Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trường di động​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

VILAYSAK Akone

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU
THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
TRONG MÔI TRƢỜNG DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Thái Nguyên - 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

VILAYSAK Akone

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU
THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
TRONG MÔI TRƢỜNG DI ĐỘNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Vũ Chiến Thắng

Thái Nguyên - 2020

i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: VILAYSAK Akone, học viên lớp cao học K17 – Kỹ thuật
viễn thông – Trƣờng đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái
Nguyên.
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đánh giá giao thức định tuyến thu
thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trƣờng di độ ng” do
Thầy giáo TS. Vũ Chiến Thắng hƣớng dẫn, là cơng trình nghiên cứu do bản
thân tôi thực hiện, dựa trên sự hƣớng dẫn của Thầy giáo hƣớng dẫn khoa học
và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn.
Tơi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, năm 2020
Học viên

VILAYSAK Akone


2

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, trong suốt q trình thực hiện đề tài
nghiên cứu, tơi ln nhận đƣợc sự quan tâm giúp đỡ của:
Thầy giáo hƣớng dẫn trực tiếp TS. Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình
về phƣơng hƣớng và phƣơng pháp nghiên cứu cũng nhƣ hồn thiện luận văn.

Các thầy, cơ giáo trong khoa Cơng nghệ Điện tử và Truyền thông,
Trƣờng đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên
đã tạo điều kiện về thời gian, địa điểm nghiên cứu, phƣơng tiện vật chất cho
tác giả.

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quý
báu đó.
Thái Nguyên, năm 2020
Học viên

VILAYSAK Akone


3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................
MỤC LỤC ...................................................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................
1.Tính cấp thiết của đề tài..............................................................
2.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..............................................
3.Mục tiêu của đề tài .....................................................................
4.Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................
5.Nội dung của luận văn .................................................................
6.Đóng góp của luận văn ................................................................
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........................
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây .......................................................
1.2. Ngăn xếp truyền thông cho mạng cảm biến không dây .................................
1.2.1. Lớp vật lý ..........................................................................
1.2.2. Lớp liên kết dữ liệu ...........................................................

1.2.3. Lớp mạng ..........................................................................
1.2.4. Lớp giao vận ......................................................................
1.2.5. Lớp ứng dụng ....................................................................
1.3. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây .............
1.3.1. Mơ hình truyền thơng trong mạng cảm biến khơng dây...
1.3.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
1.4. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ảnh hƣởng đến vấn đề định tuyến 28

1.5.Phần cứng cho mạng cảm biến không dây .................................
1.6.Phần mềm cho mạng cảm biến không dây .................................
1.7.Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ...................................
1.7.1. Ứng dụng trong quân sự ..........................................................................
1.7.2. Ứng dụng trong môi trƣờng và ngành nông nghiệp ................................
1.7.3. Ứng dụng trong tự động hóa gia đình ......................................................
1.7.4. Ứng dụng trong tự động hóa tịa nhà .......................................................
1.8.Kết luận chƣơng 1 ......................................................................


4

Chƣơng 2. ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ....................
2.1.Tổng quan về vấn đề định tuyến cho mạng cảm biến không dây ...................
2.2.Những thách thức khi thiết kế giao thức định tuy
không dây ..............................................................................................................
2.3.Các thƣớc đo định tuyến cho mạng cảm biến khô
2.4.Khảo sát một số giao thức định tuyến cho mạng c
2.4.1. Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu ...................................................
2.4.2. Giao thức định tuyến dựa trên sự phân cụm ............................................
2.5.Giao thức định tuyến thu thập dữ liêu cho mạng c
2.5.1 Giao thức định tuyến CTP ........................................................................

2.5.2. Giao thức định tuyến RPL .......................................................................
2.6.Kết luận chƣơng 2 ...............................................
Chƣơng 3. ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU CHO
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG MÔI TRƢỜNG DI ĐỘNG ..............
3.1.Giới thiệu về hệ điều hành Contiki và công cụ m
3.1.1. Hệ điều hành Contiki ...............................................................................
3.1.2. Công cụ mô phỏng Cooja ........................................................................
3.2.Xây dựng kịch bản di động trong công cụ mô phỏ
3.3.Đánh giá giao thức CTP và RPL trong môi trƣờn
3.3.1. Các thƣớc đo đánh giá .............................................................................
3.3.2. Kịch bản mô phỏng đánh giá ...................................................................
3.3.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá với giao thức CTP trong môi trƣờng di
động ...................................................................................................................
3.3.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá với giao thức RPL trong môi trƣờng di
động ...................................................................................................................
3.4.Nhận xét và khuyến nghị .....................................
3.5.Kết luận chƣơng 3 ...............................................
KẾT LUẬN ...............................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................


5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1:
Bảng 3.2:

Mơ hình năng lƣợng
Kịch bản đánh giá mô

6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạng cảm biến khơng dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong
trƣờng cảm biến.........................................................................................................
Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến khơng dây. .......................
Hình 1.3: Mơ hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây. ....
Hình 1.4: Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến khơng dây. 19

Hình 1.5: Mơ hình truyền thông Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến khơng dây.21
Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện nhƣ các chấm đen và
các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên PAN trong
hai mạng PAN đƣợc biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao
gồm hai FFDs nhƣng chỉ một FFD là điều phối viên PAN. .....................................
Hình 1.7: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và địa
chỉ ngắn (16 bit). .......................................................................................................
Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vơ tuyến vật lý. .........................
Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11. Kênh 25 và
26 không đƣợc bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11

đƣợc sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hƣởng bởi 802.11. ....
Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC. ..............
Hình 1.11: Các thành phần chính trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm biến
khơng dây. .................................................................................................................
Hình 1.12: Bo mạch MicaZ của hãng Crossbow Technology. ................................
Hình 1.13: Quá trình phát triển phần mềm cho một nút cảm biến không dây.
Mã nguồn đƣợc biên dịch thành mã máy và đƣợc ghi vào ROM
trong bộ vi điều khiển của nút cảm biến. ..................................................................
Hình 1.14: Mơ hình ứng dụng mạng cảm biến khơng dây trong qn sự ................

Hình 1.15: Mơ hình hệ thống nhà thơng minh ..........................................................
Hình 2.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây với các nút cảm biến
phân bố rải rác trong trƣờng cảm biến ......................................................................
Hình 2.2: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến khơng dây ......
Hình 2.3: Giao thức SPIN .........................................................................................
Hình 2.4: Hoạt động của giao thức Directed Diffusion ............................................
Hình 2.5: Kiến trúc phân cấp dựa trên các cụm ........................................................
Hình 2.6: Cấu trúc chuỗi của PEGASIS ...................................................................
Hình 2.7: Kiến trúc phân cấp trong giao thức TEEN ................................................


7

Hình 2.8: Cấu trúc liên kết mạng đƣợc xây dựng theo giao thức CTP .....................
Hình 2.9: ETXlink của một liên kết ............................................................................
Hình 2.10: Các thành phần chính của giao thức CTP ...............................................
Hình 2.11: Ví dụ về một DODAG ............................................................................
Hình 2.12: Ví dụ về việc hình thành DODAG ..........................................................
Hình 2.13: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki .................................
Hình 3.1: Mơ hình UDG ..........................................................................................
Hình 3.2: Mơ hình UDI ............................................................................................
Hình 3.3: Màn hình ban đầu với Cooja .....................................................................
Hình 3.4: Tạo mơ phỏng mới với Cooja ...................................................................
Hình 3.5: Thêm nút cảm biến Sky mote trong Cooja ...............................................
Hình 3.6: Thêm nút cảm biến Sky mote trong Cooja ...............................................
Hình 3.7: Cấu trúc liên kết mạng đƣợc xét đến trong luận văn ................................
Hình 3.8: Mơ hình một cụm gồm 16 nút mạng .........................................................
Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu trong mạng ...........
Hình 3.10: So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình trong mạng ..................................
Hình 3.11: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình trong mạng ..........................

Hình 3.12: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành cơng bản tin dữ liệu trong mạng .........
Hình 3.13: So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình trong mạng ..................................
Hình 3.14: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình trong mạng ..........................


8

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
ARQ
BAS
CCA
CTP
DAG
DDR
DODAG
DIS
DIO
DSSS
EC
ETX
FEC
FFDs
IEEE
ICMP
MAC
MANET


MCTP

MRPL
MIC


9

LEACH
LLNs
PAN

PEGASIS
HT
TDMA

TEEN

QPSK
RFDs

RPL
ST

SPIN
SFD
UDP
UDG
UDI


WSN

10

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các mạng cảm biến khơng dây với chi phí đầu tƣ thấp, tiêu thụ ít điện năng,
cho phép triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả
năng tự tổ chức mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu đƣợc các hƣ hỏng sự cố đã
tạo ra một triển vọng ứng dụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong vài năm gần đây, mạng cảm biến không dây thu hút nhiều sự quan tâm
nghiên cứu [1]-[9], và chúng đƣợc hình dung là có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng khác
nhau bao gồm giám sát trong quân đội [10], giám sát môi trƣờng [11], và bảo vệ cơ
sở hạ tầng [12]…
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các giao thức định tuyến thu thập dữ
liệu cho mạng cảm biến không dây nhƣ giao thức cây thu thập dữ liệu CTP
(Collection Tree Protocol) [13], [14], [15], giao thức RPL (IPv6 Routing Protocol
for Low Power and Lossy Networks) [16], [17]. Tuy nhiên, các giao thức định tuyến
thu thập dữ liệu này vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu đánh giá và so sánh trong môi
trƣờng di động. Một số ứng dụng của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu
trong môi trƣờng di động nhƣ ứng dụng trong quân sự, giám sát vật nuôi,… Luận
văn này tập trung nghiên cứu, đánh giá một số giao thức định tuyến thu thập dữ liệu
cho mạng cảm biến không dây trong môi trƣờng di động và đƣa ra những khuyến
nghị.
2.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là các giao thức định tuyến thu thập dữ

liệu CTP, RPL cho mạng cảm biến không dây trong môi trƣờng di động.

Phạm vi nghiên cứu là mô phỏng và đánh giá các giao thức định tuyến CTP,
RPL trong điều kiện một số nút mạng di động. Các nghiên cứu đánh giá đƣợc tác
giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng Cooja.
3. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng, tính hiệu
quả của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP, RPL cho mạng cảm biến
không dây trong môi trƣờng di động. Dựa trên các kết quả đánh giá mô phỏng, tác
giả đƣa ra một số khuyến nghị khi áp dụng các giao thức định tuyến này cho mạng


11

cảm biến không dây trong các ứng dụng di động nhƣ quân sự hoặc giám sát vật
nuôi...
4.

Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có ở

trong và ngồi nƣớc để phân tích, đánh giá về các giao thức định tuyến thu thập dữ
liệu. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, tác giả tiến hành mơ
phỏng và đánh giá các giao thức này trong môi trƣờng di động.
5.

Nội dung của luận văn
Luận văn đƣợc trình bày thành 03 chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chƣơng 2: Định tuyến cho mạng cảm biến không dây.
Chƣơng 3: Đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm

biến không dây trong mơi trƣờng di động.
Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các nội dung nghiên cứu và dự kiến hƣớng
nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
6.

Đóng góp của luận văn
Hiện nay, mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng nhiều trong các điều

kiện nút mạng di động nhƣ quân sự, giám sát vật nuôi… Các giao thức định tuyến
thu thập dữ liệu CTP và RPL đã đƣợc nghiên cứu và đánh giá về tính hiệu quả nhƣ
tiết kiệm năng lƣợng, tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu ở mức cao trong
điều kiện các nút mạng cố định. Tuy nhiên, các giao thức định tuyến này vẫn chƣa
đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều trong môi trƣờng di động. Do vậy, hƣớng nghiên
cứu của đề tài vừa có giá trị khoa học và thực tiễn.


12

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây - WSN (Wireless Sensor Network) là một kết cấu
hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lƣờng), tính tốn và truyền thơng
nhằm cung cấp cho ngƣời quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các
sự kiện, hiện tƣợng trong một môi trƣờng xác định. Các ứng dụng điển hình của
mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học…
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng
thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lƣợng lớn, thƣờng
đƣợc phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế (thƣờng
dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt
động trong mơi trƣờng khắc nghiệt (nhƣ trong môi trƣờng độc hại, ô nhiễm, nhiệt

độ cao,…).

Hình 1.1: Mạng cảm biến khơng dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong
trƣờng cảm biến.
Các nút cảm biến thƣờng nằm rải rác trong trƣờng cảm biến nhƣ đƣợc minh
họa ở hình 1.1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến
một Sink/Gateway và ngƣời dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô
tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể
truyền thơng với ngƣời dùng cuối/ngƣời quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh
hay bất kỳ mạng không dây nào (nhƣ WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không
cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với ngƣời dùng cuối.
Lƣu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều ngƣời dùng cuối trong kiến
trúc thể hiện ở hình 1.1.


13

Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng
đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu. Do vậy, việc truyền
thơng có thể đƣợc thực hiện bởi hai chức năng đó là:



Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự
kiện và thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink.



Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào
việc chuyển tiếp các gói tin nhận đƣợc từ các nút khác tới các điểm đến kế

tiếp trong tuyến đƣờng đa chặng đến Sink.

1.2. Ngăn xếp truyền thông cho mạng cảm biến không dây
Kiến trúc ngăn xếp giao thức cho mạng cảm biến không dây đƣợc minh họa
ở hình 1.2.

Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây.
Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kết hợp giữa vấn đề năng lƣợng và
vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng lƣợng, các giao thức tổng hợp dữ liệu và
truyền thông hiệu quả năng lƣợng qua môi trƣờng không dây. Kiến trúc ngăn xếp
giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp
ứng dụng, cũng nhƣ các mặt phẳng đồng bộ, mặt phẳng định vị, mặt phẳng quản lý
cấu trúc liên kết mạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di động và
mặt phẳng quản lý nhiệm vụ. Lớp vật lý xác định các yêu cầu cần thiết đó là các kỹ
thuật điều chế, truyền dẫn, tiếp nhận dữ liệu. Bởi vì mơi trƣờng có nhiễu và các nút
cảm biến có thể di động, nên lớp liên kết có trách nhiệm đảm bảo việc truyền thông
tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiển lỗi và quản lý truy nhập kênh thông tin thông
qua lớp MAC để hạn chế tối đa xung đột với các bản tin quảng bá của nút lân cận.
Tùy thuộc vào các nhiệm vụ cảm biến thì các chƣơng trình ứng dụng khác nhau có


14

thể đƣợc xây dựng và đƣợc sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp mạng quan tâm đến
việc định tuyến dữ liệu từ lớp giao vận. Lớp giao vận giúp duy trì dịng dữ liệu nếu
ứng dụng mạng cảm biến u cầu. Thêm vào đó là các mặt phẳng quản lý năng
lƣợng, di động và quản lý nhiệm vụ để giám sát năng lƣợng tiêu thụ, sự di chuyển
và sự phân phối nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những mặt phẳng này giúp các
nút cảm biến phối hợp với nhau trong việc cảm nhận môi trƣờng và giảm tổng năng
lƣợng tiêu thụ.

Mặt phẳng quản lý năng lƣợng quản lý việc sử dụng năng lƣợng của một nút
cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhận đƣợc một bản tin
từ một nút lân cận. Điều này nhằm tránh việc nhận đƣợc các bản tin trùng lặp. Ngoài
ra, khi mức năng lƣợng của một nút cảm biến xuống thấp thì nút cảm biến sẽ thông báo
quảng bá đến các nút lân cận để các nút lân cận biết rằng năng lƣợng của nó đang ở
mức thấp và nó khơng thể tham gia vào việc định tuyến các bản tin. Năng lƣợng còn lại
chỉ để dành riêng cho việc cảm nhận và truyền dữ liệu của riêng nút đó. Mặt phẳng
quản lý di động phát hiện và đăng ký sự di chuyển của các nút cảm biến, do đó một
tuyến đƣờng đến ngƣời dùng cuối ln ln đƣợc duy trì và các nút cảm biến có thể
theo dõi các nút lân cận của chúng. Bằng việc nhận biết các nút lân cận thì các nút cảm
biến có thể cân bằng giữa việc sử dụng năng lƣợng và nhiệm vụ của chúng. Mặt phẳng
quản lý nhiệm vụ cân bằng và lập lịch các nhiệm vụ cảm nhận cho một khu vực cụ thể.
Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đó đƣợc yêu cầu thực hiện nhiệm vụ
cảm nhận ở cùng một thời điểm. Kết quả là, một số nút cảm biến thực hiện nhiều nhiệm
vụ hơn các nút khác, tùy thuộc vào mức năng lƣợng của chúng. Những mặt phẳng quản
lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau sao cho chúng đạt
đƣợc hiệu quả cao nhất về năng lƣợng, về định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến và
chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Nếu khơng có các mặt phẳng quản lý này thì
mỗi nút cảm biến chỉ có thể làm việc riêng lẻ. Từ góc độ tồn mạng thì sẽ hiệu quả hơn
nếu các nút cảm biến có thể cộng tác với nhau, nhờ đó thời gian tồn tại của mạng có thể
đƣợc kéo dài.

1.2.1. Lớp vật lý
Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mạng, phát hiện
tín hiệu và điều chế dữ liệu.
1.2.2. Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép các dòng dữ liệu, phát hiện khung
dữ liệu, điều khiển lỗi và điều khiển truy nhập kênh truyền. Nó đảm bảo sự tin cậy
của các kết nối điểm - điểm và điểm - đa điểm trong mạng.

15

1.2.2.1. Điều khiển truy nhập kênh truyền
Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đa chặng và
tự tổ chức cần phải đạt đƣợc hai mục tiêu. Mục tiêu thứ nhất là tạo cơ sở hạ tầng kết
nối mạng. Bởi vì hàng trăm nút cảm biến có thể nằm rải rác với mật độ cao trong
một trƣờng cảm biến, nên cơ chế MAC cần phải thiết lập các liên kết truyền thông
để truyền dữ liệu. Điều này tạo thành cơ sở hạ tầng mạng cần thiết cho việc truyền
thông không dây đa chặng và cung cấp khả năng tự tổ chức. Mục tiêu thứ hai là chia
sẻ hiệu quả các tài nguyên truyền thông giữa các nút cảm biến. Những tài nguyên
này bao gồm thời gian, năng lƣợng và tần số. Trong suốt một thập kỷ qua, một số
giao thức MAC đã đƣợc phát triển cho các mạng cảm biến không dây để giải quyết
những yêu cầu này.
Với bất kể một cơ chế truy nhập kênh truyền nào thì vấn đề hiệu quả năng
lƣợng là vô cùng quan trọng. Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trợ các chế độ
hoạt động tiết kiệm năng lƣợng cho nút cảm biến. Việc bảo tồn năng lƣợng rõ ràng
nhất là tắt bộ thu phát khi không cần thiết. Mặc dù phƣơng pháp tiết kiệm năng
lƣợng này dƣờng nhƣ có lợi đáng kể cho việc tiết kiệm năng lƣợng nhƣng nó có
thể cản trở việc kết nối mạng. Sau khi bộ thu phát tắt thì nút cảm biến khơng thể
nhận đƣợc bất kỳ gói tin nào từ các nút lân cận, bởi vì nó bị ngắt kết nối mạng.
Ngồi ra, việc bật và tắt bộ thu phát vơ tuyến đều có một chi phí về năng lƣợng tiêu
thụ do các thủ tục khởi động và tắt bộ thu phát vô tuyến đều yêu cầu cả về phần
cứng và phần mềm. Có một số chế độ hoạt động hữu ích khác cho nút cảm biến
không dây tùy thuộc vào số lƣợng các trạng thái của bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển
đổi A/D và bộ thu phát. Mỗi chế độ này đƣợc đặc trƣng bởi năng lƣợng tiêu thụ,
thời gian trễ để chuyển đổi giữa các chế độ năng lƣợng đó.
1.2.2.2. Điều khiển lỗi
Một chức năng quan trọng của lớp liên kết dữ liệu là điều khiển lỗi (Error
Control - EC). Hai chế độ quan trọng của phƣơng thức điều khiển lỗi trong các

mạng truyền thông là sửa lỗi trƣớc (Forward Error Control - FEC), yêu cầu lặp lại
tự động (Automatic Repeat Request - ARQ). Lợi ích của ARQ trong các ứng dụng
mạng cảm biến bị hạn chế do việc tổn hao năng lƣợng khi truyền lại và việc giải mã
cũng phức tạp hơn ở FEC, cũng nhƣ các khả năng sửa lỗi cần phải đƣợc xây dựng.
Do đó, các mã điều khiển lỗi đơn giản với việc mã hóa và giải mã ít phức tạp có thể
là các giải pháp hiện tại tốt nhất cho các mạng cảm biến. Để thiết kế một cơ chế
nhƣ vậy thì điều quan trọng là phải hiểu rõ về các đặc tính kênh truyền.


16

1.2.3. Lớp mạng
Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trong một trƣờng cảm biến, có
thể ở gần hoặc ngay trong hiện trƣờng nhƣ đƣợc chỉ ra trong hình 1.1. Thơng tin
thu thập đƣợc liên quan đến hiện trƣờng đƣợc truyền đến Sink có thể đƣợc đặt xa
so với trƣờng cảm biến. Tuy nhiên, phạm vi truyền thông của các nút cảm biến bị
hạn chế đã không cho phép việc truyền thông trực tiếp giữa mỗi nút cảm biến với
Sink. Điều này đòi hỏi các giao thức định tuyến không dây đa chặng giữa các nút
cảm biến và Sink bằng việc sử dụng các nút cảm biến trung gian để thực hiện
chuyển tiếp. Các kỹ thuật định tuyến hiện có đã đƣợc phát triển cho các mạng Adhoc không dây thƣờng không phù hợp với các yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp
mạng của các mạng cảm biến thƣờng đƣợc thiết kế theo quy tắc sau đây:



Vấn đề hiệu quả năng lƣợng luôn là vấn đề đƣợc quan tâm nhất.



Các mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.


Ngoài việc định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp các dữ
liệu từ các nút lân cận thông qua việc xử lý cục bộ.


Do số lƣợng lớn các nút trong một mạng cảm biến không dây nên
có thể các nút khơng có nhận dạng duy nhất và chúng có thể cần phải đƣợc
đánh địa chỉ dựa trên dữ liệu và vị trí của chúng.
Một vấn đề quan trọng đối với việc định tuyến trong các mạng cảm biến
khơng dây là việc định tuyến có thể dựa trên các truy vấn tập trung dữ liệu. Dựa trên
các thông tin đƣợc yêu cầu bởi ngƣời dùng, các giao thức định tuyến sẽ xác định
các nút khác nhau trong mạng để cung cấp thông tin yêu cầu. Cụ thể là ngƣời dùng
quan tâm nhiều hơn đến truy vấn một thuộc tính của hiện trƣờng chứ khơng phải là
o

truy vấn một nút riêng lẻ. Ví dụ "các khu vực có nhiệt độ trên 21 C" là một truy vấn
phổ biến hơn so với "nhiệt độ đọc bởi nút số #47".
Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp kết nối liên mạng
với các mạng bên ngoài chẳng hạn nhƣ các mạng cảm biến khác, các hệ thống chỉ
huy, điều khiển và mạng Internet. Các nút Sink có thể đƣợc sử dụng nhƣ một
Gateway kết nối với các mạng khác, trong khi ở một trƣờng hợp khác chúng tạo ra
một đƣờng trục kết nối các nút Sink với nhau và kết nối đƣờng trục với các mạng
khác thông qua một Gateway.
1.2.4. Lớp giao vận
Sự phát triển của các giao thức lớp giao vận là một nhiệm vụ đầy thách thức
bởi vì các nút cảm biến bị ảnh hƣởng bởi những hạn chế về phần cứng nhƣ là năng


17

lƣợng và bộ nhớ hạn chế. Do đó, mỗi nút cảm biến không thể lƣu trữ một lƣợng
lớn dữ liệu nhƣ một máy chủ trên mạng Internet.
Để thực hiện việc truyền thơng trong mạng cảm biến khơng dây thì các giao
thức lớp giao vận yêu cầu hai chức năng chính đó là: Đảm bảo độ tin cậy và điều
khiển tắc nghẽn. Do tài nguyên hạn chế và chi phí cao về năng lƣợng đã ảnh hƣởng
đến độ tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối đến điểm cuối đƣợc sử dụng
trong các mạng cảm biến không dây. Do vậy cần thiết phải có các cơ chế đáng tin
cậy. Ngồi ra, tắc nghẽn có thể xuất hiện bởi lƣu lƣợng lớn dữ liệu đƣợc tạo ra
trong suốt quá trình xảy ra các sự kiện trong trƣờng cảm biến. Tắc nghẽn cần đƣợc
giảm thiểu bởi các giao thức lớp giao vận.
1.2.5. Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng chính cũng nhƣ một số chức năng
quản lý. Ngồi các chƣơng trình ứng dụng cụ thể cho mỗi ứng dụng thì các chức
năng quản lý và xử lý truy vấn cũng nằm ở lớp này.
Ngoài các chức năng truyền thơng trong ngăn xếp phân lớp thì các mạng cảm
biến không dây cũng đƣợc trang bị các chức năng để hỗ trợ hoạt động cho các giải
pháp khác đƣợc đề xuất. Trong một mạng cảm biến không dây, mỗi thiết bị cảm
biến đƣợc trang bị một đồng hồ cục bộ. Mỗi sự kiện có liên quan đến sự hoạt động
của thiết bị cảm biến bao gồm cảm nhận, xử lý và truyền thông đƣợc kết hợp với
thông tin định thời đƣợc điều khiển thông qua các đồng hồ cục bộ. Vì ngƣời dùng
quan tâm đến thơng tin phối hợp từ nhiều cảm biến, nên thơng tin định thời có liên
quan đến dữ liệu ở mỗi thiết bị cảm biến cần phải đƣợc thống nhất. Ngồi ra, mạng
cảm biến khơng dây có thể sắp xếp thứ tự chính xác các sự kiện đƣợc cảm nhận bởi
các cảm biến phân tán từ đó mơ hình hóa chính xác mơi trƣờng vật lý. Những yêu
cầu đồng bộ này đã dẫn đến sự phát triển các giao thức đồng bộ thời gian trong các
mạng cảm biến không dây.
Sự tƣơng tác chặt chẽ với các hiện tƣợng vật lý địi hỏi phải có các thơng tin
vị trí có liên quan. Các mạng cảm biến khơng dây kết hợp chặt chẽ với các hiện
tƣợng vật lý ở môi trƣờng xung quanh. Thông tin thu thập đƣợc cần phải đƣợc kết
hợp với vị trí của các nút cảm biến để cung cấp cái nhìn chính xác về trƣờng cảm

biến. Ngồi ra, các mạng cảm biến khơng dây có thể đƣợc sử dụng để theo dõi các
đối tƣợng nhất định trong các ứng dụng giám sát. Các ứng dụng này địi hỏi thơng
tin vị trí để đƣa vào các thuật tốn theo dõi. Ngồi ra, các dịch vụ dựa trên vị trí và
các giao thức truyền thơng cũng u cầu thơng tin vị trí. Do đó, các giao thức định
vị đã đƣợc đƣa vào ngăn xếp truyền thông.


18

Cuối cùng, một số giải pháp quản lý cấu trúc liên kết cũng cần phải có để
duy trì kết nối và vùng phủ sóng của mạng cảm biến khơng dây. Các thuật toán
quản lý cấu trúc liên kết cung cấp các phƣơng thức hiệu quả cho việc triển khai
mạng nhằm kéo dài thời gian tồn tại của mạng và phủ sóng thơng tin một cách hiệu
quả. Ngồi ra, các giao thức điều khiển cấu trúc liên kết giúp xác định các mức
công suất truyền cũng nhƣ thời gian hoạt động của các nút cảm biến để tối thiểu
năng lƣợng tiêu thụ trong khi vẫn đảm bảo kết nối mạng. Cuối cùng, các giao thức
phân nhóm đƣợc sử dụng để tổ chức mạng thành các cụm nhằm cải thiện khả năng
mở rộng và cải thiện thời gian tồn tại của mạng.
Bản chất sự phụ thuộc vào từng ứng dụng của các mạng cảm biến không dây
đã xác định một số thuộc tính đặc trƣng riêng so với các giải pháp mạng truyền
thống. Mặc dù những nghiên cứu và triển khai ban đầu của các mạng cảm biến
không dây tập trung chủ yếu vào việc truyền dữ liệu trong môi trƣờng không dây
nhƣng một vài lĩnh vực ứng dụng mới của mạng cảm biến không dây cũng đã xuất
hiện. Chúng bao gồm các mạng cảm biến và điều khiển không dây, trong đó mỗi nút
cảm biến có thêm các thiết bị truyền động để chuyển đổi thông tin cảm nhận đƣợc
thành các hành động để tác động đến môi trƣờng và các mạng cảm biến đa phƣơng
tiện không dây hỗ trợ lƣu lƣợng đa phƣơng tiện bao gồm các thông tin âm thanh và
hình ảnh. Ngồi ra, hiện trƣờng mạng cảm biến không dây gần đây đã đƣợc áp
dụng vào trong các môi trƣờng hạn chế nhƣ thiết lập mạng dƣới nƣớc, trong lịng
đất và tạo ra các mạng cảm biến khơng dây dƣới nƣớc và trong lòng đất. Những

lĩnh vực nghiên cứu mới này đặt ra những thách thức mới bổ sung mà chƣa đƣợc
quan tâm xem xét bởi một số giải pháp đã đƣợc phát triển cho các mạng cảm biến
không dây truyền thống.
Sự linh hoạt, khả năng chịu lỗi, cảm nhận độ trung thực cao, chi phí thấp và
một số đặc điểm triển khai nhanh chóng của các mạng cảm biến không dây đã tạo ra
nhiều lĩnh vực ứng dụng mới cho việc cảm nhận từ xa. Trong tƣơng lai, một loạt
các lĩnh vực ứng dụng này sẽ làm cho các mạng cảm biến trở thành một phần không
thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên, việc thực hiện các mạng cảm
biến này cần phải đáp ứng đƣợc các yếu tố nhƣ khả năng chống lỗi, khả năng mở
rộng, chi phí, phần cứng, sự thay đổi cấu trúc liên kết mạng, môi trƣờng và năng
lƣợng tiêu thụ. Bởi vì những ràng buộc này rất nghiêm ngặt và đặc thù cho các
mạng cảm biến nên các kỹ thuật mạng Ad-hoc không dây mới là rất cần thiết. Nhiều
nhà nghiên cứu hiện đang tham gia vào việc phát triển các công nghệ cần thiết cho
các lớp khác nhau của ngăn xếp giao thức mạng cảm biến.


19

1.3. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến khơng dây
1.3.1. Mơ hình truyền thơng trong mạng cảm biến khơng dây
Mơ hình truyền thơng cho các nút mạng cảm biến khơng dây có thể đƣợc
chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm. Mỗi mơ hình
truyền thơng đƣợc sử dụng trong các trƣờng hợp khác nhau. Nhiều ứng dụng sử
dụng kết hợp các mơ hình truyền thơng này.
1.3.1.1. Mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm
Mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm xảy ra khi một nút mạng cảm biến không
dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác. Tuy nhiên, việc
truyền thơng có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác. Trong hình 1.3,
hai nút mạng cảm biến khơng dây giao tiếp với nhau nhƣng có hai nút mạng cảm
biến khác liên quan đến quá trình truyền thơng, bởi vì chúng chuyển tiếp các gói tin

giữa các điểm đầu cuối của q trình truyền thơng.

Hình 1.3: Mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm trong mạng cảm biến khơng dây.
1.3.1.2. Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm
Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm đƣợc minh họa nhƣ ở hình 1.4.

Hình 1.4: Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không dây.
Mô hình này đƣợc sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và
có thể là tất cả các nút khác trong mạng. Mơ hình truyền thơng này có thể đƣợc sử


20

dụng để gửi một lệnh thiết lập đến các nút trong mạng. Có nhiều hình thức truyền
thơng trong mơ hình Điểm - Đa điểm. Tùy thuộc vào tình huống khác nhau thì yêu
cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau. Nếu yêu cầu độ tin cậy cao thì giao
thức truyền thơng có thể phải truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận
đã nhận thành cơng đƣợc gói tin. Nếu độ tin cậy khơng u cầu q khắt khe thì
giao thức truyền thơng có thể khơng cần phải truyền lại bất kỳ bản tin nào và giao
thức truyền thông coi kênh truyền thơng đủ tin cậy để các bản tin có thể đến đƣợc
các nút nhận.
Nhiều cơ chế và giao thức đã đƣợc thiết kế để thực hiện truyền thông Điểm Đa điểm trong mạng cảm biến không dây. Dạng đơn giản của truyền thông Điểm Đa điểm là mạng tràn lan (Flooding). Điều này đƣợc thực hiện bằng cách từng nút
quảng bá bản tin đƣợc gửi đi. Khi một nút lắng nghe đƣợc một bản tin quảng bá
đƣợc phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút
khác xung quanh nó. Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng
thời gian ngẫu nhiên trƣớc khi gửi lại các bản tin. Hiệu quả của cơ chế này là bản
tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến
hoặc các xung đột vơ tuyến.
Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trƣờng hợp
nhƣng nó khơng phải là cơ chế đáng tin cậy. Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc xung

đột cần đƣợc truyền lại. Để đạt đƣợc độ tin cậy trong truyền thông Điểm - Đa điểm
thì giao thức truyền thơng phải phát hiện đƣợc các bản tin bị mất và phát lại chúng.
1.3.1.3. Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm
Mơ hình truyền thông Đa điểm - Điểm thƣờng đƣợc sử dụng để thu thập dữ
liệu từ các nút trong trƣờng cảm biến. Với mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm,
một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút. Nút này thƣờng đƣợc gọi là Sink. Hình
1.5 minh họa mơ hình truyền thông Đa điểm - Điểm.
Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể đƣợc sử dụng để thu thập dữ liệu cảm
biến chẳng hạn nhƣ nhiệt độ từ các nút trong mạng nhƣng nó cũng đƣợc sử dụng
truyền thơng tin trạng thái các nút trong mạng. Các nút gửi các báo cáo trạng thái
định kỳ tới Sink. Nút Sink sau đó báo cáo tồn bộ hiệu năng của mạng tới ngƣời
quan sát bên ngồi.
Trong truyền thơng Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink trong
mạng. Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thể đƣợc gửi tới
thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi. Điều này cho
phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao hơn.


21

Hình 1.5: Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.
Để thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc
cây với gốc của nó ở nút Sink. Sink thơng báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp lại
các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bƣớc nhảy bằng
khơng tính từ nút Sink. Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại các
bản tin để thông báo chúng có bƣớc nhảy là một tính từ nút Sink. Lần lƣợt, các nút
lân cận của chúng sẽ quảng bá thông tin là chúng có bƣớc nhảy là hai tính từ nút
Sink. Với phƣơng thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết có bao
nhiêu bƣớc nhảy chúng phải trải qua đƣợc tính từ nút Sink và biết đƣợc các nút lân
cận gần Sink hơn. Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận

gần Sink hơn.
1.3.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng
dụng công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp. Tiêu chuẩn này đã đƣợc phát triển cho
mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE).
Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra
tối đa 1mW. Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài
chục mét. Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho
phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho chuẩn IEEE
802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây. Nhiều công ty sản xuất các thiết
bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4.
Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn IEEE 802.15.4 và sự sẵn có của các bộ thu
phát vơ tuyến tƣơng thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiều ngăn xếp vô
tuyến công suất thấp đã đƣợc xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 nhƣ là:
WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee.
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:



Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin đƣợc gửi và đƣợc nhận trên các kênh
truyền vô tuyến vật lý nhƣ thế nào.