Tải bản đầy đủ (.pdf) (105 trang)

Giảm độ trễ end to end và tổng năng lượng tiêu thụ trong các mạng cảm biến không dây

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.24 MB, 105 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH TRỌNG THƢA

GIẢM ĐỘ TRỄ END-TO-END VÀ TỔNG NĂNG LƢỢNG
TIÊU THỤ TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH TRỌNG THƢA

GIẢM ĐỘ TRỄ END-TO-END VÀ TỔNG NĂNG LƢỢNG
TIÊU THỤ TRONG CÁC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành:

Khoa học máy tính

Mã số chuyên ngành: 62480101
Phản biện độc lập 1: PGS. TS. HÀ HẢI NAM
Phản biện độc lập 2: PGS. TS. HUỲNH XUÂN HIỆP
Phản biện 1:

GS. TSKH. NGUYỄN NGỌC SAN



Phản biện 2:

PGS. TS. NGUYỄN HUY HOÀNG

Phản biện 3:

PGS. TS. TRẦN VĂN HỒI

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. TRẦN CƠNG HÙNG
2. PGS. TS. ĐINH ĐỨC ANH VŨ


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết
quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ
bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu
đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.
Tác giả luận án

(chữ ký)
__________________________________
Huỳnh Trọng Thƣa

i


TÓM TẮT LUẬN ÁN
Trong những năm gần đây, những tiến bộ vƣợt bậc trong công nghệ vi điều khiển

và các kỹ thuật truyền thông không dây đã cho phép triển khai nhiều mạng cảm biến
không dây với một số lƣợng rất lớn các nút cảm biến. Sự quan tâm chủ yếu trong thiết
kế và triển khai những ứng dụng mạng cảm biến khơng dây nhƣ thế chính là vấn đề
tiêu thụ năng lƣợng. Giải thuật phân cụm là một kỹ thuật hiệu quả đƣợc sử dụng để tiết
kiệm năng lƣợng cho các nút cảm biến trong q trình truyền thơng. Ngồi ra, kỹ thuật
này cũng làm tăng tính co giãn, bền vững và thời gian sống của mạng.
Trong nhiều sơ đồ phân cụm đã đề xuất, để đơn giản trong vấn đề định tuyến,
việc truyền thông giữa các cụm với nút gốc đƣợc thiết kế theo mơ hình một chặng trực
tiếp. Tuy nhiên, mơ hình truyền thơng đa chặng thƣờng sẽ phù hợp hơn khi dải truyền
thông của các nút cảm biến bị giới hạn hoặc số lƣợng nút cảm biến là rất lớn trong một
mạng. Mặt khác, truyền thông đa chặng lại gặp phải vấn đề về độ trễ xử lý và phân
phối dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn đến nút gốc. Để giải quyết bài toán này, hƣớng
nghiên cứu phối hợp kỹ thuật phân cụm vào trong vấn đề định tuyến đa chặng đã và
đang thu hút nhiều sự quan tâm trong những năm gần đây.
Qua khảo sát nhiều mơ hình và giải thuật đề xuất cho thấy việc giảm số chặng
trên đƣờng đi từ các nút cảm biến nguồn đến nút gốc có thể làm giảm độ trễ end-toend nhƣng lại làm tăng tổng năng lƣợng tiêu thụ và số lƣợng thông điệp trao đổi để
quyết định chọn hƣớng chuyển tiếp dữ liệu phù hợp. Ngồi ra, có thể dễ dàng nhận
thấy rằng, số lƣợng chặng tỷ lệ thuận với độ trễ truyền thông và tỷ lệ nghịch với năng
lƣợng tiêu thụ. Do vậy, việc phân bố phù hợp các nút vào trong các cụm và chọn
đƣờng đi với số lƣợng chặng tối ƣu để cân bằng cả hai yếu tố năng lƣợng tiêu thụ và
độ trễ end-to-end là một vấn đề khó.
Luận án tập trung nghiên cứu và thiết kế giải thuật phân cụm kết hợp các giải
thuật định tuyến đa chặng giữa các cụm nhằm giải quyết các mục tiêu cụ thể nhƣ: (i)
Giảm thiểu độ phức tạp tính tốn và trao đổi thông điệp điều khiển cho các nút cảm
biến nhằm tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ và thời gian trễ do xử lý và truyền thông; (ii)
Giảm độ trễ end-to-end do việc phân phối dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn đến nút
gốc; và (iii) Cân bằng năng lƣợng giữa các nút cảm biến để kéo dài thời gian sống của
toàn mạng. Cụ thể, luận án đề xuất các giải thuật sau:
ii



1) Giải thuật phân cụm: Luận án đề xuất mô hình phân cụm dựa trên mức
năng lƣợng cịn lại của các nút cảm biến và độ trễ end-to-end. Cùng với
việc đề xuất một giải thuật phân cụm cân bằng năng lƣợng tiêu thụ và độ
trễ end-to-end, luận án cũng thiết kế một hàm chi phí tổng hợp dựa trên
mức năng lƣợng còn lại của mỗi nút cảm biến và khoảng cách giữa chúng
nhằm chọn ra các nút trƣởng cụm tối ƣu để phân phối dữ liệu đến trạm
gốc một cách hiệu quả nhất. Độ phức tạp tính tốn của giải thuật đề xuất
đƣợc chứng minh là một hàm tuyến tính. Điều này giúp các nút cảm biến
tiết kiệm đƣợc nhiều năng lƣợng hơn và giảm thiểu thời gian xử lý cục bộ.
Kết quả mô phỏng cho thấy giải thuật phân cụm đƣợc đề xuất tạo ra sự
phân bố đồng đều các nút cảm biến vào trong các cụm so với các giải
thuật tƣơng tự.
2) Giải thuật định tuyến cân bằng năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ end-to-end:
Luận án đề xuất một hàm chi phí kết hợp hai yếu tố năng lƣợng tiêu thụ
tại mỗi nút cảm biến và độ trễ liên kết giữa các nút cảm biến lân cận nhau.
Ngoài ra, luận án cũng đề xuất một giải thuật cập nhật hàm chi phí để
phân phối dữ liệu đến trạm gốc theo đƣờng đi có tổng chi phí kết hợp thấp
nhất. Kết quả mô phỏng cho thấy giải thuật này tạo sự cân bằng cho cả
năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ end-to-end.
3) Giải thuật định tuyến hiệu quả năng lƣợng với k đƣờng ngắn nhất đảm bảo
độ trễ đầu cuối: Luận án đề xuất một hàm chi phí chỉ dựa vào năng lƣợng
còn lại của mỗi nút cảm biến và một giải thuật định tuyến k đƣờng ngắn
nhất theo tổng năng lƣợng tiêu thụ đảm bảo ràng buộc độ trễ end-to-end
của ứng dụng. Phân tích tốn học và kết quả mô phỏng cho thấy các nút
cảm biến đạt đƣợc sự cân bằng về năng lƣợng tiêu thụ và thời gian sống
của toàn mạng đƣợc kéo dài khi so sánh với các đề xuất tƣơng tự.
4) Giải thuật định tuyến phân tán hiệu quả năng lƣợng có ràng buộc độ trễ
đầu cuối: Luận án đề xuất giải thuật chọn nút trƣởng cụm tối ƣu năng
lƣợng tiêu thụ nhƣng phải đảm bảo yêu cầu về ràng buộc độ trễ đầu cuối

làm nút chuyển tiếp dữ liệu chỉ dựa vào thông tin cục bộ giữa các nút lân
cận. Điều này làm giảm lƣợng overhead trao đổi trong quá trình khám phá
iii


đƣờng đi, giúp giải thuật đạt đƣợc sự hội tụ nhanh. Minh chứng toán học
cho thấy giải thuật đề xuất có độ phức tạp tính tốn và trao đổi thơng điệp
thấp, và vì thế nó có thể đƣợc áp dụng hiệu quả cho các mạng cảm biến
không dây với số lƣợng lớn các nút cảm biến. Kết quả mô phỏng cho thấy
giải thuật đề xuất tạo sự cân bằng năng lƣợng tiêu thụ giữa các nút cảm
biến và nâng cao thời gian sống toàn mạng.
Trong các giải thuật đƣợc đề xuất trong luận án, dễ nhận thấy tiềm năng của việc
ứng dụng chúng vào trong thực tiễn hiện nay là rất lớn. Có thể chỉ ra đây một vài ứng
dụng trong thực tế có thể áp dụng hiệu quả mơ hình phân cụm và các giải thuật định
tuyến đã đề xuất nhƣ: hệ thống giám sát cháy rừng, hệ thống giám sát các hoạt động
núi lửa, hệ thống cảnh báo động đất, sóng thần, hệ thống phát hiện xâm nhập và nhiều
dạng ứng dụng khác có yêu cầu độ nhạy về thời gian đáp ứng thơng tin.
Mặc dù mơ hình phân cụm và các giải thuật định tuyến đề xuất đã cho thấy sự cải
thiện đáng kể về việc tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ và giảm độ trễ end-to-end trong các
mạng cảm biến khơng dây, chúng vẫn cịn một số hạn chế nhƣ: phƣơng pháp xác định
số chặng tối ƣu trong một kích thƣớc mạng tổng quát chƣa đƣợc chỉ ra, độ phức tạp
trong trao đổi thông điệp điều khiển vẫn là một hàm đa thức. Do vậy, luận án đề xuất
hƣớng nghiên cứu tiềm năng khác là phƣơng pháp tối ƣu bầy đàn để phân bố phù hợp
các nút cảm biến trong mạng nhằm cân bằng tốt hơn năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ
truyền thông.

iv


ABSTRACT

In recent years, continued and rapid advances in microcontroller and wireless
communication technologies have enabled to deploy wireless sensor networks with a
large number of sensor nodes. The main concern in designing and deploying
applications for wireless sensor networks is energy consumption problem. Clustering
algorithm is an effective technique used to save energy for sensor nodes in the
communication. In addition, this technique also increases scalability, sustainability and
network lifetime.
In many proposed clustering schemes, to simplify the routing problem, the
communication between clusters and the base station is designed in a direct one-hop
model. However, the multi-hop communication model is more suitable when the
communication range of sensor nodes is limited or the number of sensor nodes is very
large in the network. On the other hand, multi-hop communication has to face up the
problem on delay processing and data delivery from source sensor nodes to the base
station. To solve this problem, research direction by collaboration clustering technique
with multi-hop routing problem has been attracting a lot of attention in recent years.
Through surveying on many proposed models and algorithms, it shows that
reducing the number of hops on the path from source sensor nodes to the base station
can reduce end-to-end delay but increase the total energy consumption and the number
of exchanged messages in order to decide on direction to forward data accordingly. In
addition, it easy to see that the number of hops is directly proportional to the
communication delay and inversely proportional to the energy consumption.
Therefore, the appropriate distribution sensor nodes into clusters and selection the path
with the optimal number of hops to balance both energy consumption and end-to-end
delay is a difficult problem.
This thesis focuses on researching and designing the clustering algorithm in
combination with the multi-hop routing algorithms between clusters to address specific
goals: (i) minimizing computational complexity and exchanged control messages for
sensor nodes in order to save energy consumption and delay by processing and
communication; (ii) reducing end-to-end delay by data delivery from source sensor
nodes to the base station; and (iii) balancing the energy between sensor nodes to

v


extend the lifetime of the whole network. Particularly, the thesis proposes the
following algorithms:
1) Clustering algorithm: The thesis proposes the clustering model based on
the remaining energy level of the sensor nodes and end-to-end delay.
Along with proposing a clustering algorithm to trade-off the consumed
energy and end-to-end delay, this thesis also design an aggregate cost
function based on the remaining energy level of each sensor node and
distance between them to select the optimal cluster head nodes for
distributing data to the base station (or sink) in the most efficient way.
Computational complexity of the proposed algorithm is shown to be a
linear function. This helps the sensor node to save more energy and reduce
local processing time. The simulation results show that the proposed
clustering algorithm creates a uniform distribution between sensor nodes
in the cluster compared with similar algorithms.
2) Routing algorithm to trade-off the consumed energy and end-to-end delay:
The thesis proposes a cost function to combine both energy consumption
of each sensor node and link delay between neighboring nodes. In
addition, this thesis also proposes an updating algorithm to recalculate and
update the cost function for data distribution to the base station (or sink)
along the path that has the lowest combined cost. The simulation results
show that this algorithm creates a good balance for both energy
consumption and end-to-end delay.
3) Energy efficiency routing algorithm with k shortest paths ensuring the
end-to-end delay: The thesis proposes a cost function based on only the
remaining energy of each sensor node and a routing algorithm with k
shortest paths on the total energy consumption ensuring the end-to-end
delay constraint of application. Mathematical analysis and simulation

results show that the sensor nodes achieve a good balance of consumed
energy and the lifetime of the whole network is extended when compared
with similar proposals.

vi


4) Distributed algorithm for delay constrained energy efficient routing: The
thesis proposes an algorithm to select the optimal cluster head nodes on
energy consumption while ensuring requirement of end-to-end delay to be
the data forwarding node based on only the local information between
neighboring nodes. This reduces the amount of overhead exchanged in the
process of route discovering and make the algorithm to achieve fast
convergence. Mathematical proof shows that the proposed algorithm has
low computational complexity and messages exchanging. Thus, it can be
effectively applied for wireless sensor networks with the large number of
sensor nodes. The simulation results show that the proposed algorithm
creates a good balance on energy consumption between sensor nodes and
enhances the lifetime of the whole network.
In the proposed algorithms of this thesis, it is easy to see the potential of their
applications in reality is immense. This may indicate a few applications which can be
effectively applied the clustering model and proposed routing algorithms in reality
such as: forest fire monitoring system, volcanic activity monitoring system, earthquake
and/or tsunami warning system, intrusion detection systems and various other
applications which require time sensitivity in the information response.
Although the clustering model and the proposed routing algorithm showed
significant improvement on energy savings and end-to-end delay reduction in wireless
sensor networks, they are still some limitations such as: the method of determining the
optimum number of hops in a general network size has not been specified, the
complexity of the control messages exchanging is still a polynomial function.

Therefore, the thesis proposes another potential research that is the swarm
optimization method to distribute the sensor nodes in to the network suitably in order
to get the better balance on energy consumption and communication delay.

vii


LỜI CÁM ƠN
Để hồn thành chƣơng trình học tập và nội dung nghiên cứu tiến sĩ, tôi đã nhận
đƣợc sự hỗ trợ từ nhiều cá nhân và tập thể.
Tôi xin trân trọng cám ơn bộ mơn Kỹ thuật máy tính, khoa Khoa học và Kỹ thuật
máy tính và phịng Đào tạo Sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thực hiện và
hồn thành chƣơng trình học tập và nghiên cứu tiến sĩ tại trƣờng Đại học Bách khoa,
Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
Tơi xin chân thành cám ơn PGS. TS. Trần Công Hùng và PGS. TS. Đinh Đức
Anh Vũ đã định hƣớng và chia sẽ tận tình những kiến thức khoa học và kinh nghiệm
nghiên cứu quý báu, giúp tôi tiết kiệm nhiều thời gian để tiếp cận đƣợc những kiến
thức mới.
Tôi xin trân trọng cám ơn Học viện Cơng nghệ Bƣu chính Viễn thơng đã tạo điều
kiện thuận lợi để tơi có thể an tâm học tập, nghiên cứu khoa học.
Tôi muốn bày tỏ lịng biết ơn với nhiều tình cảm tốt đẹp đến ba, mẹ, vợ, các con
và những ngƣời thân, bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên và ủng hộ tôi trong suốt thời
gian học tập và nghiên cứu vừa qua.
Tôi cũng xin cám ơn các thầy, cô và bạn bè đã đọc và đóng góp ý kiến cho luận
án tiến sĩ này.

viii


MỤC LỤC


CHƢƠNG 1.

MỞ ĐẦU ..............................................................................................1

1.1

Lý do chọn đề tài ................................................................................................1

1.2

Mục tiêu của đề tài .............................................................................................2

1.3

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .....................................................2

1.4

Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................2

1.5

Các đóng góp chính của luận án ........................................................................3

1.6

Cấu trúc luận án .................................................................................................4

CHƢƠNG 2.

2.1

TỔNG QUAN ......................................................................................6

Tổng quan về mạng cảm biến không dây ..........................................................6

2.1.1

Các thành phần của một nút cảm biến ........................................................7

2.1.2

Chồng giao thức trong mạng cảm biến không dây .....................................9

2.1.3

Các nhân tố ảnh hƣởng đến việc thiết kế mạng cảm biến không dây .......11

2.1.4

Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây......................................12

2.1.5
dây

Thử thách và vấn đề mở trong định tuyến cho các mạng cảm biến khơng
...................................................................................................................13

2.2


Tổng quan về tình hình nghiên cứu .................................................................15

2.2.1 Các nghiên cứu nhằm cân bằng giữa độ trễ và năng lƣợng tiêu thụ ở lớp
truy cập môi trƣờng truyền ....................................................................................15
2.2.2 Các nghiên cứu nhằm tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ và giảm độ trễ end-toend ở lớp mạng ......................................................................................................18
CHƢƠNG 3.
TRỄ - TED

GIẢI THUẬT PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƢỢNG VÀ ĐỘ
............................................................................................................27

3.1

Mơ hình mạng ..................................................................................................27

3.2

Mơ hình năng lƣợng .........................................................................................28

3.3

Mơ hình độ trễ ..................................................................................................29

3.4

Giải thuật phân cụm cân bằng năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ - TED ...............30

3.5

Phân tích độ phức tạp của giải thuật phân cụm TED .......................................31


3.6

Đánh giá hiệu quả giải thuật phân cụm............................................................33

3.7

Kết luận ............................................................................................................38

CHƢƠNG 4. GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG TIÊU
THỤ VÀ ĐỘ TRỄ ĐẦU CUỐI - DEM ........................................................................40
4.1

Tính chi phí đƣờng đi ban đầu .........................................................................40

4.2

Cập nhật chi phí đƣờng đi ................................................................................41
ix


4.3

Truyền dữ liệu ..................................................................................................42

4.4

Đánh giá hiệu quả giải thuật DEM ..................................................................43

4.5


Kết luận ............................................................................................................47

CHƢƠNG 5. GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ NĂNG LƢỢNG VỚI K
ĐƢỜNG NGẮN NHẤT ĐẢM BẢO ĐỘ TRỄ ĐẦU CUỐI - DCEM .........................49
5.1

Tính chi phí liên kết và chi phí đƣờng đi .........................................................49

5.2

Giải thuật định tuyến đa chặng ........................................................................51

5.3

Phân tích tính hội tụ và độ phức tạp của giải thuật DCEM .............................53

5.4

Đánh giá hiệu quả giải thuật DCEM ................................................................54

5.5

Kết luận ............................................................................................................58

CHƢƠNG 6. GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN PHÂN TÁN HIỆU QUẢ NĂNG
LƢỢNG RÀNG BUỘC ĐỘ TRỄ ĐẦU CUỐI - DCEER ............................................60
6.1

Giải thuật khám phá đƣờng đi..........................................................................60


6.2

Phân tích tính hội tụ và độ phức tạp của giải thuật DCEER ............................63

6.3

Đánh giá hiệu quả giải thuật DCEER ..............................................................66

6.4

Kết luận ............................................................................................................72

CHƢƠNG 7.

KẾT LUẬN ........................................................................................73

7.1

Những điểm mới của luận án ...........................................................................73

7.2

Đánh giá các phƣơng pháp đề xuất ..................................................................74

7.3

Cân bằng hai yếu tố độ trễ và năng lƣợng tiêu thụ ..........................................76

7.4


Khả năng áp dụng trong thực tế .......................................................................77

7.5

Hƣớng mở rộng nghiên cứu .............................................................................79

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .....................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................81

x


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.1
Kiến trúc truyền thơng của mạng cảm biến khơng dây...............................6
Hình 2.2
Các thành phần của một nút cảm biến, đƣợc vẽ lại từ nghiên cứu [5]........7
Hình 2.3
Một vài loại nút cảm biến phổ biến hiện nay ..............................................8
Hình 2.4
Chồng giao thức trong mạng cảm biến khơng dây .....................................9
Hình 3.1
Mơ hình kiến trúc truyền thơng đa chặng của mạng cảm biến khơng dây28
Hình 3.2
Mã giả của giải thuật phân cụm TED cho mỗi nút cảm biến ....................31
Hình 3.3
Phân cụm theo TED với α = 0 và β = 1 ....................................................34
Hình 3.4
Phân cụm theo TED với α = 0.5 và β = 0.5 ..............................................34

Hình 3.5
Phân cụm theo TED với α = 1 và β = 0 ....................................................35
Hình 3.6
Phân cụm theo giải thuật LEACH .............................................................36
Hình 3.7
Phân cụm theo giải thuật HEED ...............................................................37
Hình 3.8
Phân cụm theo giải thuật TED ..................................................................37
Hình 4.1
Mã giả của giải thuật DEM .......................................................................42
Hình 4.2
Cân bằng năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ end-to-end với  = 1 và  = 0 ...45
Hình 4.3
Cân bằng năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ end-to-end với  =  = 0.5 ........45
Hình 4.4
Cân bằng năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ end-to-end với  = 0 và  = 1 ...46
Hình 4.5
Số lƣợng gói tin nhận đƣợc ứng với các khoảng giá trị độ trễ ..................47
Hình 5.1
Sự biến thiên của các hàm cơ bản .............................................................50
Hình 5.2
Sự biến thiên của hàm lũy thừa x và hàm lƣợng giác sin(x) khi kết hợp
với hàm số mũ ex ...........................................................................................................51
Hình 5.3
Mã giả của giải thuật DCEM ....................................................................52
Hình 5.4
Mã giả của giải thuật tìm k đƣờng ngắn nhất ............................................53
Hình 5.5
Số lƣợng nút cảm biến chết theo thời gian ................................................55
Hình 5.6

Tổng năng lƣợng tiêu thụ của tồn mạng theo thời gian ..........................55
Hình 5.7
Hiệu suất thực thi của các giao thức Gen-LEACH, Multihop-HEED và
DCEM dựa trên số lƣợng nút cảm biến còn sống theo thời gian với cùng một giá trị
ràng buộc độ trễ end-to-end ...........................................................................................57
Hình 5.8
Hiệu suất thực thi của các giao thức Gen-LEACH, Multihop-HEED và
DCEM dựa trên tổng năng lƣợng tiêu thụ tƣơng ứng với các giá trị ràng buộc độ trễ
end-to-end khác nhau ....................................................................................................58
Hình 6.1
Một mục trong bảng định tuyến của một nút trƣởng cụm ........................62
Hình 6.2
Cấu trúc thơng điệp CCR ..........................................................................62
Hình 6.3
Mã giả của giải thuật DCEER ...................................................................63
Hình 6.4
Số lƣợng thơng điệp trung bình theo kích thƣớc mạng.............................67
Hình 6.5
Hiệu suất thực thi của các giao thức Multihop-HEED, DEM và DCEER
dựa trên số lƣợng nút cảm biến còn sống ứng với giá trị ràng buộc độ trễ tối ƣu ........68
Hình 6.6
Hiệu quả năng lƣợng của các giao thức Multihop-HEED, DEM và
DCEER với các ràng buộc độ trễ end-to-end khác nhau...............................................70
Hình 6.7
Độ tin cậy truyền dữ liệu của các giao thức Multihop-HEED, DEM và
DCEER với các ràng buộc độ trễ end-to-end khác nhau...............................................71

xi



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Các tham số tiêu biểu đƣợc dùng với T-MAC trong mô phỏng ...............33
Bảng 3.2 So sánh giữa các giải thuật phân cụm điển hình liên quan đến việc chọn
nút trƣởng cụm ..............................................................................................................38
Bảng 3.3 So sánh giữa các giải thuật phân cụm điển hình liên quan đến việc thiết
lập cụm của các nút thành viên......................................................................................38
Bảng 4.1 Tham số mô phỏng ở các lớp tại mỗi nút cảm biến ..................................44
Bảng 7.1 So sánh các giao thức định tuyến đã đề xuất ............................................75

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACK

Acknowledge Message

ADC

Analog-to-Digital Converter

ADV

Advertisement Message

AODV

Ad-hoc On-demand Vector Routing

BEA


Beacon Message

C2E2S

Cluster and Chain based Energy*Delay Efficient Routing Scheme

CCR

Constructed Cluster-heads Route

DCEER

Delay Constrained Energy Efficient Routing

DCEM

Delay-Constrained Energy Multi-hop

DEAP

Delay-Energy Aware routing Protocol

DEAR

Delay-bounded Energy-constrained Adaptive Routing

DEM

Delay Energy Multi-hop


DMAC

Data Gathering Media Access Control

DSR

Dynamic Source Routing

EAQoS

Energy Aware Quality of Service

EDAL

Energy-Efficient, Delay-Aware, and Lifetime-Balancing

HEED

Hybrid, Energy-Efficient Distributed Clustering

ID

Identifier

JCR

Join Cluster Request

LDR


Least Delay Route

LEACH

Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy

MAC

Media Access Control

MRPM

Medium Reservation Preamble based MAC Protocol

MR-MAC

Multi-hop Reservation Media Access Control

M-GEAR

Gateway-Based Energy-Aware Multi-hop Routing

NCR

Neighbor Cluster-head Request

NFL

Neighborhood Feedback Loop


QoS

Quality of Service

RouT

Routing Protocol based on Topologies

RPAR

Real-time Power-Aware Routing
xiii


RSSI

Received Signal Strength Indicator

RTS

Request To Send

SAR

Sequential Assignment Routing

S-MAC

Sensor Media Access Control


SCP-MAC

Scheduled Channel Polling Media Access Control

SNGF

Stateless Non-deterministic Geographic Forwarding

SPEED

A Stateless Protocol for Real-time Communication

SRM

Sink’s Ripple Cluster-head Mapping

SYNC

Synchronization

TDMA

Time Division Multiple Access

TED

Tradeoff for Energy and Delay

T-MAC


Timeout Medium Access Control

WRP

Waterfalls Random Partial Aggregation

WSN

Wireless Sensor Network

xiv


CHƢƠNG 1.

MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài
Một trong những vấn đề cốt lõi của mạng cảm biến không dây là năng lƣợng.
Cùng với khả năng xử lý và lƣu trữ kém, mỗi nút cảm biến đƣợc trang bị một nguồn
năng lƣợng hạn chế và khơng thể hoặc rất khó thay thế trong hầu hết các mơi trƣờng
ứng dụng. Vì vậy, khi triển khai một mạng cảm biến không dây, ngƣời ta luôn đặt yếu
tố năng lƣợng lên hàng đầu. Càng giảm việc tiêu hao năng lƣợng trong quá trình hoạt
động của mạng, thời gian sống của toàn mạng sẽ đƣợc kéo dài. Điều này đồng nghĩa
với việc làm tăng khả năng ứng dụng của nó. Dù vậy, khi các nhà nghiên cứu càng cố
gắng giảm thiểu đến mức thấp nhất việc tiêu thụ năng lƣợng của các nút cảm biến
trong mạng, thì lại càng làm tăng một yếu tố khác khơng kém phần quan trọng, đó là
độ trễ đầu cuối (độ trễ end-to-end). Trong rất nhiều ứng dụng hiện nay, dữ liệu cần
đƣợc truyền từ nguồn đến đích trong một khoảng thời gian giới hạn. Nếu vƣợt quá

mốc thời gian này, dữ liệu sẽ khơng cịn hữu ích nữa. Chẳng hạn nhƣ các ứng dụng về
cảnh báo cháy rừng, nếu dữ liệu cần biết về nhiệt độ hiện tại trong khu rừng truyền về
trạm xử lý quá trễ so với thực tế thì khả năng cảnh báo của hệ thống khơng cần thiết
nữa. Vì vậy, độ trễ đầu cuối là yếu tố rất cần đƣợc đảm bảo khi triển khai một ứng
dụng mạng cảm biến không dây.
Về phƣơng diện ứng dụng, sản xuất của Việt Nam hiện tại vẫn chủ yếu dựa vào
nơng nghiệp. Vì vậy, Việt Nam hồn tồn có thể ứng dụng mạng cảm biến khơng dây
vào lĩnh vực này để tăng cƣờng hiệu quả kinh tế. Chẳng hạn nhƣ chúng ta có thể dùng
các cảm biến không dây để đo độ ẩm của đất, nƣớc, độ pH, nhiệt độ, ánh sáng, … và
kết nối chúng để thu thập dữ liệu cần thiết hỗ trợ cho quá trình ra quyết định. Ngồi ra,
Việt Nam đang trên đà phát triển với rất nhiều cơng trình đƣờng xá, cầu cống, tòa nhà
cao tầng đang đƣợc xây dựng, việc ứng dụng cảm biến khơng dây vào các cơng trình
này giúp chúng ta tránh đƣợc những thảm họa có thể xảy ra. Một ứng dụng quan trọng
nữa là Việt Nam ta đang phải đứng trƣớc nhiều nguy cơ về cháy rừng, lũ lụt, và các
vấn đề khác liên quan đến sức khỏe thì việc ứng dụng cảm biến khơng dây để kiểm
sốt và cảnh báo các nguy cơ có thể xảy ra là hết sức quan trọng và cấp bách.
1


1.2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu đặt ra của nghiên cứu này là tìm cách để cân bằng hai yếu tố năng
lƣợng tiêu thụ và độ trễ đầu cuối. Nghĩa là, vừa làm giảm việc tiêu thụ năng lƣợng cho
các nút cảm biến trong suốt quá trình họat động, vừa hạn chế độ trễ đầu cuối ở một
mức độ cho phép.
1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Để đạt đƣợc mục tiêu trên, các nghiên cứu cần đƣợc chỉ ra trên tất cả các tầng
trong mô hình chồng giao thức trong mạng cảm biến khơng dây. Tuy vậy, nghiên cứu
trong luận án sẽ chỉ tiến hành tìm hiểu các giao thức định tuyến tại lớp mạng và lớp
truy cập môi trƣờng trong chồng giao thức mạng cảm biến không dây kết hợp với các
phƣơng pháp điều khiển tơpơ mạng, từ đó sẽ tiến hành phân tích để tìm ra giải pháp

thích hợp nhất để đạt đƣợc mục tiêu đề ra.
Nhƣ vậy, luận án sẽ tập trung vào các nội dung chính sau đây:
-

Nghiên cứu kỹ thuật phân cụm của các nút cảm biến.

-

Nghiên cứu các giải thuật định tuyến đa chặng trong mạng cảm biến.

-

Đề xuất mơ hình và giải thuật định tuyến để tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ và
đảm bảo độ trễ end-to-end trong mạng cảm biến khơng dây.
Ngồi giải pháp/mơ hình đƣợc đề xuất, nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào việc thử

nghiệm và đánh giá hiệu quả các giải pháp bằng phƣơng pháp mô phỏng.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận án đƣợc nghiên cứu dựa trên các phƣơng pháp sau:
 Phƣơng pháp luận: Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết về định tuyến trong
các mạng cảm biến không dây, các phƣơng pháp phân cụm mạng, luận án sẽ đề
xuất mơ hình và giải thuật nhằm giảm năng lƣợng tiêu thụ cho các nút cảm biến
trong suốt quá trình họat động đồng thời hạn chế độ trễ end-to-end ở một mức
độ cho phép.
 Phƣơng pháp đánh giá dựa trên cơ sở toán học: Phân tích tốn học các tham số
ảnh hƣởng đến độ trễ end-to-end và năng lƣợng tiêu thụ tại các nút cảm biến, từ
đó đánh giá hiệu quả của mơ hình và giải thuật đề xuất.

2



-

Phƣơng pháp đánh giá bằng mô phỏng, thực nghiệm: Xây dựng mơ hình mơ
phỏng dựa trên cơng cụ Castalia để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất và
phân tích kết quả mơ phỏng.

1.5 Các đóng góp chính của luận án
Với mục tiêu đề ra trong mục 1.2, luận án thực hiện nghiên cứu và thiết kế một
mơ hình phân cụm và ba giải thuật định tuyến cùng với các đánh giá thông qua mô
phỏng các giải thuật này.
Với quan sát rằng phân cụm là kỹ thuật rất hiệu quả để tiết kiệm năng lƣợng cho
các mạng cảm biến không dây nhƣng tồn tại vấn đề về độ trễ end-to-end trong quá
trình phấn phối dữ liệu từ các nút cảm biến đến nút gốc, mơ hình phân cụm cân bằng
hiệu quả của cả hai nhân tố năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ end-to-end đƣợc đã nghiên
cứu. Điểm đóng góp chính của nghiên cứu này là đã mơ hình hóa đƣợc nhân tố năng
lƣợng tiêu thụ, đặc biệt là nhân tố độ trễ liên kết và độ trễ end-to-end. Đồng thời,
nghiên cứu cũng đã thiết kế đƣợc chỉ số tổng hợp dựa trên năng lƣợng còn lại của mỗi
nút cảm biến và khoảng cách giữa chúng kết hợp với hai tham số điều chỉnh  và  để
chọn ra các nút trƣởng cụm tối ƣu đảm bảo cân bằng hiệu quả sử dụng năng lƣợng của
các nút cảm biến và độ trễ end-to-end trong quá trình phân phối dữ liệu đến nút gốc.
Kết quả của nghiên cứu này đã đƣợc cơng bố trong bài báo [1] (cơng trình [4]).
Truyền thông trực tiếp từ các nút cảm biến nguồn đến nút gốc sink làm giảm
đáng kể độ trễ end-to-end nhƣng làm tiêu tốn nhiều năng lƣợng và mất cân bằng năng
lƣợng giữa các nút cảm biến làm mạng nhanh chóng ngừng hoạt động chỉ sau một
khoảng thời gian ngắn. Trong khi đó truyền thơng đa chặng tiết kiệm đƣợc nhiều năng
lƣợng và cân bằng mạng tốt hơn nhƣng ngƣợc lại làm tăng độ trễ end-to-end trong quá
trình truyền dữ liệu từ các nút cảm biến nguồn đến nút gốc [2]. Giải thuật định tuyến
đa chặng cân bằng tổng năng lƣợng tiêu thụ độ trễ end-to-end để phân phối dữ liệu từ
các nút cảm biến đến nút gốc sink đã đƣợc nghiên cứu. Điểm đóng góp chính của

nghiên cứu này là thiết kế một hàm chi phí kết hợp cả hai nhân tố năng lƣợng tiêu thụ
và độ trễ liên kết giữa các nút cảm biến lân cận nhau và một giải thuật cập nhật hàm
chi phí để phân phối dữ liệu đến nút gốc theo đƣờng đi có chi phí tổng hợp hiệu quả
nhất. Kết quả của nghiên cứu này đã đƣợc cơng bố trong bài báo [1] (cơng trình [4]).

3


Để giảm thiểu khơng gian tìm kiếm đƣờng đi tối ƣu từ các nút trƣởng cụm đến
nút gốc, giải thuật định tuyến hiệu quả năng lƣợng có ràng buộc độ trễ end-to-end dựa
trên mức năng lƣợng còn lại của các nút tham gia định tuyến đã đƣợc nghiên cứu.
Điểm đóng góp chính của nghiên cứu này là thiết kế một hàm chi phí chỉ dựa vào năng
lƣợng cịn lại của mỗi nút trƣởng cụm và một giải thuật tìm k đƣờng đi có chi phí về
năng lƣợng tiêu thụ hiệu quả nhất nhƣng phải đảm bảo yêu cầu ràng buộc độ trễ endto-end của ứng dụng. Kết quả của nghiên cứu này đã đƣợc công bố trong bài báo [3]
(công trình [2]).
Nhằm cải tiến độ phức tạp của giải thuật định tuyến và tăng khả năng ứng dụng
thực tế của giao thức đề xuất, giải thuật định tuyến phân tán hiệu quả năng lƣợng thỏa
yêu cầu độ trễ ứng dụng dựa trên cách tiếp cận theo véctơ khoảng cách đã đƣợc nghiên
cứu. Điểm đóng góp chính của nghiên cứu này là thiết kế giải thuật chọn nút trƣởng
cụm tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ đảm bảo độ trễ end-to-end làm nút chuyển tiếp kế tiếp
chỉ dựa vào các thông tin cục bộ giữa các nút lân cận. Điều này giúp giải thuật đạt
đƣợc sự hội tụ nhanh và lƣợng overhead trao đổi trong quá trình khám phá đƣờng đi
giảm đi đáng kể. Kết quả của nghiên cứu này đã đƣợc cơng bố trong bài báo [4] (cơng
trình [1]).
1.6 Cấu trúc luận án
Bố cục của luận án đƣợc trình bày gồm bảy chƣơng. Chƣơng một trình bày khái
quát về lý do chọn đề tài, mục tiêu của luận án, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của
luận án, phƣơng pháp nghiên cứu và các đóng góp chính của luận án.
Chƣơng hai trình bày tổng quan về mạng cảm biến khơng dây và tình hình
nghiên cứu liên quan đến các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ và giảm độ trễ

end-to-end trong mạng cảm biến không dây.
Chƣơng ba đến chƣơng sáu trình bày các mơ hình và giải thuật đƣợc đề xuất.
Trong đó, chƣơng ba nghiên cứu và đề xuất mơ hình phân cụm nhằm cân bằng hiệu
quả sử dụng năng lƣợng tiêu thụ giữa các nút cảm biến và độ trễ end-to-end để phân
phối dữ liệu từ các nút cảm biến đến nút gốc. Trong khi đó, các giải thuật đƣợc đề xuất
trong các chƣơng từ chƣơng bốn đến chƣơng sáu tập trung vào vấn đề tìm đƣờng đi tối
ƣu để phân phối dữ liệu đến nút gốc nhằm tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ và giảm thiểu
độ trễ end-to-end.
4


Chƣơng bốn tập trung giải quyết vấn đề cân bằng năng lƣợng tiêu thụ và độ trễ
end-to-end bằng cách thiết kế hàm chi phí kết hợp cả hai nhân tố liên quan trong quyết
định chọn đƣờng. Trong khi đó, để giảm khơng gian tìm kiếm giải pháp tối ƣu cho bài
toán định tuyến đa chặng đa mục tiêu nhƣ cách tiếp cận trong chƣơng bốn, chƣơng
năm và chƣơng sáu giải quyết bài tốn theo cách tìm giải pháp tối ƣu cho một mục tiêu
là năng lƣợng tiêu thụ trong khi đảm bảo ràng buộc nhƣ một mục tiêu khác là độ trễ
end-to-end.
Chƣơng năm đảm bảo độ hội tụ của giải thuật trong khoảng thời gian hữu hạn
bằng cách thiết kế giải thuật tìm k đƣờng đi hiệu quả năng lƣợng đảm bảo độ trễ endto-end với độ phức tạp của giải thuật là hàm đa thức. Trong khi đó, chƣơng sáu giải
quyết vấn đề định tuyến tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ có ràng buộc độ trễ dựa trên
phƣơng pháp định tuyến phân tán theo véctơ khoảng cách nhằm giảm thiểu số lƣợng
overhead trao đổi và giảm thiểu độ phức tạp tính tốn cho giải thuật.
Bố cục của các chƣơng từ chƣơng ba đến chƣơng sáu bao gồm các phần với các
nội dung chính nhƣ: mơ tả các mơ hình và giải thuật đề xuất với chi tiết về cách thức
hoạt động và chi tiết giải thuật thông qua mã giả, các phân tích tốn học lý thuyết đƣợc
mơ tả trong phần phân tích độ phức tạp của giải thuật. Phần đánh giá hiệu quả của giải
thuật thực hiện mô phỏng hệ thống thông qua công cụ Castalia kết hợp phân tích và so
sánh với các mơ hình và giải thuật đã nghiên cứu và đề xuất. Cuối mỗi chƣơng là phần
kết luận đề cập đến những vấn đề đã giải quyết và chƣa giải quyết đƣợc của mơ hình

và/hoặc giải thuật đề xuất.
Chƣơng bảy trình bày những kết luận chung của luận án, khẳng định những đóng
góp mới của luận án, đánh giá hiệu quả của những giải pháp đề xuất trong luận án so
với các nghiên cứu tƣơng tự trƣớc đó. Bên cạnh đó, đề nghị hƣớng mở rộng của chuỗi
nghiên cứu này cũng đƣợc trình bày trong chƣơng này.

5


CHƢƠNG 2.

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Sự phát triển nhanh chóng trong cơng nghệ vi điều khiển và truyền thông không
dây trong những năm qua đã cho ra đời những thiết bị cảm biến siêu nhỏ, rẻ, có khả
năng truyền thơng khơng dây và tiêu tốn ít năng lƣợng. Mỗi thiết bị cảm biến (còn gọi
là nút cảm biến) có khả năng cảm biến các thành phần trong mơi trƣờng xung quanh,
thực hiện một số tính tốn đơn giản, và có khả năng truyền thơng với các nút cảm biến
khác thông qua môi trƣờng vô tuyến [5].
Một mạng cảm biến khơng dây (WSN) có từ hàng trăm đến hàng ngàn nút cảm
biến nhƣ thế đƣợc liên kết với nhau qua môi trƣờng không dây [6]. Việc phát triển một
WSN có thể đƣợc thực hiện theo nhiều cách, chẳng hạn nhƣ triển khai một WSN trên
một bãi chiến trƣờng bằng cách thả ngẫu nhiên các nút cảm biến từ trên máy bay để
thu thập thông tin về kẻ thù, hoặc lắp đặt chúng theo một sơ đồ nào đó trong căn
phịng để thực hiện chức năng giám sát… Kiến trúc truyền thông phổ biến của một
WSN đƣợc minh họa nhƣ trong hình 2.1.
Mục tiêu giám sát

Internet






Trạm gốc
(sink)



Vùng giám sát
Nút cảm biến
Hình 2.1

Kiến trúc truyền thơng của mạng cảm biến khơng dây

Trong mơ hình này, các nút cảm biến đƣợc rải khắp nơi trong vùng cần lấy thông
tin, và sẽ phối hợp với nhau để cung cấp cho ngƣời dùng các thông tin cần thiết về môi
trƣờng xung quanh chúng. Mỗi nút cảm biến có khả năng tập hợp dữ liệu và chuyển
dữ liệu đến trạm gốc (sink hoặc base station). Trạm gốc có khả năng kết nối mạng cảm

6


biến không dây này với Internet hoặc với một kiến trúc truyền thơng khác với mục
đích giúp ngƣời dùng có thể truy xuất để lấy thông tin cần thiết từ WSN.
2.1.1 Các thành phần của một nút cảm biến
Một nút cảm biến đƣợc tạo thành từ bốn thành phần cơ bản sau:
 Bộ cảm biến: đƣợc tạo nên từ hai thành phần là cảm biến và bộ chuyển đổi
tƣơng tự - số (ADC). Thành phần cảm biến nhận các tín hiệu tƣơng tự từ mơi

trƣờng bên ngồi. Thơng qua ADC, nó chuyển thành tín hiệu số rồi mới đƣa vào
bộ vi xử lý.
 Bộ vi xử lý: gồm vi xử lý kết hợp với một đơn vị lƣu trữ có dung lƣợng nhỏ,
thực hiện các tính tốn đơn giản, đồng thời giúp nút cảm biến cộng tác với
những nút cảm biến khác để thực hiện những nhiệm vụ đƣợc chỉ định.
 Bộ thu phát: kết nối nút cảm biến với mạng qua hoạt động truyền nhận dữ liệu.
 Bộ nguồn: đây là một trong những thành phần quan trọng nhất của một nút cảm
biến. Nó đƣợc hỗ trợ bởi bộ phận lọc năng lƣợng, chẳng hạn nhƣ các tế bào
năng lƣợng mặt trời.

Hình 2.2

Các thành phần của một nút cảm biến, đƣợc vẽ lại từ nghiên cứu [5]

Ngoài ra, một nút cảm biến cịn có các thành phần ứng dụng kèm theo, đó là
những thành phần phụ thuộc nhƣ: hệ thống định vị, bộ tạo nguồn, và bộ di động.
Những thành phần này có hay khơng là tùy thuộc vào yêu cầu và cấu trúc của từng loại
thiết bị cảm biến. Các thành phần này đƣợc thể hiện đầy đủ trong hình 2.2.

7


Hình 2.3 cho ta một cái nhìn thực tế của một vài loại nút cảm biến đang có mặt
trên thị trƣờng hiện nay.

(a) Gases

(b) Smart Water v3

(c) Smart Cities Pro

Hình 2.3

(d) Agriculture v30

Một vài loại nút cảm biến phổ biến hiện nay

Hình 2.3(a) là nút cảm biến ga, dùng trong các ứng dụng kiểm sốt ơ nhiểm trong
thành phố, phát hiện các khí ga phát ra từ các nơng trại, kiểm sốt khí hóa học phát ra
trong các nhà máy công nghiệp, và trong các ứng dụng cảnh báo cháy rừng. Hình
2.3(b) là nút cảm biến nƣớc thơng minh dùng trong các ứng dụng giám sát nồng độ các
thành phần trong nƣớc, phát hiện các khí hóa học bị rị rỉ trên các dịng sơng, quản lý
chất lƣợng nƣớc trong hồ bơi, và trong các ứng dụng kiểm soát mức độ ơ nhiểm trong
các vùng biển. Hình 2.3(c) là nút cảm biến thành phố thông minh, dùng trong các ứng
dụng giám sát thời gian thực các mức độ âm thanh trên các tuyến đƣờng trong thành
phố, phát hiện mức độ khí thải và các hạt phóng xạ trong khơng khí, và quản lý việc
thu gôm rác thải trong các thành phố. Hình 2.3(d) là nút cảm biến nơng nghiệp, dùng

8


trong các ứng dụng nơng nghiệp chính xác, hệ thống tƣới tiêu thơng minh, ứng dụng
nơng nghiệp nhà kính, và các ứng dụng trạm thông tin thời tiết.
2.1.2 Chồng giao thức trong mạng cảm biến không dây
Chồng giao thức đƣợc dùng bởi trạm gốc (sink) và các nút cảm biến đƣợc tổ
chức theo kiến trúc phân lớp nhƣ hình 2.4.

Lớp truy cập môi
trƣờng

Mặt phẳng quản lý tác vụ


Lớp mạng

Mặt phẳng quản lý di động

Lớp giao vận

Mặt phẳng quản lý năng lƣợng

Lớp ứng dụng

Lớp vật lý
Hình 2.4

Chồng giao thức trong mạng cảm biến khơng dây

Mơ hình chồng giao thức trên kết hợp hai vấn đề năng lƣợng và định tuyến, hợp
nhất dữ liệu với các giao thức lớp mạng, truyền thông với việc tối ƣu hóa nguồn năng
lƣợng trong mơi trƣờng không dây và tăng cƣờng sự cộng tác giữa các nút cảm biến.
Cụ thể, kiến trúc này bao gồm năm lớp thuộc vào cả ba mặt phẳng nhƣ sau:
 Lớp vật lý: hỗ trợ việc truyền, nhận cũng nhƣ các kỹ thuật điều chế đơn giản.
Lớp này chịu trách nhiệm chọn và tạo tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều
chế và mã hóa dữ liệu. Dãy tần 915 MHz và 2.4 GHz hiện đang đƣợc sử dụng
rộng rãi trong các mạng cảm biến không dây WSN.
 Lớp truy cập môi trƣờng: chịu trách nhiệm liên kết các luồng dữ liệu, cung cấp
cơ chế truy cập đƣờng truyền và điều khiển lỗi. Nút cảm biến cần phải di

9



×