Nghiên cứu đánh giá một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng cảm biến không dây (Luận văn thạc sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.86 MB, 101 trang )
i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
NGUYỄN THỊ HỒNG VÂN
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC CHO
MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Thái Nguyên – 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Hồng Vân, học viên lớp cao học K16 – Kỹ thuật
viễn thông – Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái
Nguyên.
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đánh giá một số giao thức tiết
kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng cảm biến không dây” do Thầy giáo
TS. Vũ Chiến Thắng hướng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản thân tôi
thực hiện, dựa trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn khoa học và các
tài liệu tham khảo đã trích dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, năm 2019
Học viên
Nguyễn Thị Hồng Vân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
iii
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tài
nghiên cứu, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của:
Thầy giáo hướng dẫn trực tiếp TS. Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình
về phương hướng và phương pháp nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận văn.
Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ điện tử viễn thông, Trường đại
học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên đã tạo điều kiện về
thời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho tác giả.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quý
báu đó.
Thái Nguyên, 2019
Học viên
Nguyễn Thị Hồng Vân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. iii
MỤC LỤC .........................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................................vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..............................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..........................................................................xi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ xiii
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................... xiii
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ xv
3. Mục tiêu của đề tài .................................................................................... xv
4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... xv
5. Nội dung của luận văn .............................................................................. xv
6. Những đóng góp của luận văn .................................................................xvi
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................. 1
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây ................................................ 1
1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây ............................. 2
1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút ......................................................... 2
1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng ..................................................... 4
1.2.3. Sự chuẩn hóa ..................................................................................... 7
1.2.4. Khả năng cộng tác ............................................................................. 9
1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây ................. 9
1.3.1. Lớp vật lý ........................................................................................ 11
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu ......................................................................... 12
1.3.3. Lớp mạng......................................................................................... 13
1.3.4. Lớp giao vận .................................................................................... 14
1.3.5. Lớp ứng dụng .................................................................................. 15
1.4. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây ....................... 17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
v
1.4.1. Mô hình truyền thông Điểm - Điểm................................................ 17
1.4.2. Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm ........................................... 18
1.4.3. Mô hình truyền thông Đa Điểm - Điểm .......................................... 19
1.5. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây..... 21
1.5.1. Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4 ................................. 23
1.5.2. Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 ............................................. 24
1.5.3. Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4 . 27
1.5.4. Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4 ......................... 28
1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................. 30
Chương 2. GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC CHO
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................................................................ 31
2.1. Các thành phần tiêu thụ năng lượng trong cấu trúc phần cứng của một
nút cảm biến không dây ................................................................................ 31
2.1.1. Cấu trúc phần cứng cơ bản của một nút mạng cảm biến không dây31
2.1.2. So sánh các thành phần tiêu thụ năng lượng trong cấu trúc phần
cứng của nút mạng cảm biến không dây ................................................... 32
2.2. Giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không
dây ................................................................................................................. 35
2.2.1. Các giao thức không đồng bộ thời gian .......................................... 38
2.2.2. Các giao thức đồng bộ thời gian ..................................................... 42
2.3. Thực thi một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC trên hệ điều
hành Contiki .................................................................................................. 44
2.3.1. Hệ điều hành Contiki....................................................................... 44
2.3.2. Thực thi giao thức ContikiMAC ..................................................... 50
2.3.3. Thực thi giao thức XMAC .............................................................. 58
2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................. 61
Chương 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LỚP MAC TIẾT
KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............... 62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
vi
3.1. Cấu hình giao thức lớp MAC trong hệ điều hành Contiki .................... 62
3.1.1. Giới thiệu chung .............................................................................. 62
3.1.2. Cấu hình các giao thức lớp MAC tiết kiệm năng lượng trong hệ
điều hành Contiki ...................................................................................... 63
3.2. Công cụ mô phỏng và mô hình kết nối .................................................. 64
3.2.1. Giới thiệu về công cụ mô phỏng Cooja .......................................... 64
3.2.2. Mô hình kết nối giữa các nút mạng cảm biến không dây trong
Cooja ......................................................................................................... 65
3.2.3. Mô hình nhiễu giữa các nút mạng cảm biến không dây trong Cooja67
3.3. Kịch bản mô phỏng đánh giá ................................................................. 69
3.3.1. Cấu trúc liên kết mạng .................................................................... 69
3.3.2. Các giả thiết cho bài toán mô phỏng ............................................... 72
3.3.3. Kịch bản đánh giá ............................................................................ 74
3.4. Các thước đo đánh giá hiệu năng........................................................... 76
3.5. Kết quả đánh giá .................................................................................... 78
3.6. Phân tích và đưa ra khuyến nghị ........................................................... 80
3.7. Kết luận chương 3 .................................................................................. 82
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 84
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Chữ đầy đủ
AODV
Adhoc Ondemand Distance Vector Routing
ARQ
Automatic Repeat Request
ACK
Amsterdam Compiler Kit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
B-MAC
Berkeley- Multiplexed Analogue Components
CCA
Clear Channel Assessment
CRC
Cyclic Redundancy Check
DAG
Directed Acyclic Graph
DAO
Destination Advertisement Object
DDR
Data Delivery Ratio
DODAG
Destination Oriented DAG
DIS
DODAG Information Solicitation
DIO
DODAG Information Object
EC
Error Control
ETX
Expected Transmission
FEC
Forward Error Control
FCS
Frame Check Sequence
FFD
Full Function Device
IP
Internet Protocol
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
IoT
Internet of Things
LO
Local Oscillator
MAC
Medium Access Control
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
viii
MIC
Message Integrity Check
OSI
Open Systems Interconnection Reference Model
OUI
Organizational Unique Identifier
PAN
Personal Area Network
PLC
Power Line Communication
P2P
Point to Point
QPSK
Quadature Phase Shift Keying
RAM
Random Access Memory
RPL
IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy
network
ROM
Read-Only Memory
RSSI
Received Signal Strength Indicator
RFD
Reduced Function Device
RDC
Research Development Committee
SFD
Start of Frame Delimiter
S-MAC
Social Mobile Analytics Cloud
SICS
Swedish Institute of Computer Science
SINR
Signal to interference plus noise ratio
TCP
Transport Control Protocol
TDMA
Time Division Multiple Access
TSMP
Time Synchronized Mesh Protocol
TCP/IP
Transmission Control Protocol (TCP) và Internet
Protocol (IP)
UDP
User Datagram Protocol
UDG
Unit Disk Graph
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
ix
UDI
UDG with Distance Interference
WiFi
Wireless Fidelity
WSN
Wireless Sensor Networks
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Kịch bản đánh giá mô phỏng. ......................................................... 75
Bảng 3.2: Mô hình năng lượng của Tmote Sky tại công suất phát là 0dBm. . 77
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
x
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác
trong trường cảm biến. ...................................................................................... 2
Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây. ...... Error!
Bookmark not defined.
Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không
dây. .................................................................................................................. 18
Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không
dây. .................................................................................................................. 18
Hình 1.5: Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không
dây. .................................................................................................................. 20
Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm
đen và các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên
PAN trong hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng
PAN bên phải bao gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN.
......................................................................................................................... 23
Hình 1.7: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và
địa chỉ ngắn (16 bit). ....................................................................................... 24
Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý. .............. 25
Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11.
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. ........................................................................................... 26
Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC. .... 29
Hình 2.1: Các thành phần chính trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm
biến không dây. ............................................................................................... 31
Hình 2.2: Bo mạch Tmote Sky....................................................................... 32
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
xii
Hình 2.3: Công suất tiêu thụ của bộ vi điều khiển và bộ thu phát vô tuyến trên
bo mạch Tmote Sky ........................................................................................ 33
Hình 2.4: Sơ đồ khối của bộ thu phát vô tuyến. .............................................. 34
Hình 2.5: Các mạng hình sao chỉ là các kiểu mạng có thể có nếu các thiết bị
không bao giờ dùng bộ vô tuyến để lắng nghe các truyền dẫn từ các nút lân
cận. .................................................................................................................. 36
Hình 2.6: Trong một mạng lưới, tất cả các nút có thể trao đổi với nhau, cho
phép phạm vi của mạng có thể được mở rộng và cho phép các tuyến đường dự
phòng để làm tăng độ tin cậy của mạng. ......................................................... 37
Hình 2.7: Nguyên lý quay vòng công suất vô tuyến trong LPL. .................... 38
Hình 2.8: Để phát một gói tin với cơ chế LPL thì đầu tiên phía gửi sẽ gửi một
chuỗi các gói tin báo hiệu gửi để đánh thức phía thu. .................................... 39
Hình 2.9: Tối ưu hóa việc nhận biết gói tin báo hiệu gửi trong LPL. Mỗi gói
tin báo hiệu gửi chứa địa chỉ của phía thu gói dữ liệu. Khi phía thu lắng nghe
được một gói tin báo hiệu gửi, nó sẽ gửi một một gói tin xác nhận cho phía
gửi và sau đó phía gửi ngay lập tức truyền gói dữ liệu. .................................. 39
Hình 2.10: Cơ chế hoạt động của giao thức XMAC. ...................................... 41
Hình 2.11: Cơ chế hoạt động của giao thức ContikiMAC.............................. 42
Hình 2.12: Với một giao thức đồng bộ thời gian chẳng hạn như TSMP thì các
nút cần phải bật bộ vô tuyến với thời gian ít hơn, bởi vì chúng biết chính xác
khi nào phía gửi có thể truyền dữ liệu............................................................. 43
Hình 2.13: Lịch sử phát triển Contiki. ............................................................ 45
Hình 2.14: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki. ...................................... 47
Hình 2.15: Sơ đồ hoạt động các ứng dụng trong Contiki. .............................. 48
Hình 2.16: Việc truyền dẫn trong ContikiMAC và tính toán thời gian. ......... 51
Hình 2.17: Gói tin truyền tải phải đủ dài để nó không nằm giữa các CCA kế
tiếp nhau. ......................................................................................................... 52
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
xiii
Hình 2.18: Tối ưu hóa chuyển sang chế độ ngủ nhanh trong ContikiMAC: nếu
một khoảng thời gian im lặng không được phát hiện trước tl, nút nhận quay
trở lại trạng thái ngủ. Nếu khoảng thời gian im lặng dài hơn ti, nút nhận quay
trở lại trạng thái ngủ. Nếu không nhận được gói nào sau khoảng thời gian im
lặng, ngay cả khi phát hiện hoạt động vô tuyến, nút nhận trở lại trạng thái ngủ.
......................................................................................................................... 54
Hình 2.19: Xác định pha truyền dẫn: Sau khi truyền thành công, nút gửi đã
xác định được pha thức giấc của nút nhận, do đó cần gửi bản tin với số lần
truyền ít hơn. ................................................................................................... 56
Hình 2.20: XMAC sử dụng một chuỗi báo hiệu để thông báo một truyền dẫn.
......................................................................................................................... 59
Hình 3.1: Tổ chức của 3 lớp Framer, RDC, MAC trong Contiki. .................. 62
Hình 3.2: Công cụ mô phỏng Cooja. .............................................................. 65
Hình 3.3: Mô hình UDG ................................................................................. 66
Hình 3.4: Mô hình UDI. .................................................................................. 69
Hình 3.5: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki. ........................ 70
Hình 3.6: Ví dụ về việc hình thành DODAG.................................................. 72
Hình 3.7: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong bài toán mô phỏng. ..... 74
Hình 3.8: Mô hình mô phỏng một cụm gồm 35 nút. ...................................... 75
Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu. ................... 79
Hình 3.10: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong mạng........................ 79
Hình 3.11: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình. .................................. 80
Hình 3.12: So sánh số bước nhảy trung bình. ................................................. 80
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
xiv
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật
cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho
một thế hệ mạng mới ra đời – mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor
Network - WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức
năng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng
dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân
sự, môi trường sống, giao thông.
Trong một tương lai không xa, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm
biến được tích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một
phần không thể thiếu trong xã hội hiện đại nhằm mang lại sự tiện nghi và
những ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.
Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn không chỉ trong khoa học và
nghiên cứu mà còn trong những ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, việc thiết kế và
triển khai có hiệu quả mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với rất
nhiều thử thách do những đặc điểm riêng biệt của nó như các nút cảm biến bị
giới hạn về phần cứng, khả năng tính toán, mật độ dày đặc của các nút trong
hệ thống. Với sự thuận lợi và khó khăn khi thiết kế và triển khai mạng cảm
biến không dây (WSN) đã đặt ra nhiều hướng nghiên cứu để hoàn chỉnh hệ
thống, trong đó có các hướng nghiên cứu chính đang được quan tâm mạnh mẽ
từ các nhà khoa học đó là: Điều khiển truy nhập môi trường truyền cho mạng
cảm biến không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các
thiết bị cảm biến, vấn đề năng lượng và sử dụng tiết kiệm năng lượng, vấn đề
đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Trong đó vấn đề giảm tiêu hao năng
lượng là một trong số vấn đề được quan tâm hàng đầu, do đây là vấn đề sống
còn quyết định thời gian sống của toàn hệ thống mạng WSN. Chính vì vậy,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
xv
việc nghiên cứu đánh giá giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng
cảm biến không dây có ý nghĩa lý luận và thực tiễn.
Xuất phát từ thực tế khách quan đó, tôi chọn nội dung: “Nghiên cứu
đánh giá một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng cảm biến
không dây”. Với mục đích tìm hiểu một số giao thức tiết kiệm năng lượng về
mạng cảm biến không dây nhằm đưa ra nhưng hướng phát triển mới.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các giao thức tiết kiệm năng
lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây. Đây là đối tượng nghiên
cứu được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong thời gian gần
đây.
Các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC được nghiên cứu trong
phạm vi mô hình ứng dụng thu thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây.
Các nghiên cứu đánh giá được tác giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng
Cooja.
3. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng, tính hiệu quả của các giao
thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC trong phạm vi mô hình ứng dụng thu
thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây. Dựa trên các kết quả đánh giá mô
phỏng, tác giả đưa ra một số khuyến nghị khi áp dụng các giao thức này cho
các ứng dụng thu thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có
ở trong và ngoài nước để phân tích, đánh giá về các giao thức tiết kiệm năng
lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây. Dựa trên các cơ sở lý
thuyết và các phân tích, đánh giá, tác giả tiến hành mô phỏng và đánh giá các
giao thức này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
xvi
5. Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn được thể hiện qua 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chương 2: Giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm
biến không dây.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá giao thức lớp MAC tiết kiệm năng
lượng cho mạng cảm biến không dây.
Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các đề xuất mới của tác giả và dự kiến
hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
6. Những đóng góp của luận văn
Trong luận văn này, tác giả đưa ra một số kết quả nghiên cứu đánh giá so
sánh hiệu năng của một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho
mạng cảm biến không dây. Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng
trong việc thiết kế các mạng cảm biến không dây trong các hệ thống thu thập
dữ liệu tự động. Do vậy vấn đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn.
Thái Nguyên, năm 2019
Học viên
Nguyễn Thị Hồng Vân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu
hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền
thông nhằm cung cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác
động lại với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường xác định. Các ứng
dụng điển hình của mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo
dõi, giám sát và y học…
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn,
thường được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn
chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài
năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trường
độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao,…) [1].
Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được
minh họa ở hình 1.1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ
liệu đến một Sink/Gateway và người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau
qua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa
chặng. Sink có thể truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua
Internet hoặc vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di
động, WiMAX…) hoặc không cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết
nối trực tiếp với người dùng cuối. Lưu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway
và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình 1.1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
2
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác
trong trường cảm biến.
Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức
năng đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu. Do vậy, việc
truyền thông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:
Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện
và thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink.
Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc
chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp
trong tuyến đường đa chặng đến Sink.
1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây
1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút
cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành. Công
suất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không
dây bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn
năng lượng thấp bên ngoài. Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các
yếu tố kích thước và hình thức quyết định đến các ứng dụng tiềm năng cho
mạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kích
thước nhỏ gọn. Giá thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
3
không dây bởi vì mạng cảm biến không dây thường được triển khai với quy
mô lớn. Với việc triển khai hàng ngàn các nút mạng cảm biến thì việc tiết
kiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phép tiết kiệm được một
khoản tiền đáng kể.
Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng
đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến
trúc mạng. Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các
linh kiện phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò
cũng như hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng. Phần mềm chạy trên
các nút cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử
dụng và đặt các thành phần phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Nhờ
sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các nút mạng cảm biến có thể
chạy hệ điều hành và nó cung cấp các cơ chế hoạt động công suất thấp giúp
tiết kiệm năng lượng.
Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạng
cũng như việc thiết kế các giao thức mạng. Bởi vì quá trình truyền thông tiêu
tốn nhiều năng lượng nên điều quan trọng là xác định hướng các kiểu truyền
thông để chúng sử dụng hiệu quả tài nguyên sẵn có. Để giúp các giao thức
mạng làm được điều này, phần cứng và phần mềm cần biết được thông tin về
sự tiêu hao năng lượng và cung cấp thông tin này đến tầng mạng. Ngoài ra, để
tiết kiệm năng lượng, người thiết kế hệ thống cần phải đặt các thiết bị phần
cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Tuy nhiên, chế độ ngủ cũng ảnh
hưởng đến trễ truyền thông của hệ thống.
Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế
phần cứng lẫn phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì ảnh hưởng ở
đây là các phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện
cần phải ít, mỗi linh kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền. Những ảnh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
4
hưởng đối với các nhà thiết kế phần mềm là ít rõ rệt hơn. Với chi phí thấp,
kích thước vật lý nhỏ, công suất tiêu thụ thấp thì các bộ vi xử lý mà trên đó
các phần mềm hoạt động trở nên nhỏ gọn hơn, tốc độ tính toán và kích thước
bộ nhớ của các bộ vi xử lý cũng bị giảm bớt. Các nhà thiết kế phần mềm cho
một hệ thống mạng cảm biến không dây thường chỉ có vài ngàn Byte bộ nhớ
để làm việc so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte bộ nhớ trong các hệ thống
máy tính thông dụng. Do đó, phần mềm cho các nút mạng cảm biến không
dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải có khả năng chạy trong
một môi trường hạn chế nghiêm ngặt về tài nguyên (năng lượng, bộ nhớ, khả
năng xử lý hạn chế).
1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng
Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải
quyết là sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở
cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biến
không dây.
Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng
các nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút. Trong
nhiều trường hợp, các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu
từ nhiều điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm
hàng ngàn các nút cảm biến.
Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến
trong mạng cảm biến không dây. Định tuyến là quá trình mạng xác định
những tuyến đường tốt nhất để truyền bản tin qua mạng. Định tuyến có thể
được thực hiện hoặc là tập trung hoặc là phân tán. Với định tuyến tập trung thì
một máy chủ tính toán bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, còn với định
tuyến phân tán thì mỗi nút thực hiện tự quyết định lựa chọn tuyến đường để
gửi mỗi bản tin.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
5
Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng
đến cả hiệu năng mạng xét về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như
tốc độ dữ liệu để có thể vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng và hơn hết
là khoảng thời gian tồn tại của mạng được đảm bảo. Trong mạng cảm biến
không dây, việc truyền thông tin đòi hỏi năng lượng. Các nút thực hiện truyền
thông tin nhiều sẽ mất năng lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ở
chế độ ngủ. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn đầy đủ thông tin khi
lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng.
Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn thông tin định tuyến thì nó yêu
cầu các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất.
Thông tin này đòi hỏi cần phải có bộ nhớ. Tuy nhiên, mỗi nút có một số
lượng bộ nhớ hạn chế. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách
kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và
bỏ qua những thông tin không cần thiết khác.
Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền
không đáng tin cậy, điều này làm cho vấn đề định tuyến càng gặp nhiều khó
khăn. Trong kênh truyền thông vô tuyến công suất thấp thì không chắc chắn
rằng nếu một bản tin đã được gửi đi bởi một nút thì bản tin đó sẽ nhận được
bởi một nút đích được dự kiến trước trong mạng. Bản tin này có thể bị gián
đoạn hoặc có thể bị chặn hoàn toàn bởi một vật lớn bằng kim loại vừa được
đặt giữa phía gửi và phía nhận. Ngay cả khi bản tin không bị chặn hoàn toàn
thì các bit của nó có thể bị thay đổi trên đường truyền.
Tính chất không đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi
là "tổn hao". Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng
cảm biến không dây. Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là một
thách thức đối với các giao thức định tuyến. Các giao thức định tuyến phải
tính toán vấn đề tổn hao khi quyết định tuyến đường để truyền các bản tin và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
6
có thể bản tin cần phải được gửi lại. Các bản tin sẽ được định tuyến sao cho
các nguy cơ mất mát bản tin là thấp nhất. Nhưng nếu một bản tin được truyền
qua một tuyến đường xảy ra việc mất dữ liệu thì bản tin cần được gửi lại một
vài lần trong trường hợp bản tin không thể gửi được qua mạng trong lần thử
đầu tiên.
Tổn hao là một thuộc tính khó xác định, đặc biệt là trong các mạng
không dây. Tổn hao bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và
độ ẩm của không khí cũng như môi trường vật lý xung quanh của các mạng
cảm biến không dây. Ví dụ, nếu một lò vi sóng được bật lên, các trường điện
từ mà nó tạo ra có thể can thiệp vào băng tần truyền không dây 2.4GHz.
Tương tự như vậy, một mạng máy tính WiFi có thể ảnh hưởng tới một mạng
cảm biến không dây, do đó các mạng cảm biến không dây thường bị mất dữ
liệu nhiều hơn vào ban ngày, khi mà mọi người đang sử dụng mạng WiFi hơn
là vào ban đêm. Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây cần
phải được chuẩn bị trước cho những vấn đề này.
Tính chất quy mô lớn của các mạng cảm biến không dây làm phức tạp
thêm việc định địa chỉ các nút. Trong một mạng quy mô lớn, mỗi nút phải có
địa chỉ riêng để các bản tin có thể được gửi tới nó. Các địa chỉ cần có độ dài
đủ lớn sao cho mỗi nút trong các mạng quy mô lớn phải có một địa chỉ riêng
biệt. Và ngay cả khi mạng có quy mô nhỏ thì nó có thể tương tác với các nút
mạng khác bên ngoài. Trong trường hợp này, địa chỉ của các nút trong hai
mạng phải là duy nhất.
Vì số lượng các mạng cảm biến không dây có thể tương tác với các
mạng khác bên ngoài ngày tăng, nên chúng ta cần phải chuẩn bị cho quy mô
phát triển theo cấp số nhân. Do đó, cơ chế định địa chỉ cho các mạng cảm
biến không dây phải xác định duy nhất vài triệu, thậm chí vài tỷ các nút mạng
riêng biệt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
7
Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là
một thách thức vô cùng khó khăn. Với mạng cảm biến không dây có thể bao
gồm hàng ngàn nút thì việc thực hiện quản lý mạng theo cách truyền thống
không thể áp dụng ngay được. Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi sự điều
chỉnh cơ sở hạ tầng mạng thủ công bởi một quản trị viên hệ thống. Với các
mạng cảm biến không dây ở dạng Ad-hoc, mạng phải được chuẩn bị để tự
quản lý chính nó mà không có bất kỳ sự điều hành mạng nào của con người.
Ngoài ra, trong mạng máy tính truyền thống, mỗi máy tính kết nối mạng có
thể yêu cầu cấu hình thủ công hoặc bán thủ công. Ví dụ như người dùng ở các
máy tính có thể cần phải nhập mật khẩu để truy cập mạng. Đối với mạng cảm
biến không dây thì điều đó là không khả thi khi cho một người nhập mật khẩu
vào từng nút mạng cảm biến tại các thời điểm khi cần truy cập mạng.
Một mạng cảm biến không dây cũng phải cung cấp các cơ chế truy cập
từ bên ngoài. Có những trường hợp mà một mạng cảm biến không dây được
sử dụng cô lập, nhưng thông thường các dữ liệu tạo ra bởi các mạng cảm biến
không dây cần phải được lấy ra để xử lý hoặc được lưu trữ ở một nơi khác.
Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây cần phải được cấu hình lại hoặc thay
đổi trong quá trình hoạt động. Trong cả hai trường hợp, các mạng cảm biến
không dây phải cho phép truy cập được từ bên ngoài.
1.2.3. Sự chuẩn hóa
Tiêu chuẩn là một yếu tố then chốt đối với sự thành công của các mạng
cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi
số lượng lớn các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn được biết đến với
việc có nhiều tiêu chuẩn, nhiều nhà sản xuất và nhiều công ty khác nhau cùng
quan tâm đóng góp về mặt công nghệ. Các công nghệ sản xuất khác nhau có
những tiêu chuẩn khác nhau. Một nhà sản xuất thiết bị cảm biến chuyên về
cảm biến độ ẩm chính xác cao có thể không quan tâm đến các hệ thống công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
8
nghệ thông tin. Tuy nhiên, cả hai phải làm việc cùng nhau trong hệ thống tòa
nhà tự động, ở đó các cảm biến độ ẩm tạo ra đầu vào cho việc kiểm soát môi
trường trong toà nhà. Hệ thống kiểm soát môi trường được điều khiển bởi một
hệ thống công nghệ thông tin tiên tiến, chúng tiếp nhận đầu vào từ các cảm
biến độ ẩm.
Nếu không có sự chuẩn hóa thì các nhà sản xuất thiết bị và các nhà tích
hợp hệ thống cần phải xây dựng toàn bộ hệ thống đối với mọi hệ thống mới
được cài đặt. Ngoài ra, nhà sản xuất và nhà tích hợp sẽ sử dụng một công
nghệ độc quyền từ một nhà cung cấp riêng lẻ. Công nghệ độc quyền này có
thể cung cấp các lợi ích trong thời gian ngắn, nhưng nó làm cho nhà sản xuất
và nhà tích hợp đều gặp khó khăn trong việc phát triển hệ thống của họ vượt
ra ngoài công nghệ độc quyền bởi các nhà cung cấp. Ngoài ra, khi công nghệ
này là độc quyền thì các nhà cung cấp công nghệ sẽ điều khiển tương lai của
công nghệ mà không phải là các nhà sản xuất và các nhà tích hợp.
Với việc chuẩn hóa công nghệ thì công nghệ là độc lập với nhà cung
cấp, nhà sản xuất và người dùng. Bất kỳ nhà cung cấp nào đều có thể lựa chọn
để cung cấp các hệ thống dựa trên công nghệ. Các nhà sản xuất thiết bị, các
nhà tích hợp hệ thống có thể lựa chọn để xây dựng hệ thống của họ dựa trên
công nghệ từ bất kỳ nhà cung cấp nào.
Tiêu chuẩn hóa công nghệ có một ưu điểm lớn đó là việc chấp nhận các
điều khoản. Khi công nghệ được chuẩn hóa thì các nhà cung cấp, nhà sản xuất
và các nhà tích hợp hệ thống có thể dễ dàng chọn các công nghệ mà không có
rủi ro từ các nhà cung cấp chính nữa.
Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách
thức không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức.
Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công
nghệ, từ công nghệ truyền thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
9
tuyến, truy cập mức ứng dụng và tích hợp hệ thống công nghệ thông tin. Mỗi
cấp độ có những thách thức kỹ thuật riêng nhưng quan trọng hơn đó là việc
chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bởi các nhóm khác nhau.
1.2.4. Khả năng cộng tác
Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà
cung cấp khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Khả năng cộng tác là điều
cần thiết giữa các nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây
với các cơ sở hạ tầng mạng hiện có.
Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộng
tác ở nhiều mặt. Các nút cảm biến phải tương thích với nhau từ lớp vật lý cho
đến lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp. Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi
các thiết bị từ các hãng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau. Ở cấp độ vật
lý, các nút cảm biến không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số
vô tuyến để thực hiện truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu
được truyền. Ở cấp độ mạng, các nút phải thống nhất về định dạng thông tin
được gửi và nhận trên các kênh vật lý cũng như các nút mạng được đánh địa
chỉ như thế nào, các bản tin sẽ được vận chuyển qua mạng bằng cách nào. Ở
lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút cảm biến phải chia sẻ cách thức để dữ
liệu được gửi vào hoặc lấy ra từ mạng, cũng như làm thế nào để nút cảm biến
có thể được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài.
1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây
Kiến trúc ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi Sink và các nút cảm
biến được minh họa ở hình 1.2. Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kết
hợp giữa vấn đề năng lượng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng
lượng, các giao thức tổng hợp dữ liệu và truyền thông hiệu quả năng lượng
qua môi trường không dây. Kiến trúc ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý,
lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp ứng dụng, cũng như các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
