Nghiên cứu một số thuật giải định tuyến giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây-WSN : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 60 52 70

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ MẠNH DƢƠNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU
THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY -WSN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ MẠNH DƢƠNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU
THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY -WSN

NGÀNH: CỒNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉- VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VƢƠNG ĐẠO VY

HÀ NỘI – 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Nghiên cứu một số giải thuật định
tuyến giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây-WSN” là sản
phẩm do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS.Vƣơng Đạo Vy. Trong toàn bộ
nội dung của luận văn, những điều đƣợc trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là đƣợc
tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng
và đƣợc trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định
cho lời cam đoan của mình.
.

Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014
TÁC GIẢ

Đỗ Mạnh Dƣơng

1


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo trong
Khoa Điện tử - Viễn thông, Trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã
giúp đỡ tận tình và chu đáo để tôi có môi trƣờng tốt học tập và nghiên cứu.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Vƣơng Đạo
Vy ngƣời trực tiếp đã hƣớng dẫn, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu
và hoàn thiện luận văn này.
Một lần nữa tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng
nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua. Tôi xin kính chúc các thầy cô giáo, các
anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc.

Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014
TÁC GIẢ

Đỗ Mạnh Dƣơng

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................2
MỤC LỤC .......................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .........................................................................................7
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................8
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..............................9
1.1. Giới thiệu...............................................................................................................9
1.2. Cấu trúc mạng WSN ...........................................................................................10
1.3. Kiến trúc giao thức WSN. ...................................................................................15
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến mạng WSN ...............................................................17
1.5. Ứng dụng của mạng WSN ..................................................................................19
Chƣơng 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................22
2.1. Giới thiệu.............................................................................................................22
2.2. Những khó khăn và thách thức trong vấn đề định tuyến ....................................22
2.2.1. Tính động của mạng .........................................................................................22
2.2.2. Sự triển khai các nút .........................................................................................23
2.2.3. Tính đến năng lƣợng .........................................................................................23
2.2.4. Phƣơng pháp báo cáo số liệu ............................................................................23

2.2.5. Khả năng của các nút ........................................................................................23
2.2.6. Tập trung dữ liệu ..............................................................................................24
2.3. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến ..................................24
2.4. Các loại giao thức định tuyến trong mạng WSN .................................................25
2.4.1. Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu ............................................................25
3


2.4.2. Giao thức phân cấp ...........................................................................................30
2.4.3. Giao thức dựa trên vị trí ...................................................................................33

Chƣơng 3. MỘT SỐ THUẬT GIẢI ĐỊNH TUYẾN GIẢM THIỂU TIÊU THỤ NĂNG
LƢỢNG
3.1. ETX Metric. ........................................................................................................37
3.1.1. Giới thiệu về ETX ...........................................................................................37
3.1.2. Tính chất của ETX Metric ...............................................................................38
3.2. Định tuyến chuyển tiếp phân tập ........................................................................40
3.2.1. Giới thiệu về định tuyến chuyển tiếp phân tập ...............................................40
3.2.2. Đặc tính của định tuyến chuyển tiếp phân tập. ...............................................42
3.3. Bài toán thực tế và vận dụng các giải thuật đƣợc mô tả để thu đƣợc hiệu quả
năng lƣợng và độ tin cậy. ...........................................................................................45
3.3.1. Vận dụng định tuyến ETX ..............................................................................45
3.3.2. Vận dụng định tuyến chuyển tiếp phân tập .....................................................46
KẾT LUẬN ...............................................................................................................49
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................50

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

SNR

Signal-to-noise ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

ID

Identifier

Mã nhận dạng

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

TDMA

Time Divistion Multiple Access

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

SPIN

LEACH

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
Truy cập đƣờng truyền có lắng
nghe sóng mang.

Sensor protocols for information Giao thức cho thông tin dữ liệu
via negotiation

thông qua đàm phán

Low-energy adaptive clustering Giao thức phân cấp theo cụm thích
hierarchy

ứng năng lƣợng thấp

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy cập đƣờng truyền

GAF

Geographic adaptive fidelity

Giải thuật chính xác theo địa lý

GEAR

Geographic and Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý sử
Routing

dụng hiệu quả năng lƣợng

QoS

Quanlity of Service

Chất lƣợng dịch vụ

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tƣơng tự - Số

ADV

Advertise

Bản tin quảng bá

REQ

Request

Bản tin yêu cầu

DS - SS

Directed-Sequence-Spread

Trải phổ tuần tự

Spectrum

5


BS

Base Station (Sink)

Trạm gốc

CH

Cluster Head

Nút chủ cụm

SMP

Sensor Management Protocol

Giao thức quản lí mạng cảm biến

TADAP

Task

Assignment

&

Data Quảng bá dữ liệu và chỉ định

Advertisement

nhiệm vụ

TMN

Task Manager Node

Nút quản lý nhiệm vụ

MB

Multipath-Based

Dựa vào đa đƣờng

QB

Query- Based

Dựa theo truy vấn

NB

Negotiation-Based

Dựa theo thỏa thuận

CB

Coherent-Based

Dựa vào kết hợp

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

Sensor Query & Data

Phân phối dữ liệu và truy vấn cảm

Dissemination

biến

SQDDP

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Biểu tƣợng của mạng cảm biến ............................................................................9
Hình 1.2 Các thành phần của một nút ...............................................................................10
Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây....................................................................12
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng .................................................................................................12
Hình 1.5 Cấu trúc phân cấp ............................................................................................13
Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp .......................................................14
Hình 1.7 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến ..............................................................15
Hình 1.8 Gán nút cảm biến lên cơ thể ngƣời .....................................................................19
Hình 1.9 Cảnh báo cháy rừng ..........................................................................................20
Hình 1.10 Ứng dụng mạng cảm biến trong quân đội .........................................................20
Hình 1.11 Ứng dụng trong giao thông ..............................................................................21
Hình 2.1 Phân loại giao thức chọn đƣờng trong WSN .......................................................24
Hình 2.2 Hiện tƣợng bản tin kép ...................................................................................26
Hình 2.3 Hiện tƣợng chồng chéo ...................................................................................26
Hình 2.4 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN ..............................................................................27
Hình 2.5 Hoạt động của SPIN ..........................................................................................28

Hình 2.6 Hoạt động cơ bản của giao thức Directed Diffusion ............................................30
Hình 2.7 Mô hình mạng LEACH .....................................................................................31
Hình 2.8 Ví dụ về lƣới ảo trong GAF ............................................................................34
Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái trong GAF ........................................................................34
Hình 2.10 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR ............................................................36
Hình 3.1 Hiệu quả thông lƣợng thông qua các cách truyền khác nhau ................................ 37
Hình 3.2 Ví dụ về con đƣờng ETX tối ƣu .........................................................................39
Hình 3.3 Ví dụ về định tuyến truyền thống và chuyển tiếp phân tập ...................................41
Hình 3.4 Định tuyến qua hai chuyển tiếp ..........................................................................42
Hình 3.5 Mạng hai bƣớc nhảy .........................................................................................43
Hình 3.6 Bài toán vận dụng giải thuật ETX ......................................................................45
Hình 3.7 Bài toán vận dụng định tuyến chuyển tiếp phân tập .............................................47

7


MỞ ĐẦU
Từ những thành quả của truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây,
mạng cảm biến không dây (WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lƣợng và đa chức
năng nên rất đƣợc chú ý và phát triển trong những năm gần đây. Trong tƣơng lai
không xa mạng cảm biến sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Mạng cảm
biến đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều lĩnh vực nhƣ: y tế, kinh doanh, môi
trƣờng, quân sự…Mặc dù vậy, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt với rất
nhiều thách thức và một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm ứng không
dây là nguồn năng lƣợng bị giới hạn. Có rất nhiều công trình nghiên cứu đang tập
trung vào việc cải thiện hiệu quả sử dụng năng lƣợng trong mạng cảm biến.
Luận văn nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến, về định tuyến trong mạng
cảm biến, đi sâu vào hai thuật giải định tuyến cụ thể và vận dụng giải một số bài toán
giả định trong thực tiễn.
Nội dung luận văn đƣợc chia thành ba (03) chƣơng nhƣ sau:

Chƣơng I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chƣơng II. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Chƣơng III. Một số giải thuật định tuyến giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng trong
mạng cảm biến không dây. Vận dụng giải một số bài toán giả định trong thực
tiễn thu đƣợc hiệu quả năng lƣợng.
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình nghiên cứu, do thiếu về tài liệu và hiểu
biết nên luận văn còn nhiếu thiếu sót. Tác giả mong các thầy cô đóng góp, cho ý kiến
để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.

8


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
Chƣơng này giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây bao gồm: Định
nghĩa về mạng cảm biến không dây, cấu trúc một nút mạng cơ bản, cấu trúc mạng cảm
biến không dây, ứng dụng của mạng cảm biến không dây và một số thách thức mà
mạng cảm biến gặp phải.
1.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ mới mà phát triển rất nhanh
chóng với nhiều ứng dụng nhƣ: Ứng dụng trong công nghiệp, quân sự, y tế, môi
trƣờng…Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng liên kết các nút cùng với nhau
nhờ sóng vô tuyến. Mỗi nút mạng gồm đầy đủ các chức năng nhƣ cảm nhận, thu thập,
xử lý, truyền dữ liệu. Mạng cảm biến không dây có một số lƣợng lớn các nút, phân bố
rộng với giá thành rẻ và sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế thƣờng là Pin. Vậy ta có
thể hiểu mạng cảm biến không dây là mạng đƣợc triển khai trên một diện rộng với số
lƣợng lớn các thiết bị có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, có nguồn năng lƣợng hạn
chế, có khả năng tính toán cảm nhận và thông tin liên lạc với các nút mạng khác nhằm
mục đích phát hiện, giám sát, điều khiển trong một ứng dụng nhất đinh. Chính vì sự
phân bố rộng và nguồn năng lƣợng hạn chế nhƣ vậy cũng đặt ra nhiều thách thức để

tìm ra những giải pháp để giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng trong mạng.

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng cảm biến

9


1.2 Cấu trúc mạng WSN
1.2.1 Cấu trúc 1 nút mạng WSN
Một mạng cảm biến bao gồm rất nhiều nút cảm biến cấu thành lên. Và do đó để
xây dựng mạng cảm biến trƣớc hết phải chế tạo và phát triển các nút cảm biến. Các
nút chúng có kích thƣớc nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lƣợng và khác
nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Một nút bao gồm các thiết bị cảm biến chính xác có thể
cảm nhận, thu thập các thông tin môi trƣờng. Thêm nữa chúng cũng có khả năng tính
toán và có bộ nhớ để lƣu trữ và phải có bộ thu và phát sóng vô tuyến để truyền thông
với các nút lân cận. Một nút cảm ứng cơ bản đƣợc cấu thành bởi các thành phần cơ
bản nhƣ sau: Đơn vị cảm nhận (Sensing Unit), đơn vị xử lý (Processing Unit), đơn vị
thu phát (Transceiver Unit) và đơn vị tạo nguồn (Power Unit) và một số thành phần
khác tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể nhƣ nhƣ hệ thống định vị (Location Finding
System), bộ phát nguồn (Power Generator) và bộ phận di dộng (Mobilizer).

Hình 1.2: Các thành phần của một nút

Đơn vị cảm ứng (Sensing Units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số
(ADC). Nhiệm vụ của Sensing Units là dựa trên những hiện tƣợng quan sát đƣợc
Sensing Units sẽ tạo ra tín hiệu tƣơng tự và đƣợc chuyển sang tín hiệu số bằng chuyển
đổi ADC, sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thƣờng đƣợc kết hợp với bộ lƣu trữ
nhỏ (Storage Unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện
các nhiệm vụ đã đƣợc lập trình sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào 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. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến đều yêu cầu có độ chính xác cao về
vị trí địa lý. Vì vậy trong cấu trúc của nút mạng cần phải có các bộ định vị. Phần quan
10


trọng nhất của một nút mạng cảm ứng 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 nhƣ là năng lƣợng ánh sáng mặt trời.
1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Để đạt đƣợc mục tiêu hiệu quả trong mục đích sử dụng, hiệu quả kinh tế, hiệu
quả trong sử dụng năng lƣợng, cấu trúc mạng cảm biến không dây phải đƣợc thiết kế
với những đặc điểm sau đây:
+ Giao tiếp không dây Multihop (Đa bƣớc nhảy): Đặc điểm của mạng là dùng
giao tiếp không dây, khi đó giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do
khoảng cách hay các vật cản, nhiễu đƣờng truyền... Đặc biệt là khi nút phát và nút thu
ở khoảng cách xa nhau thì cần phải phát với công suất lớn gây nên mạng rất mau hết
năng lƣợng dừng hoạt động. Do đó cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm
công suất tiêu thụ tổng thể, kéo dài thời gian sống. Do vậy các mạng cảm biến không
dây cần phải dùng giao tiếp Multihop và các định tuyến kéo theo là vấn đề then chốt
trong mạng.
+ Tính hiệu quả năng lƣợng: Để một mạng có thể hoạt động trong thời gian
dài, tính hiệu quả năng lƣợng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây. Do đó
các định tuyến hiệu quả năng lƣợng cũng là các kỹ thuật then chốt của mạng cảm biến
không dây.
+ Tự động cấu hình: Do số lƣợng các nút trong mạng cảm biến là rất lớn và
phân bố trên một vùng rộng lớn gây nên việc cấu hình bằng tay sẽ gây rất nhiều khó
khăn. Do đó các nút trong mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số
một cách tự động. Ví dụ nhƣ các nút có thể xác định vị trí của nó thông qua các nút lân
cận (gọi là tự định vị), thông qua vị trí tƣơng đối của nó so với nút lân cận trong mạng.
+ Cộng tác xử lý, thu thập và tập trung dữ liệu trong mạng: Trong nhiều ứng dụng

(Ví dụ nhiệt độ trung bình của một vùng) một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà
cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu. Do vậy khi
nhiều nút thu thập dữ liệu và từng nút đó gửi ngay đến Sink thì sẽ rất tốn băng thông và
năng lƣợng. Và nhƣ vậy cần phải có cơ chế kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một
vùng rồi mới gửi tới Sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lƣợng. Đôi khi cũng có thể xử

11


lý một phần hoặc nhiều phần sau đó mới gửi đến Sink, giúp giảm tải băng thông, tiết kiệm
năng lƣợng.
+ Các nút mang cảm biến đƣợc phân bố trong một trƣờng cảm biến(Sensor
Field) nhƣ hình bên dƣới. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và
truyền lại đến các Sink. Dữ liệu đƣợc truyền đến các Sink bằng truyền thông Mutihop.
Các Sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (Task Manager Node) qua
mạng Internet và các hình thức truyền thông khác.

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.3 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây
1.2.3.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture)

Hình 1.4. Cấu trúc phẳng

Đây là cấu trúc đơn giản nhất trong mạng cảm biến. Trong cấu này, tất cả các
nút trong mạng đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và giống nhau về chức
năng. Các nút giao tiếp với Sink qua Multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ
12

chuyển tiếp. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo vai
trò là bộ chuyển tiếp đối với một lƣợng lớn nguồn tiêu thụ.
1.2.3.2 Cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture)
Trong cấu trúc này, các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm
gửi dữ liệu Single hop (Đơn bƣớc nhảy) hay Multihop (Đa bƣớc nhảy) tùy thuộc vào
kích thƣớc của cụm đến nút định sẵn, thƣờng là nút chủ (Cluster Head). Các nút tạo
thành một hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các
nhiệm vụ đã đƣợc định trƣớc.

Hình 1.5. Cấu trúc phân cấp

Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng không đồng đều giữa các nút. Những
chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện các nhiệm vụ cảm
nhận môi trƣờng xung quanh, cấp giữa thực hiện tính toán xử lý số liệu và cấp trên
cùng phân phối truyền dữ liệu. Các nhiệm vụ xác định có thể đƣợc phân chia không
đồng đều giữa các lớp, trong đó mỗi cấp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định. Khi
đó, các cảm biến ở cấp thấp nhất có vai trò nhƣ bộ lọc thông dải đơn giản để tách
nhiễu khỏi tín hiệu, trong đó các nút ở cấp cao hơn sẽ không lọc dữ liệu này mà thực
hiện các chức năng nhƣ tính toán, phân phối, truyền dữ liệu.

13


Hình 1.6. Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp đƣợc đánh giá là
hoạt động hiệu quả hơn mạng cấu trúc phẳng . Sau đây là những lý do để minh chứng
cho điều đó:
+ Thứ nhất: Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi bằng việc định vị các tài nguyên ở
vị trí mà chúng hoạt động phù hợp nhất. Vì số lƣợng các nút cần thiết phụ thuộc vào

vùng phủ sóng nhất định, chi phí của tổng thể mạng vì thế sẽ không cao. Hơn nữa, khi
số lƣợng lớn các nút có chi phí thấp đƣợc chỉ định để phân tích dữ liệu, đồng bộ và
định vị thì chi phí toàn mạng sẽ giảm xuống.
+ Thứ hai: Mạng cảm biến có cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng cấu
trúc phẳng. Nguyên nhân là khi cần tính toán nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả
hơn,tùy thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Và với các nhiệm vụ cảm
nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài thì các nút tiêu thụ ít năng lƣợng sẽ
hoạt động hiệu quả hơn. Bởi vậy với cấu trúc phân cấp các chức năng mạng đƣợc phân
chia, đƣợc thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ giúp tăng thời gian sống của toàn
mạng.
+ Thứ ba: Về độ tin cậy, mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lƣợng các
nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc
phẳng, qua phân tích ngƣời ta đã xác định thông lƣợng tối ƣu của mỗi node trong
mạng có n nút bằng:

n

, trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Khi đó

kích thƣớc mạng tăng lên thì thông lƣợng của mỗi nút sẽ giảm về 0. Trong mạng cấu
14


trúc phân có nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một phƣơng pháp tiếp cận là
dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, ở đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành
một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao
hơn, trong cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm qua các bộ phận hữu tuyến.
Trong trƣờng hợp này, dung lƣợng của mạng tăng tuyến tính với số lƣợng các cụm,
với điều kiện là số lƣợng các cụm tăng ít nhất . Trong đó W là độ rộng băng tần của
kênh chia sẻ. Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức

khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trƣờng hợp này, dung lƣợng của mỗi lớp trong
mạng có cấu trúc phân cấp và dung lƣợng của mỗi cụm trong mỗi tầng xác định là độc
lập với nhau.
Tóm lại, việc tƣơng thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt đƣợc khi
mạng có cấu trúc phân cấp. Khi ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa
chỉ. Những chức năng nhƣ vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân bố đến
tập con của các nút. Với giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa
chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa các lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích
hợp của chức năng cập nhật và chức năng tìm kiếm. Ngày nay cũng có rất nhiều mô
hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng có cấu trúc phân cấp.
1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu sau khi đƣợc thu thập bởi các nút sẽ
đƣợc định tuyến gửi đến Sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến ngƣời dùng đầu cuối (EU)
thông qua Internet hay vệ tinh.

15


Hình 1.7: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.

Kiến trúc giao thức này là sự kết hợp giữa công suất và chọn đƣờng, kết hợp số
liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trƣờng không dây và
sự tƣơng tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm: Lớp vật lý, lớp liên
kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, tầng quản lý công suất, tầng quản
lý di động và tầng quản lý nhiệm vụ.
- Lớp ứng dụng : Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm
với các ứng dụng khác nhau đƣợc thiết kế và sử dụng trong lớp ứng dụng. Một số giao
thức quan trọng đƣợc sử dụng trong lớp ứng dụng nhƣ giao thức quản lí mạng cảm
biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định
nhiệm vụ cho từng sensor TADAP (Task Assignment & Data Advertisement), giao

thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến SQDDP (Sensor Query & Data
Dissemination).
- Lớp truyền tải: Trong lớp này giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng
cảm biến yêu cầu. Lớp truyền tải sẽ cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên
ngoài, hay kết nối với ngƣời dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa Sink
với ngƣời dùng (Task Manager Node) 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 có kích thƣớc bộ nhớ bị hạn
chế. Và hơn nữa các giao thức này còn tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và
định tuyến tập trung dữ liệu.
- Lớp mạng: Lớp này liên quan 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:
+ Hiệu quả về năng lƣợng luôn đƣợc xem là vấn đề then chốt.
+ Các mạng cảm biến phải là tập trung dữ liệu.
+ Chúng tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
+ 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.
Và cũng có các cách khác nhau để phân loại giao thức định tuyến. Theo cách dựa vào
16


cấu trúc mạng, chúng đƣợc chia thành ba loại: Thứ nhất là định tuyến ngang hàng, thứ
hai là định tuyến phân cấp, thƣ ba là định tuyến dựa theo vị trí. Theo hoạt động thì
chúng đƣợc chia thành định tuyến dựa đa đƣờng MB (Multipath-Based), định tuyến
dựa theo truy vấn QB (Query- Based), định tuyến dựa theo thỏa thuận NB
(Negotiation-Based), định tuyến kết hợp CB (Coherent-Based) và định tuyến dựa theo
chất lƣợng dịch vụ QoS(Quanlity of Service).

- Lớp vật lý: Lớp này có nhiệm vụ lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều
chế, lập mã và tách sóng.
- Lớp kết nối dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, dò khung
dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trƣờng.
- Phần quản lý di động: Phần này có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự dịch
chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới ngƣời sử dụng và các nút cảm biến.
Nhờ việc xác định đƣợc các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng
giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.
- Phần quản lý công suất: Phần này điều khiển việc sử dụng công suất của nút
cảm biến.
- Phần quản lý nhiệm vụ: Phần này có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến
trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải
thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm mà tuỳ theo thời điểm và mức
công suất của nó.
1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến mạng cảm biến không dây WSN
a,Thời gian sống của nút mạng
Các nút mạng cảm biến có nguồn năng lƣợng Pin giới hạn. Thông thƣờng một
loại pin kiềm có 50 đến 100Wh năng lƣợng, nó có thể dùng cho mỗi nút mạng hoạt
động gần 1 đến 2 tháng. Do sự khó khăn nhƣ vậy thì thời gian sống dài hơn rất đƣợc
quan tâm trong thiết kế mạng cảm biến. Trong thực tế, Pin rất cần thiết trong rất nhiều
ứng dụng để bảo đảm mạng cảm biến WSN có thể tự động sử dụng mà không cần thay
thế trong vài năm hoạt động. Những nghiên cứu cải thiện phần cứng trong thiết kế Pin
và kĩ thuật thu năng lƣợng hợp lý sẽ giúp thu đƣợc kết quả trong việc tiết kiệm Pin.
b, Sự đáp ứng của mạng cảm biến
Trong thiết kế mạng cảm biến, giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian
sống là điều khiển các nút trong một chu kì làm việc với chu kì chuyển giữa 2 chế độ:
17


chế độ ngủ (Mode Sleep) và chế độ hoạt động (Mode Active). Trong khi quá trình

đồng bộ ở chế độ ngủ là một thách thức của mạng WSN. Vấn đề lớn liên quan đến nữa
là chu trình ngủ một cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng nhƣ hiệu suất
hoạt động của các sensor.
c, Tính chất mạnh của mạng cảm biến (Robustness)
Đặc điểm của mạng cảm biến WSN triển khai ở phạm vi rộng lớn, có độ bao
phủ chính xác. Đặc điểm đó có đƣợc do giá thành của mỗi nút mạng là không đắt tiền.
Tuy nhiên các thiết bị rẻ thƣờng độ tin cậy kém cũng nhƣ hoạt động có thể gây ra lỗi.
Và đặc biệt đặc điểm đó rẽ rất rõ khi các nút mạng đƣợc đặt trong môi trƣờng khắc
nhiệt về thời tiết. Do đó giao thức hoạt động cũng phải đƣợc thiết kế để có thể đáp ứng
tốt với các điều kiện đó.
d, Tính không đồng nhất của mạng cảm biến (Heterogeneity)
Tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trình cài đặt
thực tế. Cụ thể có thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cũng có thể là cảm biến. Và sự
không đồng nhất sẽ có ảnh hƣởng quan trọng đến thiết kế. Do đó khi thiết kế mạng
WSN rất chú ý đến vấn đề này.
e, Tính mở rộng của mạng (Scalability)
Mạng cảm biến WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng trên 10
nghìn và thậm chí là hàng triệu nút trong một giới hạn về không gian. Tuy nhiên cũng
có một vài hạn chế về thông lƣợng và dung lƣợng làm ảnh hƣởng đến sự mở rộng của
mạng.
f, Tự cấu hình của mạng WSN
Do là các ứng dụng trong tự nhiên nên hoạt động tự động là vấn đề chính đƣợc
đặt ra trong thiết kế. Ngay từ lúc bắt đầu, các nút trong mạng WSN có thể đƣợc cấu
hình theo topo mạng nhất định, tự đồng bộ, tự kiểm tra, tự định vị đƣợc vị trí của
chúng trong mạng…
g, Cách biệt và bảo mật của mạng WSN
Phạm vi hoạt động của mạng là rất lớn.Và độ nhạy của thông tin thu đƣợc bởi
WSN với mục đích cuối cùng là: Bảo đảm sự cách biệt và bảo mật.
h, Tự tối ƣu và tự thích nghi của mạng WSN
18

Trong mạng WSN, có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạt động
trƣớc khi triển khai. Do đó, việc xây thiết bị để có thể tự học từ sensor và thu thập các
phép đo mạng, sử dụng những cái học đƣợc để tiếp tục hoạt động và cải tiến rất quan
trọng.
i,Thiết kế có hệ thống
Khi thiết kế mạng cảm biến ta cần cần biết mạng WSN có thể là một ứng dụng
cao cho từng chức năng riêng và cần có sự cân bằng giữa hai yếu tố:
+ Tính mềm dẻo: Các phƣơng pháp thiết kế phải đảm bảo phổ biến cho các hoạt
động.
+ Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác riêng để đƣa ra những hoạt
động phù hợp.
1.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây WSN
Nhờ đặc tính linh hoạt, giá thành rẻ mà mạng cảm biến đƣợc ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau từ khoa học nghiên cứu đến đời sống thực tế. Sau đây là một
số ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến WSN:
a, Ứng dụng trong y học:
Trong Y học, các nút cảm biến theo hƣớng phát triển ngày càng nhỏ gọn và
thông minh hơn. Bởi vậy trong tƣơng lai gần, các nút cảm biến có thể đủ nhỏ, đủ tin
cậy để gắn lên cơ thể ngƣời giúp giám sát và cảnh báo các nguy cơ bệnh tật nhờ đó có
thể phát hiện sớm và chữa bệnh dễ dàng hơn.

Hình 1.8: Gán nút cảm biến lên cơ thể ng

19


b, Ứng dụng trong môi trƣờng:
Trong ứng dụng của mạng cảm biến với môi trƣờng có phát hiện cháy rừng.

Trong ứng dụng này mạng cảm biến không dây đƣợc triển khai ngay tại rừng, mỗi nút
mạng sẽ thu thập các thông tin cần thiết nhƣ nhiệt độ, khói, độ ẩm... sau đó gửi về
trung tâm giám sát, phân tích và phát hiện cháy. Nhờ đó sẽ giúp sớm phát hiện và
ngăn chặn các thảm họa do cháy rừng gây ra. Ngoài ra còn có các ứng dụng khác nhƣ
cảnh báo lũ lụt, giám sát và cảnh báo động đất, song thần và các thiên tai khác…

Hình 1.9: Cảnh báo cháy rừng

c, Trong quân sự:
Trong ứng dụng cho quân sự các mạng cảm biến có vai trò quan trọng nhƣ giám
sát quân đội, giám sát các trang thiết bị, vũ khí, thăm dò, khảo sát đối phƣơng, tấn
công bằng vũ khí công nghệ cao, kích hoạt điều khiển vũ khí…

Hình 1.10. Ứng dụng mạng cảm biến trong quân đội

20


d, Ứng dụng trong giao thông:
Hệ thống định vị phƣơng tiện, trợ giúp điều khiển tự động phƣơng tiện giao
thông. Hệ thống điều tiết lƣu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…

Hình 1.11: Ứng dụng trong giao thông

e, Các ứng dụng khác:
Ngoài những ứng dụng trên thì mạng WSN còn rất nhiều ứng dụng trong các
lĩnh vực khác nhƣ: Trong cuộc sống hàng ngày, trong lĩnh vực công nghiệp, trong kinh
doanh, trong lĩnh vực nông nghiệp…

21

CHƢƠNG II
ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chƣơng này giới thiệu về giao thức định tuyến, những đặc điểm và thách thức
của định tuyến. Phần tiếp theo đi vào giới thiệu các loại giao thức thƣờng đƣợc dùng
trong mạng cảm biến đó là: Định tuyến trung tâm dữ liệu (Data centric protocol), định
tuyến phân cấp (Hierarchical protocol) và cuối cùng là định tuyến dựa vào vị trí
(Location-based protocol).
2.1 Giới thiệu
Cho dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tƣơng đồng so với các mạng nhƣ
adhoc, có dây, không dây nhƣng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà tạo
cho chúng tồn tại thành mạng riêng nhƣ:
(1) Hầu hết các ứng dụng của mạng các luồng dữ liệu cảm biến đều từ nhiều
nguồn khác nhau cùng truyền về một sink xác định.
(2) Trong mạng cảm biến không dây, số lƣợng các nút là rất lớn, nên ta không
thể xây dựng loại địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các nút mạng cảm biến, vì thế
không thể áp dụng giao thức dựa trên IP.
(3) Lƣu lƣợng thông tin truyền từ các nút cảm biến sẽ có lƣợng dƣ thừa đáng kể
vì có thể các cảm biến trong cùng một vùng lân cận có thể phát đi cùng một dữ liệu
giống nhau. Những thông tin dƣ thừa đó cần đƣợc xử lý sơ bộ bởi các giải thuật trƣớc
khi truyền đi giúp tăng hiệu quả sử dụng băng thông cũng nhƣ tiết kiệm năng lƣợng.
(4) Các nút cảm biến bị hạn chế bởi năng lƣợng truyền tải, năng lƣợng hoạt
động, năng lƣợng cho quá trình xử lý và lƣu trữ thông tin. Bởi vậy nguồn năng lƣợng
của các nút cần có chế độ quản lý chặt chẽ.
2.2 Những khó khăn và thách thức trong định tuyến
2.2.1 Tính động của mạng
Thành phần cấu thành nên mạng cảm biến bao gồm: Các nút cảm ứng, nút Sink
và các sự kiện cần giám sát. Trong mạng cảm biến hầu hết các nút cảm biến đƣợc
thiết lập cố định. Tuy nhiên trong một trƣờng hợp các nút cảm biến có thể di chuyển .

Do đó các bản tin định tuyến đƣợc lấy từ các nút di động hay đƣợc chuyển đến các nút
22


di động sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn nhƣ đƣờng liên lạc nhƣ thế nào, cấu hình
mạng ra sao, năng lƣợng tiêu thụ và cả vấn đề băng thông...
2.2.2 Sự triển khai các nút
Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng, vào các điều kiện khác
nhƣ địa hình và có thể đƣợc xác định trƣớc hoặc tự phân bố. Trong trƣờng hợp đƣợc
xác định trƣớc, các nút đƣợc đặt bằng tay và khi đó dữ liệu sẽ đƣợc định tuyến thông
qua các đƣờng cố định. Còn trong các hệ thống tự động tổ chức, các nút có thể có số
lƣợng rất nhiều và các nút cảm ứng đƣợc phân bố ngẫu nhiên. Trong cả hai loại cấu
hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thƣờng có cự ly ngắn do các hạn chế về
năng lƣợng và băng thông.
2.2.3 Tính đến năng lƣợng
Trong thiết kế mạng cảm biến không dây, định tuyến có liên quan chặt chẽ tới
năng lƣợng. Ta đã biết năng lƣợng truyền đi của sóng vô tuyến suy hao theo khoảng
cách và đặc biệt suy hao mạnh trong môi trƣờng có nhiều vật cản. Khi đó định tuyến
đa bƣớc nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lƣợng hơn là việc truyền trực tiếp. Định
tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trƣờng hợp tất cả các nút đều rất gần sink. Nhƣng đa
số các nút đều đƣợc rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định tuyến đa bƣớc
nhảy hay đƣợc sử dụng hơn.
2.2.4 Phƣơng pháp báo cáo số liệu
Các phƣơng pháp báo cáo số liệu: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu
cầu hoặc ghép lại các phƣơng pháp này.
Phƣơng pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng trong đó yêu
cầu quan sát số liệu theo chu kỳ. Khi đó, bộ phận cảm biến và bộ phận phát theo chu
kỳ sẽ đƣợc bật để cảm nhận môi trƣờng, truyền phát số liệu theo chu kỳ thời gian xác
định.
Phƣơng pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến sẽ phản

ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của cảm biến tƣơng ứng với sự xuất hiện một
sự kiện xác định nào đó.
2.2.5 Khả năng của các nút
Tùy thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện các
chức năng cụ thể nhƣ: truyền, cảm nhận và tập hợp dữ liệu. Vì vậy việc kết hợp ba
chức năng trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lƣợng của
23