TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các
thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang
học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu.
Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếp
thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ
tinh. Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích
chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian
thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của
chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi
trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị
vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt
động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với
mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng
rất khó thấy trước đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc
chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật
phức tạp, v.v...
1.2 Mô tả hệ thống tổng quát
Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field)
được minh họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khả
năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới
người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node
Sink đến các node cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink)
theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop
Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các
trung tâm điều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với

trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua
Internet hay vệ tinh (Satellite).
Hình 1.: Mô hình triển khai các node cảm biến không dây
Một node cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ
xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, node cảm biến
còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng
và thiết bị di động. Các thành phần trong một node cảm biến được minh họa trên
hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm
biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có được
từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số
bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp
với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác
với các node khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin
giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng
ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của node cảm biến là
bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm
biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn.
Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm
pin mặt trời nhỏ.
Bộ nguồn Bộ sinh năng lượng
Sensor Thiết bị xử lý
Hệ thống tìm vị trí Thiết bị di động
ADC
Thiết bị nhớ
Bộ cảm biến Bộ xử lý
Bộ thu phát
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các node
cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần
thiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được

phân công.
Hình 1.: Các thành phần của node cảm biến
1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây
1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần với
nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong các bổ
xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth. Ví dụ các thiết bị cho
các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các huy hiệu, được
cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vài năm.
Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầu thời
gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giám sát
không được thỏa thuận. Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường các
vùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không thể thay đổi
nguồn thường xuyên. Hơn nữa, các ứng dụng nào đó không thể tận dụng một
nguồn cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng này phải nhận nguồn năng
lượng nhờ quá trình khai thác và lọc năng lượng từ môi trường. Một ví dụ của kiểu
này là cảm biến áp suất lốp xe, mong muốn nhận được năng lượng từ các nguồn
năng lượng cơ hoặc nhiệt hiện diện trong các lốp ô tô thay vì một nguồn có thể yêu
cầu được thay thế trước khi lốp chạy.
Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chính với
khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn năng lượng
đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống.
1.3.2 Chi phí thấp
Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí sản
xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi phí của
mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm biến
là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ ở
mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn 1Dollar
thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài các thành phần
chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý, nguồn

nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, di động, tạo
năng lượng, v.v... tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Do đó, chi phí sản xuất trở thành một
thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá thành thấp
hơn 1 Dollar.
1.3.3 Mức độ khả dụng
Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như các thẻ
hành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng có
mức độ khả dụng cao. Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và hiệu
quả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không dây
được nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi trong
vùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ) dây
truyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng vận hành
trên khắp thế giới. Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử dụng bởi
việc tận dụng các bộ thu nhận GPS (Global Positioning System) hoặc GLONASS
(Global Navigation Satellite System) trong mỗi node mạng và điều chỉnh node
cách thức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu nhận thứ hai,
cộng thêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để nhận các yêu cầu
khắp thế giới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp này là không tồn tại.
Bởi vậy, mong muốn tận dụng một băng thông đơn - có ít trong các yêu cầu điều
luật cảu chính phủ từ quốc gia đến quốc gia - để tăng cực đại toàn bộ thị trường
tiêu thụ cho các mạng cảm biến không dây.
1.3.4 Kiểu mạng
Một mạng star thông thường tận dụng một thiết bị master đơn và một hoặc nhiều
hơn thiết bị slave có thể thoả mãn nhiều ứng dụng. Bởi vì công suất truyền dẫn của
các thiết bị mạng bị giới hạn bởi các điều luật chính phủ và các công ty cung cấp
nguồn nuôi battery-life, tuy nhiên, thiết kết mạng này sẽ hạn chế phạm vi vật lý
một mạng có thể phục vụ đến phạm vi của một thiết bị đơn (master). Khi phạm vi
bổ xung được yêu cầu, các kiểu mạng hỗ trợ định tuyến multi-hop (ví dụ các kiểu
mesh hoặc cluster) phải được tận dụng; bộ nhớ bổ xung và chi phí tính toán cho
các bảng hoặc thuật toán định tuyến, trong quá trình bổ xung overhead bảo trì

mạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu thụ nguồn. Để được
xác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>256
node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng dụng thẻ báo giá trong
siêu thị).
1.3.5 Bảo mật
Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng -
bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết do
người sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng. Việc nhận biết bảo mật là
vấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của
họ (hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để
nhận. Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một
phiên bản có dây mà người sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các
cấp tải thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận
được thông tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận. Ứng dụng
không dây phải làm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng
lớn được yêu cầu với chi phí thấp hơn.
Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin. Thực tế, trong
nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bản
tin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến không
dây. Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin được
nhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó.
Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thể
xen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thể
nguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên. Các yêu cầu này là một kiểu
bảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn của
bản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity Code) phụ
thuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát. (Trong các trường bảo
mật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication Code) nhưng MIC
được sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có thể với lớp MAC của
ngăn xếp giao thức OSI). Người thu mong muốn và người gửi chia sẻ một khoá, nó

được sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với người nhận để phê chuẩn tính
nguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi. Để tránh “replay attacks”, trong
một máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếm
hoặc bộ định thời bản tin được gộp lại trong trường tính toán MIC. Trong cách
này, không có hai bản tin xác thực - thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng.
Về bảo mật, người thiết kế mạng cảm biến không dây gặp phải ba vấn đề khó
khăn:
- Chiều dài MIC, để phù hợp với kế hoạch bảo mật tại mọi nơi, phải được cân
bằng với chiều dài điển hình của dữ liệu được truyền phát, và mong muốn
cho các bản tin được truyền phát ngắn. Dù vậy, một MIC 16-byte (128 bit)
thường được đưa ra như một thiết yếu cho hầu hết các hệ thống bảo mật, nó
trở nên cồng kênh khi dữ liệu bit đơn được truyền đi (ví dụ bật, tắt). Người
thiết kế có thể cân bằng các yêu cầu bảo mật của nhiều người sử dụng với
các yêu cầu nguồn thấp của mạng. Chú ý rằng điều này có thể bao gồm các
lựa chọn chiều dài MIC, phù hợp với các quá trình kết hợp xác nhận bản tin,
kiểm tra tính toàn vẹn, và mã hoá - và phải được thực hiện tự động, giống
như một phần của một mạng tự tổ chức.
- Để tối thiểu hoá chi phí các thiết bị mạng, các tính năng bảo mật phải có khả
năng bổ xung với phần cứng rẻ, với một bổ xung tối thiểu các cổng logic,
RAM, và ROM. Thêm nữa, công suất tính toán (ví dụ tốc độ đồng hồ máy vi
tính, số lượng các hạt xử lý có sẵn, v.v…) có sẵn trong hầu hết các thiết bị
mạng là rất giới hạn. Sự kết hợp này của số lượng cổng thấp, các yêu cầu bộ
nhớ nhỏ, và số lượng lệnh thực thi thấp giới hạn các kiểu các thuật toán bảo
mật mà có thể được sử dụng.
- Cuối cùng, vấn đề khó khăn nhất để giải quyết phổ biến là quá trình phân tán
khoá. Nhiều phương pháp có hiệu lực, bao gồm một vài kiểu của mật mã
hoá khoá công cộng tận dụng khoá chuyên dụng tải trên các thiết bị và các
loại khoá khác nhau của quá trình can thiệp của người sử dụng trực tiếp. Tất
cả đều có những ưu điểm và nhược điểm khi được sử dụng trong một hệ
thống nhất định; người thiết kế mạng cảm biến phải lựa chọn một mà thích

hợp nhất cho ứng dụng trong tầm kiểm soát.
Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phân
chia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạng
rộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý. Mặc dù việc thiết kế
một mạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, người
thiết kế của một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ. Các yêu cầu về
nguồn và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc trong các phạm vi
khác.
1.3.6 Thông lượng dữ liệu
Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các yêu
cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với các
mạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mong
muốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là
512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện. Tốc độ dữ liệu điển hình
được mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trong
một vài ứng dụng. Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữ
liệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể.
Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số lượng
overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quả truyền
thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi các gói
TCP/IP có thể dài 1500 byte. Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn, hiệu
quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng: người
thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyền thông,
thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao thức.
1.3.7 Trễ bản tin
Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúng không
hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông lượng dữ liệu
ngăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong nhiều ứng
dụng. Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy rất thoải mái
trong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng dụng, một độ trễ

và giây hoặc vài phút có thể chấp nhận tương đối.
1.3.8 Tính di động
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động.
Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đường
định tuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang overhead lưu
lượng điều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giản
hơn so với mạng di động Ad hoc.
1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
1.4.1 Kích thước vật lý nhỏ
Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu thụ
luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết
kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất
tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm
phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.
1.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm biến
và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động
nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến có thể
được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng. Hoặc
dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được hướng
tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên
việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi.
Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt
động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện
thời gian thực. Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và
cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
1.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi
của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều
trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động (actuator)

cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn.
Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời
kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một
cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình
vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời,
tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp.
1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng
cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một
phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật
lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các
thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng. Như
vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để
có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết
để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không
cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng
với phần mềm trong khả năng công nghệ.
1.4.5 Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng
dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ
tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc tăng
độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ
tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của
thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không những
mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây
Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các
node cảm biến được minh họa trong hình 1.3.
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết
hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông

qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các node cảm biến. Ngăn
xếp giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport
Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý
(Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt
bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ
(Task Management Plane).
Hình 1.: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây
dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các
ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số
liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các node cảm biến
có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối
thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các node lân cận. Lớp vật lý sử
dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ.
Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự
phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến.
Các mặt bằng này giúp cho các node cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm
biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ.
Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một node cảm biến sử dụng năng
lượng của nó như thế nào. Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi
nhận một bản tin từ một trong các node lân cận. Điều này có thể tránh được việc
nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của node cảm biến thấp,
node cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các node lân cận rằng mức năng lượng thấp
của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin.
Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng quản lý di động dò
tìm và ghi lại chuyển động của node cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tới
node user luôn được duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi được các node
cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được các node cảm biến lân cận, node cảm
biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng. Mặt bằng quản lý
nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không

phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại
cùng một thời điểm. Kết quả là một vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều
hơn các node khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng. Những mặt quản lý này rất
cần thiết, như vậy, các node cảm biến có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả
về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động và
chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Nếu không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ
làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng cảm biến,
sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế
cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
1.5.1 Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đề
xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là một
vùng rộng lớn chưa được khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao
thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor
Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP
(Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến
và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất
cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới
những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến. Tất cả các giao thức lớp
ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở.
1.5.2 Lớp giao vận
Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các node cảm
biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng. Lớp
giao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet
hoặc những mạng bên ngoài khác. Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn
chưa phù hợp với đặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay. Do đó, việc
thiết lập một liên kết đầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp đến node quản lý của
người sử dụng là không hiệu quả. Phương pháp phân tách TCP là cần thiết để
mạng cảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet. Trong phương
pháp này, kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa node quản lý của người sử

dụng và node thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi
trường mạng cảm biến được sử dụng cho truyền thông giữa node thu nhận và các
node cảm biến. Kết quả là truyền thông giữa node người sử dụng và node thu nhận
có thể sử dụng giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh. Mặt khác,
việc truyền thông giữa node thu nhận và các node cảm biến chỉ sử dụng hoàn toàn
các giao thức kiểu như UDP, bởi vì các node cảm biến có bộ nhớ hạn chế.
Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền thông đầu
cuối (end to end) trong mạng cảm biến không địa chỉ toàn cục. Các phương pháp
này dựa trên việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu. Các
nhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các đặc trưng như định
tuyến tập trung số liệu khiến cho mạng cảm biến cần phải có những cơ chế khác
trong lớp giao vận. Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thức
mới ở lớp giao vận.
1.5.3 Lớp mạng
Các node cảm biến được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay
bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không
dây đa bước phù hợp giữa node cảm biến và node Sink là cần thiết. Kỹ thuật định
tuyến trong mạng Ad hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng
cảm biến. Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế theo những nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng.
- Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung.
- Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp
tác của các node cảm biến.
- Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc
tính cơ sở và vị trí.
1.5.4 Lớp liên kết số liệu
Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách
khung số liệu, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin cậy
cho kết nối điểm - điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint)
trong mạng truyền thông. Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến lược truy nhập môi

trường truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng cảm biến.
1.5.5 Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế
và mã hoá số liệu. Kế hoạch chọn tần số đã được trình bày trong bảng 1.2. Việc tạo
tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ không
được xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng,
hiệu suất năng lượng và các phương pháp điều chế trong mạng cảm biến.
Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về
năng lượng và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng
cảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài ra còn
các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa
đường. Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một
khoảng cách d tỷ lệ với d
n
, trong đó 2 ≤ n < 4. Số mũ n gần 4 với antenna tầm thấp
và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng cảm biến. Nguyên nhân là do sự
triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất. Để giải quyết vấn đề này, người
thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt
để. Ví dụ, truyền thông qua nhiều bước nhảy trong mạng cảm biến có thể vượt qua
một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đường truyền nếu mật độ
node mạng đủ lớn. Tương tự, trong khi suy hao đường truyền và dung lượng kênh
hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theo không
gian.
Dải tần (kHz) Tần số trung tâm (kHz)
6765 - 6795 6780
12.553 - 13.567 14
26.957 - 27.283 27
40.66 - 40.70 40.68
433.05 - 434.79 433.92
902 - 928 915

2400 - 2500 2450
5725 - 5875 5800
24 - 24.25 24
61 - 61.5 61.25
122 - 123 122.5
244 - 246 245
Bảng 1.: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế ISM
(Industrial, Scientific and Medical)
Việc lựa chọn phương thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin
cậy trong truyền thông của mạng cảm biến. Trong khi một phương pháp điều chế
cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên
một kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô
tuyến. Với điều kiện công suất khởi kích vượt trội thì phương pháp điều chế cơ số
hai có hiệu quả về năng lượng hơn. Vì thế, phương pháp điều chế cơ số M chỉ có
lợi với các hệ thống có công suất khởi kích thấp.
Thiết bị băng tần cực rộng UWB (Ultrawideband) hay vô tuyến xung IR
(Impulse Radio) từng được sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các
hệ thống đo khoảng cách, gần đây được chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc
biệt là các mạng không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên