(Luận văn thạc sĩ) cải tiến thuật toán định tuyến cho trạm thu phát di động trong mạng cảm biến không dây

"IMPROVING ROUTING ALGORITHM FOR MOBILE SINK IN WSN"
ABSTRACT
In WSN, to collect and process data, the network uses sensors. Sensors work based
on battery power. However, it is not easy to reload. Therefore, energy is always a matter
of concern for scientists and researchers . Besides, WSN is applied a lot in life . To
extend the life of the network and less energy consumed , in this paper, propose a routing
algorithm between Leach _C and ACO (Ant Colony Optimize). Using a mobile sink to
collect data from the base station (BS) to the cluster headers (CHS), the direction of the
sink is determined by the ACO algorithm. Results, compared to LEACH, LEACH-C,
LEACH-CD. From there, save energy and improve network life time.


“CẢI TIẾN THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CHO MOBILE SINK TRONG WSN”
TÓM TẮT
Trong WSN, để thu thập và xử lý dữ liệu, mạng sử dụng các sensors. Các sensors hoạt
động được là nhờ năng lượng pin. Tuy nhiên, nó không dễ dàng để nạp lại. Vì vậy, năng
lượng luôn là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học và nghiên cứu. Bên cạnh đó, WSN
được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. Để kéo dài tuổi thọ của mạng và năng lượng ít
bị tiêu hao, trong bài báo này, đề xuất một thuật toán định tuyến kết hợp giữa LEACH_C
và ACO. Sử dụng một sink di động đi thu thập dữ liệu từ trạm gốc đến các trưởng cụm,
hướng đi của sink được quyết định bởi thuật toán ACO. Kết quả, được so sánh với
LEACH, LEACH-C, LEACH-CD. Từ đó, tiết kiệm được năng lượng và cải thiện thời
gian sống của mạng.


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng luận văn “Cải tiến thuật toán định tuyến cho trạm thu phát
di động trong mạng cảm biến không dây” là bài nghiên cứu của chính tôi.
Ngoại trừ những tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn trong luận văn này, tôi cam

đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chƣa từng đƣợc công bố
hoặc đƣợc sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.
Luận văn này chƣa bao giờ đƣợc nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các
trƣờng đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.
TP.HCM, ngày … tháng … năm 2019
Học viên thực hiện luận văn

Tạ Chí Qui Nhơn


ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ, ngoài
những cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, giúp đỡ rất
nhiệt tình của quý thầy cô, cùng với sự động viên khích lệ và ủng hộ của gia đình,
bạn bè và đồng nghiệp; với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin đƣợc gửi lời
cảm ơn chân thành đến:
Ban lãnh đạo và tất cả cán bộ, công chức, viên chức đang công tác tại Trƣờng
Cao đẳng Công nghệ thông tin Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi hoàn
thành việc học cao học tại trƣờng Đại học Mở Tp. HCM.
Xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến PGS.TS Trần Công Hùng, ngƣời đã
trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo, chia sẻ kiến thức, tài liệu, tạo mọi điều kiện thuận lợi
và định hƣớng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Bên cạnh đó, tôi cũng đã nhận đƣợc rất nhiều sự hỗ trợ, góp ý từ NCS. Phan
Thị Thể, Ths. Nguyễn Ngọc Thắng và các bạn bè; xin gửi lời tri ân đến tất cả quý
thầy, cô và các anh chị.
Do thời gian có hạn, bản thân đã cố gắng và nỗ lực hết sức mình nhƣng chắc
rằng luận văn khó tránh khỏi thiếu sót; tôi rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ

bảo tận tình của quý thầy cô và các anh chị.
Xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày … tháng … năm 2019
Học viên thực hiện luận văn

Tạ Chí Qui Nhơn


iii

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. viii
MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................... 5
1.1.Giới thiệu..............................................................................................................5
1.2.Cấu trúc mạng cảm biến không dây..................................................................6
1.2.1.

Cấu trúc một nút mạng WSN ..............................................................6

1.2.2.

Cấu trúc mạng cảm biến không dây ...................................................7

1.2.3.

Kiến trúc giao thức mạng WSN ..........................................................9

1.3.Một số vấn đề thiết kế mạng cảm biến không dây .........................................12
1.3.1.

Khả năng chịu lỗi (fault tolerance) ...................................................12

1.3.2.

Khả năng mở rộng (scalability) .........................................................12

1.3.3.

Chi phí sản xuất (production costs) ..................................................12

1.3.4.

Hạn chế của phần cứng (hardware constraints) ..............................13

1.3.5.

Cấu hình mạng cảm biến (network topology) ..................................13

1.3.6.

Sink di động .........................................................................................13

1.3.7.

Tiêu thụ năng lượng ...........................................................................13

1.3.8.

Độ tin cậy .............................................................................................14

1.3.9.

Độ trễ....................................................................................................14

1.4.Ứng dụng của mạng cảm biến không dây .......................................................14
1.4.1.

Quân sự ................................................................................................14

1.4.2.

Công nghiệp .........................................................................................15

1.4.3.

Nông nghiệp .........................................................................................16


iv

1.4.4.

Giám sát môi trường ..........................................................................18

1.4.5.

Gia đình ...............................................................................................19

1.4.6.

Sức khỏe ...............................................................................................20

1.4.7.

Giao thông: ..........................................................................................20

1.5.Kết luận ..............................................................................................................21
CHƢƠNG 2: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN.................................................... 22
2.1.Định tuyến trong WSN .....................................................................................22
2.2.Một số giao thức định tuyến trong WSN ........................................................23
2.2.1.

LEACH ................................................................................................23

2.2.2.

LEACH_C ...........................................................................................27

2.2.3.

Logic mờ ..............................................................................................28

2.2.4. Giao thức CHEF Fuzzy (Cluster Head Election mechanism using

Fuzzy logic) .......................................................................................................30
2.3.Mô hình trạm thu phát di động: gồm 03 dạng ...............................................32
2.4.Một số giải thuật định tuyến có trạm thu phát di động .................................33
2.4.1. Thuật toán MSA (Mobile Sink Assisted Energy Efficient Routing
Algorithm) .........................................................................................................33
2.4.2. Thuật toán MECA (Mobile sink based Energy-efficient Clustering
Algorithm) .........................................................................................................34
2.4.3.

LEACH kết hợp mobile sink theo quỹ đạo cố định .........................38

2.4.4.

LEACH_C có mobile sink ..................................................................39

2.4.5. Định tuyến động trên lưới ảo (Virtual Grid based Dynamic Route
Adjustment - VGDRA) ....................................................................................41
2.4.6. Đề xuất giảm sự tiêu hao năng lượng trong WSN bằng phương
pháp tìm đường đi ngắn nhất ..........................................................................43
2.4.7. Đề xuất hướng di chuyển để tiết kiệm năng lượng cho sink mobility
trong mạng cảm biến không dây .....................................................................46
2.4.8.

Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất ACO ........................................48

2.5.Kết luận ..............................................................................................................51
CHƢƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT ...................................................................... 52
3.1.Giới thiệu: ..........................................................................................................52

v

3.2.Đề xuất: ..............................................................................................................52
3.2.1.

Mô hình tiêu thụ năng lượng .............................................................53

3.2.2.

Hướng di chuyển của mobile sink: ....................................................54

3.2.3.

Lưu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất ........................................54

3.3.Kết luận ..............................................................................................................56
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CỦA GIẢI PHÁP ĐỀ
XUẤT ........................................................................................................................57
4.1.Cài đặt mô phỏng: .............................................................................................57
4.2.Các tiêu chí đánh giá hiệu suất ........................................................................57
4.3.Kết quả mô phỏng .............................................................................................58
4.4.Kết luận ..............................................................................................................61
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 63


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Các thành phần của nút cảm biến ..............................................................7

Hình 1. 2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây ........................................................9
Hình 1. 3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.....................................................9
Hình 1. 4: Ứng dụng trong quân sự...........................................................................15
Hình 1. 5: Ứng dụng trong công nghiệp ...................................................................15
Hình 1. 6: Ứng dụng ở cảng ......................................................................................16
Hình 1. 9: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng ..............................................................18
Hình 1. 10: Ứng dụng nhà thông minh .....................................................................19
Hình 1. 11: Ứng dụng trong y tế ...............................................................................20
Hình 1. 12: Ứng dụng trong giao thông ....................................................................21
Hình 2. 1: Mô hình định tuyến đơn hop và đa hop ...................................................22
Hình 2. 2: Hai pha trong một vòng của giao thức Leach ..........................................25
Hình 2. 3: Cấu trúc hệ thống suy luận mờ ................................................................29
Hình 2. 4: Mô hình mạng cảm biến trong thuật toán MECA ...................................35
Hình 2. 5: Mô hình di chuyển của sink sau khoảng thời gian ..............................35
Hình 2. 6: Tổng tiêu thụ năng lƣợng của MECA và LEACH...................................38
Hình 2. 7: Sink di chuyển theo quỹ đạo tròn cố định................................................39
Hình 2. 8: Lƣợc đồ Leach-CM ..................................................................................41
Hình 2. 9: Lƣợc đồ LEACH-CM ..............................................................................43
Hình 2. 10: Chia các nút cảm biến thành các cụm ....................................................44
Hình 2. 11: So sánh mức tiêu thụ năng lƣợng giữa LEACH và thuật toán mới .......46
Hình 2. 12: Mô phỏng so sánh số nút còn sống giữa đề xuất LEACH-CD với
LEACH, LEACH C ..................................................................................................47
Hình 3. 1: Hƣớng di chuyển của mobile sink trong đề xuất .....................................54
Hình 3. 2: Lƣu đồ hoạt động của thuật toán đề xuất .................................................55
Hình 4. 1: Mô phỏng so sánh nút mạng còn sống giữa giao thức đề xuất LEACHCACO và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD ..........................................59
Hình 4. 2: Mô phỏng quá trình tiêu thụ năng lƣợng giữa giao thức đề xuất LEACHCACO và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD ..........................................60


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1: Chín quy tắc mờ if - then của thuật toán CHEF ......................................31
Bảng 4. 1: Bảng tham số mô phỏng .........................................................................57
Bảng 4. 2: So sánh tuổi thọ mạng giữa giao thức đề xuất LEACH-CACO và giao
thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD ....................................................................58
Bảng 4. 3: So sánh sự tiêu thụ năng lƣợng giữa giao thức đề xuất LEACH-CACO
và giao thức LEACH, LEACH-C, LEACH-CD .......................................................60


viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT

TIẾNG ANH

TẮT

TIẾNG VIỆT

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

ACO

Ant Colony Optimize

Tối ƣu hóa đàn kiến

BS

Base Station

Trạm gốc (trạm thu phát)

MS

Mobile Sink

Trạm thu phát di động

CH

Cluster Head

Trƣởng cụm

Low Energy Adaptive

Phân cụm thích ứng năng lƣợng

Clustering Hierarchy

thấp

LEACH

Cluster Head Election
CHEF

mechanism using Fuzzy
logic

FIS

Fuzzy Inference System

COG

Center of Gravity

VGDRA

MECA

Virtual Grid based
Dynamic Route Adjustment

Cơ chế lựa chọn trƣởng cụm sử
dụng logic mờ
Hệ thống suy luận mờ

Định tuyến động trên lƣới ảo

Mobile sink based Energy

Thuật toán phân cụm hiệu quả

efficient Clustering

năng lƣợng dựa trên trạm thu phát

Algorithm

di động


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network: WSN) đã
và đang là lĩnh vực thu hút rất nhiều sự quan tâm vì những tiềm năng và lợi ích to
lớn mà chúng có thể cung cấp cho các lĩnh vực về kinh tế - xã hội, nông nghiệp và
công nghiệp, môi trƣờng, giáo dục, y tế, quốc phòng…
WSN là một tập hợp gồm các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô
tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) phối hợp nhau để thực hiện việc thu thập thông
tin dữ liệu phân tán với qui mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở trong bất kỳ địa hình
nào.
Đặc điểm của mạng cảm biến không dây là năng lƣợng bị giới hạn vì cảm
biến đƣợc cung cấp từ pin có nguồn năng lƣợng hạn chế. Nguồn năng lƣợng này
không dễ dàng để thay thế hay nạp lại khi các nút cảm biến đƣợc triển khai trong
một vùng rộng lớn, những nơi nguy hiểm, hoặc có địa hình phức tạp.
Trong WSN việc tiêu hao năng lƣợng chủ yếu do thu thập dữ liệu từ môi
trƣờng xung quanh, và mỗi cảm biến cũng cần có năng lƣợng để xử lý, tổng hợp và
truyền tải dữ liệu thƣờng xuyên, liên tục về nút trung tâm mạng. Vậy điều cần thiết
là phải làm sao để giảm mức tiêu thụ năng lƣợng đến mức tối đa. Điều này đƣợc

thực hiện bằng cách giới hạn số nút liên lạc trực tiếp với trạm gốc (BS – Base
Station) hay trạm thu phát (Sink) đây là nơi tập hợp, lƣu trữ dữ liệu ứng dụng và
cũng là nơi xử lý, ra quyết định trong WSN.
Trên thế giới, đã có nhiều thuật toán phát triển cho việc giảm thiểu số nút
giao tiếp với trạm gốc bằng cách nhóm các nút trong mạng thành các khu vực hoặc
các cụm. Mỗi cụm đƣợc điều khiển bởi một nút trƣởng cụm (CH – Cluster Head),
các nút khác trong cụm trở thành nút thành viên của cụm đó. Các nút thành viên chỉ
liên lạc với nút trƣởng cụm trong phạm vi của cụm đó. Nút trƣởng cụm sẽ liên lạc
trực tiếp với trạm gốc nên hạn chế mức tiêu thụ năng lƣợng của các nút cảm biến
trong WSN.
Tuy nhiên, để đạt đƣợc kết quả cao hơn nữa trong việc tiết kiệm năng lƣợng trong
WSN, một số nhà nghiên cứu đã triển khai các trạm thu phát di động (MS - mobile


2

sink) để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến. Tính di động của trạm thu phát nhằm
tăng thời gian sống cho mạng cảm biến là vấn đề chính đƣợc xét đến trong luận văn
này.
Mục tiêu của luận văn
Mục tiêu của luận văn là xác định đƣờng đi cho sự di chuyển của mobile sink
(sử dụng một mobile sink) để tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ cho WSN và kéo dài thời
gian sống của mạng WSN. Do đó, sẽ tìm hiểu về giao thức phân cụm Leach, logic
mờ, mobile sink, thuật toán tìm đƣờng đi ngắn nhất cho mobile sink từ trạm gốc BS
đến các trƣởng cụm CH để thu thập thông tin từ các nút cảm biến.
Vấn đề cần giải quyết của luận văn
Luận văn xét trên một mạng lƣới cảm biến không dây với các nút cảm biến
đƣợc triển khai ngẫu nhiên.
Các cảm biến tiêu hao năng lƣợng không đồng đều. Theo cách truyền thông
tin truyền thống thì các nút cảm biến càng gần các nút trạm đã đƣợc cố định thì sẽ

tiêu thụ năng lƣợng nhanh, vì các nút cảm biến gần là do các nút cảm biến ở xa
chuyển tiếp nhiều ngày mới đến nên năng lƣợng đã bị tiêu hao trên đƣờng đi, sau đó
mới gửi đến trạm di động. Điều này không chỉ gây ra những nút cảm biến gần sink
ngƣng hoạt động mà còn làm cho sink không thể truy cập đến các nút cảm biến
khác.
Để khắc phục tình trạng trên, ta phải hiệu chỉnh lại việc phân phối dữ liệu
trên các tuyến đƣờng (dynamic routes) hƣớng tới trạm bằng việc xác định hƣớng di
chuyển của mobile sink nhằm thu đƣợc dữ liệu đầy đủ. Từ đó, mới cải thiện đƣợc
hiệu quả năng lƣợng, tăng tuổi thọ trong WSN và đây chính là vấn đề cần xem xét
trong luận văn.
Đối tượng nghiên cứu
Tìm hiểu ƣu nhƣợc điểm của mạng cảm biến không dây, mô hình trạm thu
phát di động (mobile sink), giao thức LEACH, LEACH-C, các thuật toán tối ƣu
năng lƣợng trên mobile sink.


3

Phạm vi nghiên cứu
− Nghiên cứu các kiến trúc mạng WSN
− Nghiên cứu về các giao thức LEACH, LEACH – C, Dijkstra, ACO
− Nghiên cứu, phân tích thuật toán định tuyến trên mobile sink, mô hình trạm
thu phát di động.
− Nghiên cứu phƣơng pháp tiếp cận giao thức định tuyến phân cụm kết hợp
với các giải thuật tìm đƣờng đi ngắn nhất cho mobile sink từ trạm cơ sở (BS – Base
Station hay sink) đến các trƣởng cụm (CH – Cluster Head) để thu thập thông tin
cảm biến, đồng thời cải tiến thời gian sống của WSN
Phương pháp nghiên cứu
− Nghiên cứu lý thuyết:
+ Tìm hiểu các phƣơng pháp định tuyến hiện nay, tìm hiểu về mạng và kiến

trúc WSN
+ Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về thuật toán phân cụm
+ Tìm hiểu sự kết hợp của thuật toán tìm đƣờng đi ngắn nhất với giao thức
định tuyến phân cụm LEACH-C trên mobile sink.
− Nghiên cứu thực nghiệm:
Mô phỏng thuật toán đề xuất thông qua phần mềm Matlab, phân tích kết quả
đạt đƣợc so với LEACH, LEACH – C, LEACH-CD.
Các đóng góp của luận văn
Xác định tối ƣu hƣớng di chuyển cho mobile sink để thu thập thông tin đầy
đủ giúp cải thiện đƣợc hiệu quả năng lƣợng của mạng bằng phƣơng pháp tiếp cận
thuật toán phân cụm kết hợp với việc sử dụng 01 mobile sink.
Cấu trúc luận văn
Nội dung của luận văn gồm 04 chƣơng:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chƣơng này mô tả về cấu trúc mạng cảm biến không dây, đặc điểm và cấu
trúc của nút cảm biến. Những vấn đề thƣờng gặp trong việc thiết kế mạng cảm biến
không dây.


4

Những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong đời sống xã hội: quân
sự, công nghiệp, nông nghiệp và giám sát môi trƣờng, gia đình, sức khỏe...
Chương 2: Các công trình liên quan
Giới thiệu một vài thuật toán định tuyến có trạm thu phát sóng di động nhƣ:
Định tuyến động trên lƣới ảo (VGDRA – Virtual Grid based Dynamic Route
Adjustment), phân cụm Leach kết hợp mobile sink theo quỹ đạo cố định, Leach – C
có mobile sink, định tuyến mobile sink MSA (Mobile Sink Assisted Energy
Efficient Routing Algorithm), MECA (Mobile sink based Energy-efficient
Clustering Algorithm)…hoặc sử dụng các giao thức nhƣ Leach, Leach – C, CHEF

(Cluster Head Election mechanism using Fuzzy logic).
Chương 3: Trình bày giải pháp đề xuất xác định đƣờng đi cho sự di chuyển của
mobile sink giúp giảm tiêu hao năng lƣợng từ trạm gốc đến các trƣởng cụm, nâng
cao thời gian sống của WSN.
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá hiệu suất của giải pháp đề xuất.
Kết luận và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo


5

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

Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN) là tập

hợp nhiều nút cảm biến đƣợc kết nối với nhau bằng những phƣơng tiện quang học,
kết nối sóng vô tuyến, hồng ngoại. WSN là một hệ thống tốn ít chi phí vì ngày nay
với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật thì việc thiết kế và phát triển các nút cảm
biến có kích thƣớc nhỏ, đơn giản, giá thành thấp, … có số lƣợng lớn, và có thể thực
hiện đƣợc nhiều chức năng nhƣ cảm biến, thu thập dữ liệu, xử lý tính toán dữ liệu
sau đó truyền dữ liệu về trạm gốc để tiếp tục phân tích và đƣa ra các quyết định về
môi trƣờng xung quanh.
Tuy nhiên, các nút cảm biến có nguồn lực hạn chế (thƣờng dùng pin) về:
năng lƣợng giới hạn, dung lƣợng lƣu trữ, khả năng xử lý, tốc độ truyền thấp. Chúng
đƣợc phân bố một cách không có cấu trúc cụ thể. Thời gian hoạt động từ vài tháng
đến vài năm và có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt (có hóa chất, nhiệt
độ cao, ô nhiễm nặng...). Một số nút cảm biến có khả năng di chuyển, do có thể gắn
các nút cảm biến này vào các thiết bị di động.

Mỗi nút cảm biến trong mạng có nhiệm vụ cảm biến, quan sát môi trƣờng
xung quanh, theo dõi hay xác định các mục tiêu cố định hay di động, thu thập thông
tin. Sau đó, định tuyến thông tin về trạm thu phát (Sink) để chuyển tới ngƣời dùng
thông qua mạng Internet hoặc Sink sẽ gửi yêu cầu định tuyến đến các nút cảm biến.
Tất cả các nút cảm biến đƣợc theo dõi và giám sát bởi một trạm gốc (Base Station BS) hay trạm thu phát (Sink). Trạm này có bộ xử lý, khả năng lƣu trữ và năng
lƣợng lớn đảm nhận chức năng nhận dữ liệu từ các nút cảm biến, xử lý, phân tích
dữ liệu và đƣa ra các kết luận về môi trƣờng đang đƣợc theo dõi, kiểm soát.
Có nhiều ứng dụng tiềm năng trong ngành công nghiệp, khoa học, giao
thông, cơ sở hạ tầng, dân sự và an ninh nhƣ: giám sát môi trƣờng sống và hệ sinh
thái, giám sát địa chấn, theo dõi sức khỏe, giám sát ô nhiễm nƣớc ngầm, giám sát
quy trình công nghiệp, kiểm soát khí hậu…


6

1.2.

Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2.1. Cấu trúc một nút mạng WSN:
Để cấu thành mạng các nút cảm biến trƣớc hết phải chế tạo, xây dựng và

phát triển các nút. Tùy theo ứng dụng, các nút này sẽ có một số yêu cầu nhất định
nhƣ: giá thành thấp, kích thƣớc nhỏ, tiêu thụ năng lƣợng hiệu quả, có khả năng tính
toán, bộ nhớ đủ để lƣu trữ, có thể cảm biến, thu thập các thông số từ môi trƣờng
chính xác và để truyền thông đến các nút lân cận thì các nút cảm biến phải có khả
năng thu phát sóng tốt.
Một nút cảm biến đƣợc tạo thành từ các thành phần cơ bản nhƣ trong hình
1.1 gồm bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ truyền nhận
(a transceiver unit), và bộ năng lƣợng (a power unit). Cũng tùy ứng dụng sẽ có thêm
các thành phần khác nhƣ hệ thống định vị (a location finding system), bộ phát

nguồn (power generator), và bộ phận di động (mobilizer) [1].
Bộ cảm biến bao gồm hai bộ con: bộ cảm biến và bộ chuyển đổi từ tƣơng tự
sang số (ADCs). Tín hiệu tƣơng tự đƣợc tạo ra bởi các cảm biến, đƣợc chuyển đổi
sang tín hiệu số bằng bộ ADC dựa trên những hiện tƣợng quan sát đƣợc, sau đó đƣa
vào bộ xử lý.
Bộ xử lý kết hợp với bộ lƣu trữ nhỏ, quản lý các thủ tục bằng cách kết hợp
các nút cảm biến với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến đã đƣợc chỉ định.
Bộ thu phát kết nối các nút tới mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu đƣợc từ
chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.
Một trong những thành phần quan trọng của nút cảm biến đó là bộ nguồn. Bộ
nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất
quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trƣờng. Bộ nguồn có thể đƣợc hỗ
trợ bởi bộ lọc năng lƣợng nhƣ tế bào năng lƣợng mặt trời. Tùy thuộc vào những ứng
dụng, cũng có những thành phần phụ khác.


7

Hình 1. 1: Các thành phần của nút cảm biến

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến mạng đòi hỏi phải
có kiến thức về vị trí với độ chính xác cao. Vì vậy, nút cảm biến cần phải có bộ định
vị. Thỉnh thoảng, bộ di động cần di chuyển các nút cảm biến để thực hiện các nhiệm
vụ đã đƣợc định sẵn.
Tất cả những thành phần phụ này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.
Ngoài kích cỡ ra cũng có những ràng buộc khác cho nút cảm biến nhƣ: tiêu thụ
năng lƣợng cực kỳ thấp, thích nghi với môi trƣờng, hoạt động ở mật độ cao, chi phí
thấp và có thể tự hoạt động mà không cần giám sát.
1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây:
Để có thể sử dụng nguồn tài nguyên hạn chế, kéo dài thời gian sống của

mạng. Việc thiết kế cấu trúc mạng cần phải có một số cơ chế, kỹ thuật đặc thù sau:
Giao tiếp không dây multihop: Khi sử dụng giao tiếp không dây có thể gặp nhiều
hạn chế là do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt, để chuyển tiếp thông tin từ nơi
này đến đến khác với khoảng cách xa cần tiêu thụ một lƣợng công suất khá lớn nên
cần các nút trung gian truyền thông nhằm giảm công suất tổng thể. Do vậy, các
mạng cảm biến không dây nên dùng giao tiếp multihop.


8

Hoạt động hiệu quả năng lƣợng: vấn đề ƣu tiên trong việc sử dụng mạng cảm
biến không dây là kéo dài thời gian sống của toàn mạng nên hoạt động hiệu quả
năng lƣợng là kỹ thuật quan trọng trong mạng cảm biến không dây.
Tự động cấu hình: Chẳng hạn nhƣ các nút có thể tự xác định vị trí địa lý của nó
thông qua các nút khác (tự định vị) nên mạng cảm biến không dây cần phải có cơ
chế tự động cấu hình các thông số một cách tự động.
Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: trong một số ứng dụng để thu thập đủ
dữ liệu thì một nút cảm biến không đủ mà cần có sự cộng tác hoạt động của các nút
lân cận, khi đó từng nút thu và gửi dữ liệu trực tiếp đến sink thì sẽ tốn băng thông
và năng lƣợng. Cần phải tập hợp các dữ liệu trong một vùng rồi gửi đến sink nhƣ
vậy, sẽ tiết kiệm băng thông và năng lƣợng hơn.
Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ là:
- Kết hợp vấn đề năng lƣợng và khả năng định tuyến
- Tích hợp dữ liệu vào giao thức mạng
- Truyền năng lƣợng hiệu quả qua các phƣơng tiện không dây
- Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận
Các nút cảm biến đƣợc phân bố trong trƣờng cảm biến (sensor field) nhƣ hình
1.2. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến sink. Dữ
liệu đƣợc định tuyến lại đến sink bởi một cấu trúc đa điểm nhƣ hình vẽ. Các sink có
thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet

hoặc vệ tinh.


9

Hình 1. 2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN
Cấu trúc giao thức kết hợp dữ liệu cảm biến với các giao thức mạng, tăng
cƣờng sự tƣơng tác giữa các nút mạng, phối hợp các tính toán về truyền tin sao
cho tiết kiệm năng lƣợng nhất. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên
kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý năng lƣợng,
phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ. Cấu trúc giao thức đƣợc sử
dụng trong sink và tất cả các nút cảm biến đƣợc thể hiện trên hình 1.3
Hình 1. 3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến


10

- Lớp ứng dụng: Trong lớp ứng dụng có một số giao thức quan trọng nhƣ giao
thức quản lý mạng sensor (SMP - Sensor Management Protocol), giao thức quảng
bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP - Task Assignment and
Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP Sensor Query and Data Dissemination). Các phần mềm ứng dụng sẽ đƣợc xây dựng
và sử dụng trong lớp ứng dụng tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến.
- Lớp truyền tải: Khi mạng cảm biến kết nối với ngƣời dùng qua internet hay
kết nối với mạng bên ngoài thì lớp truyền tải đặc biệt cần. Giao thức lớp vận chuyển
giữa sink với ngƣời dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói ngƣời
dùng (UDP - User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa
sink và các nút cảm biến cần các giao thức kiểu nhƣ UDP vì các nút cảm biến bị
hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công

suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu.
- Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu đƣợc cung cấp
bởi lớp truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều
thách thức nhƣ mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lƣợng…Do vậy thiết kế lớp
mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:
 Tính hiệu quả về năng lƣợng luôn đƣợc xem là vấn đề quan trọng hàng
đầu.
 Các mạng cảm biến gần nhƣ là tập trung dữ liệu
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí
Có rất nhiều giao thức định tuyến đƣợc thiết kế cho mạng cảm biến không
dây. Nhìn tổng quan, chúng đƣợc chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là
định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo
hoạt động thì chúng đƣợc chia thành định tuyến dựa trên đa đƣờng (multipathbased), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định
tuyến theo chất lƣợng dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based).


11

- Lớp liên kết dữ liệu: Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các
kênh dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trƣờng. Vì
các nút cảm biến có thể di động và môi trƣờng có tạp âm, giao thức điều khiển truy
nhập môi trƣờng (MAC - Media Access Control) phải chú ý đến vấn đề năng lƣợng
và phải có khả năng giảm thiểu sự va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân
cận.
- Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng
mang, điều chế, mã hóa dữ liệu và tách sóng.
Ngoài ra, các phần quản lý năng lƣợng, quản lý di chuyển và quản lý nhiệm vụ
sẽ điều khiển việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các
nút cảm biến. Những phần quản lý này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ

cảm biến và tiêu thụ năng lƣợng tổng thể thấp hơn.
- Phần quản lý năng lƣợng: điều khiển việc sử dụng năng lƣợng của nút cảm
biến. Ví dụ, sau khi thu thập thông tin từ các nút lân cận, nút cảm biến có thể tắt
khối thu để tránh lặp lại thông tin. Hoặc nút cảm biến sẽ phát thông tin quảng bá
cho các nút lân cận là mức năng lƣợng của của nó quá thấp, để không thể tham gia
vào việc chọn đƣờng mà chỉ dùng cho việc cảm biến.
- Phần quản lý di động: tìm ra và lƣu lại sự di chuyển của các nút cảm biến để
ghi vết của các nút cảm biến lân cận. Nhờ vậy, các nút cảm biến có thể cân bằng
giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.
- Phần quản lý nhiệm vụ: Tại cùng một thời điểm không phải tất cả các nút
trong vùng đều làm nhiệm vụ mà phần quản lý nhiệm vụ phải lên kế hoạch và phân
công cân bằng. Nhƣ vậy, tùy theo mức năng lƣợng của từng nút cảm biến mà thực
hiện nhiệm vụ nhiều hơn hay ít hơn các nút khác.
Nhƣ vậy, để sử dụng hiệu quả năng lƣợng, định tuyến hợp lý, và phân chia
tài nguyên cân đối giữa các nút cảm biến thì những phần quản lý này là cần thiết.
Ngoài ra, còn có các giao thức đặc trƣng hỗ trợ cho mạng WSN: giao thức
định vị (Location protocol), giao thức đồng bộ thời gian (Time synchronization
protocol), giao thức điều khiển cấu hình mạng (Topology control).


12

1.3.

Một số vấn đề thiết kế mạng cảm biến không dây
Hiện nay, các mạng cảm biến không dây đang đối mặt với nhiều thách thức,

do các nút cảm biến truyền thông vô tuyến, dễ mất mát và không dễ thay thế. Một
trong những thách thức chủ yếu liên quan đến việc cung cấp năng lƣợng hạn chế,
thƣờng là không thể nạp lại năng lƣợng của các nút cảm biến. Để kéo dài thời gian

sống của mạng, các giao thức cần đƣợc thiết kế với mục tiêu cải thiện hiệu quả
nguồn năng lƣợng. Cụ thể một số vấn đề thiết kế cũng nhƣ là thách thức trong mạng
cảm biến không dây nhƣ sau:
1.3.1. Khả năng chịu lỗi (fault tolerance)
Các nút cảm biến thƣờng đƣợc đặt trong điều kiện môi trƣờng nguy hiểm.
Các nút có thể bị lỗi do nguồn cung cấp năng lƣợng cho pin giới hạn, hoặc các vấn
đề phần cứng hoặc hƣ hỏng vật lý. Mặc dù một lƣợng lớn các nút có thể không hoạt
động, mạng vẫn duy trì đƣợc để xử lý các lỗi. Điều này vô cùng quan trọng với thiết
kế giao thức định tuyến, để định tuyến lại các gói tin. Tùy vào từng vị trí triển khai
các nút cảm biến khác nhau sẽ tạo ra khả năng chịu lỗi khác nhau.
1.3.2. Khả năng mở rộng (scalability)
Khi nghiên cứu một hiện tƣợng nào đó mà sử dụng mạng cảm biến không
dây, việc bố trí các nút cảm biến có thể lên đến hàng trăm nghìn nút. Tuy nhiên, có
thể tùy vào từng ứng dụng mà quy mô cũng nhƣ mật độ triển khai có thể vƣợt quá
hàng triệu. Do đó, mạng cảm biến không dây cần có các giao thức có khả năng làm
việc với số lƣợng lớn các nút cảm biến này và có thể duy trì hiệu suất đầy đủ.
1.3.3. Chi phí sản xuất (production costs)
Để triển khai một ứng dụng, thƣờng cần một số lƣợng lớn các nút cảm ứng.
Nhƣ vậy, các nút phải có chi phí rẻ thì toàn mạng mới có giá cả hợp lý. Nếu so với
cách thu thập thông tin truyền thống thì các nút cảm biến của mạng cảm biến không
dây phải có giá thành rẻ hơn để có thể cạnh tranh với kiểu truyền thống. Do đó, các
nút cảm biến đƣợc sản xuất phải giữ ở mức thấp.


13

1.3.4. Hạn chế của phần cứng (hardware constraints)
Ngoài các yêu cầu bắt buộc mỗi nút cảm biến phải có: một bộ cảm biến, một
đơn vị xử lý, một bộ truyền tải, và một nguồn cung cấp điện. Tùy theo từng ứng
dụng còn có các thành phần phụ khác đi kèm: hệ thống định vị để định tuyến theo

từng vị trí, bộ phận di động, bộ phát nguồn. Tuy nhiên, phần cứng còn có nhiều
ràng buộc khác nhƣ: điện năng tiêu thụ phải rất ít, mật độ hoạt động phải cao, kích
thƣớc vật lý của nút phải nhỏ, càng nhỏ càng tốt, chi phí thấp.
1.3.5. Cấu hình mạng cảm biến (network topology)
Trong trƣờng cảm biến, có hàng trăm nghìn nút cảm biến đƣợc triển khai, có
thể đặt theo thứ tự hoặc ngẫu nhiên. Nếu cấu hình thay đổi thì vị trí các nút cảm
biến cũng thay đổi, những sự cố cũng có thể xảy ra nhƣ nhiễu, gặp các vật cản làm
các nút có khả năng mất kết nối, thay đổi chức năng, thay đổi các nút bị hỏng đều
làm cho mạng hạn chế về khả năng truyền thông, tính toán... Vì vậy, cần phải bảo
trì cấu hình mạng không những để tránh những hạn chế trên mà còn tránh vấn đề
quan trọng nhất là giảm tiêu thụ năng lƣợng và từ đó kéo dài tuổi thọ mạng.
1.3.6. Sink di động
Trong các ứng dụng WSN tập trung, thông tin của các cảm biến đƣợc truyền
thông đến một trạm cơ sở, nơi nó có thể đƣợc xử lý bằng các phƣơng pháp sử dụng
nhiều tài nguyên. Định tuyến và tổng hợp dữ liệu có thể tiêu tốn nhiều chi phí. Một
số WSN sử dụng các trạm thu phát di động [2], đi qua vùng cảm biến để thu thập dữ
liệu, hoặc định vị mình sao cho số luồng truyền đi đƣợc giảm thiểu cho các nút cảm
biến.
1.3.7. Tiêu thụ năng lượng
Do các nút cảm biến có nguồn năng lƣợng giới hạn, đôi khi trong một số ứng
dụng nguồn năng lƣợng không thể nạp lại đƣợc. Hiện nay, các nhà khoa học đang
tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để sử dụng năng lƣợng hiệu quả,
kéo dài tuổi thọ mạng. Một giao thức định tuyến hiệu quả là sử dụng sink di động vì
các khu vực tiêu thụ năng lƣợng cao xung quanh sink. Tuy nhiên, nó cũng có thể
gây ra sự tiêu tốn năng lƣợng do phải thông báo thƣờng xuyên vị trí của sink (hoặc


14

vị trí của nó trong cấu trúc liên kết). Do đó, việc thiết kế phần mềm và phần cứng

cần phải xem xét cẩn thận về vấn đề sử dụng năng lƣợng nhằm kéo dài thời gian
sống của các nút nói riêng và toàn mạng.
1.3.8. Độ tin cậy
Khi Sink di động khi chuyển hƣớng tới vị trí khác, hoặc cấu hình lại tuyến
đƣờng thì khả năng các gói dữ liệu sẽ mất nên sink di động đặt ra một thách thức về độ
tin cậy mà các giao thức định tuyến phải giải quyết nhằm tránh tổn thất gói dữ liệu.
1.3.9. Độ trễ
Thời gian giữa việc tạo ra dữ liệu cảm biến và sự chuyển tiếp dữ liệu tới sink
đƣợc định nghĩa là độ trễ. Tùy thuộc vào điều kiện mạng (truyền lại do lỗi kênh, tắc
nghẽn,...) mà dữ liệu cảm biến có thể thay đổi độ trễ và khoảng cách tới sink. Độ trễ
khác là do vị trí đã biết của sink đã cũ, hoặc vị trí sink không biết đến các cảm biến
tạo ra dữ liệu. Vì vậy, cảm biến phải có đƣợc vị trí của sink hoặc dữ liệu phải đƣợc
truyền gián tiếp tƣơng ứng. Để có đƣợc vị trí sink bởi một cảm biến thì giao thức
định tuyến cần thiết phải cung cấp chế độ trễ thấp.
1.4.

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.4.1. Quân sự
Một trong những lợi ích tuyệt vời nhất của mạng cảm biến là để thay thế cho

các binh sĩ khỏi nguy hiểm [3]. Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây còn có
chức năng dò tìm mìn, khảo sát chiến trƣờng với sự tấn công bằng chất hóa học,
sinh học, vũ khí hạt nhân hoặc các thiết bị có cảm biến từ trƣờng, radar băng thông
cực đại, và micro âm thanh. Các mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng để định vị
và xác định mục tiêu tấn công của lực lƣợng địch, và xe không ngƣời lái.


15

Hình 1. 4: Ứng dụng trong quân sự

1.4.2. Công nghiệp
Để tránh rủi ro, nguy hiểm liên quan đến con ngƣời trong các nhà máy
công nghiệp thì mạng cảm biến không dây sử dụng các nút cảm biến để phát
hiện các rò rỉ về hóa chất, vật liệu độc hại, cháy nổ, các tác nhân sinh học nhằm
cung cấp cho các bộ phận liên quan giải quyết kịp thời.
Hình 1. 5: Ứng dụng trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh hàng hóa, để lƣu trữ, bảo quản, và
tránh thất thoát hàng hóa là điều vô cùng cần thiết. Vì vậy, các kiện hàng sẽ