Điều khiển cấp kênh động tối ưu về giao thoa và công suất cho mạng cảm biến không dây đa kênh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

HOÀNG THỊ TUYÊN

ĐIỀU KHIỂN CẤP KÊNH ĐỘNG TỐI ƯU VỀ GIAO THOA VÀ
CÔNG SUẤT CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA KÊNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN LUẬN VĂN

TS. Phạm Văn Tiến

Hà Nội, 5- 2013

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ khoa học này do chính tơi nghiên cứu và
thực hiện. Các thơng tin số liệu trong luận văn là hồn tồn trung thực, chính xác và
có nguồn gốc rõ ràng.

Học viên

HOÀNG THỊ TUYÊN

2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ 2
MỤC LỤC ........................................................................................................ 3
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 6
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. 8
DANH MỤC VIẾT TẮT .............................................................................. 10
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 13
0.1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................13
0.2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu ................................................................13
0.3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................14
0.4. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................14

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ...... 16
1.1. Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây..........................................16
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây ............................................................17
1.2.1.

Cấu trúc tồn mạng cảm biến không dây ...................................................... 18

1.2.2.

Hai đặc trưng của mạng cảm biến không dây ............................................... 21

1.2.3.

Cấu trúc nút cảm biến .................................................................................... 23

1.3. Chuẩn zigbee/802.15.4. ...............................................................................27

1.3.1.

Khái niệm ZigBee........................................................................................... 27

1.3.2.

Các loại thiết bị trong mạng ZigBee .............................................................. 28

1.3.3.

Cấu trúc mạng ZigBee ................................................................................... 29

1.3.4.

Cấu trúc phân lớp .......................................................................................... 32

1.4. Ứng dụng .....................................................................................................39
1.4.1.

Ứng dụng trong nông và lâm nghiệp ............................................................. 39

1.4.2.

Ứng dụng trong y tế và chuẩn đoán từ xa ..................................................... 40

1.4.3.

Ứng dụng trong quân đội ............................................................................... 40

1.4.4.

Ứng dụng trong gia đình................................................................................ 40
3


Chương 2. ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ĐA KÊNH TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .......................................................................... 41
2.1. Tổng quan kênh truyền trong mạng cảm biến không dây ...........................41
2.1.1.

Đặc điểm kênh truyền .................................................................................... 41

2.1.2.

Giao thoa trong mạng cảm biến không dây ................................................... 42

2.1.3.

Một số tham số liên quan đến chất lượng kênh truyền .................................. 43

2.1.4.

Các nguyên nhân gây lãng phí năng lượng và giao thoa trên kênh truyền ... 46

2.2. Điều khiển truy nhập đa kênh trong mạng cảm biến không dây .................47
2.2.1.

CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance (Phương

pháp tránh xung đột đa truy cập nhờ cảm biến sóng mang) ....................................... 47

2.2.2.

S- MAC (Sensor - MAC): ............................................................................... 49

2.2.3.

T-MAC (Time out - MAC):............................................................................. 53

Chương 3. Thiết kế hệ thống ..................................................................... 58
3.1. Thiết kế mơ hình tổng quan .........................................................................58
3.1.1.

Kiến trúc mơ hình điều khiển hệ thống .......................................................... 58

3.1.2.

Mơ hình điều khiển cấp kênh ......................................................................... 59

3.1.3.

Mơ hình điều khiển cơng suất ........................................................................ 61

3.1.4.

Thiết lập tuyến truyền tốt cho kênh ................................................................ 65

3.2. Thiết kế mô phỏng ..........................................................................................67
3.2.1. Lựa chọn công cụ mô phỏng NS-2 ..................................................................... 67
3.2.2. Thiết kế các mô-đun trong mô phỏng NS-2 ....................................................... 68

Chương 4. Mô phỏng, đánh giá kết quả.................................................. 70
4.2. Xây dựng kịch bản mơ phỏng......................................................................70
4.3. Phân tích kết quả mơ phỏng: .......................................................................74
4.3.2.

Năng lượng cịn lại của các nút ..................................................................... 75

4.3.3.

Tỷ lệ gói đến: ................................................................................................. 77

4.3.4.

Thơng lượng ................................................................................................... 77

4.3.5.

Độ dài kết nối ................................................................................................. 78

4.4. Nhận xét chung: ...........................................................................................78
4


KẾT LUẬN .................................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 80

5


LỜI NĨI ĐẦU

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật
cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo, tạo điều kiện cho một
thế hệ mạng mới ra đời – mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm
biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời
sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường sống, giao
thông...
Trong một tương lai không xa, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm biến
được tích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến khơng dây sẽ trở thành một phần
không thể thiếu trong xã hội hiện đại nhằm mang lại sự tiện nghi và những ứng
dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.
Mạng cảm biến khơng dây có tiềm năng lớn khơng chỉ trong khoa học và
nghiên cứu mà cịn trong những ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, việc thiết kế và triển
khai có hiệu quả mạng cảm biến khơng dây cũng phải đối mặt với rất nhiều thử
thách do những đặc điểm riêng biệt như các nút cảm biến bị giới hạn về phần
cứng, khả năng tính tốn, mật độ dày đặc của các nút trong hệ thống...
Sau một thời gian làm việc rất cố gắng trên phòng Lab 411 Khoa Điện tửViễn thông dưới sự hướng dẫn tận tình của TS.PHẠM VĂN TIẾN cùng sự hợp tác
chặt chẽ với các thành viên nghiên cứu phát triển phòng Lab 411, em đã hoàn
thành luận văn với đề tài: “ĐIỀU KHIỂN CẤP KÊNH ĐỘNG TỐI ƯU VỀ
GIAO THOA VÀ CÔNG SUẤT CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA
KÊNH”.
Với những nỗ lực thực hiện nghiên cứu, luận văn của em đã đạt được một số
kết quả nhất định. Vì vậy, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các
thầy và bạn bè
6


Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:
 Thầy giáo TS.PHẠM VĂN TIẾN

 Nhóm nghiên cứu và phát triển phịng Lab 411

 Viện Điện tử - Viễn thơng, viện đào tạo sau đại học, trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội

Cùng tồn thể gia đình và bạn bè đã hỗ trợ em hoàn thành nội dung nghiên cứu này.

7


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây .......................................................18
Hình 1.2 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến .......................................................21
Hình 1.3 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến ..........................................................22
Hình 1.4 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp[19] .................................23
Hình 1.5 Cấu tạo nút cảm biến ..............................................................................24
Hình 1.6 Cấu trúc mạng hình sao [4] ....................................................................30
Hình 1.7 Cấu trúc mạng lưới [4] ............................................................................31
Hình 1.8 Cấu trúc mạng hình cây [4] ....................................................................31
Hình 1.9 Kiến trúc ZigBee Stack [8] ......................................................................32
Hình 1.10 Phân bố kênh truyền [5]........................................................................33
Hình 1.11 Mơ hình tham chiếu lớp vật lý [6] ........................................................34
Hình 1.12 Mơ hình tham chiếu lớp con MAC [6] .................................................34
Hình 1.13 Cấu trúc lớp mạng [6] ...........................................................................36
Hình 1.14 Cấu trúc lớp ứng dụng [6] ....................................................................38
Hình 2.1 Kiến trúc mơ hình kênh trong mạng WSN.............................................41
Hình 2.2 Vấn đề nút ẩn trên kênh truyền mạng WSN ..........................................42
Hình 2.3 Vấn đề nút hiện trên kênh truyền mạng WSN .......................................43
Hình 2.4 Cơ chế truy nhập kênh truyền của CSMA/CA[20] ................................48
Hình 2.5 Tránh va đập trong mạng WSN sử dụng cơ chế CSMA/CA[20] ..........48
Hình 2.6 Lược đồ S-MAC .......................................................................................49

Hình 2.7 Quan hệ định thời giữa nút nhận và các nút gửi ..................................52
Hình 2.8 Lược đồ cơ bản T-MAC với thời gian thay đổi ......................................54
Hình 2.9 Lược đồ trao đổi dữ liệu cở bản của T-MAC .........................................56
Hình 3.1 Kiến trúc hệ thống tổng quan .................................................................58
Hình 3.2 Mơ hình điều khiển cấp kênh .................................................................59
Hình 3.3 Tương tác của nút trong kết nối tuyến truyền và điều khiển năng lượng
[9] .......................................................................................................................61
Hình 3.4 Mơ hình điều khiển cơng suất ................................................................62
Hình 3.5 Mối quan hệ giữa LQI và cơng suất phát [9] .........................................64
Hình 4.1 Q trình thực thi kịch bản mơ phỏng ...................................................71
Hình 4.2 Kịch bản mơ phỏng 140 nút ....................................................................72
Hình 4.3 Q trình thiết lập kênh truyền ..............................................................73
Hình 4.4 Cập nhật năng lượng cịn lại của nút.....................................................74
Hình 4.5 Q trình tính tốn cơng suất phát theo tham số LQI ..........................74
Hình 4.6 So sánh mức năng lượng cịn lại với kịch bản 50 nút mạng.................75
Hình 4.7 So sánh mức năng lượng còn lại với kịch bản 80 nút ...........................75
8


Hình
Hình
Hình
Hình

4.8 So sánh mức năng lượng cịn lại với kịch bản 100 nút .........................76
4.9 So sánh tỉ lệ gói đến ................................................................................77
4.10 So sánh thông lượng .............................................................................77
4.11 So sánh độ dài kết nối ...........................................................................78

9

DANH MỤC VIẾT TẮT
STT

Thuật ngữ viết tắt

Thuật ngữ tiếng anh

Thuật ngữ tiếng việt

1

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không
dây

2

LR-WPAN

Low Rate Wireless
Personal Area Network

Mạng cá nhân không
dây tốc độ thấp

3

SAP

Service Access Point

Điểm truy nhập dịch vụ

4

O-QPSK

Offset – Quadrature
Phase – Shift Keying

Điều chế cầu phương bù

5

RSSI / ED

Received Signal Strength
Indicator / Energy
Detection

Chỉ thị cường độ tín
hiệu thu

6

LQ

Link Quality

Chất lượng liên kết

7

CCA

Clear Channel
Assessment

Đánh giá kênh truyền

8

PSDU

Physical Service Data
Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp vật lý

9

PIB

PAN Information Base

Cơ sở dữ liệu mạng cá
nhân

10

PLME

Physical Layer
Management Entity

Thực thể quản lý lớp vật
lý

11

CSMA - CA

Carrier Sense Multiple
Access – Collision
Avoidance

Đa truy cập cảm nhận
sóng mang tránh xung
đột

12

GTS

Guaranteed Time Slot

Khe thời gian bảo vệ

13

MSDU

MAC Service Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp MAC

14

MPDU

MAC Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao thức
lớp MAC

10


15

MLME

MAC Layer Management

Entity

Lớp con của lớp MAC,
chịu trách nhiệm cấp
phát băng thông, thiết
lập kết nối

16

MCPS

MAC Common Part
Sublayer

Lớp con hội tụ theo tính
chất dịch vụ, chịu trách
nhiệm tiếp nhận, phân
loại và xử lý các đơn vị
dữ liệu từ lớp cao hơn

17

SSCS

Service- Specific
Convergence Sublayer

Đơn vị dữ liệu giao thức
lớp mạng

18

NPDU

Network Protocol Data
Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp mạng

19

NSDU

Network Service Data
Unit

Thực thể quản lý lớp
mạng

20

NLME

Network Layer
Management Entity

Thực thể dữ liệu lớp
mạng

21

NLDE

Network Layer Data
Entity

Cơ sở dữ liệu lớp mạng

22

NIB

Network Information
Base

Đơn vị dữ liệu giao thức
lớp ứng dụng

23

APDU

Application Protocol
Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp ứng dụng

24

ASDU

Application Service Data
Unit

Thực thể dữ liệu lớp
con hỗ trợ ứng dụng

25

APSDE

Application Support
Sublayer Data Entity

Thực thể quản lý lớp
con hỗ trợ ứng dụng

26

APSME

Application Support
Sublayer Management
Entity

Thực thể dữ liệu lớp
con hỗ trợ ứng dụng

27

AIB

Application support layer
Information Base

Cơ sở dữ liệu lớp con
hỗ trợ ứng dụng

11


28

APL

Application Layer

Lớp ứng dụng

29

ZDO

ZigBee Device Object

Đối tượng thiết bị
ZigBee

30

DIFS

DCF Inter-Frame Space

Khoảng thời gian định
trước trong liên khung

31

SIFS

Service Inter-Frame
Space

Khoảng thời gian thực
hiện dịch vụ liên khung

32

NAV

Network Allocation
Vector

Véc tơ thời gian chiếm
kênh

12

MỞ ĐẦU
0.1.

Lý do chọn đề tài
Với những tiến bộ gần đây về kỹ thuật và công nghệ WSN (mạng cảm biến

khơng dây) hiện nay, nó khơng chỉ đáp ứng cho các thiết bị thu thập thông tin thời
gian thực mà còn đáp ứng được các ứng dụng thời gian thực phức tạp. Vì vậy, WSN
có thể được triển khai trên các thiết bị chuyển động. Mỗi nút mạng bao gồm một
hoặc nhiều thiết bị cảm biến, một bộ vi xử lý và một bộ phát sóng. Tất cả chúng đều
được cung cấp bởi một nguồn pin không đổi và hạn chế. Các nút mạng thu thập dữ
liệu từ môi trường mà họ giám sát và gửi chúng tới các nút khác hoặc về bộ điều
phối. Như vậy, chúng phải xử lý một lượng lớn các dữ liệu thu thập, tránh giao thoa
nhiễu, mất mát dữ liệu.
Những nỗ lực trong giới các nhà nghiên cứu đối với mạng WSN (mạng cảm
biến không dây) tập trung vào khéo dài tuổi thọ mạng tương ứng với năng lượng pin
hạn chế, chống nhiễu. Tuy nhiên, khi các ứng dụng thời gian thực triển khai dựa
trên mạng cảm biến không dây, cùng với kéo dài thời gian sống của mạng phải đáp
ứng được các yêu cầu về thời gian thực.
0.2.

Mục đích và phạm vi nghiên cứu
Để tiết kiệm năng lượng, tối ưu về giao thoa và công suất ở đây em tập trung

vào việc nghiên cứu giao thức điều khiển cấp kênh động cho mạng cảm biến khơng
dây đa kênh tích hợp điều khiển cơng suất, định tuyến. Thông qua cấp kênh các nút
mạng tự động quét kênh, điều khiển công suất, định tuyến truy nhập kênh truyền.
Tận dụng được nguồn kênh vật lý, các nút mạng thơng qua thành phần cấp kênh có

thể sử dụng được nhiều kênh tần số cho việc truyền dữ liệu, điều này không những
làm tăng thông lượng của kênh truyền mà cịn tối ưu hóa giao thoa, giảm nhiễu, mất
mát dữ liệu. Kết hợp với quá trình định tuyến thiết lập kênh truyền, điều khiển công
suất dựa vào các thơng số LQI, năng lượng cịn lại giúp tối ưu hóa về cơng suất, tiết
kiệm tối đa năng lượng trên các nút. Chuẩn IEEE 802.15.4 giải quyết việc tối ưu
13


hóa năng lượng trong lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển môi trường truy cập
(MAC). Tiết kiệm năng lượng đạt được phần lớn bởi khoảng thời gian ngủ trong
siêu khung. Đối với phương pháp này còn tồn đọng nhiều mặt hạn chế đối với các
ứng dụng thời gian thực. Vì vậy, em mạnh dạn đề xuất một các tiếp cận khác phát
triển trên nền tảng chuẩn IEEE 802.15.4 có thể tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho
tồn mạng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu thời gian thực của hệ thống.
0.3.

Nội dung nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, em thực hiện các nội dung chính sau:

-

Xây dựng phương thức điều khiển cấp kênh động đa kênh với việc xây dựng
hai thành phần: cấp kênh và đồng bộ kênh dựa trên nguồn kênh tần số có sẵn
theo chuẩn Zigbee/ IEEE802.15.4, các nút mạng tương tác với nhau thông
qua việc quét hay truy vấn tới thành phần cấp kênh ở mỗi nút.

-

Tích hợp điều khiển cơng suất và định tuyến dựa vào tham số LQI. Các nút
sẽ tự động cập nhất thơng số LQI trên kênh truyền, tính chi phí liên kết dựa

vào các tham số LQI, năng lượng còn lại và cơng suất phát của nút đó

0.4.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp được áp dụng để giải quyết vấn đề về nghiên cứu: Sử dụng
công cụ thiết kế, mô phỏng để xây dựng giao thức, thu thập dữ liệu đối với các
trường hợp, đánh giá hiệu năng.
Các bước tiến hành nghiên cứu và triển khai giao thức”
Bước 1.
-

Khảo sát:

Khảo sát các phương pháp điều khiển đa truy nhập kênh trong
mạng cảm biến không dây.

-

Khảo sát kênh truyền vật lý.

-

Công cụ mô phỏng hợp lý.

-

Khảo sát ảnh hưởng của các tham số trên kênh truyền.

14


Bước 2. Mơ phỏng mơ hình hóa các quan hệ rằng buộc giữa các thơng
số trong mạng từ đó mơ hình hóa được hệ thống và các phương trình
phụ thuộc.
Bước 3. Mơ phỏng thu thập dữ liệu tính tốn tối ưu phương pháp.
Bước 4. Nghiên cứu triển khai thực tế

15


Chương 1.
1.1.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng

bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp,
có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính tốn và trao đổi với các thiết bị khác
nhằm mục đích thu thập thơng tin tồn mạng để đưa ra các thông số về môi trường,
hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát.
Các nút cảm biến là các sensor có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát dữ
liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kênh vô tuyến. Các thành phần của nút cảm
biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận
thu phát khơng dây, nguồn ni. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi tùy
thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thơng tin về mơi

trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa
học, chuẩn đốn sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, …để từ đó phân tích, xử lý và
đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,
giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ra
những con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ
năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến khơng dây.
Mạng cảm biến khơng dây có một số đặc điểm sau:
-

Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop.

-

Được triển khai với mật độ sensor lớn.

-

Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc vào fading và hư
hỏng ở các nút.
16


-

Các nút trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý
và dung lượng nhớ.

-

Mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.

-

Vị trí các nút mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác
định trước. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức
tạp.

-

Khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến: các nút cảm biến có gắn bộ
xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thơ tới đích thì chúng gửi dữ
liệu đã qua tính tốn đơn giản.

1.2.

Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc khơng dây khơng

dùng được cho mạng cảm biến khơng, vì một số lý do sau:
-

Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều
lần trong mạng ad hoc.

-

Các nút cảm biến dễ bị lỗi

-

Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.

-

Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyển thông kiểu quảng bá, trong
khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm.

-

Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính tốn và bộ
nhớ.

-

Các nút cảm biến có thể khơng có số nhận dạng tồn cầu (Global
identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số
lượng lớn các nút cảm biến.

Chính vì các lý do trên, mà cấu trúc của mạng mới đòi hỏi phải:
-

Kết hợp vấn đề năng lượng, định tuyến, điều khiển cấp kênh

-

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

-

Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
17


1.2.1.

Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.

Cấu trúc tồn mạng cảm biến khơng dây
Mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút thường

được phân bố trong trường cảm biến. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ
liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút gốc bằng việc chọn đường theo đa
bước nhảy.
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình
dưới. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua
mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thơng tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể
bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngồi mạng có
thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm
biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như
Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm
biến trong mạng.

Giám sát từ xa

Giám sát từ xa
Robot

Actor

Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
18


Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng
lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc
biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với
mạng truyền thống. Sau đây, ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng
cảm biến như sau:
Khả năng chịu lỗi: một số các nút cảm biến có thể khơng hoạt động nữa do
thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả
năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những
chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.
Khả năng mở rộng: số lượng các nút cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng
dụng cụ thể, có khi lên đến hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng
mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
Giá thành sản xuất: vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút
cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của
tồn mạng. Nếu chi phí của tồn mạng đắt hơn chi phí triển khai sensor theo kiểu
truyền thống, như vậy mạng khơng có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút
cảm biến phải giữ ở mức thấp.
Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây.
Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm
việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành cơng, WSN cần phải tự cấu hình.
Thêm vào đó, sự truyền thơng giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian
sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn. Lúc này, mạng cần có khả năng tự
cấu hình lại để khắc phục những điều này.
Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các nút cảm
biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ,

tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động
khơng cần có người kiểm sốt, thích nghi với mơi trường…
19


Môi trường hoạt động: các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà
không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các
máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm.
Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các nút trong
mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vơ tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện
quang học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới
để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này.
Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn
nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng hàng
chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm
biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định.
Sự tiêu thụ năng lượng: các nút cảm biến khơng dây, có thể coi là một thiết
bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2 V).
Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng khơng thể thực hiện được.
Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian
sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng vai trị kép vừa
khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra
những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức
lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trị quan
trọng.
Bảo mật: các thơng tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trường
dường như vơ hại nhưng việc giữ bí mật thơng tin và rất quan trọng. Các hoạt động
của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thơng tin về nhiệt độ và
ánh sáng của tịa nhà đó. Những thơng tin này có thể được sử dụng để sắp xếp một

kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật các
thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, dữ liệu bảo mật trở nên rất
20


quan trọng. Khơng chỉ duy trì tính bí mật, nó cịn phải có khả năng xác thực dữ liệu
truyền. Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng
dụng. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng
thơng. Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó
ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian
sống mong đợi.
1.2.2.

Hai đặc trưng của mạng cảm biến không dây
1.2.1.1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architectute) Hình 1.2, tất cả các nút đều ngang

hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua
multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng.

Hình 1.2 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến
Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trị của bộ
tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng
cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách
này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần
số.
1.2.2.1. Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) Hình 1.3, các cụm được tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc
21

vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (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.
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 nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính tốn, và cấp trên cùng
thực hiện phân phối dữ liệu.

Hình 1.3 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với
cấu trúc phẳng, vì một số lý do sau:
- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho 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.
- Mạng cấu trúc tầng 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 nhận 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.

22


Cấp 2:
Phân phối

Cấp 1:
Tính tốn

Cấp 0:
Cảm nhận

Hình 1.4 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp[19]
- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu
cầu thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông. Với mạng cấu trúc phẳng,
khi kích cỡ mạng tăng lên thì thơng lượng của mỗi nút sẽ giảm 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. Trong trường hợp này, 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, khi dùng cấu trúc tầng thì việc tương thích giữa các chức năng trong
mạng có thể đạt được. Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích
về tìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.
1.2.3.

Cấu trúc nút cảm biến
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản (Hình 1.5):
• Đơn vị cảm biến (sensing unit)

• Đơn vị xử lý (processing unit)

• Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
• Bộ nguồn (power unit)

23


Ngồi ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer).
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến. Dựa trên những hiện
tượng quan sát được, tín hiệu tạo ra bởi sensor được đưa vào bộ xử lý.

Hệ thống định vị
Đơn vị cảm biến

Cảm biến
ADC

Bộ phận di động
Đơn vị truyền
dẫn

Đơn vị xử lý

Xử lý lưu
trữ

Bộ thu phát

Bộ nguồn

Bộ phát
nguồn

Hình 1.5 Cấu tạo nút cảm biến
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết
định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định
sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.
Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng mặt
trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có
độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút
cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành
phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng mơ đun. Ngồi kích cỡ, các nút cảm
biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng,
hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với sự
biến đổi của mơi trường… như trình bày cụ thể dưới đây:
Năng lượng: Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều
năm, các nút mạng cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp. Việc tiêu thụ năng lượng
24


thấp chỉ đạt được bằng cách kết hợp các thành phần ứng với năng lượng thấp và chu
trình hoạt động ngắn. Trong thời gian hoạt dộng, truyền thông radio sẽ tiêu thụ một
phần năng lượng đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của nút mạng. Các
thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm hoạt động truyền nhận
radio. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng sự tính tốn cục bộ để giảm
luồng dữ liệu nhận được từ cảm biến. Ví dụ, các sự kiện từ nhiều nút cảm biến có
thể được kết hợp cùng nhau thành một nhóm các nút trước khi truyền một kết quả
đơn lẻ qua mạng cảm nhận.
Tính mềm dẻo: Các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp
với các ngữ cảnh khác nhau. Mỗi một ứng dụng sẽ yêu cầu về thời gian sống, tốc độ

lấy mẫu, thời gian đáp ứng và xử lý nội mạng khác nhau. Một kiến trúc WSN cần
phải đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng. Thêm vào đó, vì lý do chi
phí mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể. Kiến
trúc cần đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Vì vậy, những thiết bị
nàyđịi hỏi một mức độ cao về tính mô đun của phần cứng và phần mềm trong khi
vẫn giữ được tính hiệu quả.
Sức mạnh: Để hỗ trợ cho các yêu cầu về thời gian sống, mỗi nút cần phải
càng mạnh càng tốt. Trong sự thực tế, hàng trăm nút mạng sẽ hoạt động trong nhiều
năm. Để đạt được điều này, hệ thống cần được xây dựng để vẫn có thể hoạt động
khi một nút bị lỗi. Mơ đun hố hệ thống là một cơng cụ mạnh để phát triển hệ
thống. Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi
chức năng có thể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành một ứng dụng
hoàn chỉnh. Để làm điều này, các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có thể
và có giao tiếp chặt chẽ, để ngăn chặn các tương tác không mong đợi. Để tăng sức
mạnh hệ thống khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có khả năng đối phó với nhiễu
ngồi. Các mạng thường cùng tồn tại cùng với các hệ thống không dây khác, chúng
cần có khả năng để thích nghi theo các hành động khác nhau. Nó cũng phải có khả
năng hoạt động trong mơi trường đã có các thiết bị khơng dây khác hoạt động với

25