cứu các vấn
đề liên quan tới nhận thực trong mạng cảm biến không dây và mong muốn đề xuất
một giải pháp nhận thực dựa trên watermark để phù hợp với một số yêu cầu của
mạng cảm biến không dây.
Tiếp cận nhận thực bằng phương pháp watermark đã được rất nhiều các nhà
khoa học trên thế giới quan tâm do tính gọn nhẹ của tiếp cận. Tuy nhiên, tại Việt
Nam hướng đi này còn khá mới mẻ, và chưa có các nghiên cứu có hệ thống về khả
năng và phương pháp ứng dụng giải pháp này trong mạng cảm biến không dây. Do
đó, học viên đã lựa chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu về nhận thực trong mạng
cảm biến không dây bằng phương pháp Watermarking” nhằm nghiên cứu tiềm
năng nhận thực của một giải pháp cụ thể. Từ đó, xây dựng khung lý thuyết về cách
nhận thực trong mạng cảm biến không dây trên cơ sở nghiên cứu các công trình
khoa học của nước ngoài và khảo sát thực trạng ứng dụng giải pháp watermark của

các nước trên thế giới.
Với cách đặt vấn đề như trên, mục đích nghiên cứu của luận văn là nhằm
phân tích, đánh giá các giải pháp sử dụng nhận thực bằng phương pháp watermark


2

ứng dụng cho mạng cảm biến không dây, trên cơ sở đó đề xuất cải tiến một phương
pháp nhận thực trong mạng cảm biến không dây.
Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là các giải pháp watermark sử
dụng cho nhận thực trong mạng cảm biến không dây.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn bao gồm:
1) Nghiên cứu tập trung vào các vấn đề lý thuyết.
2) Nghiên cứu các giải pháp công nghệ.
3) Đề xuất các giải pháp đã có.
4) Kiểm chứng thông qua mô phỏng số hoặc mô phỏng sự kiện rời rạc.
Phương pháp nghiên cứu chính được sử dụng trong luận văn là phương
pháp phân tích, tổng hợp thông tin để từ đó đề xuất giải pháp cải thiện.
Nội dung của luận văn được trình bày theo cấu trúc sau:
- “Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây”: Trình bày một bức
tranh tổng quát về mạng cảm biến không dây. Từ đó, nội dung của chương đi sâu
phân tích cấu trúc, đặc điểm, các công nghệ truyền dữ liệu, yếu tố ảnh hưởng và
đánh giá các tiềm năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây cũng như xác định
rõ các vấn đề cần nghiên cứu.
- “Chương 2: Nhận thực trong mạng cảm biến không dây”: Chương này trình
bày về nguyên lý nhận thực trong WSN, phân tích các giải pháp kỹ thuật cơ bản,
các giao thức xác thực sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trong WSN.
- “Chương 3: Nhận thực bằng phương pháp watermarking”: Tập trung vào
các vấn đề xung quanh việc nhận thực bằng phương pháp watermarking để từ đó đề

3

xuất giải pháp phù hợp để mô phỏng lại hệ thống.
- “Kết luận và khuyến nghị”: Tổng hợp đánh giá các kết quả đạt được của
luận văn đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Trong quá trình nghiên cứu, học viên luôn cố gắng bám sát các tài liệu khoa
học. Nội dung chi tiết của luận văn sẽ được trình bày dưới đây.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
Tóm tắt: Chương này khái quát các vấn đề chính của mạng cảm biến
không dây, các mô hình mạng không dây, đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng tới
mạng cảm biến không dây, các công nghệ truyền dữ liệu và ứng dụng của mạng
cảm biến không dây trong đời sống của mỗi người.

1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang được phát
triển và triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi
trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, giám sát các mặt
trận quân sự, sinh học và hóa học, theo dõi điều khiển giao thông, các phương tiện
xe cộ, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác
sĩ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong bệnh viện.
Mạng cảm biến không dây là một mạng không dây mà các nút mạng sử dụng
các vi điều khiển, cảm biến, bộ truyền RF với kích thước tương đối nhỏ, đa chức
năng, tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng tự tổ chức, tự bảo trì, giá thành thấp để
thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin. Thông tin được truyền về một trạm gốc

thông qua các nút cảm biến khác và thông qua Internet truyền về trung tâm dữ liệu
để lưu trữ, phân tích và xử lý.
Nút cảm biến bao gồm các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ phận cảm biến, bộ thu phát
không dây, bộ nhớ có giới hạn và nguồn nuôi. Khi nút cảm biến hoạt động, các nút
này sẽ thu nhận tín hiệu từ môi trường và bản thân thiết bị, tín hiệu có thể là tín hiệu
vật lý, sinh học, hóa học hay chuyển thành tín hiệu điện năng để đưa vào vi điều
khiển. Thiết bị vi điều khiển sẽ thu nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý chúng. Sau
đó, bộ truyền nhận tín hiệu thiết lập giao tiếp truyền dữ liệu đã được xử lý đến các
nút trong mạng.


5

1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2.1. Cấu trúc của một node mạng WSN
Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản gồm: bộ cảm nhận
(a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ
nguồn (a power unit). Khi xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát
triển các nút cấu thành mạng- nút cảm biến. Các nút phải có kích thước nhỏ, giá
thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có
thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán, có bộ nhớ
đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân
cận. Bên cạnh đó, có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng
dụng gồm: hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power
generator) và bộ phận di động (mobilizer).

Hình 1.1: Thành phần của một nút cảm ứng

Với mô hình trên:
 Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi

tương tự - số (ADC).
 Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi
sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào
bộ xử lý.


6

 Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết
định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm
vụ định sẵn.
 Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng thực hiện việc gửi và
nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút
khác hoặc tới nút sink.
 Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ
nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin, các nút có thời gian sống lâu
thì bộ nguồn rất quan trọng, phải có khả năng nạp điện từ môi trường như
là năng lượng ánh sáng mặt trời.
Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có
độ chính xác cao về vị trí nên cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi
lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã
ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó. Tất cả những thành
phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module và tuân theo một số ràng buộc
nghiêm ngặt khác như: tiêu thụ năng lượng ít, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành
thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường.

1.2.2. Cấu trúc của toàn mạng WSN
Các nút cảm ứng được phân bố trong một trường cảm biến (sensor field) như
hình 1.2. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến

các nút sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các nút sink bởi một cấu trúc đa điểm,
các nút sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua
mạng Internet hoặc vệ tinh.


7

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Khi thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần phải dùng một số cơ chế, kỹ
thuật đặc thù sau:
 Giao tiếp không dây multihop: khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính,
thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay
các vật cản. Khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát
lớn nên cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng
thể.
 Hoạt động năng lượng hiệu quả: nhằm mục đích hỗ trợ kéo dài thời gian
sống của toàn mạng.
 Tự động cấu hình: mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông
số một cách tự động. Các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua
các nút khác (gọi là tự định vị).
 Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: việc sử dụng một nút
cảm biến không thể thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có sự cộng tác hoạt
động của nhiều nút thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng nút thu dữ liệu
gửi ngay đến nút sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Do vậy, cần
sự kết hợp dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới nút sink
thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.
Do vậy, cấu trúc mạng mới có các tính năng cơ bản sau:

8

-

Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.

-

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

-

Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.

-

Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.

1.2.3. Cấu trúc đặc trưng của WSN
a. Cấu trúc tầng
T rong cấu trúc tầng (tiered architecture), các cụm được tạo ra giúp các tài
nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop tùy thuộc vào kích
cỡ của cụm đến một nút định sẵn được gọi là nút chủ (cluster head). Với cấu trúc
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 được định sẵn.

Hình 1.3: Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng, 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 (hình 1.4)


9

Hình 1.4: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, mỗi lớp
có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp này, các
sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò là một bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu
ra khỏi dữ liệu, các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này. Sự phân tích chức
năng của các mạng cảm ứng có thể phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các nút,
hoặc phân biệt theo logic. Ví dụ, một tập hợp con các nút với khả năng truyền thông
ở phạm vi rộng tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.5).

Hình 1.5:Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý


10

Tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic khi thực
hiện một nhiệm vụ đại diện cho các nút khác, bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền
thông qua mạng xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút. Những quy tắc
logic này tạo nên mạng phân cấp logic (hình 1.6), có thể thay phiên định kỳ để đảm
bảo sự công bằng khi các nút tham gia với khả năng tính toán cao hơn hoạt động thì
các nút ít khả năng hơn sẽ chuyển các nhiệm vụ tính toán sang các nút này. Nếu
không có máy chủ, một cụm các cảm biến cần thiết phải chọn ra một nút để thực
hiện các nhiệm vụ tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có mỗi
nút có tài nguyên vật lý thích hợp mới thích hợp để thực hiện các nhiệm vụ định

sẵn. Ví dụ một nút với hệ thống định vị toàn cầu (global positioning system - GPS)
có thể thực hiện vai trò chủ chốt trong việc định vị hoặc đồng bộ thời gian. Do vậy,
việc xảy ra ngẫu nhiên khi rất nhiều mạng cảm ứng hiện nay được thiết kế theo cấu
trúc phân cấp.

Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân cấp logic


11

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

Hình 1.7: Cấu trúc phẳng

c. So sánh giữa cấu trúc tầng và cấu trúc phẳng
Mạng cảm biến được xây dựng dựa trên cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả
hơn cấu trúc phẳng bởi các yếu tố sau:
-

Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm ứng bằng việc định vị các
tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Khi 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. Nếu
một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm


12

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 có tuổi thọ cao hơn 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. 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.

-

Độ tin cậy cao: mỗi mạng cảm ứng phải phù hợp với số lượng các nút yêu
cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Trong mạng cấu
trúc phẳng, qua phân tích, đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút
W 
 , trong đó W là độ rộng băng tần của kênh
 n

trong mạng có n nút là 

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 trên. Khi dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, 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. 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 . Khi đó, 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.
Do vậy, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi
dùng cấu trúc tầng. Các 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