Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

NGUYỄN NGỌC CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2020

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------


NGUYỄN NGỌC CHƯƠNG
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN CHIẾN TRINH

HÀ NỘI - 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2020
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Chương


ii

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin cảm ơn gia đình, người thân đã luôn bên cạnh tôi và là nguồn động
lực lớn lao để tôi làm việc và học tập.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Chiến Trinh - Phó
khoa Viễn thơng - Học Viện cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng, đã ln hướng dẫn
tận tình trong quá trình làm luận văn.
Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và đồng nghiệp đã động viên,
hỗ trợ để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2020

Nguyễn Ngọc Chương


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT...............................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................viii
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................ix
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.......................2
1.1.

Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây.....................................2

1.2.

Các thiết bị mạng cảm biến không dây.........................................................3

1.2.1.

Cấu tạo một nút cảm biến.........................................................................4

1.2.2.

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

1.2.3.

Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây.......................................10

1.3.

Một số ứng dụng điển hình.........................................................................12

1.4.

Các vấn đề liên quan tới hiệu quả năng lượng............................................13

1.4.1.

Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến.......................................13

1.4.2.

Sự tiêu thụ năng lượng............................................................................17

1.5.

Kết luận chương.........................................................................................18

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LEACH..19
2.1.

Giới thiệu chung............................................................................................19

2.1.1.

Vấn đề định tuyến trong mạng WSN......................................................19

2.1.2.

Giao thức LEACH và các biến thể..........................................................23

iv

2.2.

Cơ chế hoạt động của LEACH...................................................................26

2.3.

Đặc trưng và ứng dụng của LEACH trong mạng.......................................31

2.4.

Kết luận chương.........................................................................................33

CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN GIAO THỨC LEACH ĐỂ NÂNG CAO HIỆU NĂNG
MẠNG..................................................................................................................... 34
3.1.

Tóm tắt các hướng cải thiện giao thức LEACH.........................................34

3.1.1.

Giao thức LEACH-C( LEACH – CENTRALIZED)..............................35

3.1.2.

Giao thức SEP(Stable Election Protocol)................................................37

3.2.

Đánh giá và đưa ra đề xuất cải thiện tham số ngưỡng chọn chủ cụm.........38

3.2.1.

Cấu hình cụm:.........................................................................................38

3.2.2.

Cấu tạo mơ hình pha giao tiếp................................................................42

3.2.3.

Đường truyền đa chặng dựa trên tối ưu hóa thuật tốn đàn kiến.............43

3.3.

Mơ phỏng và đánh giá hiệu quả đề xuất.....................................................46

3.3.1.

Xây dựng và mô phỏng nền tảng thử nghiệm.........................................46

3.3.2.

Sự ổn định của số lượng đầu cụm...........................................................47

3.3.3.

Thời gian hoạt động của mạng................................................................48

3.3.4.

Số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc.................................................50

3.3.5.

Năng lượng dư........................................................................................51

3.4.

Kết luận chương.........................................................................................52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................53
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................55


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

CSMA/CD
CTS

Carrier Sense Multiple Access
with
ClearCollision
to Send Detect

DD

Directed Diffusion

DK-LEACH

Dynamic K Value- Low energy
adaptive clustering hierarchy

ECLEACH

Efficient Clustering LEACH

EECS

Energy Efficient Clustering
Scheme

Nghĩa tiếng Việt
Đa truy nhập cảm biến sóng
mang
Đa truy nhập nhận biết sóng
mang
Xóa đểphát
gửihiện xung đột

Truyền tin trực tiếp
Giao thức phân cấp cụm thích
ứng với năng lượng thấp có giá
trị K động
Giao thức phân cấp cụm thích
ứng với năng lượng thấp phân
cụm hiệu quả
Lược đồ phân cụm hiệu quả năng
lượng
Giao thức phân cấp cụm thích
ứng với năng lượng thấp hiệu
quả năng lượng

EE-LEACH

Energy Efficient Low energy
adaptive clustering hierarchy

GAF

Geographic Adaptive Fidelity

Định tuyến dựa trên vị trí

GBR

Gradient based routing

Định tuyến dựa trên khoảng cách

GEAR

Geographic and Energy Aware
Routing

Giao thức định tuyến nhận thức
năng lượng và địa lý

GEDIR

Geographic Distance Routing

Định tuyến khoảng cách địa lý

Global Possition System

Hệ thống định vị toàn cầu

Global Orbiting Navigation
Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ
đạo toàn cầu

Geographic and Energy-Aware
Routing
Hybrid Energy-Efficient
Distributed

Định tuyến dựa trên vị trí và

năng lượng
Phân cụm phân tán hiệu quả năng
lượng lai

Hierarchical Power-Active
Routing

Giao thức định tuyến năng lượng
động phân cấp

Low energy adaptive clustering
hierarchy

Giao thức phân cấp cụm thích
ứng với năng lượng thấp

GPS
GLONSS
GEAR
HEED
HPAR
LEACH


vi

Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

LEACH-C

Low energy adaptive clustering
hierarchy Centralized

Giao thức phân cụm thích ứng
với năng lượng thấp tập trung

LEACH-T

Low energy adaptive clustering
hierarchy
Tiers

Giao thức phân cấp cụm thích
ứng với năng lượng thấp cấp bậc

Low energy adaptive clustering
LEACH-VA hierarchy Voronoi Diagram Ant

colony

Giao thức phân cấp cụm thích
ứng với năng lượng thấp dùng sơ
đồ Voronoi và thuật toán đàn kiến

Message Authentication Code

Giao thức điều khiển thâm nhập
môi trường

Minimum Energy
Communication Network

Giao thức mạng liên lạc năng
lượng tối thiểu.

Message Integrity Code

Mã toàn vẹn của tin nhắn

Path and Multi Speed

Giao thức đa đường và đa tốc độ

QoS

Quality of service

Chất lượng của dịch vụ

RTS

Request to Send

Yêu cầu gửi

SAR

Sequential Assignment Routing

Định tuyến gán số thứ tự

SEP

Stable Election Protocol

Giao thức chọn ổn định

SMP

Sensor Management Protocol

Giao thức quản lý cảm biến

SPIN

Sensor Protocol for Information
via Negotiation

Giao thức cảm biến thông tin qua
thương lượng

Sensor Query and Data
Dissemination Protocol

Giao thức truy vấn cảm biến và
phổ biến số liệu

Impulse Radio

Vô tuyến xung

Task Assignment and Data
Advertisement Protocol

Giao thức phân nhiệm vụ và
quảng cáo số liệu
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

MAC
MECN
MIC
MMSPEED

SQDDP
IR
TADAP
TDMA

TEEN

Time division multiple access
Threshold sensitive Energy
Efficient sensor Network
protocol

Giao thức hiệu quả năng lương
cảm nhận mức ngưỡng


vii

Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

Power-efficient Gathering in
Sensor Information Systems

Thu thập năng lượng hiệu quả
trong hệ thống thông tin cảm
biến

UCS

Unequal Clustering Size

Kích thước cụm khơng đồng đều

UWB

Ultrawideband

Băng tần cực rộng

WSN

Wireless sensor network

Mạng cảm biến không dây

PEGASIS


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM............................................................15


ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Mơ hình mạng cảm biến thơng thường.................................................................4
Hình 1. 2. Cấu tạo của nút cảm biến......................................................................................4
Hình 1. 3. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến khơng dây....................................................7
Hình 1. 4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến.......................................................................8
Hình 1. 5. Cấu trúc tầng của mạng cảm biến.........................................................................8
Hình 1. 6. Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp........................................................9
Hình 1. 7. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.............................................................................11

Hình 2. 1. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN.........................................................20
Hình 2. 2. Các giao thức Leach cho mạng lưới....................................................................23
Hình 2. 3. Thời gian hoạt động của LEACH........................................................................24

Hình 2. 4. Sơ đồ các pha của LEACH và biến thể trong WSN............................................25
Hình 2. 5. Một số mục đích chính của LEACH và các biến thể..........................................26
Hình 2. 6. Lưu đồ quá trình chọn nút đầu cụm....................................................................27
Hình 2. 7. Lưu đồ giai đoạn thiết lập...................................................................................30
Hình 2. 8. Lưu đồ giai đoạn ổn định....................................................................................................31

Hình 3. 1. Bước xây dựng sơ đồ Voronoi.............................................................................41
Hình 3. 2. Lược đồ quá trình phân cụm...............................................................................41
Hình 3. 3. Lưu đồ thuật tốn đàn kiến..................................................................................46
Hình 3. 4. Kết quả mơ phỏng trên nền tảng thử nghiệm......................................................47
Hình 3. 5. Đồ thị số đầu cụm ứng với số vịng.....................................................................48
Hình 3. 6. Đồ thị số nút chết ứng với số vịng.....................................................................49
Hình 3. 7. Đồ thị số gói tin nhận được tại trạm gốc ứng với số vịng..................................50
Hình 3. 8. Đồ thị năng lượng dư ứng với số vòng...............................................................51


x


1

MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến khơng dây WSN đóng vai trị hạ tầng quan trọng trong các
giải pháp kết nối Internet of Things (IoT) của cuộc cách mạng 4.0 hiện nay. Mạng
cảm biến không dây thu thập các thông tin từ môi trường, chuyển về trung tâm xử
lý để đưa ra các quyết định điều khiển phản hồi tự động và có sự hỗ trợ bởi các
cơng nghệ mới như deep learning, AI hay tính tốn thơng minh. Hạ tầng mạng cảm
biến khơng dây là rất quan trọng trong mục đích cung cấp các kết nối truyền thông
đảm bảo độ tin cậy, hiệu quả và phù hợp với môi trường ứng dụng. Tuy nhiên, mạng
cảm biến không dây gặp phải một số vấn đề trợ ngại khi hoạt động trong các môi

trường linh động. Tuổi thọ của mạng, thời gian sống của các thiết bị cảm biến ln
là một bài tốn được quan tâm hàng đầu đối với các nhà nghiên cứu và khai thác
mạng.
Thời gian sống của mạng phụ thuộc rất lớn bào cấu trúc mạng, thiết bị mạng
hay giao thức truyền thơng của mạng. Trong đó, giao thức LEACH (low energy
adaptive clustering hierarchy) là một giao thức tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm
biến không dây đã đem lại tính hiệu quả nhất định. Tuy nhiên, tùy vào các ứng dụng
cụ thể, giao thức LEACH đem lại các hiệu quả khác nhau, nhất là trong các ứng
dụng riêng biệt trong thực tiễn. Vì vậy, việc nghiên cứu cải thiện giao thức LEACH
luôn được đặt ra như một vấn đề nghiên cứu trên cả khía cạnh lý thuyết hay ứng
dụng. Trong nghiên cứu này, học viên mong muốn tìm kiếm giải pháp cải thiện
LEACH để nâng cao hiệu năng mạng cảm biến khơng dây.
Trong q trình tìm hiểu và nghiên cứu về giao thức LEACH, em đã lựa
chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử
dụng giao thức LEACH” để tìm hiểu, nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp Thạc
sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn thơng. Trong q trình nghiên cứu, chắc chắn sẽ có
nhiều nội dung cần có sự góp ý, đóng góp ý kiến và chỉ dẫn của T.S Nguyễn Chiến
Trinh cùng các thầy cô trong khoa Viễn thông I, trong Học viện CNBCVT, cũng
như ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp để cho luận văn của em hoàn thiện hơn.


2

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY
1.1.

Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây

Từ những thập niên cuối của thế kỷ 20, sự phát triển như vũ bão của ngành

công nghệ kỹ thuật số đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển các công nghệ viễn thông
và công nghệ thông tin, ứng dụng chúng vào mọi mặt trong cuộc sống con người.
Với độ bao phủ rộng khắp tồn cầu, cơng nghệ mạng viễn thơng đã và đang đáp
ứng được cơ bản nhu cầu trao đổi, khai thác, lưu giữ thông tin của nhân loại. Tuy
nhiên, trong một số hoàn cảnh và điều kiện đặc biệt như thiên tai hoặc chiến tranh
… khi đó các hạ tầng mạng viễn thông cố định bị phá vỡ, không thể phục hồi hoặc
khắc phục ngay. Xuất phát từ thực tiễn đó, một cơng nghệ mạng mới đã được
nghiên cứu và phát triển, để đáp ứng việc trao đổi thông tin đó là cơng nghệ truyền
thơng đa bước tùy biến khơng dây (Ad-hoc). Mạng Ad-hoc có thể hoạt động độc lập
hoặc có thể kết nối với các hạ tầng mạng cố định còn lại hoặc khu vực lân cận để
tạo thành mạng thơng tin khu vực hoặc tồn cầu.
Một trong những mơ hình mạng con của mạng Ad-hoc là mạng cảm biến
không dây (Wireless Sensor Network –WSN). Một mạng cảm biến không dây bao
gồm một tập các cảm biến được triển khai trong một khu vực mục tiêu nhằm thu
thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.
Các thông tin này được chuyển đến nút trung tâm gọi là BS (Base Station) bằng
sóng vơ tuyến. Từ đó dữ liệu được phân tích, xử lý bởi người sử dụng để đưa ra các
quyết định cho hệ thống.
Sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ
thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, cơng nghệ mạch tích hợp, vi
mạch phần cảm biến, xử lý và tính tốn tín hiệu... đã tạo ra những con cảm biến có
kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả
năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến tiếp tục
được phát triển cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của


3

mơi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận qn sự, phát hiện và do thám việc tấn
công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc,

thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong
các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ...
Việc thiết kế một mơ hình mạng cảm biến không dây chuẩn để đáp ứng được
hàng loạt các ứng dụng trên thực tế là việc là vơ cùng khó khăn và phức tạp. Do đó,
với mỗi một loại ứng dụng cụ thể phải thiết kế một mạng cảm biến không dây phù
hợp với qui mô ứng dụng. Thiết kế mạng cảm biến không dây cần đáp ứng một số
điểm chung như sau:
-

Khả năng tự tổ chức mạng của các nút mạng.

-

Sử dụng truyền thông không dây và truyền đa bước.

-

Triển khai nhanh với số lượng lớn trên phạm vi rộng.

-

Năng lượng, dung lượng bộ nhớ và khả năng xử lý.

-

Khả năng quảng bá trong phạm vi hẹp, nhiễu lớn.

-

Định tuyến đa bước.

Ngồi những ưu điểm có được, mạng cảm biến khơng dây cịn đối mặt với
rất nhiều vấn đề cần giải quyết. Điểm quan trọng và then chốt đó là nguồn năng
lượng giới hạn của các nút mạng, điều này làm ảnh hưởng tới thời gian sống của nút
mạng nói riêng cũng như tuổi thọ của tồn mạng nói chung. Đã có rất nhiều nghiên
cứu đã và đang tập trung vào giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm
biến. Một trong những giải pháp hiệu quả đã và đang được nghiên cứu là sử dụng
giao thức định tuyến tối ưu cho từng loại mạng cụ thể để tìm đường đi giữa các nút
mạng, qua đó giảm thiểu năng lượng sử dụng của mỗi nút mạng và các nút lân cận
nó, kéo dài đáng kể thời gian sống của mối nút làm tăng tuổi thọ của mạng [1].

1.2.

Các thiết bị mạng cảm biến không dây

Một mạng cảm biến khơng dây thường có 4 thành phần sau:


4

-

Các nút cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên, có thể tập trung

hoặc phân tán trên mơ hình mạng.
Mạng lưới liên kết giữa các nút cảm biến lại với nhau: Hữu tuyến
hoặc vô tuyến.
Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu ( Clustering )
Bộ phận xử lí dữ liệu trung tâm.

Hình 1. 1. Mơ hình mạng cảm biến thơng thường

WSN thường bao gồm nhiều nút cảm biến, là những thiết bị sử dụng rất ít
năng lượng pin. Những thiết bị này thực hiện 3 nhiệm vụ cơ bản: (1) lấy mẫu một
đại lượng vật lý từ môi trường xung quanh, (2) xử lý (và có thể lưu trữ) dữ liệu thu
thập được, và (3) vận chuyển chúng qua truyền thông vô tuyến đến điểm thu thập dữ
liệu được gọi là “sink node” hoặc “trạm gốc”. [2]

1.2.1. Cấu tạo một nút cảm biến

Hình 1. 2. Cấu tạo của nút cảm biến

Nút cảm biến được cấu tạo bởi 4 khối chức năng chính:


5

- Bộ cảm biến (Sensing unit): Gồm 2 khối chức năng: Khối cảm biến có
chức năng cảm biến thay đổi mơi trường; Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang
tín hiệu số (Analog to Digital Converter - ADC) có chức năng chuyển đổi tín hiệu
tương tự nhận từ khối cảm biến sang tín hiệu số.
Đầu cảm biến dựa trên những thông số thu được từ sự thay đổi của môi
trường xung quanh tạo ra ra tín hiệu tương tự tương ứng với các trạng thái thay đổi
của môi trường, sau đó những tín hiệu này được chuyển thành tín hiệu số thơng qua
khối ADC rồi sau đó được đưa vào khối xử lý.
- Bộ xử lý (Processing unit): Được cấu tạo từ 2 khối chức năng: Thiết bị xử
lý (bộ xử lý) và thiết bị lưu trữ (bộ nhớ). Nhiệm vụ của Bộ xử lý điều khiển, quản lý
hoạt động của các khối chức năng trong nút, quản lý các thủ tục vào ra trong nút kết
nối với các nút lân cận để thực hiện các nhiệm vụ được định sẵn.
Bộ xử lý là thành phần quan trọng nhất trong nút mạng cảm biến không dây,

thực hiện thu thập dữ liệu từ các nút, xử lý dữ liệu đó và gửi đi, đồng thời nhận dữ
liệu từ các nút khác chuyển tới. Có khả năng liên kết chúng, mềm dẻo trong kết nối
với các thiết bị khác, tiêu thụ năng lượng thấp nhờ khả năng tự chuyển sang chế độ
ngủ đơng, khi đó chỉ có một phần của vi điều khiển hoạt động. Một đặc điểm nổi
bật của bộ xử lý là khả năng lập trình bằng các ngơn ngữ lập trình bậc cao (C, C++).
Bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu đã xử lý thu được từ các nút, có hai
kiểu kiến trúc bộ nhớ thường được sử dụng: kiến trúc havard và kiến trúc Von
newman. Trong kiến trúc havard, bộ nhớ dữ liệu và chương trình tách biệt nhau, dữ
liệu được chứa trong RAM cịn chương trình được chứa trong ROM hoặc bộ nhớ
FLASH. Mặt khác, trong kiến trúc Von newman, dữ liệu và chương trình được lưu
cùng với nhau (trên RAM), nhược điểm của kiểu kiến trúc này là dữ liệu sẽ bị mất
khi nguồn bị tắt, Do vậy, hệ điều hành thường được lưu trữ trên ROM, EEPROM,
hoặc bộ nhớ flash.
- Bộ thu phát (Transceiver unit): Có chức năng thu/phát tín hiệu, kết nối
nút với các nút khác trong mạng theo yêu cầu của bộ xử lý đưa ra. Bộ thu phát sử


6

dụng kết nối khơng dây để thu phát tín hiệu (sóng vơ tuyến, truyền thơng quang,
sóng siêu âm, từ trường…). Trong đó, sóng vơ tuyến được cho hầu hết các ứng
dụng của mạng không dây do dải thông lớn với tốc độ dữ liệu cao là phù hợp cho
hầu hết các ứng dụng của mạng không dây.
Các nút thực hiện cả chức năng nhận và truyền dữ liệu (điều chế, giải điều
chế, khuếch đại, lọc, trộn …) sau đó chuyển dữ liệu (luồng bit, byte hoặc khung dữ
liệu) thành sóng vô tuyến. Thông thường, hai khối thu/phát thường được kết hợp
thành một thiết bị duy nhất. Do vậy, tại một thời điểm không thể thực hiện đồng
thời vừa truyền vừa nhận dữ liệu, việc truyền và nhận sẽ được luân phiên nhau và
được điều khiển bởi hệ điều hành [3].
Một số lưu ý khi lựa chọn thiết bị cho bộ thu phát:

+ Khả năng phục vụ cho lớp trên (MAC), cho phép lớp này điều khiển gói
dữ liệu.
+ Tần số sóng mang, đa kênh trong truyền thơng.
+ Tốc độ dữ liệu tương ứng với tần số sóng mang và băng tần.
- Bộ nguồn (Power Unit): Có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt
động của nút, tiếp nhận năng lượng bổ xung từ bộ sinh năng lượng (nếu có).
Một số loại nút cảm biến còn được bổ xung thêm các thành phần để phù hợp
với nhiệm vụ cụ thể:
- Hệ thống tìm vị trí (Location Finding System): Trong một số trường hợp
địi hỏi độ chính xác cao về số liệu cảm biến hay định tuyến thì các nút sẽ được gắn
thêm bộ phận này .
- Thiết bị di động (Mobilizer): Làm nhiệm vụ quản lý các chuyển động cho
những nhiệm vụ được định sẵn. tùy thuộc vào nhiệm vụ mà nút cảm biến có thể
được trang bị thêm bộ phận này.


7

- Bộ sinh năng lượng (Power Generator): Có chức năng tiếp nhận năng
lượng bổ xung từ các nguồn khác (năng lương mặt trời, năng lượng sinh học, năng
lượng nhiệt… ), cung cấp năng lượng cho bộ nguồn của nút.

1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến khơng dây được thể hiện trên hình 1.3.
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (Sensor field). Mỗi nút
cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thơng tin, định tuyến số
liệu thu được về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến
các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định
tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết khơng có cơ sở hạ tầng
nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là khơng có các trạm thu

phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm
điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thơng qua Internet
hay vệ tinh (Satellite).

Hình 1. 3. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Có hai kiểu cấu trúc thường được triển khai, đó là cấu trúc phẳng và cấu trúc
tầng:

Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang
hàng và đồng nhất về hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua đa


8

bước sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các
nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trị của bộ tiếp sóng đối với các nút còn lại. Giả
thiết rằng tất cả các nút đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu.

Hình 1. 4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến


Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu đơn bước hay đa bước (tùy thuộc
vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút đầu cụm (cluster
head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở
một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. [4]

Hình 1. 5. Cấu trúc tầng của mạng cảm biến

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính tốn và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp
nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm biến, cấp giữa thực hiện tính tốn, và cấp trên
cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6).


9

Hình 1. 6. Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng, do các lý do sau :
- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí khi triển khai mạng cảm biến bằng việc
định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu
triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu
để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng
phủ sóng xác định, chi phí của tồn mạng sẽ cao. Thay vào đó, nếu một số lượng
lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm biến, một số lượng nhỏ
hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng
bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần
phải tính tốn nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời
gian yêu cầu thực hiện tính tốn. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm biến cần hoạt
động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu
xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức
năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng
sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.

10

- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút
yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc
phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong
mạng có n nút là

W
n , trong đó

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

khi kích cỡ mạng tăng lên thì thơng lượng của mỗi nút sẽ giảm dần về 0.
- Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc
phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân
cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi
một trạm gốc đóng vai trị là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao
tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng
của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm
tăng ít nhất phải nhanh bằng n . Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh
khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp đó, dung
lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp
xác định là độc lập với nhau.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi
dùng cấu trúc tầng. Đặc biệt, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích tìm
địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút và phân bố đến tập
con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ
một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích
hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay, cũng đang có rất nhiều mơ hình

tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng. [5]

1.2.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây
Trong hình 1.7 là kiến trúc giao thức (Mơ hình phân lớp OSI), được sử dụng
cho mạng cảm biến không dây. Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng
quản lý. Các mặt phẳng này quản lý để các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách


11

có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến không dây và chia sẻ tài
nguyên giữa các nút cảm biến.

Hình 1. 7. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến



Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang,

phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử
dụng rộng rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải
được xem xét ở lớp vật lý.

Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu,
phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi.
Vì mơi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển
truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề cơng suất và phải có khả năng tối
thiểu hố việc va chạm với thơng tin quảng bá của các nút lân cận.

Lớp mạng: Được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:

Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng.
Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.
Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó khơng cản trở sự cộng tác
có hiệu quả của các nút cảm biến.

Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập
thơng qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.

Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng
dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.

1.3.

Một số ứng dụng điển hình


12

Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm
biến động đất, cảm biến từ trường ( với tốc độ lấy mẫu thấp), cảm biến thị giác, cảm
biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát một vùng rộng lớn
các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của
dòng xe, ánh sáng…
Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện
sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ.
Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn
nhiều vùng ứng dụng mới. Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội,
mơi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.


Ứng dụng trong quân đội

Mạng cảm biến không dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống
điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính tốn thơng minh, trinh sát, theo dõi
mục tiêu. Với đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể tự sửa lỗi của mạng
cảm biến làm cho chúng trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn ứng dụng cho các hệ
thống kỹ thuật trong quân đội. Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của
các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch
không ảnh hưởng đến hoạt động của mạng. Do vậy, mạng cảm biến dần trở thành
một ứng dụng không thể thiếu đối với lĩnh vực quân sự.


Ứng dụng trong môi trường

Một vài ứng dụng trong môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự
di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi
trường làm ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, quan sát diện tích
một vùng rộng lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh-hóa, nơng
nghiệp chính xác, quan sát mơi trường, trái đất, mơi trường vùng biển và bầu khí
quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt,
nghiên cứu sự ô nhiễm…


13



Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến như là giám sát bệnh

nhân, các triệu chứng bệnh lý, quản lý thuốc trong bệnh viện, theo dõi và kiểm tra
bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện…


Tự động hoá trong gia đình và điện dân dụng

Gia đình là khơng gian ứng dụng rất lớn cho triển khai mạng cảm biến không
dây. Nhiều ứng dụng hữu ích như kiểm sốt vật ni, kiểm tra độ ẩm cây trồng,
kiểm sốt cơn trùng có hại...


Giám sát và điều khiển công nghiệp

Mạng không dây được ứng dụng rộng rãi trong quản lý và sản xuất công
nghiệp như: trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên
liệu được lưu trữ…, đầu vào các thiết bị để điều khiển các bộ truyền động trong các
hệ thống máy móc[6].

1.4.

Các vấn đề liên quan tới hiệu quả năng lượng

1.4.1. Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến
Do các nút cảm biến thường có nguồn năng lượng giới hạn nên thời gian tồn
tại của một mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nút mạng. Mà năng lượng
của mỗi nút mạng cũng bị hạn chế bởi bộ nguồn có kích cỡ giới hạn. Một ví dụ cụ
thể, tổng năng lượng dự trữ trong một nút cảm biến thơng mình là 1J, dịng điện
trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30μA để đảm bảo thời gian sống dài. Các nút
được cung cấp năng lượng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đường kính
2.5cm dày 1cm). Tuy nhiên, có thể tăng thời gian sống của mỗi nút mạng cũng như

toàn mạng mạng bằng cách cung cấp năng lượng bổ xung cho các nút mạng từ năng
lượng thu được của môi trường.
Bộ thu phát của các nút cảm biến có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc
tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến (RF). Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều