(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

DƯƠNG THẾ VINH

ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC LỚP MAC
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN, 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

DƯƠNG THẾ VINH

ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC LỚP MAC
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8 48 0101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM VIỆT BÌNH

THÁI NGUYÊN, 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn: “Đánh
giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây” là công trình
nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép từ bất kỳ một công trình nào khác.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn được sử dụng là trung thực, đã
được kiểm chứng và chưa được công bố trong bất kỳ công trình của tác giả nào
khác.
Thái Nguyên, ngày 22 tháng 07 năm 2019
TÁC GIẢ

Dương Thế Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Việt Bình - trường
Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo trường Đại học Công nghệ thông

tin và truyền thông Thái Nguyên, các thầy cô khoa Công nghệ thông tin, trường
Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã chia sẻ và động
viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu
của mình.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người đã luôn ủng hộ,
quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa vững chắc
giúp tôi có thể hoàn thành luận văn.

Thái Nguyên, ngày 22 tháng 07năm 2019
TÁC GIẢ

Dương Thế Vinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .....................3
1.1. Giới thiệu .........................................................................................................3
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ........................................................4
1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ...............................................5

1.3.1. Lớp vật lý ..................................................................................................6
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu...................................................................................8
1.3.3. Lớp mạng ..................................................................................................8
1.3.4. Lớp truyền tải ...........................................................................................9
1.3.5. Lớp ứng dụng ...........................................................................................9
1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN .....................................................9
1.5. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ..............................................................10
1.6. Một số thách thức cần giải quyết cho giao thức MAC trong mạng cảm biến
không dây hiện nay ...............................................................................................12
1.7. Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây..........................16
1.8. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [5] .................................17
1.8.1. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp ..............................................17
1.8.2. Ứng dụng trong y tế ................................................................................18
1.8.3. Ứng dụng trong giám sát môi trường .....................................................18
1.8.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông .........................................................19
1.8.5. Ứng dụng trong gia đình.........................................................................19
1.9. Kết luận Chương 1 .........................................................................................20
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY ..........................................................................................................................22
2.1. Giới thiệu .......................................................................................................22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




iv
2.2. Một số nguyên nhân gây lãng phí năng lượng trong mạng WSN .................23
2.2.1. Tiêu thụ năng lượng khi xung đột tín hiệu .............................................23
2.2.2. Tiêu thụ năng lượng cho việc nghe khi rỗi (Idle listening) ....................23
2.2.3. Tiêu thụ năng lượng khi nghe thông tin thừa (Overhearing) .................24

2.2.4. Xử lý các gói tin điều khiển ...................................................................25
2.3. Các mục tiêu thiết kế giao thức MAC trong WSN ........................................25
2.3.1. Tránh xung đột - tắc nghẽn tín hiệu (Collision advoidance Obstruction) ............................................................................................. 25
2.3.2. Sử dụng năng lượng hiệu quả (Energy efficient) ...................................26
2.3.3. Khả năng mở rộng và thích ứng (Scalability and adaptivity) ................26
2.3.4. Hiệu quả sử dụng kênh ...........................................................................26
2.3.5. Độ trễ ......................................................................................................27
2.3.6. Thông lượng (Throughput) .....................................................................27
2.3.7. Sự công bằng ..........................................................................................27
2.4. Giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh .........................................................28
2.4.1. Giao thức S-MAC (Sensor - MAC)........................................................28
2.4.2. Giao thức T-MAC (Timeout - MAC) .....................................................39
2.5. Giao thức MAC dựa trên đa truy cập phân chia theo thời gian .....................48
2.5.1. Giao thức CSMA (Đa truy cập cảm biến sóng mang) ...........................48
2.5.2. LMAC (Lightweight MAC) ...................................................................51
2.6. Kết luận Chương 2 .........................................................................................57
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY ................................................................................................58
3.1. Giới thiệu .......................................................................................................58
3.2. Giới thiệu Castalia .........................................................................................59
3.3. Mô phỏng giao thức S-MAC và T-MAC trên Castalia .................................61
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Từ gốc

Nghĩa tiếng việt

ACK

Acknowledgement

Bản tin xác nhận

ADV

ADVertisement

Bản tin thông báo

API

Application
Interface

Programming

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

S-MAC

Sensor - MAC

T-MAC

Timeout - MAC

LMAC

Lightweight MAC

Đa truy nhập cảm nhận theo sóng
mang

IEEE

Institute of Electrical
Electronic Engineers

DCF

Distributed
Function

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập kênh truyền

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

Task Assignment and Data

công nghệ đa truy nhập phân
chia theo thời gian

TDMA
IoT
CSAM/CA

and

Các giao diện lập trình ứng dụng

Coordination

Advertisement Protocol

Viện kỹ thuật điện và điện tử

Chức năng công tác phân tán

Internet of Things
Phương pháp đa truy cập có
Carrier
Sense
Multiple
cảm nhận song mang và tránh
Access/Collision Avoidance
xung đột

RTS

Request to Send

CTS

Clear to Send

CS

Carrier Sense

Cảm ứng sóng mang

Network allocation Vector

Vectơ thời gian chiếm giữ
mạng

NAV

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




vi
BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

QPSK

Quadature Phase Shift Keying

Điều chế pha trực giao

Data sent

Gửi dữ liệu

Future Request to Send

Gửi sớm RTS

CM

Control Message

Thông điệp điều khiển

DM

Data Message

Thông điệp dữ liệu

DS
FRTS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây. ............................................................4
Hình 1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. ...........................................................6
Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. ..................................................7
Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. ..........9
Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây trong nông nghiệp ....................18
Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong giao thông ..........................19
Hình 1.7. Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong dân dụng ...........................20

Hình 2.1. Lược đồ giao thức S-MAC........................................................................29
Hình 2.2. Đồng bộ giữa các nút A,B với C,D. ..........................................................30
Hình 2.3. Quan hệ định thời giữa nút nhận và các nút gửi .......................................33
Hình 2.4. Minh họa tránh nghe lỏm ..........................................................................36
Hình 2.5. Chu kỳ thức ngủ của T-MAC....................................................................40
Hình 2.6. Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản ................................................................42
Hình 2.7: Minh họa truyền bất đối xứng ...................................................................45
Hình 2.8: Minh họa thực hiện gửi sớm RTS. ............................................................46
Hình 2.9. Minh họa ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy .......................................................48
Hình 2.10. Minh họa các vấn đề với CSMA trong môi trường không dây. a) nút ẩn,
b) nút hiện..................................................................................................................50
Hình 2.11. Khe thời gian LMAC ..............................................................................51
Bảng 2.1. Bảng cấu trúc thông điệp điều khiển của LMAC .....................................52
Hình 2.12. Minh họa thuật toán phân tán để tìm kiếm khe thời gian rảnh rỗi của giao
thức LMAC ...............................................................................................................55

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




viii
Hình 3.1. Minh họa code của file omnetpp.ini..........................................................60
Hình 3.2. Minh họa giao diện lập trình trên Castalia ...............................................61
Hình 3.3. Minh họa năng lượng tiêu thụ của S-MAC và T-MAC trong mạng cảm
biến không dây với số lượng 25 nút ..........................................................................66
Hình 3.4. Minh họa năng lượng tiêu thụ của S-MAC và T-MAC trong mạng cảm
biến không dây với số lượng 49 nút ..........................................................................67
Hình 3.5: Minh họa tải cao điểm và mức năng lượng tiêu thụ (với 10 nút và 20 nút)
...................................................................................................................................68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1
MỞ ĐẦU
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cùng với những tiến
bộ trong công nghệ như vật liệu, điện tử,… đã tạo điều kiện thuận lợi xây dựng
thế hệ mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) ngày càng
hiện đại và ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của xã hội như công nghiệp,
nông nghiệp, dân dụng, giao thông và y tế.
Với ưu điểm như kích thước nhỏ ngọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức
năng, mạng cảm biến không dây đã trở thành 1 thành phần không thể thiếu
trong xã hội hiện đại, nhất là trong xu thế IoT và cuộc cách mạng công nghiệp
lần thứ 4.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm thì việc tối ưu hiệu suất cho mạng
cảm biến không dây, cũng như nâng cao hiệu năng của giao thức lớp mạng
đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, trong đó việc phân tích
và đánh giá giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây là một bước
quan trọng để thực hiện công việc nghiên cứu này.
Kết quả đánh giá giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây sẽ
cho phép nhà khoa học đưa ra những ưu điểm và nhược điểm của từng giao
thức trong những điều kiện, môi trường khác nhau. Căn cứ vào kết quả đánh
giá, các nhà khoa học sẽ thực hiện việc xây dựng thuật toán khắc phục những
nhược điểm của giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây.
Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Đánh giá một số
giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây”. Đề tài tập trung vào
việc nghiên cứu một số kỹ thuật, thuật toán của giao thức lớp MAC trong mạng

cảm biến không dây, từ đó đưa ra những đánh giá cho từng loại giao thức lớp
MAC trong mạng cảm biến không dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2
Bố cục của luận văn như sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chương 2: Một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây.
Chương 3: Đánh giá giao thức lớp MAC trong WSNs

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu
Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc độ
và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây. Những
tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của hệ thống
các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, giao tiếp
không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói
riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức
năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời.
Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng của các đối

tượng thông minh. Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một
bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý và các cảm biến. Mạng cảm biến liên kết
các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó các nút trong
mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng,
công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ
thống (non-topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử
dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng
đến vài năm) có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ
liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên [3].
Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng,
quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay
định vị các mục tiêu cố định hoặc di động. Các nút giao tiếp ad-hoc với nhau
và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật
đa chặng như hình 1.1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




4

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây.
Qua đó ta thấy rằng, các nút cảm biến được bố trí ở vị trí xa, khó đi lại
hoặc không thuận lợi cho việc cung cấp nguồn năng lượng cho các nút cảm biến.
Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả là chủ đề nghiên cứu rất
được quan tâm trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, trong đó có chủ đề kỹ
thuật định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây.
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông thường, nó có một

số đặc điểm nổi bật như sau:
- Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi
rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên,
các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng... do vậy mạng cảm
biến không dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node mạng có khả
năng tự điều chỉnh, tự cấu hình.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




5
- WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ
biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế & giao
thức truyền vô tuyến riêng.
- Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu
cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu
chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến.
- Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động lâu
dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt
(chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).
- Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức tạp
hóa vấn đề định tuyến trong mạng.
- Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của từng
node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây
thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm
tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các node
có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng.
1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.2. Kiến
trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này
làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến
dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




6

Hình 1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.
Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn
năng lượng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được
một bản tin. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các
nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó
không thể tham gia vào quá trình định tuyến.
Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự
chuyển động của các nút cảm biến. Các nút cảm biến giữ nhiệm vụ theo dõi
xem nút nào là nút hàng xóm của chúng.
Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các
nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực
hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.
1.3.1. Lớp vật lý
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt
động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô tuyến.
Lớp vật lý của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3
băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến
cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




7
Tại Hoa Kỳ, IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-928MHz. Tại châu Âu,
802.15.4 sử dụng băng tần 868- 868.8MHz. Phần còn lại của thế giới, 802.15.4
sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz.
IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi băng
tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1.3. Channel 0 được quy định chỉ
ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở
Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz.
Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh được
định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là 5MHz.
IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số
kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó
các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả các
kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).

Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz.
Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến.
Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là
40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

8
Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số
vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh
802.11. Bởi vì 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng
802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.3 cho thấy sự chồng
lấn giữa 802.15.4 và 802.11. Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được
bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng,
thì có 2 kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu
lượng 802.11. Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi
ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian.
Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh
1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị
ảnh hưởng bởi 802.11.
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu
Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào
các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả
các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung
cấp cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn
để gửi các bản tin.
Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận
sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4
MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian
(TDMA) để truy cập kênh truyền.
1.3.3. Lớp mạng
Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền
tải. Lớp mạng đóng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho
quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không dây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

9
1.3.4. Lớp truyền tải
Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung
cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.
1.3.5. Lớp ứng dụng
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có
thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Các nghiên cứu dựa trên tầng
này để phát triển ứng dụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu cho toàn
bộ hệ thống trong tầng ứng dụng của WSN.
1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN
Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được
đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể
được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp,
định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ.
Hình 1.4 trình bày một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này.

Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây.
Bên cạnh những thuật toán định tuyến trên, thì hiện nay người ta sử dụng
chuẩn Zigbee để thực hiện việc thiết lập môi trường truyền thông không dây
trong mạng cảm biến. Chuẩn Zigbee là chuẩn được dùng phổ biến bởi ưu điểm
như tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp [9]. Chuẩn Zigbee có thể dùng được
trong các mạng mắt lưới. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

10
thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc vào môi trường
truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu
là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật)
và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu).
Mô hình mạng Zigbee hỗ trợ ba loại mô hình chính đó là mạng sao, mạng
hình cây và mạng sơ đồ lưới. Tùy theo, mô hình mà nút cảm biến được phân
chia theo mức độ khác nhau như ZC, ZR và ED. Cơ chế định tuyến của chuẩn
Zigbee cũng được thiết kế ở tầng mạng với kỹ thuật định tuyến như AODV (Ad
hoc On Demand Distance Vector), thuật toán hình cây… Trong chương 2 của
luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn một số kỹ thuật định tuyến tiêu biểu.
1.5. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần thiết kế sao cho sử dụng hiệu
quả nguồn tài nguyên hạn chế của từng nút trong mạng nhằm kéo dài thời gian
sống của mạng. Vì vậy, thiết kế cấu trúc và kiến trúc mạng cảm biến không dây
cần phải quan tâm đến các yếu tố sau:
- Giao tiếp không dây đa chặng: Giao tiếp không dây có nhiều hạn chế
như nhiễu môi trường, gặp vật cản,… hoặc nút thu và phát cách xa nhau nên
cần nút trung gian chuyển tiếp nhằm giảm công suất phát, tiết kiệm năng lượng.
Do đó, việc đa chặng trong mạng cảm biến không dây là cần thiết trong quá
trình thiết kế và xây dựng mạng cảm biến không dây.
- Sử dụng hiệu quả năng lượng: điều này sẽ giúp trong việc hỗ trợ kéo
dài thời gian sống của mạng.
- Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: cần có kết hợp giữa
các dữ liệu của một hay nhiều nút để chuyển tới được nút gốc từ đó tiết kiệm
được băng thông, năng lượng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

11
Hiện nay, cấu trúc mạng cảm biến không dây được chia thành các cấu
trúc như sau:
- Cấu trúc phẳng: Trong cấu trúc này, tất cả các nút đều ngang hàng
và đồng nhất, trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với trạm gốc
thông qua truyền thông đa chặng, sử dụng các nút trung gian làm bộ tiếp
sóng.
- Cấu trúc phân cấp: trong cấu trúc này thì phân thành các cụm, mỗi cụm
có nút chủ cụm. Các nút trong cụm thu thập số liệu rồi gửi đơn chặng hay đa
chặng tới nút chủ cụm. Do đó, cấu trúc này tạo thành hệ thống cấp bậc mà mỗi
nút có mức độ cấp bậc khác nhau, từ đó có các nhiệm vụ đã được xác định
trước. Tức là chức năng sẽ được phân cấp như thực hiện việc thu thập số liệu,
tín toán số liệu, hoặc phân phối số liệu…
Theo các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây thì mạng cảm biến
không dây theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn so với dạng cấu trúc
phẳng bởi những lý do sau:
+ Cấu trúc phân cấp giảm được chi phí mạng cảm biến không dây bằng
việc xác định được tài nguyên của mỗi nút trong quá trình thiết kế, đảm bảo
được tối ưu và hiệu quả nhất. Điều này giúp cho giảm chi phí, tránh được lãng
phí cho toàn mạng.
+ Thời gian sống của cấu trúc phân cấp cao hơn so với cấu trúc phẳng.
Bởi vì, khi thực hiện tính toán sẽ được đơn vị xử lý phân cấp thực hiện, với tài
nguyên đảm bảo nên thực hiện tính toán nhanh hơn và hiệu quả hơn. Các nút
thực hiện việc thu thập cần ít tài nguyên, ít tiêu thụ năng lượng và chỉ xử lý các
yêu cầu tối thiểu. Điều này giúp toàn mạng có được hiệu năng tốt nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

12
1.6. Một số thách thức cần giải quyết cho giao thức MAC trong mạng cảm
biến không dây hiện nay
Với các đặc điểm của mạng cảm biến không dây đã làm cho việc phát
triển mô hình định tuyến cho các mạng này gặp nhiều khó khăn và thách thức
trong quá trình nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống mạng cảm biến không dây.
Dưới đây là một số thách thức cần phải giải quyết khi nghiên cứu và phát triển
giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây:
Thời gian sống dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể kéo
dài từ 1 đến 10 năm tùy thuộc vào từng ứng dụng. Nguồn năng lượng được tích
trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin. Các nút cảm biến không dây có kích
thước rất nhỏ nên nguồn năng lượng của chúng cũng bị hạn chế. Điều này dẫn
đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm biến. Trong
cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây, bộ thu phát vô tuyến là một
trong những thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất. Do đó, giao thức định
tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian sống của toàn mạng. Ngoài ra, mỗi
nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai chức năng đó là: Chức năng khởi tạo
dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu. Một số nút bị ngừng hoạt động có thể
gây ra những thay đổi về cấu trúc liên kết mạng và có thể cần phải tổ chức lại
mạng. Để giảm năng lượng tiêu thụ thì các thuật toán định tuyến được đề xuất
cho mạng cảm biến không dây sử dụng chiến thuật định tuyến hiệu quả về năng
lượng với một số cách tiếp cận khác nhau như các phương thức phân nhóm,
phân công vai trò riêng cho các nút trong mạng, tập hợp dữ liệu.
Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến
không dây. Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng
lớn bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. Việc định tuyến trong các trường hợp
này gặp nhiều khó khăn bởi vì các nút cảm biến có khả năng xử lý và bộ nhớ

lưu trữ rất hạn chế.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




13
Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn chế
nhiều đến các giao thức định tuyến. Do đó, các thuật toán định tuyến đơn giản,
gọn nhẹ cần phải được nghiên cứu và phát triển cho các mạng cảm biến không
dây. Thách thức này có thể được giải quyết với một chi phí thấp bằng cách sử
dụng một số nút cảm biến có khả năng lưu trữ lớn hơn và tốc độ tính toán nhanh
hơn. Những mạng không đồng nhất như vậy cần phải được xem xét đến khi
thiết kế giao thức định tuyến.
Các nút không đồng nhất cần phải được tính đến khi thiết kế giao thức
định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Có hai nguyên nhân chính dẫn đến
việc các nút trong mạng không đồng nhất. Thứ nhất là hoàn toàn có thể tăng
được hiệu năng của mạng thông qua việc triển khai một số nút mạng có năng
lượng, có khả năng lưu trữ và tính toán tốt hơn các nút còn lại trong mạng. Các
nút này đóng vai trò là các nút chủ cụm để chuyển tiếp lưu lượng của các nút
khác đến nút gốc. Thứ hai là sự khác biệt giữa các nút cảm biến có thể phát sinh
trong quá trình hoạt động của mạng. Một số nút cảm biến có thể phải thực hiện
nhiều nhiệm vụ hơn dẫn đến việc chúng bị hết năng lượng nhanh hơn các nút
khác. Do đó, giao thức định tuyến cần phải tránh việc chuyển tiếp các bản tin
thông qua các nút mạng có trạng thái nguồn năng lượng còn lại ở mức thấp để
bù lại sự không đồng đều về năng lượng giữa các nút trong mạng.
Sự triển khai các nút mạng trong mạng cảm biến không dây phụ thuộc
vào ứng dụng. Quá trình triển khai các nút cảm biến có thể là ngẫu nhiên hoặc
cũng có thể được xác định trước vị trí của từng nút trong mạng. Trong trường
hợp triển khai ngẫu nhiên, các nút cảm biến bị phân tán ngẫu nhiên và các tuyến

đường cần phải được xác định theo cách phân tán. Trong trường hợp còn lại,
các nút cảm biến được triển khai thủ công và các bản tin có thể được chuyển
tiếp thông qua các tuyến đường đã được xác định trước. Trong trường hợp mạng
có kích thước lớn thì việc xác định tuyến đường sẽ được phân cấp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




14
Khả năng chịu lỗi cũng cần phải được quan tâm khi định tuyến các bản
tin. Tuy nhiên, khi một nút bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các hoạt động
chung của mạng. Các thuật toán định tuyến cần phải có các tuyến đường dự
phòng hoặc xây dựng kịp thời một tuyến đường khác trong trường hợp liên kết
mạng bị lỗi.
Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của mạng.
Các nút cảm biến có thể thay đổi công suất phát để tăng phạm vi truyền nhưng
cùng với đó là sự tiêu hao nhiều hơn về nguồn năng lượng. Việc gửi các bản
tin với công suất phát hạn chế, qua một khoảng cách ngắn có thể kéo dài thời
gian sống của một nút mạng nhưng cũng làm tăng trễ truyền bản tin. Ngược lại,
khi phạm vi truyền thông được mở rộng thì tổng năng lượng được sử dụng cho
việc xử lý các bản tin tại các nút trung gian sẽ giảm nhưng nhiễu trong mạng
cũng có thể xuất hiện nhiều hơn.
Chất lượng dịch vụ (QoS) đặc trưng cho các yêu cầu dịch vụ cần được
đáp ứng khi vận chuyển một luồng bản tin từ nguồn đến đích. Tuy nhiên, những
yêu cầu ràng buộc về chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng mạng cảm biến
không dây có thể rất khác so với các mạng truyền thống. Các tham số chất
lượng dịch vụ trong các mạng truyền thống có thể chưa đủ để mô tả chúng.
Ngoài các tham số cơ bản như độ trễ thì còn có một số tham số khác như: Lỗi
phân loại sự kiện (các sự kiện không chỉ được phát hiện mà còn được phân loại

và xác suất lỗi phân loại sự kiện cần phải thấp), trễ phát hiện sự kiện (là độ trễ
được tính từ thời điểm phát hiện một sự kiện và thời điểm gửi thông báo đến
nút gốc), độ chính xác của việc bám mục tiêu (trong trường hợp ứng dụng bám
mục tiêu thì vị trí của đối tượng cần phải được thông báo gần với vị trí của đối
tượng trong thế giới thực nhất có thể).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




15
Vấn đề di động có thể gặp phải trong một số ứng dụng của mạng cảm
biến không dây. Các nút cảm biến có thể cố định hoặc di động. Do đó, việc
định tuyến các bản tin trở nên phức tạp hơn. Ngoài ra, trong một số trường hợp
các nút gốc có thể di chuyển và điều này cũng cần phải tính đến khi thiết kế các
mô hình định tuyến.
Với lớp MAC của mạng WSNs, các thách thức cần giải quyết mà dẫn
tới lãng phí năng lượng và giảm thời gian sống của mạng cảm biến không dây,
cụ thể là:
- Nghe nhàn rỗi: Một nút không biết khi nào sẽ nhận được gói tin. Vì
vậy, nó phải duy trì Nghe nhàn rỗi trong trạng thái sẵn sàng thức, như chức
năng công tác phân tán DCF (Distributed Coordination Function) của mạng cục
bộ không dây. Chế độ này tiêu thụ rất nhiều năng lượng, gần như là cả quá trình
nhận. Năng lượng này sẽ lãng phí nếu không có bất kỳ trao đổi truyền thông
trên kênh truyền này. Và trong mạng cảm biến không dây thì kênh này hầu hết
là nhàn rỗi. Bởi vậy, việc nghe bị động là lý do chính của việc tốn năng lượng.
- Xung đột: Sự xung đột xảy ra khi một hay nhiều nút mạng nhận được
đồng thời các tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau trong cùng một khoảng thời
gian. Khi sự xung đột xảy ra thì năng lượng cung cấp cho việc truyền nhận gói

tin sẽ bị tiêu phí. Cũng cần lưu ý rằng, mặc dù có giao thức MAC không sinh
ra bất kỳ xung đột nào như các giao thức MAC dựa trên phương pháp TDMA
(Time Division Multiple Access). Nhưng, các giao thức MAC có chấp nhận
xung đột đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong mạng đa chặng bởi sự
đơn giản và khả năng của chúng trong việc xử lý không tập trung.
- Nghe lỏm: Xảy ra khi một nút nhận các gói tin mà nó không yêu cầu
hoặc được phát dư thừa.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN