Tổng quan công nghệ wsns và kỹ thuật định tuyến tiếp kiệm năng lượng trong wsns

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
==== ====

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH
TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs

NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

HÀ NỘI 10-2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
==== ====

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs VÀ KỸ THUẬT ĐỊNH
TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG WSNs

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ:

NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI 10-2008

MỤC LỤC
Lời cam đoan......................................................................................................i
Mục lục .............................................................................................................ii
Danh mục các từ viết tắt...................................................................................iii
Danh mục các hình vẽ.......................................................................................iv
Mở đầu...............................................................................................................v
PHẦN I. Tổng quan cơng nghệ WSNs ............................................................... 2
I. Giới thiệu và tổng quan của mạng cảm biến không dây(WSN) ..................... 2
1.1 Giới thiệu ................................................................................................. 2
1.1.1 Kiến thức cơ bản về kỹ thuật mạng cảm biến .................................. 2
1.2 Miêu tả cơ bản về kỹ thuật ..................................................................... 11
1.2.1 Khái niệm kiến trúc mạng .............................................................. 13
1.2.2 Thử thách và khó khăn ................................................................... 21
1.3 Kết luận ............................................................................................... 25
2.Ứng dụng của WSN ...................................................................................... 25
2.1 Giới thiệu ............................................................................................... 25
2.2 Cơ sở ...................................................................................................... 27
2.3 Phạm vi của các ứng dụng ..................................................................... 30
3.Kĩ thuật mạng không dây cơ bản .................................................................. 31
3.1 Giới thiệu ............................................................................................... 31
3.2 Kỹ thuật node cảm biến ......................................................................... 32
3.2.1 Tổng quát ........................................................................................ 32
3.2.2

Hardware và Software ................................................................. 33

3.3 Phân loại sensor ..................................................................................... 35
3.4 Các xu hướng của WN ........................................................................... 36

4. Các hệ thống và kỹ thuật truyền không dây ................................................. 38
4.1 Giới thiệu ............................................................................................... 38
4.2 Công nghệ rađiô cơ bản ........................................................................ 38
4.2.1 Sự lan Truyền và những sự suy giảm lan truyền ............................ 39


4.2.2 Điều chế .......................................................................................... 42
4.3 Kỹ thuật không dây sẵn có ..................................................................... 43
4.4 Kết luận .................................................................................................. 44
5. Giao thức kiểm soát truy nhập trung gian cho WSNs ................................. 45
5.1Giới thiệu ................................................................................................ 45
5.2 Cơ sở .................................................................................................... 46
5.3 Nền tảng của giao thức Mac ................................................................47
5.3.1

Các yêu cầu thực hiện ................................................................. 48

5.3.2

Các giao thức phổ biến ................................................................ 52

5.4 Giao thức Mac cho WSNs .................................................................... 62
PHẦN II. Giao thức định tuyến trong WSN ................................................... 64
6. Giao thức Định tuyến cho các mạng cảm biến không dây. ......................... 64
6.1. Giới thiệu .............................................................................................. 64
6.2 Background ......................................................................................... 65
6.3 Phổ biến và thu thập dữ liệu .................................................................. 66
6.4 Thách thức định tuyến và các vấn đề thiết kế trong mạng WSNs ......... 67
6.4.1 Quy mô và sự thay đổi Thời gian - Đặc điểm bất biến ................ 68
6.4.2 Sự giới hạn resource ....................................................................... 68

6.4.3 Mơ hình dữ liệu - Ứng dụng cảm ứng ............................................ 69
6.5 Kế hoạch định tuyến trong mạng cảm biến không dây ........................ 69
6.5.1 Kỹ thuật định tuyến WSN ............................................................ 71
6.5.2

Flooding và sự biến đổi ............................................................... 72

6.5.3 Giao thức cảm biến thông tin thông qua đàm phán SPIN .............. 74
6.5.4 Phân cấp nhóm thích ứng công suất thấp (Leach) .......................... 80
6.5.5 Thu thập Năng lượng -Hiệu quả trong HT thông tin cảm biến ..... 84
6.5.6 Khuếch tán trực tiếp........................................................................ 88
6.5.7 Định tuyến địa lý ............................................................................ 94
6.6 Kết luận ................................................................................................ 101
PHẦN III. Chương trình mơ phỏng giao thức chọn đường Leach ............. 102
Kết luận ............................................................................................................106
Tài liệu tham khảo..............................................................................................107


PHẦN I. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ WSNs
I. Giới thiệu và tổng quan của mạng cảm biến không dây(WSN)
1.1 Giới thiệu
Một mạng cảm biến là một thành phần mà bao gồm có yếu tố cảm biến (theo
tiêu chuẩn), điện tốn, viễn thơng, cái mà đưa cho người quản lý có khả năng
cung cấp, quan sát tương tác với các sự vật và hiện tượng trong một môi trường
chuyên biệt. Các nhà quản lý khác nhau là trong các lĩnh vực xây dựng, chính
phủ, thương mại, cơng nghiệp. Mơi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh
học or là kết cấu IT. Các hệ thống cảm biến mạng được nhìn bởi các nhà quan
sát như là một kỹ thuật rất quan trọng cái mà sẽ là phát triển chủ đạo trong một
vài năm tới cho một plethora của các ứng dụng, mà còn là ăn ninh quốc gia. Các
ứng dụng tiêu biểu bao gồm , không bị giới hạn trong việc thu thập dữ liệu, điều

chỉnh, giám sát, và đo lường y học từ xa. Thêm vào việc cảm biến, một điều rất
đáng được quan tâm khác là điều khiển và hoạt động.
Có bốn thành phần cơ bản trong mạng cảm biến :
-

Việc lắp ráp của các cảm biến được lắp đặt và phân bố.

-

Một mạng kết nối (thông thường, không phải luôn luôn với cơ sở mạng
không dây)

-

Một trung tâm tiêu điểm của chùm thông tin

-

Thiết lập nguồn tại trung tâm điểm (hoặc ở trên) để xử lý các tín hiệu liên
kết, tiên lượng các biến cố, truy vấn các trạng thái, khai thác những dữ liệu.
Trong nội dung này, các nút tính và cảm biến được coi như là một phần của
mạng cảm biến, trong thực tế một vàì tính tính được thực hiện trong chính hệ
thống của nó . Bởi vì do số lượng lớn các dữ liệu tiềm năng được thu thập,
1.1.1 Kiến thức cơ bản về kỹ thuật mạng cảm biến
- Những nhà nghiên cứu xem WSNs(mạng cảm biến không dây) như là một lĩnh
vực mới mẻ và thú vị trong những hệ thống mạng lớn của các nút mạng khơng
dây có cơng suất thấp với một lượng rất ít CPU và bộ nhớ, và những mạng kết
hợp lớn mà có độ nhạy cao với môi trường. Những cảm biến trong một WSN

được sử dụng với rất nhiều mục đích, chức năng và khả năng khác nhau. Lĩnh
vực này hiện nay đang rất phát triển dưới sự thúc đẩy của các tiến bộ kỹ thuật
trong thời gian gần đây và kéo theo nó là vơ vàn các ứng dụng tiềm năng. Mạng
radar được sử dụng trong việc điều khiển không lưu, mạng điện quốc gia, và các
trạm khí tượng quốc gia được phủ khắp mạng các điểm đã được sắp đặt một cách
có hệ thống, tất cả đều là những ví dụ trước đây của việc triển khai mạng cảm
biến. Tuy nhiên, tất cả những hệ thống này sử dụng các máy tính và giao thức
truyền thơng chun dụng, rất đắt đỏ. Hiện nay đang có kế hoạch ứng dụng
những WSN tiết kiệm hơn vào an tồn vật lý, chăm sóc sức khoẻ và thương mại.
Mạng cảm biến mà một lĩnh vực đa diện mà có liên quan tới các ngành khác,
trong số đó có thể kể tới, vơ tuyến điện và mạng, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo,
quản lý dữ liệu, cấu trúc hệ thống cho việc quản lý kết cấu cơ sở thân thiện với
với người điều hanh, tối ưu hố tài ngun, thuật tốn quản lý cơng suất, và công
nghệ nền tảng( phần cứng và phần mềm, chẳng hạn như hệ điều hành).
- Công nghệ cảm biến và điều khiến gồm có các cảm biến từ trường và điện
trượng, các cảm biến tần số sóng vơ tuyến, cảm biến quang, điện quang và hồng
ngoại; rada, lase, cảm biến vị trí/ hướng; cảm biến địa chấn và sóng áp suất; cảm
biến liên quan tới các vấn đề về an ninh quốc gia. Chúng ta có thể xem cảm biến
ngày nay như các thiết bị thông minh, không đắt tiền được lắp đặt kèm trên các
thiết bị cảm biến; chúng là các điểm nút đa chức năng, không ràng buộc, công
suất thấp, giá thành rẻ và được đặt một cách hợp lý trên một điểm nút chìm
chính. Một mục tiêu mang tính thương mại là phát triển hồn thiện những hệ
thống cơ học vi điện - dựa trên hệ các cảm biến chiếm dung tích là 1mm3 . - Các
cảm biến được phát triển chủ yếu theo lối mật độ tập trung cao và số lượng lớn;
một WSN gồm có các nút phân bộ dày đặc và có hố trợ cảm biến, xử lý tín hiệu,
hệ thống tính tốn nhúng, và các ghép nối; các cảm biến được liên kết theo một
cách lơ gíc theo kiểu tự tổ chức( các cảm biến được bố trí theo chặng ngắn điểm
điểm, sắp xếp theo cặp chủ tớ cũng được chú ý). Kết quả là cần phải có các
phương pháp thiết kế mới cùng với một tập các luật đi kèm, nhưng không bị giới
hạn, việc truyền thông tin, vấn đề mạng và quản lý điều hành, bảo mật, tích hợp,

tính khả dụng và xử trong mạng cục bộ. Trong một vài trường hợp, hiện vẫn


đang còn một vài thách thức trong vân đề thu thập dữ liệu từ WNs bởi vì sự kết
tới và đi từ WNs có thể bị đứt đoạn vì trạng thái pin yếu (ví dụ, nếu chúng phụ
thuộc vào ánh sáng mặt trời để nạp điện) hoặc các hỏng hóc Wn khác. Thông
thường, một số rất lớn các đơn vị khách (64k trở lên) cần được hỗ trợ bởi hệ và
bộ máy giải mã.
Bề rộng của cảm biến tuân theo độ lớn về kích cỡ vật lý; chúng (hoặc, ít ra là
một vài thành phần của nó) có độ rộng từ các thiết bị cỡ nano tới cỡ meoscopic
tại một điểm, từ kích cỡ micro tới marco tại một điểm khác. Nanoscopic( cũng
được gọi là kích cỡ nano) chỉ đối tượng hoặc thiết bị có kích cỡ từ 1 tới 100mm
về đường kính; kích cỡ meoscopic là từ 10 đến 1000µm về đường kính; và kích
cỡ macrcoscopic là trong phạm vi mm tới m. Ở mức gần cuối của thang đo tìm
được trong các thang đo khác, các cảm biến sinh học, vi cảm biến bị động nhỏ
(ví dụ như Smart Dust - một hệ thống truyền thơng, tính tốn và cảm biến độc
lập sử dụng quang phổ nhìn thấy được để truyền dẫn) và tập hợp "lab-on-a-chip".
- Các cảm biến có thể là các thành phần điểm đơn hoặc có thể là các dãy dị đa
điểm.. Các cảm biến có thể là bị động hoặc tự cấp năng lượng; xa hơn là chuỗi
tiêu thụ năng lượng, một vài cảm biến có thể yêu cầu năng lượng tương đối thấp
từ pin hoặc đường dẫn. Ở điểm cao cuối của chuỗi tiêu thụ năng lượng, một vài
cảm biến có thể cần năng lượng rất lớn. (ví dụ cho rada).
- Các cảm biến tạo điều kiện cho việc trang bị và điều khiển các nhà máy, văn
phòng, nhà, phương tiện, thành phố và môi trường, đặc biệt là làm cho các công
nghệ có sẵn trở nên khả dụng. Với cơng nghệ mạng cảm biến (đặc biệt là với
mạng cảm bíên nhúng), các con thuyền, máy bay, và các tồ nhà có thể tự dị ra
được các lỗi về cấu trúc (ví dụ các vết nứt do việc giảm sức chịu lực).
- Chúng ta nhấn mạnh vào sự nổi bật của những tiêu chuẩn mở hỗ trợ cho
WSNs; việc tiêu chuẩn hoá đưa tới sự thương mại hố cơng nghệ, cuối cùng thì
nếu để một phát kiến mới trở thành một công nghệ phổ biến, các tiêu chuẩn mở

ở mức thương mại hoá, chipsets, và các sản phẩm là cần thiết để mà đáp ứng
dịch vụ thương mại và các đáp ứng về mức hoạt động theo quan điêm về tính tin
cậy, giá cả, tính khả dụng, độ bền, và tính đơn giản. Sau đây là mẫu phân loại về


các chủ đề nghiên cứu bằng tần suất công bố dựa trên qui mơ của nó về các tiêu
đề khoa học WSN gần đây.
-

Phân phối, bố trí

9.70%

-

Dị mục tiêu

7.27%

-

Xác định vị trí

6.06%

-

Tập hợp dữ liệu

6.06%

-

Định tuyển và tổng hợp

5.76%

-

An ninh

5.76%

-

Giao thức MAC

4.85%

-

Truy vấn và cơ sở dữ liệu

4.24%

-

Đồng bộ hoá thời gian

3.64%

-

Các ứng dụng

3.33%

-

Truyền thẳng

3.33%

-

Tối ưu hoá thời gian sống

3.33%

-

Phần cứng

2.73%

-

Lớp truyền

2.73%

-

Thuật toán phân tán

2.73%

-

Định tuyến theo nguồn tài nguyên

2.42%

-

Lưu trữ

2.42%

-

Phần sụn(middleware) và phân chia tác vụ

2.42%

-

Định cỡ

2.12%

-

Radio không dây và đặc tính kết nối

2.12%

-

Giám sát mạng

2.12%

-

Định tuyến phương vị

1.82%

-

Nén

1.82%

-

Phân loại

1.52%

-

Dung tích

1.52%

-

Các kỹ thuật lớp kết nối

1.21%

-

Điều khiển cấu trúc liên kết

1.21%

-

Các điểm nút di động

1.21%

-

Dò và ước lượng

1.21%

-

Hiện tượng khuếch tán

0.91%

-

Lập trình

0.91%

-

Điều khiển cơng suất

0.61%

-

Phần mềm

0.61%

-

Tự định tuyến

0.30%

- Để đánh giá tầm quan trọng và mức độ rủi ro của các tiêu chuẩn simplicityfostering trong việc tạo ra cơng nghệ có tính thực tế rộng, một là chỉ cần nghiên
cứu sự phát triển của hệ thống truy cập ngẫu nhiên không dây từ cuối thập niên
60 cho tới hệ thống LANs và WLAN/2.5G/3G ngày nay; hoặc ARPAnet ở đầu
năm 70 (ví dụ trong số rất nhiều,[1.24]) tới Internet ngày nay(ví dụ [1.25]); hoặc
Voice Over Packet giữa thập niên 70(ví dụ [1.26-1.60]) tới cơng nghệ Voice
Over IP hiện tại(ví dụ [1.31 1.32]); hoặc phương pháp nén video cuối những
năm 80 ( ví dụ [1.33]) tới cuộc cách mạng truyền dẫn video kỹ thuật số MPEG-2
và MPEG-4 hiện tại Xem hình 1.1 thể hiện sự chuyển dịch trong trọng tâm
ngành kỹ thuật theo thời gian.

Hình 1.1 : Chuyển dịch trọng tâm ngành kỹ thuật theo thời gian
- Thật ra, ở sự chuyển đổi này, mạng cảm biến đang phát triển rất nhanh; hiện tại
lĩnh vực này đang thu hút sự quan tâm rất lớn không chỉ từ giới học viện và
chính phủ mà cịn từ những nhà phát triển, sản xuất, các công ty, nhà phát minh,
và các nhà sản xuất dụng cụ nguyên gốc. Dựa theo các nhà quan sát ngành công
nghiệp, thị trường cảm biến không dây giờ đây đang trong tư thế sắn sàng
thương mại hoá. Báo cáo thị trường hiện tại chỉ ra rằng hơn nửa tỷ điểm nút


mạng đang được kỳ vọng sẽ được chuyển sang sử dụng các ứng dụng mạng
không dây vào năm 2010, và ứng vơi nó là hơn 7 tỷ đơ la.
- Việc thực hiện WSNs cần phải giải quyết giải quyết được các thách thức về
mặt kỹ thuật; tuy nhiên vào một khoảng thời gian thích hợp trong tương lai, xu
thế tiêu chuẩn hoá sẽ tối giản những thách thức này bằng việc giải quyết các vấn
đề trước đó và điều này sẽ dẫn đến sự ra đời của các linh kiện và chipset có sẵn.
Một trong những vấn đề của nghiên cứu và phát triển gần đây là việc cải thiện
vấn đề truyền thông công suất thấp cùng với việc xử lý tại các nút mạng và các
giao thức kết nối tự sắp xếp sao cho chi phí là thấp nhất. Một thử thách quan

trọng khác là việc cần thiết mở rộng cơ chế hoạt động tạm thời của các nút cảm
biến mặc dù bị giới hạn bởi nguồn cấp năng lượng. Cấu trúc của sóng vơ tuyến
rói riêng, bao gồm việc sử dụng các mạch có cơng suất bé, phải được lựa chọn
một cách phù hợp. Theo thuật ngữ thực tiễn, nó ám chỉ việc tiêu thụ năng lượng
ít cho cơng đoạn truyền tín hiệu qua kênh băng thơng hẹp và việc tiêu thụ năng
lượng ít phù hợp với quá trình tiền xử lý hoặc nén dữ liệu. Người ta đang tìm
kiếm các hệ thống truyền thơng khơng dây tiết kiệm năng lượng và nó cũng là
điển hình cho hệ thống WSNs. Tiết kiệm năng lượng là nhân tố quan trọng để
đảm bảo cho sự hoạt động lâu dài của các hệ thống khơng bức xạ (một vài hệ
thống có thể được bức xạ hoặc dựa trên các nguồn năng lượng khác).
- Hiệu suất năng lượng trong WSNs nói chung được thực hiện theo 3 cách:
o

Hoạt động trong vòng bé.

o

Xử lý nội mạng/mạng nội bộ để làm giảm dung tích dữ liệu(và

do đó giảm thời gian truyền).
o

Mạng có nhiều bước nhảy làm giảm yêu cầu cho việc truyền ở

khoảng cách xa vì sự mất mát tín hiệu truyền là hàm nghịch đảo theo cấp số mũ
với khoảng cách. Mỗi nút trong mạng cảm biến có thể làm việc như một bộ lặp,
do vậy làm giảm vùng phủ sóng yêu cầu của điểm nối và theo đó là cơng suất
truyền.
- Mạng không dây thông thường được thiết kế với dải điểm nối theo thứ tự 10,
100 hoặc hàng nghìn dặm. Việc giảm dải điểm nối và nén lượng dữ liệu trong

WSNs dẫn đến chi phí cho các điểm kết nối khác với khác hệ thống thông


thường khác. Tuy nhiên, những giới hạn về mặt công suất cùng với mong muốn
giảm giá thành của các điểm nút mạng đã đưa tới một khái niệm mà các nhà phát
triển gọi là "những thách thức về mặt thiết kế tinh vi(profound design
challenges)".. Các chipset CMOS mới(chất bán dẫn meta oxit bù, bổ sung) đã tối
ưu cho WSNs là chìa khố cho các thành cơng trong việc thương phẩm hố và
trên thực tế là nó đang được phát triển.
- Ta phân loại mạng cảm biến và các hệ thống thành 2 loại:
o Loại 1 WSNs(C1WSNs): hệ thống dựa trên mạch vòng gần như bất biến dựa
trên kết nối radio đa chặng giữa các WNs, điều khiển theo dạng định tuyến
động ở cả mạng không dây hay một phần là khơng dây. Điển hình cho dạng
này là các hệ thống quân sự .
o Loại 2 WSNs (C2WSNs): hệ thống điểm điểm hoặc đa điểm thường dùng
cách kết nối radio đơn chặng với WNs, điều khiển định tuyến tĩnh thông qua
mạng khơng dây; trường hợp tiêu biểu là sẽ chỉ có duy nhất một tuyến đường
đi từ WNs tới các nút khác nằm trên đất liền hoặc các điểm nút ở đường dây
phía trước (WNs là các nút treo). Hệ thống điều khiển ở các khu dân cư là ví
dụ điển hình cho dạng này.
-C1WSNs hỗ trợ tốt các ứng dụng tổng số node cao phân tán.(Ví dụ: giám sát
mơi trường, hệ thống an ninh quốc gia); C2WSNs lại hỗ trợ tốt hơn cho các ứng
dụng trong không gian phạm vi hẹp đã xác định chẳng hạn như một ngôi nhà,
nhà máy, toà nhà hay cơ thể con người; C1WSNs khác ở phạm vi và có thể xây
dựng được từ việc phát triển công nghệ không dây , C2WSN cho các ứng dụng
không dây mà tỉ lệ dữ liệu thấp trong phạm vi hẹp, chẳng hạn như hệ thống
RFID( nhận biết tần số radio) chuyển mạch ánh sáng, máy dò lửa và khói, bộ
điều chỉnh nhiệt và các ứng dụng trong gia đình. C1WNs có xu hướng làm việc
với các hệ thống đa điểm phạm vi rộng cùng các dịng thơng tin khổng lồ, ngược
lại với nó, C2WNs lại tập trung vào các kết nối điểm điểm trong phạm vi hẹp,

các ứng dụng từ điểm đầu tới điểm cuối với dòng dữ liệu dựa trên giao tác đã
được xác định.
- Trong một số năm, những người bán dạo đã sử dụng kỹ thuật của bản thân cho
việc thu thập các dữ liệu về đặc tính của thiết bị. Đầu những năm 2000,cã . giải


pháp được đưa ra là một chuẩn mới IEEE802.15.4 cùng với Zigbee(cụ thể hơn,
nó gầm các lớp phần mềm ở trên chuẩn IEEE802.15.4 mới được đưa ra và hỗ trợ
rất nhiều ứng dụng khác ). C2WSNs có các lớp thấp hơn của ngăn xếp giao thức
truyền thông(điều khiển truy cập phương tiện và vật lý) tương tự như mạng khu
vực cá nhân(PAN), được định nghĩa trong chuẩn IEEE802.15 được phát triển
gần đây: do đó, sử dụng được các chuẩn IEEE này cho C2WSNs; IEEE802.15.4
hoạt động ở tần số công nghiệp 2.4 GHZ, băng tần radio bệnh viện và khoac học
và hỗ trợ tỉ lệ truyền lên tới 250Kbps ở dải từ 30 tới 200ft. Zigbee/IEEE802.15.4
được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như Bluetooth, Wi-Fi, và
băng thơng siêu rộng(UWB), và nó cũng đang được coi là mục tiêu của các ứng
dụng thương mại cho cảm biến kiểu điểm điểm tại những nơi mà sự kết nối là
không thể, năng lượng vô cùng thấp và giá thành rẻ.
- Với sự xuất hiện của tiêu chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4, các hệ thống được kỳ
vọng là đạt được những bước tiến dựa trên chuẩn cơ sở, cho phép các cảm biến
truyền thơng tin theo cách đã được tiêu chuẩn hố. C2WSNs( và C1WSNs với
vấn đề này) làm việc ở bên ngồi tồ nhà và trên một khu vực rộng có thể sử
dụng bất kỳ một công nghệ radio trong số đã được chuẩn hoá. Người ta hi vọng
rằng thị trường C2WSN (tỷ lệ dữ liệu thấp) sẽ phát triển mạnh mẽ trong tương
lai gần: Khối lượng(dung tích) của các thiết bị không dây tỷ lệ dữ liệu thấp được
dự báo là sẽ gấp 3 lần kích thước của Wi-Fi vào cuối thập kỷ bởi vì sự phát triển
của hệ thống dựa trên chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4(các nhà quan sát ngành công
nghiệp hi vọng rằng số lượng các nút phù hợp với ZigBee sẽ tăng từ xấp xỉ 1
triệu vào năm 2005 tới 100 triệu vào năm 2008). Trong phần này sẽ thảo luận về
cả 2 loại công nghệ, C1WSNs và C2WSNs, nhưng người đọc nên nhớ rằng các

vấn đề kỹ thuật sẽ ảnh hưởng tới 2 lĩnh vực này ở các mức độ khác nhau.
- Trong một nghiên cứu rất đáng chú ý ở lĩnh vực di động và mạng hoc
(MANETs). WSNs tương tự như MANETs ở một vài điểm; ví dụ, cả 2 cùng liên
quan tới việc giao tiếp đa bước. Tuy nhiên, các ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật
cho 2 hệ này lại khác nhau đáng kể ở một vài khía cạnh.
- Chế độ điển hình của truyền thông trong WSN là từ các nguồn nhiều dữ liệu tới
thiết bị nhận dữ liệu hay bộ nhận(một loại thiết bị như là nghịch đảo của hệ


thống đa điểm) hơn là truyền thông giữa các 1 cặp nút. Nói cách khác, các nút
cảm biến sử dụng chủ yếu hệ đa điểm hoặc truyền thông phát thanh, đối lập với
hầu hết MANETs được dựa trên hệ truyền thông điểm điểm.
- Trong hầu hết các ứng dụng, cảm biển không duy chuyển(dù cho các hiện
tượng cảm nhận được lại thay đổi); điều này có nghĩa là đặc tính động của 2
dạng mạng là khác nhau.
- Bởi vì dữ liệu được thu thập bởi nhiều cảm biến dựa trên cùng một hiện
tượng, do vậy có khả năng dư thừa trong dữ liệu được truyền đi bởi rất nhiều
nguồn trong WSNs; đây khơng phải là tình huống thường xảy ra trong
MANETs.
- Bởi vì dữ liệu được thu thập bởi nhiều cảm biến dựa trên cùng một hiện tượng,
do đó có thể sẽ lệ thuộc vào thế hệ biến cố lưu lượng, chẳng hạn một vài mơ
hình giao thức truy cập ngẫu nhiên điển hình có thể là khơng tương xứng với
mức chờ phân tích; đây khơng phải là tình huống thường xảy ra trong MANETs.
- Một hạn chế về tài nguyên quan trọng trong WSNs là năng lượng; đây cũng
không phải ln ln là tình trạng thường gặp ở MANÉTs, nơi mà các thiết bị
truyền thơng có thể được thay thể hoặc nạp lại tương đối thường xuyên. Kích cỡ
của WSNs(đặc biệt là C1WSNs) và sự cần thiết của hệ thống vận hành tự động
trong khoảng thời gian lên tới hàng tuần hoặc hàng tháng chỉ ra rằng nguồn năng
lượng cần phải được quản lý hết sức thận trọng. Điều này ngăn ngừa việc truyền
dữ liệu tốc độ cao.

- Số các nút cảm biển trong một mạch cảm biến có thể được đặt theo thứ tự về
cường độ cao hơn là các nút trong một MANET.
-

Vì những lý do này mà rất nhiều giao thức định tuyến được đề xuất cho

MANETs lại không phù hợp cho WSNs, và do vậy, cần phải có cách bước tiếp
cận khác. Chú ý rằng MANETs trên một se sẽ không được đi sâu vào bàn luận
trong phạm vi đồ án này.
-

Cũng có một vài các nghiên cứu khác về mạng mắt lưới không

dây(WMNs)dành cho mục đích giảng dạy mở rộng. Wi-Fi dựa trên WMNs đang
được ứng dụng trong các vùng "hot", bao phủ một khu vực rộng lớn như quận
trung tâm của thành phố. Mặc dù WMNs có rất nhiều đặc tính mạng giống như


WSNs, về nguyên tăc, các ứng dụng của nó có nhiều hơn. Người ta hi vọng rằng
hệ thống C1WSN, loại mạng mà khơng địi hỏi sự móc mối, sẽ là một phần tương
đối lớn của các mạng WSNs được thương mại hố trong tương lai gần. Giống như
WSNs, WMNs có thể sử dụng cơng nghệ radio có sẵn chẳng hạn như Wi-Fi,
WiMax( Tương kết tồn cầu cho truy cập sóng cực ngắn), và điện thoại 3G.
1.2 Miêu tả cơ bản về kỹ thuật
Trong Phần 1.1 đã mô tả ở mức cao của các phương pháp tiếp cận, các vấn đề,
và các công nghệ liên kết với WSNs. Bổ sung một số chi tiết được cung cấp
trong phần này từ triển vọng chung chung, nhiều vấn đề này và khái niệm này
sau đó được thảo luận chi tiết trong chương tiếp theo. mạng cảm biến đối phó với
khơng gian và thời gian: vị trí, độ bao phủ, và đồng bộ hóa dữ liệu. Dữ liệu bản
chất là các loại “ tiền tệ” của một mạng cảm biến.

Thơng thường, sẽ có một số lượng lớn thời gian phụ thuộc dữ liệu. Vì vậy, mạng
cảm biến thường hỗ trợ trong tính tốn tốn. Một số mạng cảm biến sử dụng tài
nguyên node điều chế; những mạng khác sử dụng một kiến trúc phân cấp điều
chế. Thay vì gửi các dữ liệu thơ cho các nodes chịu trách nhiệm về các dữ liệu
hợp nhất, nodes thường xuyên sử dụng khả năng của mình xử lý địa phương để
thực hiện sự tính tốn cơ bản , và sau đó truyền tải chỉ một nhóm các dữ liệu và /
hoặc một phần xử lý dữ liệu.
Trong kiến trúc xử lý theo quá trình phân cấp, quá trình xử lý liên tiếp xảy ra tại
cùng một dãy cho đến khi các thông tin về các sự kiện quan tâm đến các quyết
định thích hợp và / hoặc hành chính điểm. Sensor nodes hầu như hạn chế nguồn
cung cấp năng lượng và các kênh truyền hình băng thơng; những khó khăn này,
cùng với một hình triển khai các số lượng lớn node cảm biếns, có posed một
plethora của những thử thách để thiết kế và quản lý các WSNs. Những thách
thức này đòi hỏi sự nhận thức về năng lượng tại tất cả các lớp của một giao thức
truyền thông stack . Một số các công nghệ chủ chốt và yếu tố kỹ thuật có liên
quan đến mạng cảm biến là như sau:
Cảm biến
•

Chức năng bên trong


•

xử lý tín hiệu

•

Nén, chuyển tiếp sửa lỗi, mật mã

•

kiểm sốt / vận hành

•

bó thành nhóm và trong mạng tính tốn

•

tự lắp ráp

Các cơng nghệ khơng dây radio
•

Phần mềm radio được xác định

•

Phạm vi truyền

•

Suy yếu truyền

•

Kỹ thuật module

•

mạng topologies

Tiêu chuẩn
•

IEEE 802.11a / b / g cùng với các giao thức an ninh phụ thuộc

•

IEEE 802.15.1 PAN / Bluetooth

•

IEEE 802.15.3 ultrawide

•

IEEE 802.15.3 ultrawideband (UWB)

•

IEEE 802.15.4/ZigBee (IEEE 802.15.4 là vật chất radio, và ZigBee là hợp

lý mạng lưới và các phần mềm ứng dụng)
•

IEEE 802,16 WiMAX IEEE 1.451,5 (Cảm biến khơng dây Nhóm cơng tác)

•

Mobile IP

Tiêu chuẩn
Tiny Hệ điều hành (TinyOS đang được phát triển bởi học của trường Đại học
California-Berkeley như là một nền tảng phần mềm nguồn mở; công trình được
tài trợ bởi DARPA và được thực hiện trong bối cảnh của các mạng Hệ thống
nhúng Công nghệ Dự án nghiên cứu tại UC - Berkeley với sự hợp tác của Đại
học Virginia, Trung tâm Nghiên cứu Palo Alto, Trường Đại học bang Ohio, và
khoảng 100 các tổ chức khác) Tiny DB (một truy vấn-extracting cho hệ thống xử
lý thông tin từ một mạng TinyOS cảm ứng)
Phần mềm ứng dụng
•

điều hành hệ thống


•

Phần mềm mạng

•

Cơ sở dữ liệu kết nối với phần mềm

•

Phần mềm Middleware

•

Phần mềm quản lý dữ liệu

1.2.1 Khái niệm kiến trúc mạng
Trong phần này đưa sơ sơ và các yếu tố cơ bản thiết kế tập trung của các mạng
cảm biến. Những yếu tố này và các nguyên tắc thiết kế cần phải được đặt trong
bối cảnh của các mạng C1WSN cảm biến mơi trường, đó là do nhiều đặc tính
của các yếu tố sau: cảm biến lớn dân số (ví dụ như, hoặc nhiều hơn 64.000 khách
hàng, đơn vị cần phải được hỗ trợ bởi các hệ thống và địa chỉ của bộ máy), dịng
dữ liệu lớn, khơng đầy đủ / un, không đủ khả năng liên kết , cơng suất hạn chế,
thiếu kiến thức tồn cầu hóa về mạng , giới hạn sự hỗ trợ cho các mạng.
(C2WSNs có nhiều những hạn chế, nhưng khơng phải tất cả). Cảm biến mạng
phát triển dựa trên các tiến sensing, giao tiếp, và máy tính (dữ liệu, xử lý các
thuật toán, phần cứng, và phần mềm). Như đã lưu ý, để quản lý WSN, giao thức
định tuyến cho WSNs cần phải được nhận thức về năng lượng. Trung tâm dữ
liệu-trong-định tuyến và mạng xử lý là khái niệm quan trọng rằng có liên quan
bản chất với cảm biến mạng . Lịch trình data- end đã được đề xuất trong tài liệu
cho mạng ad hoc di động khơng phải là thích hợp WSNs;-trung tâm dữ liệu
công nghệ cần thiết được thực hiện trong mạng của tổng hợp dữ liệu để sản
lượng-năng lượng hiệu quả phổ biến.
Loại cảm biến và Công nghệ
Một mạng cảm biến là mạng gồm một số lượng lớn nodes cảm biến được triển
khai dày đặc . Một vài địa điểm như , node cảm biếns có thể được triển khai
trong một không gian mở; trên một chiến trường ở phía trước; trong nội thất của
máy móc thiết bị công nghiệp; ở dưới cùng của một cơ thể của nước; và trong
một khu vực sinh học hay hóa chất; trong một khu xây dựng thương mại; trong
một nhà; trong hay trên một cơ thể con người. Một node cảm biến thường có khả
năng và điều chế nhúng lưu trữ bên trong, các node có thể có một hoặc nhiều
cảm ứng hoạt động trong âm thanh, seismic, phát thanh, truyền (radar), hồng

ngoại, quang, từ, hóa học hay sinh học và các tên miền. Cảm biến các node cũng
thường xuyên có vị trí và định vị những kiến thức đó được thu thập thơng qua
một vị trí tồn cầu-ing hệ thống (GPS), hoặc địa phương, định vị thuật toán].
Sensor nodes đang nằm rải rác trong một tên miền đặc biệt gọi là một sensor
field.. Mỗi phòng trong số phân phối node cảm biếns thường có khả năng, năng
lực để thu thập dữ liệu, phân tích cho họ, và họ vào một lộ trình (thiết kế) điểm
sink. Hình 1,2 miêu tả là một WSN sắp xếp điển hình. Mặc dù trong nhiều mơi
trường WNs đang có tất cả các giả định để có tính năng tương tự, có trường hợp
trong thấy một trong mơi trường hỗn tạp liên quan đến các tính năng cảm biến.

Hình 1.2 : Việc sắp xếp mạng cảm biến tiêu biểu.
Sau đây là những vấn đề quan trọng liên quan đến WSNs (xem bảng 1.1):
loại cảm biến; vị trí cảm biến; công suất tiêu thụ cảm biến, điều hành, mơi
trường, máy tính / sensing và khả năng xử lý tín hiệu, kết nối, và phép đo từ xa
hoặc kiểm soát của các thiết bị xa. quan trọng cần lưu ý rằng trong bối cảnh
nàyvị trí của node và thời gian fine-grained là cần thiết cho phù hợp hoạt động
của một cảm biến mạng; này là hầu hết các đối với kiến trúc Internet thơng dụng,
vị trí là server cho một vơ hình tới các mức độ lớn và mức độ tiềm tàng là nơi
thường xuyên không phải là một vấn cốt lõi hay là xem xét thiết kế mục tiêu rõ


ràng. Trong mạng cảm biến, fine-grained đồng bộ hóa thời gian và địa phương là
cần thiết để phát hiện các sự kiện của quan tâm đến môi trường theo quan sát. Vị
trí cần phải được theo dõi ở địa phương, cả khơng gian ba chiều (ví dụ như, ngày
sàn nhà và những gì mà trong đó Quadrant là phát hiện khói? Là gì nhiệt độ của
khơng khí tại khách sạn cao h?) Và trên một rộng lớn hơn về địa hình, để đánh
giá mức độ phát hiện trên thiết lập một liên quan mảng của cảm ứng
TABLE 1.1 Phân loại vấn đề liên quan đến Cảm biến và Kiến trúc Truyền thơng
/ Computing

Kích thước: nhỏ [ví dụ như, nanoscale điện và hệ thống thơng tin
(Mems)], vừa [ví dụ như, microscale điện và hệ thống thơng tin
(Mems)], và lớn (ví dụ như, radars, vệ tinh): cubic centimét để
cubic decimeters
Vận động: tài liệu (ví dụ như, seismic cảm ứng), điện thoại di động
(ví dụ, trên xe robot)
Loại hình: thụ (ví dụ như, âm thanh, seismic, video, hồng ngoại, từ)
hoặc hoạt động (ví dụ, radar, ladar)
Hoạt động Giám sát yêu cầu: phân phối (ví dụ như, giám sát mơi trường, mơi
trường), hoặc địa (ví dụ như, mục tiêu theo dõi)
Số trang web: đơi khi nhỏ, nhưng thường là lớn (đặc biệt là cho
C1WSNs)
Không gian bảo hiểm: spars: C1WSN: phạm vi thấp multihop hay
C2WSN: thấp-phạm vi single-hop (point-to-point)
Triển khai: cố định và kế hoạch (ví dụ, nhà máy mạng) hay mạng
ad hoc
(ví dụ như, khơng khí-xuống)
Mơi trường: benign (nhà máy)
(ví dụ, các mục tiêu qn sự)
Tính chất: hợp tác xã (ví dụ như, khơng khí lưu lượng truy cập
kiểm sốt) hoặc noncooperative
Thành phần: đồng (cùng một loại hình cảm ứng) hoặc
heterogeneous
(các loại hình cảm ứng)
Năng lượng có sẵn: chế (ví dụ, trong nhỏ cảm ứng) hoặc
unconstrained (ví dụ, trong lớn cảm ứng)
Thơng tin Băng thơng: cao hoặc thấp (chi tiết điển hình)
Mạng: khơng dây, hoặc không dây (hơn)
Điều chế Tập trung (tất cả các dữ liệu được gửi đến trung tâm trang web),
phân bố hoặc trong cấu trúc hệ thống mạng (nằm ở cảm biến hoặc

các bên), hay lai
Sensors


- kết nối logical có mục tiêu là hỗ trợ và phối hợp các nhiệm vụ ở mức cao ; kết
nối vật lý là kết nối thường được hỗ trợ trên một đài phát thanh không dây liên
kết.
Sensing ám chỉ sự hiện diện của những khả năng trong một môi trường coupled
chặt chẽ,điển hình cho việc đo lường tham số vật lý của thế giới. Một số trong
các đặc trưng của các tính năng cảm biến của mạng bao gồm :
•

Sensor nodes đang triển khai dày đặc.

•

Sensor nodes đang có khả năng ko thực hiện đc.

•

The Tơ pơ mạng cảm biến của một thay đổi rất thường xuyên.

•

Sensor nodes được giới hạn trong máy điện, máy tính năng lực, và bộ nhớ.

•

Sensor nodes có thể khơng có sự xác định bởi vì có một số lượng q lớn

các sensor.
Cảm biến sensing hệ thống mạng yêu cầu được thời gian sống lâu và môi trường
tốt. Hệ thống Unattended, untethrered, self-powered thấp-nghĩa vụ-chu kỳ là
điển hình tiêu biểu Hình 1,3 sensing node.

Hình 1.3 : Thành phần của một node cảm biến
Công suất tiêu thụ thường là một vấn đề mà cần phải được đưa vào việc thiết kế
như là một khó khăn. Trong hầu hết các trường hợp, giao tiếp circuitry và ăngten chính là những yếu tố đó rút ra hầu hết các năng lượng . Cảm biến là các thiết


bị active hoặc là passive. Passive sensor trong mẫu bao gồm các yếu tố seismic-,âm thanh, căng-,-độ ẩm, và nhiệt độ-thiết bị đo lường. Passive sensor trong mẫu
bao gồm các mảng quang-[nhìn, hồng ngoại 1 micron (mm), hồng ngoại 10 mm],
và các thiết bị đo lường-Chất Sinh học. Passive sensor có xu hướng làm cho
thiết bị sử dụng năng lượng ít đi. Active sensors bao gồm cảm ứng radar và
Sonar; này có xu hướng làm tăng cao cao năng lượng hệ thống. Là xu hướng về
hướng VLSI (tích hợp quy mơ rất lớn), tích hợp Ðiện, và Cơng nghệ nano; là làm
việc theo cách trong lĩnh vực chất Sinh học. Các thành phần của một node cảm
biến bao gồm:
•

A sensing actuation và các đơn vị (một nguyên tố hoặc mảng)

•

Một đơn vị điều chế

•

một đơn vị truyền thơng

•

Một ứng dụng khác- phụ thuộc các đơn vị

Các Chuẩn cho tầng Giao thức truyền dữ liệu
Đích nhắm tới khi phát triển WSN là phát triển một chuẩn với chi phí
thấp, hợp chuẩn mạng khơng dây, lượng dữ liệu phải truyền ít, tiêu thụ ít năng
lượng, bảo mật và tin cậy. Khơng cần xác định trước Vị trí đặt các Cảm biến, cho
phép triển khai tùy theo địa hình, ngay cả ở các vị trí khó di chuyển tới. Do vậy
thuật tốn cho Giao thức của mạng cảm biến phải có khả năng tự tổ chức/sắp xếp.

Hình 1.4 Giao thức chung cho mạng cảm biến


Các ứng dụng, thiết bị cảm biến phải có thể triển khai nhanh chóng. Việc triển
khai có thể làm theo các kế hoạch đã sắp xếp trước đó, và phải đáp ứng được môi
trường biến động.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển rất nhiều Giao thức thiết kế đặc biệt cho
WSNs, trong đó rất chú ý tập trung và vấn đề tiêu thụ năng lượng, do vậy các
giao thức có thể khác với các mạng truyền thống (Tùy theo ứng dụng và cấu trúc
mạng). Mạng, bản thân nó là một cấu phần quan trọng của mạng cảm biến, và
đóng vai trị quan trong trong hồn cảnh này. Hình 1.5 miêu tả một cấu trúc giao
thức có thể sử dụng để miêu tả các thiết bị truyền thông (Xem bảng 1.2). Bảng
1.3 cho thấy một vài quy tắc cơ bản áp dụng cho giao thức bậc thấp
Bảng 1.2 Giao thức WSN Stacka
Tầng

Ứng dụng Trong-mạng, bao gồm xử lý, thu thập dữ liệu, truy xuất dữ

cao

liệu từ bên ngoài.

Tầng 4 Transport, truyền thơng tin, tích lũy, lưu trữ.
Tầng 3 Mạng (Networking), bao gồm quản lý thích ứng hình thái và tìm đường
Tầng 2

Kết nối Link layer (xử lý tranh chấp): Chi xẻ kênh (MAC), đến thời
gian, định hướng

Tầng 1 Vật lý (Physical medium): các kênh thông tin, phát tin và xử lý số liệu
Bảng 1.3 Giao thức WSN bậc thấp


nhìn chung một giao thức gọn nhẹ là cần thiết cho WSNs. Các vấn đề liên quan
bao gồm:
1. Liên kết vật lý và phạm vi liên kết: Làm thế nào để các Cảm biến phân tán có
thể kết nối với nhau tin cậy và hiệu quả.Và với phương tiện nào (e.g., các kênh
khơng dây)?
2. Các đặc tính kết nối, dung lượng, nén dữ liệu
3. Bảo mật cho mạng và tính tin cậy của truyền thông (các nhân tố bao gồm
hiện tượng thiên nhiên như suy yếu do nhiễu, và các tấn công như nghe trộm,
truyền dữ liệu không được phép.
4. Mang kết nối vật lý và giao thức ở transport-layer protocols phải quan tâm
đến việc truyền tin đáng tin cậy, phát hiện nghẽn mạch, có thế mở rộng và mã
hóa chống nhiễu
5. Cơ chế truyền thơng có thể là mơi trường liên kết, truyền dữ liệu không phụ
thuộc thời gian
Mặc dù phần điện tử cho các cảm biến trở nên rẻ hơn, chúng ta vẫn thấy chưa có
một chuẩn chung cho các mạng thương mại được triển khai. Bởi vì hiện nay vẫn

có quá nhiều giao thức mạng, với các đặc tính riêng của từng nhà sản xuất,
khơng hoạt động với các thiết bị của các nhà sản xuất khác.
Sự thiếu vắng của các chuẩn mở hạn chế sự hợp tác và làm hạn chế sự phát triển.
Các chuẩn đang phát triển có thể cung cấp một cấu trúc chung mà các ứng dụng
có thể tách rời khỏi phần cứng. Mục đích của các chuẩn là cho phép người phát
triển ứng dụng có thể thiết kế các giải pháp giảm thiểu chi phí triển khai và bảo trì
với nhiều loại cảm biến sử dụng trong công nghiệp, thương mại và đời sống.
Các giao thức tìm đường cho WSNs thường ở một trong ba dạng sau: Dữ liệu
trọng tâm, Phân bậc – phân nhánh và theo vị trí. Ý tưởng chung của việc tập
hợp dữ liệu là kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dọc theo đường
truyền. Phương pháp này cho phép loại bỏ sự trùng lặp, giảm thiểu các giao tác,
và do vậy giảm tiêu thụ năng lượng. Tìm đường sử dụng hướng tiếp cận này
quan trọng hơn rất nhiều so với việc sử dụng phương pháp tìm đường truyền
thống theo địa chỉ (tìm đường ngắn nhất giữa hai địa chỉ xác định bới các endnode) hay hướng tiếp cận sử dụng tìm đường theo Dữ liệu trọng tâm (tìm đường


từ nhiều điểm đến một điểm – cho phép tăng độ chắc chắn bằng các dữ liệu
trùng lặp) Xem bảng 1.4.
Để thực hiện phương pháp tìm kiếm Dữ liệu trọng tâm và truyền tin trực tiếp,
chúng ta cần phải thực đặt tên cho dữ liệu thay vì đặt trên cho những node mạng.
cùng với các thuộc tính liên quan như trong bảng sau:
Bảng 1.4
Loại thuật toán

Tổng kết các giao thức tìm đường trong WSNs

Ví dụ

Dữ liệu trọng Các truy vấn được gửi đến một số vùng WSN và
tâm

chờ cho dữ liệu từ các vùng WNs được chọn. Do

Sensor protocols

dữ liệu được yêu cầu thông qua các truy vấn, đặt

information via

tên dựa trên thuộc tính dữ liệu là cần thiết để chỉ

negotiation

ra các đặc tính của dữ liệu. Do số node mạng có
thể rất lớn nên thường trong các mạng WSNs,

for

(SPIN)
Directed

người ta thường khơng gán một trên chung trên

diffusion

tồn mạng cho một node mạng. Cùng với việc

Rumor routing

triển khai ngẫu nhiên các WNs, chọn chính xác

Gradient-based

một hay một nhóm WNs để truy vấn dữ liệu ra là

routing (GBR)

rất khó khăn.

Constrained

Thơng thường, dữ liệu được truyền qua mọi WN

anisotropic

trong một vùng, nên làm tăng đáng kể các trùng

diffusion routing

lặp và giảm hiệu quả tiêu thụ năng lượng.
Kết quả là cần phải có một giao thức cho phép
chọn một nhóm các cảm biến và tiến hành thu thập

(CADR)
COUGAR
ACQUIRE

dữ liệu trong khi truyền dữ liệu. Chính điều này
dẫn đến việc triển khai tìm kiếm dữ liệu trọng tâm.
(Trong tìm đường theo địa chỉ truyền thống, các
đường dẫn giữa các node mạng được thực hiện ở

tầng mạng - network layer mechanism).
Phân nhánh

Mạng đơn lớp có thể tạo cho node gateway trở nên

LEACH

quá tải khi mật độ mạng tăng lên, gây ra trễ mạng

TEEN

ngay cả khi truyền thông tin trạng thái.

APTEEN

Để loại bỏ vấn đề với mạng WSNs có nhiều WNs,

PEGASIS

người ta thực hiện việc tạo nhóm cho các node.


Mục đích của tìm kiếm phân nhánh là quản lý tiêu
thụ năng lượng của các WNs một cách hiệu quả
bằng các thực hiện truyền thông theo nhiều bước
trong một phân vùng, nhóm cụ thể. Và thực hiện
thu thập và tổng hợp dữ liệu nhằm giảm số lượng
gói dữ liệu cần truyền.
Theo vị trí

Các thơng tin về vị trí của WNs có thể lưu trong

MECN

dữ liệu tìm đường theo cách tiết kiệm năng lượng.

SMECN

Thơng tin vị trí được dùng để tính khoảng cách

GAF

giữa hai node mạng cho trước, trong đó tính ln

GEAR

được năng lượng tiêu thụ (hoặc ước lượng). Ví dụ
nếu thơng tin về vị trí vùng đã được biết, truy vấn
dữ liệu sẽ chỉ được thực hiện với vùng đó, hạn chế
số lượng tin truyền ra bên ngồi vùng đó. Tìm
đường theo vị trí hay được ứng dụng trong các
mạng điện thoại di động nhưng cũng có thể được
ứng dụng trong các mạng WSNs nói chung.
(Nhớ rằng các giao thức khơng tính tốn đến
năng lượng tiêu thụ được thiết kế cho các mạng
không dây như Cartesian hay
trajectory-based routing, không lý tưởng lắm cho
các mạng WSNs.)
Theo QoS

Giao thức Chất lượng dịch vụ dựa trên độ trễ khi

Sequential

tìm đường trong mạng cảm biến

assignment
requirements

in

routing (SAR)
for

end-to-end

delay (SPEED)

1.2.2 Thử thách và khó khăn
Để WSNs có mặt ở khắp mọi nơi, một số các thách thức và khó khẳn phải được
khắc phục. Thách thức và hạn chế của mạng không dây cảm biến này bao gồm
những điều sau đây:
•

Khả năng chức năng hạn chế


•

Nhân tố về công suất

•

Giá thành các Nodes

•

Nhân tố môi trường

•

Nhân tố truyền kênh

•

quản lý Tơ pơ phức tạp và phân phối node

•

Giải pháp tiêu chuẩn phân phối độc quyền

Phần cứng hạn chế
Một cảm biến có thể cần phải phù hợp với một mô-đun chật cứng trên thứ tự của
2 5 1 cm, hoặc thậm chí như nhỏ như là một 1 1 1 cm. Như được hiển thị trong
Hình 1.3, một node sensor thường bao gồm bốn thành phần chủ chốt và bốn
thành phần tùy chọn . Các thành phần chủ chốt bao gồm một đơn vị công suất
(pin và / hoặc dùng năng lượng mặt trời tế bào), một đơn vị sensing (cảm ứng và
analog-to-kỹ thuật số chuyển đổi), một đơn vị điều chế (cùng với lưu trữ), và là
đơn vị thu phát sóng vơ tuyến (các node kết nối vào mạng ). Các thành phần tùy
chọn bao gồm -tìm một hệ thống tìm địa điểm, một Máy phát điện, một actuator

kiểm soát, và các ứng dụng phụ thuộc vào yếu tố khác. Trong môi trường đơn
thuần là analog-tín hiệu đo bằng những cảm ứng được chuyển đổi sang kỹ thuật
số bởi các tín hiệu analog sang kỹ thuật số chuyển đổi và sau đó được cung cấp
cho các đơn vị điều chế. Nodes Senor cũng có thể có được một lần, tự trị, và điều
khiển thích nghi với môi trường.
Công suất tiêu thụ
Khoảng thời gian sống của các node cảm biến thông thường biểu hiện một sự
phụ thuộc vào thời gian sống của pin. Trong nhiều trường hợp, các node khơng
dây cảm biến có một nguồn lực hạn chế (<500 mAh, 1,2 V), và được bổ sung về
nguồn có thể được hạn chế hoặc khơng thể bổ sung tất cả. Pin hoạt động cho cảm
ứng được sử dụng trong các ứng dụng thương mại thường dựa trên hai AA kiềm
hay một tế bào Li-AA tế bào. Nó như đã lưu ý, mà khả năng quản lý và bảo tồn
nguồn rất quan trọng cho chức năng cảm biến mạng, và một nhu cầu thiết kế
điện-biết giao thức và thuật toán. Chức năng của một node cảm biến trong một
cảm biến là lĩnh vực để phát hiện các sự kiện, thực hiện các địa phương, xử lý dữ
liệu, và truyền tải nguyên liệu và / hoặc xử lý dữ liệu. Cơng suất tiêu thụ do đó