Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng

Mục lục
Mục lục ...................................................................................................................... 1
Thuật ngữ viết tắt ....................................................................................................... 4
Lời nói đầu ................................................................................................................ 6
Ch ơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor ....................................................... 7
1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây ........................................................... 7
1.2. Nền tảng phát triển mạng ............................................................................... 7
1.2.1. Mạng Ad hoc không dây ........................................................................ 7
1.2.2. Nền tảng công nghệ ............................................................................. 10
1.3. Mô tả hệ thống ............................................................................................. 11
1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát ...................................................................... 11
1.3.2. Hệ thống WISENET ............................................................................. 13
1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng ....................................................................... 16
1.4.1. Lớp ứng dụng ........................................................................................ 18
1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor ..................................................................... 18
1.4.1.2. Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu ................................... 19
1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu ..................................... 19
1.4.2 Lớp giao vận ......................................................................................... 20
1.4.3 Lớp mạng ............................................................................................... 20
1.4.4. Liên kết liên mạng ................................................................................ 20
1.4.5 Lớp liên kết số liệu ............................................................................... 22
1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi tr ờng truyền dẫn ......................................... 22
1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi ................................................................................. 23
1.4.6 Lớp vật lý ............................................................................................... 24
1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor ........................................................... 25
1.5.1. Kích th ớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp .................................... 25
1.5.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao ............................................ 25
1.5.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế ..................... 25
1.5.4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng ................................................ 26
1.5.5. Hoạt động tin cậy .................................................................................. 26
1.6. ứng dụng của mạng Sensor .......................................................................... 26

1.6.1. ứng dụng trong quân sự ........................................................................ 27
1.6.2. ứng dụng về môi tr ờng ......................................................................... 28
1.6.3. ứng dụng trong y tế ............................................................................... 29
1.6.4. ứng dụng trong gia đình ....................................................................... 30
1.6.5. Các ứng dụng th ơng mại khác .............................................................. 30
Ch ơng II : Năng l ợng trong mạng Wireless Sensor ............................................... 32
2.1. Tính đặc thù của mạng ................................................................................. 32
2.1.1. Hạn chế phần cứng ................................................................................ 32
2.1.2. Môi tr ờng hoạt động ............................................................................. 33
2.1.3. Môi tr ờng truyền dẫn ............................................................................ 33
2.2. Sự tiêu thụ năng l ợng ................................................................................... 35
2.2.1. Năng l ợng cho nhiệm vụ cảm biến ....................................................... 35
2.2.2. Năng l ợng cho truyền thông ................................................................. 36
Phan Viết Thời, D2001VT
1
2.2.3. Năng l ợng cho xử lý .............................................................................. 36
2.3. Các giải pháp tiết kiệm năng l ợng ............................................................... 37
2.3.1. Giải pháp định tuyến ............................................................................. 37
2.3.1.1. Các ph ơng pháp định tuyến tối u về năng l ợng .................................... 37
2.3.1.2. Ph ơng pháp định tuyến số liệu tập trung ............................................. 38
2.3.1.3. Các giao thức lớp mạng khác đ ợc đề xuất cho mạng Sensor ................ 39
2.3.2. Giải pháp truy nhập môi tr ờng truyền dẫn ............................................ 44
2.3.2.1. Yêu cầu với giao thức điều khiển truy nhập môi tr ờng (MAC) cho
mạng sensor ..................................................................................................... 44
2.3.2.2. Các giao thức MAC cho mạng sensor .................................................. 45
2.3.2.3. Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng l ợng .......................................... 47
2.3.3. Quản lý nguồn công suất ...................................................................... 48
2.3.3.1 Thời gian tồn tại .................................................................................. 49
2.3.3.2 Phát hiện nguồn thấp "Low Battery" ................................................... 49
2.3.3.3. Cảnh báo "Low Battery" ..................................................................... 50

2.3.4. Tận dụng các nguồn năng l ợng trong tự nhiên ..................................... 51
2.3.1.1. Tế bào quang điện ............................................................................... 52
2.3.1.2. Các nguồn năng l ợng khác .................................................................. 53
Ch ơng III : Phần mềm mô phỏng năng l ợng cho mạng Wireless Sensor ............... 54
3.1. Mô hình hoá mô phỏng ................................................................................ 54
3.1. Mô hình nguồn năng l ợng ............................................................................ 54
3.3. Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng Wireless Sensor ................................. 54
3.3.1. Phần mềm NS-2 .................................................................................... 55
3.3.2. Cơ sở phát triển mô phỏng mạng Sensor trên nền NS-2 ....................... 58
3.3.3. Các định dạng mới trong NS-2 ............................................................. 59
3.3.4. Thay đổi trong NS-2 ............................................................................. 61
3.4. Thiết lập mã lập trình mô phỏng .................................................................. 63
3.4.1. Thiết lập kênh hiện t ợng và kênh dữ liệu ............................................. 63
3.4.2. Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon ......................... 63
3.4.3. Thiết lập các nút Phenomenon với giao thức "định tuyến" Phenom ... 63
3.4.4. Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon ................................... 64
3.4.5. Định hình nút Sensor ............................................................................ 65
3.4.6. Thiết lập các nút Non-Sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) .......... 66
3.4.7. Gắn kết các tác nhân Sensor ................................................................. 66
3.4.8. Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng Sensor cho mỗi nút ............. 67
3.4.9. Khởi động ứng dụng Sensor .................................................................. 67
Ch ơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor ......................................................... 68
4.1. Mục đính mô phỏng ..................................................................................... 68
4.2. Thực hiện mô phỏng .................................................................................... 69
4.2.1. Mã ch ơng trình ..................................................................................... 69
4.2.1. Phân tích kết quả ................................................................................... 70
4.2. Kết quả ......................................................................................................... 71
4.2.1. Sự tổn hao năng l ợng ............................................................................. 72
4.2.2. Tốc độ giảm năng l ợng khi tăng số nút mạng ...................................... 74
4.2.3. Tốc độ giảm năng l ợng khi mật độ mạng không đổi ............................ 75

4.2. Đánh giá ....................................................................................................... 76
Phan Viết Thời, D2001VT
2
KÕt luËn ................................................................................................................... 77
Tµi liÖu tham kh¶o .................................................................................................. 78
Phan ViÕt Thêi, D2001VT
3
Đồ án tốt nghiệp đại học
Thuật ngữ viết tắt
Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt
ADC Analogue/Digital converter Bộ chuyển đổi tơng tự / số
AODV Ad Hoc On-Demand Distance-
Vector
Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo
yêu cầu tạm thời
API Application program interface Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng
ARC Adaptive transmitssion rate control Điều khiển tốc độ truyền dẫn thích ứng
ARQ automatic repeat request Cơ chế sửa lỗi bằng yêu cầu lặp lại tự
động
BER Bit error rate Tỷ lệ lỗi bit
CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập theo cảm biến lu lợng
DSDV Destination-Sequenced Distance-
Vector
Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích
tuần tự
DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động
FDMA Frequency division multiple access Đa truy nhập phân chia theo tần số
FEC Forward error correction Cơ chế sửa lỗi trớc
GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu
HTTP HyperText Tranffer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản

ISM band Industrial, Scientific and Medical
band
Dải tần sử dụng cho các ứng dụng công
nghiệp, khoa học và y học
LEACH Low energy adaptive clustering
hierarchy
Phân cấp cụm thích ứng với năng lợng
thấp
MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi trờng truyền
dẫn
MANET Mobile ad hoc network Mạng di động ad hoc (tạm thời, không có
cơ sở hạ tầng)
ME Minimum energy Năng lợng tiêu thụ cực tiểu
MECN Minimum energy communication
network
Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu
MH Minimum hop Số bớc nhảy cực tiểu
NAM Network AniMator Mô tả mạng bằng hình ảnh động
NS-2 Network Simulator version 2 Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2
Otcl Object-oriented tool command
language
Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hớng
đối tợng
PA Power available Mức năng lợng hiện tại
QoS Quality of service Chất lợng dịch vụ
REQ Request message Bản tin yêu cầu
RERR Route error packet Gói báo lỗi tuyến
RREP Route reply packet Gói đáp ứng yêu cầu tuyến
RREQ Route request packet Gói yêu cầu tuyến
RS-232 Serial Radio Link - 232 Liên kết vô tuyến nối tiếp theo chuẩn

RS-232
SAR Sequential assignment routing Định tuyến chỉ định liên tục
Phan Viết Thời, D2001VT
4
Đồ án tốt nghiệp đại học
SMECN Small minimum energy
communication network
Mạng truyền thông với năng lợng cực tiểu
loại nhỏ
SMACS Self Organizing MAC for Sensor
network
Giao thức MAC tự tổ chức cho mạng
sensor
SMP Sensor management protocol Giao thức quản lý sensor
SPIN Sensor protocols for information
via negotiation
Các giao thức thông tin sensor thông qua
thỏa thuận
SQDDP Sensor query and data
dissemination protocol
Giao thức truy vấn sensor và phổ biến số
liệu
SQL Structure Query Language Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc
SQTL Sensor query and tasking language Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ
sensor
SSF Scalable Simulation Framework Cơ cấu mô phỏng mở rộng
TADAP Task assignment and data
advertisement protocol
Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số
liệu

TCP/IP Transmission Control
Protocol/Internet Protocol
Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao
thức Internet
TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian
TORA Temporally Ordered Routing
Algorithm
Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng
tuần tự theo thời gian
WINS Wireless Integrated network
sensors
Mạng các thiết bị cảm biến tích hợp thiết
bị thu phát không dây
WISENET WIreless SEnsor NETwork Hệ thống mạng sensor không dây
WISENET
WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây
WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây
Phan Viết Thời, D2001VT
5
Đồ án tốt nghiệp đại học
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công nghệ vi
mạch điện tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều ứng
dụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất kỳ điều kiện và vùng
địa lý nào. Có nhiều phơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin trong đó
mạng Wireless Sensor hiện đang đợc dùng phổ biến trên thế giới và đang dần xâm nhập vào
nớc ta.
Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng Wireless Sensor nh vấn đề năng lợng, vấn đề đồng
bộ sensor, vấn đề mở rộng mạng... Năng lợng luôn là yếu tố quan trọng của tất cả các loại
mạng. Với mạng Wireless Sensor do tính đặc thù của mạng là hạn chế về phần cứng và ứng

dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lợng càng trở lên quan trọng.
Trớc thực tế này, đợc sự định hớng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng
Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bu Điện, em đã
chọn đề tài đồ án: Vấn đề năng lợng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô
phỏng.
Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng lợng trong mạng
Wireless Sensor, từ đó đa ra các giải pháp tiết kiệm năng lợng trong mạng và tận dụng các
nguồn năng lợng sạch trong tự nhiên.
Đồ án gồm 4 chơng:
1 - Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor
2 - Chơng II : Năng lợng trong mạng Wireless Sensor
3 - Chơng III : Phần mềm mô phỏng cho mạng Wireless Sensor
4 - Chơng IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor
Do còn hạn chế về kiến thức và năng lực nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Mong đợc
sự góp ý của thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển
Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bu Điện, đã hớng dẫn em về chuyên
môn cũng nh phơng pháp làm việc để em có thể hoàn thành đồ án. Qua đây, em cũng xin
gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô trong Khoa Viễn Thông I, Học viện Công nghệ
Bu chính - Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội ngày 31 tháng 10 năm 2005
Sinh viên
Phan Viết Thời
Phan Viết Thời, D2001VT
6
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Chơng I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor
1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Các thiết bị cảm biến (Sensor) đợc kết nối thành mạng, phối hợp với nhau để thực hiện các
nhiệm vụ với quy mô lớn, đợc đặt nhiều hy vọng nhằm cách mạng hóa trong lĩnh vực thu

thập thông tin ở bất kì điều kiện và vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây (Wireless
Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây
(vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân
tán về đối tợng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên
hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trờng mạng công cộng nh Internet hay vệ
tinh. Các nút Sensor không dây có thể đợc triển khai cho các mục đích chuyên dụng nh giám
sát và an ninh; kiểm tra môi trờng; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong
nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu nh trong bất kì
loại hình địa lý nào kể cả các môi trờng nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây
truyền thống đợc.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con
ngời. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến hoàn toàn có thể
gắn trong một kích thớc rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một môi trờng dày đặc với
khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, ngời ta đã có thể
khám phá nhiều hiện tợng rất khó thấy trớc đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh các cấu
trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô
nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trờng sinh vật phức tạp...
1.2. Nền tảng phát triển mạng
Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc không dây và đợc
thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ công nghệ.
1.2.1. Mạng Ad hoc không dây
Mạng Ad hoc không dây là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, đợc triển khai cho
các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện nh để tìm kiếm và
cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp,.v.v. Mạng Ad hoc không cần các
thành phần cơ sở hạ tầng nh tổng đài, trạm thu phát gốc hay bất kì một trung tâm điều
khiển nào. Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc đợc liên kết động với nhau một cách tuỳ
ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài. Tất cả các nút này đều có thể hoạt động
Phan Viết Thời, D2001VT
7

Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
nh một bộ định tuyến nhờ khả năng tìm và duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng. Các
giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc có thể chia thành hai loại:
- Các giao thức định tuyến theo bảng: mỗi nút mạng sẽ duy trì và cập nhật thông tin định
tuyến tới mọi nút mạng khác.
- Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: Việc định tuyến chỉ đợc thực hiện khi có yêu
cầu chuyển gói, nhờ cơ chế tìm đờng.
Hiện nay có bốn giao thức định tuyến đợc sử dụng trong mạng Ad hoc:
a) Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự
Trong Định tuyến theo chuỗi chỉ hớng với đích tuần tự (Destination-Sequenced Distance-
Vector - DSDV), mọi trạm di động đều có một bảng định tuyến trong đó ghi các đích hiện
tại, số các bớc nhảy để đến đợc đích và số thứ tự đợc gán cho nút đích. Số thứ tự này đợc
sử dụng để phân biệt các tuyến và nh vậy tránh đợc sự hình thành các vòng lặp. Các trạm
định kỳ gửi bảng định tuyến của nó cho các nút lân cận của nó. Một trạm cũng gửi bảng
định tuyến nếu một thay đổi đáng kể trong bảng so với lần gửi cập nhật cuối cùng đợc phát
hiện. Nh vậy, việc cập nhật đợc thực hiện cả theo thời gian và theo sự kiện.
Các bảng định tuyến có thể đợc gửi cập nhật theo hai cách: chuyển toàn bộ (full
dump) hay cập nhật phần gia tăng. Theo cách chuyển toàn bộ, bảng định tuyến sẽ đợc
gửi trọn vẹn đến các nút lân cận và nó có thể bao gồm nhiều gói tin. Ngợc lại, theo
cách cập nhật phần gia tăng, chỉ những mục ghi mới của bảng định tuyến so với lần cập
nhật cuối cùng mới đợc gửi đi và phải vừa trong một gói tin. Khi mạng tơng đối ổn
định, các gói cập nhật phần gia tăng đợc sử dụng để tránh việc lu lợng tăng cao và việc
chuyển toàn bộ (full dump) ít đợc sử dụng hơn. Trong các mạng thay đổi nhanh, số l-
ợng các gói cập nhật phần gia tăng có thể trở lên rất lớn nên việc chuyển toàn bộ bảng
đợc thực hiện thờng xuyên hơn.
b) Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian
Định tuyến bằng thuật toán tìm đờng tuần tự theo thời gian (Temporally Ordered Routing
Algorithm - TORA) là một giao thức định tuyến trên cơ sở một thuật toán đảo liên kết
(Link Reversal). Nó đợc thiết kế để tìm các tuyến đờng theo yêu cầu, cung cấp nhiều
tuyến tới một đích, thiết lập tuyến nhanh và giảm tới mức tối thiểu phần phụ tải (overhead)

bằng thuật toán khoanh vùng chống lại các thay đổi về hình trạng mạng có thể sảy ra. Việc tối
u định tuyến (tìm đờng ngắn nhất) đợc coi là thứ yếu và việc định tuyến với các đờng
dài hơn đợc sử dụng thờng xuyên để tránh phần phụ tải khi tìm đờng mới.
Hoạt động của giao thức TORA đợc hình dung giống nh đa nớc chảy dốc xuống qua một
mạng các đờng ống và hớng tới một điểm đích. Các đờng ống mô tả các liên kết giữa các nút
mạng, các điểm nối các đờng ống này mô tả các nút mạng và nớc chảy trong các ống mô tả các
Phan Viết Thời, D2001VT
8
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
gói tin đợc định tuyến hớng tới đích. Mỗi nút có một độ cao so với đích đợc tình toán bởi
giao thức định tuyến và độ cao giảm dần trên tuyến, nhờ vậy có thể chuyển gói tin một
cách tuần tự để tới đích.
c) Giao thức định tuyến nguồn động
Điểm cơ bản của giao thức định tuyến nguồn động ( Dynamic Source Routing - DSR) là
việc sử dụng định tuyến nguồn. Tức là, nơi gửi nhận biết đợc hoàn toàn tuyến đờng gồm
các liên kết dẫn tới đích. Các tuyến đờng này đợc lu trong bộ nhớ định tuyến (Route
Cache). Các gói dữ liệu mang theo thông tin định tuyến nguồn trong tiêu đề gói. Khi một nút
trong mạng Ad hoc muốn gửi một gói tin tới một đích mà nó cha nhận biết đợc tuyến đờng,
nó sẽ sử dụng một tiến trình tìm đờng (Route Discovery) để xác định một tuyến. Tiến
trình tìm đờng sẽ gửi tràn lan vào trong mạng các gói yêu cầu tuyến (Route Request-RREQ).
Mỗi nút nhận đợc RREQ lại tiếp tục quảng bá nó, trừ khi nút đó là nút đích hoặc có một
tuyến tới đích đợc lu trong bộ nhớ định tuyến. Các nút này trả lời các gói RREQ bằng các gói
hồi âm định tuyến (Route Reply-RREP). Các gói này đợc định tuyến trở lại nguồn. Các gói
RREQ và RREP cũng đợc định tuyến theo nguồn. Các gói RREQ lập lên một tuyến xuyên
qua mạng. Gói RREP định tuyến trở lại nguồn bằng cách đi ngợc trở lại theo tuyến đờng này.
Thông tin về tuyến đợc mang trở lại bằng gói RREP và đợc lu tại nguồn để sử dụng.
Nếu một liên kết trên một tuyến bị sự cố, nút nguồn đợc thông báo bằng một gói lỗi (Route
Error-RERR). Nguồn sẽ xoá tuyến này trong bộ nhớ định tuyến và bắt đầu một tiến trình
tìm đờng mới nếu tuyến này còn cần thiết. Trong DSR không cần một cơ chế đặc biệt
nào để phát hiện các vòng lặp định tuyến.

d) Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời
Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hớng theo yêu cầu tạm thời (Ad hoc On-Demand Distance-
Vector Routing - AODV) có điểm giống DSR là nó cũng tìm các đờng có yêu cầu thông qua
một bằng một tiến trình tìm đờng tơng tự. Tuy nhiên, AODV sử dụng một cơ chế rất khác
để lu giữ thông tin định tuyến. Nó sử dụng các bảng định tuyến truyền thống, mỗi mục là
một đích. Đây là điểm ngợc lại DSR (DSR có thể lu giữ nhiều mục cho mỗi đích). Không
có định tuyến nguồn, AODV dựa vào các mục trong bảng định tuyến để truyền một RREP
trở về nguồn và sau đó,đợc sử dụng để định tuyến các gói số liệu đợc tới đích. AODV sử
dụng các số thứ tự đợc lu tại mỗi đích để xác định tính mới của thông tin định tuyến và
chống lại các vòng lặp định tuyến. Tất cả các gói đều mang theo các số thứ tự này.
Một đặc điểm quan trọng của AODV là lu giữ các trạng thái định giờ căn bản trong mỗi
nút để tận dụng các mục trong bảng định tuyến đơn. Một mục trong bảng định tuyến có
thể bị xoá nếu nó không đợc sử dụng trong thời gian gần.
Giao thức DSDV là giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức DSR, TORA, AODV
thuộc loại giao thức định tuyến theo yêu cầu.
Phan Viết Thời, D2001VT
9
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
1.2.2. Nền tảng công nghệ
Các tiến bộ trong công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử rất nhỏ giá rẻ với công suất thấp
và phân hóa chức năng cao, các bớc tiến trong công nghệ mạng không dây và trong lĩnh vực
vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thu thập dữ liệu. Việc
sử dụng các bộ vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phát vô tuyến và các thiết bị
cảm biến tơng tự, số khác nhau cho phép một mạng các thiết bị cảm biến không dây hoạt
động bằng nguồn acquy có thể thu thập dữ liệu về môi trờng trong phạm vi lớn. Dữ liệu này
có thể đợc tải đến một máy tính và đợc lu trong cơ sở dữ liệu. Sau đó, có thể đợc phân
tích thông qua một phần mềm ứng dụng. Kết quả có thể đợc truy xuất trực tiếp hoặc bởi
một trình duyệt Web chuẩn ở bất cứ đâu trên Internet. Các mạng Sensor ngày nay có những
cải tiến đáng kể so với các Sensor truyền thống theo hai hớng:
- Các Sensor có thể đặt ở xa hiện tợng tức là các thông tin về hiện tợng có đợc nhờ năng

lực cảm biến và phân tích. Theo hớng này, yêu cầu các Sensor lớn sử dụng một số kỹ
thuật phức tạp để nhận biết đợc các đích từ các tạp âm môi trờng ở khoảng cách xa.
- Nhiều Sensor chủ yếu chỉ hoạt động cảm biến đợc triển khai. Vị trí các Sensor và
hình trạng thông tin đợc tính toán cẩn thận. Chúng đợc liên kết thành một mạng để
truyền thông tin về các diễn biến của hiện tợng đợc thăm dò tới các nút trung tâm, nơi
tiếp nhận và xử lý dữ liệu.
Một mạng Sensor bao gồm một số lợng lớn các nút đợc triển khai dày đặc bên trong đối tợng
cần thăm dò hoặc ở rất gần nó. Vị trí của các Sensor phải không cần định trớc. Điều này
cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc trong các hoạt động
tránh sự nguy hiểm. Điều này cũng có nghĩa là các thuật toán và giao thức phải có khả năng tự
tổ chức. Một đặc trng nữa của mạng Sensor là khả năng cộng tác của các Sensor. Các Nút
Sensor phải có bộ xử lý gắn trong. Thay vì chuyển các dữ liệu thô đến các nút có nhiệm vụ
xử lý, các nút Sensor sẽ sử dụng khả năng tính toán của nó để thực hiện các xử lý đơn giản và
chỉ chuyển đi các dữ liệu đợc yêu cầu và đã qua xử lý sơ bộ.
Các đặc điểm trên đa đến một phạm vi ứng dụng lớn của mạng Sensor. Một số lĩnh vực đ-
ợc ứng dụng là y tế, quân sự và an ninh. Ví dụ nh các bác sỉ sẽ kiểm tra từ xa các dữ liệu về
sinh lý bệnh nhân. Điều này vừa thuận tiện cho bệnh nhân vừa giúp các bác sĩ hiểu rõ hơn
về tình trạng bệnh nhân. Mạng Sensor còn đợc sử dụng để phát hiện các tác nhân hóa học
trong không khí và nớc. Chúng giúp chỉ ra kiểu, sự cô lại và vị trí của các chất. Về cơ bản,
các mạng Sensor cung cấp cho ngời sử dụng sự hiểu tốt hơn, thông minh hơn về môi trờng.
Chúng ta có thể thấy rằng trong tơng lai, các mạng wireles Sensor sẽ là một phần không thể
thiếu trong cuộc sống, giống nh máy tính cá nhân hiện nay.
Các ứng dụng thực tế của mạng Sensor yêu cầu phải sử dụng công nghệ mạng Wireless Ad
hoc. Mặc dù vậy, có nhiều thuật toán và giao thức đã đợc sử dụng cho các mạng Wireless Ad
hoc truyền thống nhng chúng không phù hợp lắm với các đặc tính và yêu cầu ứng dụng của
Phan Viết Thời, D2001VT
10
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
mạng Sensor, Để minh hoạ điểm này, sự khác nhau giữa mạng Sensor và mạng Wireless Ad
hoc đợc đợc phác hoạ dới đây :

- Số lợng nút Sensor trong mạng Sensor có thể đợc yêu cầu ở mức lớn hơn rất nhiều so với
các mạng Ad hoc.
- Các nút Sensor đợc triển khai với mật độ lớn hơn.
- Các nút Sensor thờng gặp trục trặc
- Hình trạng mạng Sensor thay đổi rất thờng xuyên.
- Các nút Sensor thờng sử dụng mô hình thông tin quảng bá ngợc lại các mạng Ad hoc sử
dụng truyền thông điểm- điểm.
- Các nút Sensor có hạn chế về công xuất, khả năng tính toán và bộ nhớ.
- Các nút Sensor có thể không có nhận dạng toàn cục do số lợng nút Sensor lớn.
Vì một số lợng lớn nút Sensor đợc triển khai dày đặc nên các nút lân cận có thể rất gần
nhau. Do đó, truyền thông đa liên kết (Multihop) đợc chọn để công suất sử dụng thấp hơn
so với truyền thông đơn liên kết truyền thống (Single hop).Hơn nữa, công suất truyền dẫn có
thể giữ ở mức thấp, điều này rất cần cho các hoạt động ngầm. Truyền thông đa liên kết
còn có một số hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền thông khoảng cách xa.
Một hạn chế quan trọng nhất của các nút Sensor là yêu cầu phải tối thiểu công suất tiêu thụ.
Các nút Sensor chỉ tích trữ đợc nguồn năng lợng hạn chế và không đợc thay thế. Vì vậy,
trong khi các mạng truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất lợng dịch vụ (QoS) cao thì
các giao thức trong mạng Sensor phải chú trọng đến sự bảo tồn nguồn năng lợng. Ngời sử dụng
phải chọn giữa tuổi thọ của mạng với hạn chế về thông lợng hay độ trễ truyền dẫn lớn.
1.3. Mô tả hệ thống
1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát
Các nút Sensor đợc triển khai trong một trờng Sensor (Sensor field) đợc minh họa trên hình
1.1. Mỗi nút Sensor đợc phát tán có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ
thu nhận (Sink) để chuyển tới ngời dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh
hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor. Số liệu đợc định tuyến về phía bộ thu nhận
(nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop
Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều
khiển, nh trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task
Manager Node) của ngời dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite).
Phan Viết Thời, D2001VT

11
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút Sensor
Một nút Sensor đợc tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát
không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút Sensor còn có thể có các thành phần bổ
xung nh hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lợng và thiết bị di động. Các thành phần trong
một nút Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.2. Bộ cảm biến thờng thờng gồm hai đơn vị thành
phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tơng tự / số (ADC). Các tín hiệu tơng
tự có đợc từ các Sensor trên cơ sở cảm biến các hiện tợng đợc chuyển sang tín hiệu số bằng bộ
chuyển đổi ADC, rồi mới đợc đa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thờng kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân
tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện
nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút Sensor và mạng bằng kết nối không dây,
có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của
nút Sensor là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lợng cho nút
Sensor và không thay thế đợc nên nguồn năng lợng của nút thờng là giới hạn. Bộ nguồn có thể
đợc hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lợng, ví dụ nh các tấm pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng Sensor và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu
phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút Sensor thờng phải có hệ
thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút Sensor
theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ đợc phân công.
Phan Viết Thời, D2001VT
12
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Hình 1.2: Các thành phần của nút Sensor
Để minh hoạ rõ hơn về mạng Sensor không dây trong thực tế, phần tiếp sau đây sẽ giới
thiệu một hệ thống mạng Sensor điển hình. Đó là hệ thống WISENET.
1.3.2. Hệ thống WISENET
a) Giới thiệu hệ thống WISENET
WISENET (Wireless Sensor NETwork) là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trờng nh ánh
sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây công suất thấp

đợc gọi là các hạt cảm biến (Sensor motes). Dữ liệu này đợc chuyển tới một máy chủ và đợc
lu trong một cơ sở dữ liệu. Một chơng trình Web sẽ nhận dữ liệu phân tích và hiển thị trên
trình duyệt Web.
Mỗi hạt Sensor đợc tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến, các phần tử
cảm biến môi trờng và nguồn nuôi. Một hệ điều hành thời gian thực đợc gọi là TinyOS (Tiny
Operation System) đợc sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà vẫn cung cấp khả năng
điều chế công suất cao và cho phép các hoạt động tập trung đồng thời.
b) Sơ đồ hệ thống WISENET
Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data Analysis
Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần chính là trạm
chủ (Server), trạm ngời dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor mote network).
Phan Viết Thời, D2001VT
Bộ nguồn Bộ sinh năng l-ợng
Sensor
Thiết bị xử lý
Bộ thu phát
Hệ thống tìm vị trí Thiết bị di động
ADC
Thiết bị nhớ
Bộ cảm biến Bộ xử lý
13
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Hình 1.3; Sơ đồ hệ thống WISENET
Các hệ thống con chính là:
- Hệ thống con phân tích số liệu: Hệ thống con này chỉ gồm phần mềm . Nó dựa trên
cơ sở hạ tầng Internet và Web hiện tại (HTTP) để truyền thông tin giữa máy tính chủ
(Server) và máy truy cập (Client). Nhiệm vụ của hệ thống con này là chọn lấy các dữ
liệu môi trờng thích hợp cha đợc xử lý, có đợc nhờ hệ thống thu nhận dữ liệu, phân tích
và gửi kết quả đến ngời dùng theo yêu cầu.
- Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu môi tr-

ờng và lu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý. Hệ thống con
bao gồm mạng các Sensor đợc kết hợp với máy tính chủ đợc cài đặt phần mềm hệ
thống (TinyOS Daemon).
Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:
- Trạm ngời dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhng là thành phần bên
ngoài. Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệt Web (Web
browser) và đợc nối mạng Internet. Nó chỉ đóng vai trò là giao diện của ngời sử dụng
đối với hệ thống phân tích số liệu. Nó đa ra yêu cầu số liệu của ngời sử dụng với trạm
chủ và thu lấy các số liệu đã yêu cầu.
Trạm chủ (Server): Đây là thành phần then chốt của hệ thống, là mối liên lạc giữa hai
hệ thống con thu nhận và phân tích số liệu. Về mặt phân tích số liệu nó là một máy chủ
HTTP (HTTP Server) mang một ứng dụng Web (Web program). Khi nhận đợc một yêu
cầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web này nhận số liệu từ cơ sở dữ liệu
(SQL Database), phân tích và đa lại trang theo yêu cầu đến máy tính ngời dùng
Phan Viết Thời, D2001VT
14
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
(Client). Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có một trình tiện ích hoạt động ngầm
(Daemon) đợc gọi là wiseDB để trao đổi thông tin dễ dàng với mạng Sensor. WiseDB
đảm nhận việc gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp (gateway
mote) để chuyển tới mạng Sensor. Nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng
Sensor (cũng thông qua gateway mote). Số liệu đa đến đợc xử lý rất ít và đợc chuyển
vào cơ sở dữ liệu. Nh vậy, cơ sở dữ liệu SQL là cầu nối giữa hai hệ thống thu nhận và
xử lý số liệu. Vì cơ sở dữ liệu SQL liên lạc thông qua TCP/IP nên chỉ trạm chủ HTTP
và chơng trình Web cần phải đợc đặt trong cùng một tổ chức vật lý. Trạm chủ HTTP,
cơ sở dữ liệu SQL, wiseDB có thể đặt trong các tổ chức vật lý khác nhau và kết nối
thông qua Internet. Trình tự hoạt động của Server đợc tóm tắt nh sau:
Hình 1.4: Trình tự hoạt động của Server
Mạng các hạt Sensor: Mạng các Sensor là thành phần trọng tâm của hệ thống. Các Sensor
đảm nhận việc thu thập số liệu môi trờng và chuyển các số liệu này đến trạm chủ. Nó còn

phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về số liệu hay tải chơng trình mới. Có hai
phần tử thuộc thành phần này. Thứ nhất là các hạt thông thờng (Standard mote). Các hạt này
có nhiệm thu thập các thông tin cảm biến từ môi trờng, bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm
và truyền các số liệu này đến gateway. Chúng truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công
suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz và đảm bảo tất cả các gói đều đợc đa tới Gateway. Chúng
còn có phần cứng hiệu chỉnh và giám sát công suất nguồn. Hạt cổng (Gateway mote) là phần
tử thứ hai của mạng Sensor motes. Mục đích chính của nó là liên lạc giữa trạm chủ và mạng
Sensor qua liên kết vô tuyến RS-232 và chuyển tất cả các gói số liệu tới WiseDB. Cả hai
phần tử Standard mote và Gateway mote đều có cùng phần cứng và phần mềm, chúng chỉ
khác nhau vế chức năng.
Phan Viết Thời, D2001VT
Kiểm tra
các tham
số điều
kiện hợp
lệ.
Nhận số liệu
từ cơ sở dữ
liệu, tuỳ theo
ràng buộc
của trạm
khách
Tạo trang
Web với
dữ liệu
đã đ-ợc
yêu cầu
Client
yêu
cầu số

liệu
với các
điều
kiện
Gửi
trang
Web
đến
Client.
15
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor gồm:
Các thành phần trong hạt Sensor đợc minh hoạ trên hình 1.5, bao gồm:
- Các Sensor cảm biến ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ (Light, Humidity, Temp); các LED trạng
thái.
- Mạch thu phát vô tuyến, mạch giao tiếp RS-232 (UARTS), các bộ chuyển tơng tự-số
(ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điều hành TinyOS, phần
mềm) đợc tích hợp trên vi mạch CC1010.
- Phần mềm hệ thống (drivers) giao tiếp RS-232 (chỉ trong gateway), bộ thu phát vô tuyến
và antent.
-Bộ nguồn nuôi (gồm acquy, mạch giám sát nguồn).
c) Các tiêu chuẩn đợc áp dụng
* Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP).
* Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc (SQL).
* Liên kết vô tuyến nối tiếp RS-232.
* Liên kết nối tiếp vi điều khiển (I2C).
* Quy định FCC (dải tần công nghiệp, khoa học, y tế ISM).
1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng
Ngăn xếp giao thức đợc sử dụng trong bộ thu nhận (nút Sink) và tất cả các nút Sensor đợc
minh họa trong hình 1.6.

Phan Viết Thời, D2001VT
16
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lợng, kết hợp số liệu
với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lợng thông qua môi trờng không dây và
tăng cờng sự hợp tác giữa các nút Sensor. Ngăn xếp giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application
Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink
Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lợng (Power Management Plane),
mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ
(Task Management Plane).
Hình 1.6: Ngăn xếp giao thức mạng Sensor
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể đợc xây dựng và sử
dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng
Sensor yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu đợc cung cấp bởi lớp giao
vận. Do môi trờng có nhiễu và các nút Sensor có thể di động đợc, giao thức MAC phải đợc
tính toán về năng lợng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các nút lân cận .
Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhng mạnh mẽ.
Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lợng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân
phối năng lợng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các nút Sensor. Các mặt bằng này giúp
cho các nút Sensor có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm đợc tổng năng lợng tiêu
thụ.
Mặt bằng quản lý năng lợng quản lý việc một nút Sensor sử dụng năng lợng của nó nh thế
nào. Ví dụ, nút Sensor có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các nút
lân cận. Điều này có thể tránh đợc việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lợng
của nút Sensor thấp, nút Sensor sẽ thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lợng thấp
của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin. Năng lợng
Phan Viết Thời, D2001VT
17
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
còn lại đợc dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển

động của nút Sensor, vì thế một tuyến đờng hớng tới nút user luôn đợc duy trì và các nút
Sensor có thể theo dõi đợc các nút Sensor lân cận. Với việc nhận biết đợc các nút Sensor lân
cận, nút Sensor có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lợng sử dụng. Mặt bằng quản lý
nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả
các Sensor trong vùng đó đợc yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết
quả là một vài nút Sensor thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lợng
của chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, nh vậy, các nút Sensor có thể làm việc
cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lợng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng
Sensor di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút Sensor. Nếu không, mỗi nút Sensor sẽ chỉ
làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng Sensor, sẽ hiệu
quả hơn nếu các nút Sensor có thể hoạt động hợp tác với nhau, nh thế cũng có thể kéo dài
tuổi thọ của mạng.
1.4.1. Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng Sensor đợc vạch rõ và đợc đề xuất, các giao
thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng Sensor vẫn còn là một vùng rộng lớn cha đợc khám
phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức
quản lý Sensor (Sensor Management Protocol-SMP), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo
số liệu (Task Assignment and Data Advertisement Protocol-TADAP), giao thức truy vấn
Sensor và phổ biến số liệu (Sensor Query and Data Dissemination Protocol-SQDDP), rất cần
thiết cho mạng Sensor trên cơ sở những sơ đồ đợc đề xuất có liên quan tới những lớp khác và
các lĩnh vực ứng dụng mạng Sensor. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn
đề nghiên cứu có tính mở.
1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor
Việc thiết kế một giao thức quản lý lớp ứng dụng có nhiều thuận lợi. Mạng Sensor có nhiều
lĩnh vực ứng dụng khác nhau và việc truy nhập đến các Sensor thông qua các mạng nh
Internet đợc định hớng trong một số các dự án hiện nay. Một giao thức quản lý lớp ứng dụng
làm cho phần cứng và phần mềm của các lớp thấp trở lên trong suốt với các ứng dụng quản lý
mạng Sensor. Tức là, việc sử dụng các phần cứng và phần mềm nào cho lớp thấp không ảnh
hởng tới hoạt động của các ứng dụng quản lý mạng Sensor.
Các nhà quản trị hệ thống tác động tới mạng Sensor nhờ sử dụng SMP. Không nh nhiều

mạng khác, mạng Sensor bao gồm các nút không có các số nhận dạng ID (IDentify ) toàn cục và
chúng thờng không có cơ sở hạ tầng mạng. Vì thế SMP cần phải truy nhập tới các nút bằng
cách sử dụng đặt tên thuộc tính cơ sở và đánh địa chỉ vị trí cơ sở.
SMP là một giao thức quản lý cung cấp hoạt động phần mềm cần thiết để thực hiện
nhiệm vụ quản trị mạng sau:
Phan Viết Thời, D2001VT
18
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
- Đa ra các quy tắc liên quan tới việc tập hợp số liệu, đặt tên thuộc tính cơ sở, tập hợp các
nhóm nút Sensor thành cụm.
- Trao đổi số liệu liên quan tới các thuật toán tìm vị trí
- Đồng bộ thời gian cho các nút Sensor
- Di chuyển các nút Sensor
- Bật và tắt các nút Sensor
- Truy vấn cấu hình mạng Sensor và trạng thái nút, định dạng lại cấu hình mạng Sensor
- Xác nhận, phân phối khoá và bảo mật trong truyền thông số liệu
1.4.1.2. Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu
Một hoạt động quan trọng khác trong mạng Sensor là phổ biến yêu cầu về số liệu. Ngời
sử dụng có thể gửi yêu cầu này tới một nút Sensor, tới một mạng con hoặc tới toàn mạng. Yêu
cầu này có thể là về một thuộc tính nào đó của hiện tợng mục tiêu hoặc một sự kiện đáng
quan tâm. Sau đó, các Sensor liên quan sẽ gửi các số liệu đợc yêu cầu tới ngời sử dụng. Một ph-
ơng pháp khác là quảng cáo các số liệu có sẵn. Trong phơng pháp này, các nút Sensor quảng
cáo các số liệu có sẵn cho ngời dùng và truy vấn ngời sử dụng về số liệu mà họ quan tâm tới .
Một giao thức lớp ứng dụng cung cấp cho ngời dùng phần mềm với giao diện cho việc truyền
đạt yêu cầu hỗ trợ rất hiệu quả cho các hoạt động của lớp thấp hơn, nh định tuyến
1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu
SQDDP cung cấp cho ngời sử dụng những ứng dụng bao gồm giao diện truy vấn, phản hồi
truy vấn và thu thập phản hồi gửi tới. Cần lu ý rằng hầu hết các truy vấn không đợc đa ra cho
từng nút riêng. Thay vào đó, việc đặt tên thuộc tính cơ sở và vị trí cơ sở đợc sử dụng
nhiều hơn. Ví dụ: vị trí của những nút mà cảm biến đợc nhiệt độ cao hơn 70 độ F là

một truy vấn thuộc tính cơ sở. Tơng tự nh vậy, nhiệt độ đọc ra bởi những nút trong vùng A
là một ví dụ đặt tên vị trí cơ sở.
Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ Sensor (Sensor Query And Tasking Language-
SQTL) là một ứng dụng cung cấp một tập hợp lớn dịch vụ. SQTL hỗ trợ ba loại sự kiện đợc
định nghĩa bằng từ khóa receive, every and expire. Từ khóa receive định nghĩa các sự kiện
đợc tạo ra bởi nút Sensor khi nút Sensor nhận đợc một bản tin (Message); từ khóa Every định
nghĩa các sự kiện xảy ra định kỳ theo một bộ định thời gian (Timer), từ khóa Expire định
nghĩa các sự kiện xảy ra khi một bộ định thời gian không còn hiệu lực. Nếu một nút Sensor
nhận đợc một thông báo dành cho nó và bao gồm một đoạn mã lệnh, nút Sensor sẽ thực hiện
đoạn lệnh đó. Ngoài SQTL, các loại SQDDP khác có thể phát triển cho những ứng dụng khác
nhau. Các SQDDP có thể đợc sử dụng duy nhất cho từng ứng dụng.
Phan Viết Thời, D2001VT
19
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
1.4.2 Lớp giao vận
Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các nút Sensor có báo cáo
cần chuyển tới nút thu nhận (Sink) và nút ngời sử dụng. Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi
hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên ngoài khác. Giao
thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn cha phù hợp với đặc trng của môi trờng mạng Sensor
hiện nay. Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ các nút Sensor trực tiếp đến nút
quản lý của ngời sử dụng là không hiệu quả. Phơng pháp phân tách TCP là cần thiết để
mạng Sensor tơng tác với các mạng khác ví dụ nh Internet. Trong phơng pháp này, kết nối TCP
đợc sử dụng để liên lạc giữa nút quản lý của ngời sử dụng và nút thu nhận (Sink) và một giao
thức lớp giao vận phù hợp với môi trờng mạng Sensor đợc sử dụng cho truyền thông giữa nút thu
nhận và các nút Sensor. Kết quả là truyền thông giữa nút ngời sử dụng và nút thu nhận có
thể sử dụng giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh. Mặt khác, việc
truyền thông giữa nút thu nhận và các nút Sensor chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu
nh UDP, bởi vì các nút Sensor có bộ nhớ hạn chế.
Không giống các giao thức kiểu nh TCP, các phơng pháp truyền thông đầu cuối (end to end)
trong mạng Sensor không địa chỉ toàn cục. Các phơng pháp này dựa trên việc đặt tên thuộc

tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu. Các nhân tố nh tiêu thụ năng lợng, khả năng
mở rộng và các đặc trng nh định tuyến tập trung số liệu khiến cho mạng Sensor cần phải
có những cơ chế khác trong lớp giao vận. Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại
giao thức mới ở lớp giao vận.
1.4.3 Lớp mạng
Các nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện
tợng mục tiêu nh trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa bớc phù hợp giữa nút
Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-hoc thông thờng không
phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của mạng Sensor đợc thiết kế theo những
nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng lợng luôn là yếu tố quan trọng
- Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung
- Việc tập hợp số liệu chỉ đợc thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút
Sensor .
- Một mạng Sensor lý tởng phải nhận biết đợc việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị
trí.
1.4.4. Liên kết liên mạng
Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp sự liên kết mạng với các mạng bên
ngoài nh các mạng Sensor khác, các hệ thống phát lệnh và điều khiển hay Internet. Trong một
Phan Viết Thời, D2001VT
20
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
mô hình mạng, các nút Sink đợc sử dụng nh một cổng (Gateway) đến các mạng khác. Trong
một mô hình mạng khác, một đờng trục đợc tạo ra bằng việc kết nối các nút Sink với nhau và
đờng trục này đợc truy nhập tới các mạng khác thông qua một Gateway.
Phan Viết Thời, D2001VT
21
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Các giao thức Mô tả giao thức
SMECN Tạo một lợc đồ con của mạng Sensor gồm đờng ME

Tràn Quảng bá số liệu tới tất cả các nút lân cận mà không quan tâm
đến việc chúng đã nhận nó hay cha
Dây truyền
SPIN
Gửi số liệu tới một nút lân cận đợc lựa chọn ngẫu nhiên
Chỉ gửi các số liệu tới các nút Sensor nếu chúng đợc yêu cầu; có 3
loại bản tin : ADV, REQ và DATA
SAR Tạo nhánh nhiều nhánh cây với gốc của mỗi nhánh cây là một bớc tới
nút lân cận từ nút Sink; chọn một cây cho số liệu để định tuyến
trở lại bộ nhận theo tài nguyên năng lợng và việc đo QoS bù.
LEACH Tạo các cụm (Cluster) để tối thiểu hóa tiêu thụ năng lợng
Truyền tin có
định hớng
Thiết lập các chỉ hớng cho số liệu từ nguồn tới nút Sink trong quá
trình phổ biến sự quan tâm
Bảng 1.1: Tổng quan về lớp mạng
1.4.5 Lớp liên kết số liệu
Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung số liệu,
điều khiển truy nhập môi trờng và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối điểm -điểm
(Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền thông. Hai phần
dới sẽ trình bày về chiến lợc truy nhập môi trờng truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng
Sensor.
1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trờng truyền dẫn
Giao thức MAC trong mạng Sensor tự tổ chức đa bớc không dây (Wireless Multihop Self-
organizing Sensor network) phải đạt đợc hai mục tiêu. Thứ nhất là phải tạo ra cơ sở hạ tầng
mạng. Vì hàng nghìn nút Sensor đợc phân bố dày đặc trong một trờng Sensor nên giao thức
MAC phải thiết lập đợc những liên kết thông tin để truyền số liệu. Việc này sẽ lập lên cơ
sở hạ tầng nền tảng cần thiết cho truyền thông không dây đa bớc và tạo cho mạng Sensor khả
năng tự tổ chức. Nhiệm vụ thứ hai là chia sẻ tài các nguyên thông tin một cách hiệu quả và
cân bằng giữa các nút Sensor. Các giao thức MAC truyền thống có thể đợc phân loại dựa trên

các cơ chế phân bổ tài nguyên. Bảng 2.3 cung cấp một sự phân tích các u, nhợc điểm và
phạm vi ứng dụng của các loại này.
Phan Viết Thời, D2001VT
22
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Phân loại Kiểu chia sẻ tài nguyên Phạm vi ứng dụng Nhợc điểm
Chỉ định
riêng hay phân
bổ cố định
Phân bổ cố định đợc
xác định trớc
Thích hợp với lu lợng
liên tục và cung cấp hạn
chế trễ
Không hiệu quả với
lu lợng cao
Dựa trên nhu
cầu
Tuỳ thuộc vào nhu cầu
hay yêu cầu của ngời dùng
Hữu ích đối với tốc
độ biến đổi và lu lợng
đa phơng tiện
Làm tăng phụ tải
(Overhead) và trễ do
tiến trình đăng kí
trớc tài nguyên
Truy nhập
ngẫu nhiên
(dựa trên cạnh

tranh)
Tranh dành kênh khi
cần chuyển gói
Phù hợp với lu lợng cao Không hiệu quả với
lu lợng nhạy cảm với
trễ
Bảng 1.2: Phân loại giao thức MAC
1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi
Một chức năng quan trọng khác của lớp liên kết số liệu là điều khiển sửa lỗi cho số liệu
truyền dẫn. Hai phơng pháp điều khiển sửa lỗi quan trọng trong mạng truyền thông là sửa lỗi
trớc (Forward Error Correction-FEC) và yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request-
ARQ). Phơng pháp ARQ cha đợc áp dụng trong mạng Sensor mặc dù đã có nhiều dạng ARQ có
khả năng thích ứng và hiệu quả đã đợc áp dụng cho các mạng di động khác. Khả năng ứng
dụng của phơng pháp ARQ trong mạng Sensor bị hạn chế do việc tăng chi phí trớc khi truyền
dẫn và phụ tải. Mặt khác, độ phức tạp trong mã hoá của phơng pháp FEC tăng theo khả năng
hiệu chỉnh lỗi. Xét về mặt này, việc sử dụng các mã đơn giản là giải pháp tốt nhất cho
mạng Sensor. Trong thiết kế của phơng pháp này, vấn đề quan trọng là phải xem xét kỹ lỡng
đặc điểm của kênh và kỹ thuật mã. Phần tiếp theo sẽ trình bày động lực ứng dụng và cơ sở
thiết kế thủ tục FEC theo yêu cầu của mạng Sensor.
FEC: Độ tin cậy của liên kết là tham số quan trọng trong thiết kế bất kì một mạng không
dây nào, điều này càng quan trọng hơn với mạng Sensor do tính chất gay gắt và không ổn
định của sự đụng độ kênh trong các ứng dụng khác nhau. Một số các ứng dụng nh giám sát di
động và điều hành máy móc đòi hỏi độ chính xác số liệu cao. Tỷ số lỗi bít (BER) là tham
số quan trọng để đánh giá độ tin cậy của liên kết. BER tỷ lệ thuận với tốc độ kí hiệu R
s
và
tỷ lệ nghịch với tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (E
s
/ N
0

) và mức công xuất phát P
out
. Giả sử
một phơng pháp mã hoá với tỷ lệ R đợc sử dụng. Nếu tốc độ truyền kí hiệu số liệu đợc giữ
không đổi so với trớc khi mã hoá thì tốc độ truyền kí hiệu tổng phải tăng đến R
s
/ R. Ngoài
ra, nếu công suất truyền dẫn không đổi thì năng lợng thu đợc trên một kí hiệu giảm đến
RE
s
. BER đo đợc ở đầu vào bộ giải mã, BER của tín hiệu cha đợc xử lý, lớn hơn BER của
tín hiệu sau giải mã. Điều này có đợc nhờ bộ giải mã bằng cách khai thác phần d thừa và cầu
trúc của bộ mã để hiệu chỉnh một số lỗi đờng truyền. Trong thực tế, một mã sửa lỗi tốt đợc
Phan Viết Thời, D2001VT
23
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
đánh giá qua mức độ giảm BER và độ lợi chung. Độ lợi mã đợc đánh giá bằng công suất phát
thêm vào cần thiết trong trờng hợp không dùng mã sửa lỗi để đạt đợc cùng BER của tín hiệu
sau giải mã.
Việc truyền thông số liệu một cách tin cậy có thể đợc cung cấp bằng cách tăng công xuất
phát ra (P
out
) hoặc sử dụng cơ chế FEC phù hợp. Vì một nút Sensor có nguồn năng lợng giới hạn
nên việc tăng công suất phát là không khả thi. Do đó, phải tập trung vào FEC vì FEC có thể
giảm đáng kể BER với bất kì giá trị P
out
đợc cho. Tuy nhiên, cũng phải tính đến công suất
xử lý tăng thêm do mã hoá và giải mã. Công suất xử lý này gây bất lợi do giới hạn nguồn năng l-
ợng của các nút Sensor. Điều này rất quan trọng đối với mạng Sensor mặc dù có thể không
đáng kể với các mạng không dây khác. Nếu công xuất xử lý phát sinh này lớn hơn độ lợi mã

hoá thì cả quá trình này là không hiệu quả về năng lợng và hệ thống chẳng cần phải mã hoá
sửa lỗi. Mặt khác, FEC là rất quan trọng với mạng Sensor nếu tổng công suất mã hoá và giải
mã nhỏ hơn công suất phát tiết kiệm đợc.
Giả thiết một kênh có Fading Rayleigh chậm không chọn lọc tần số và sử dụng mã hoá soắn
để hiệu chỉnh lỗi. Các phân tích đã đa đến kết luận rằng năng lợng tiêu thụ trung bình
cho một bit có ích tăng hàm mũ theo độ dài hạn chế của mã và không phụ thuộc vào tỷ lệ mã.
Ngoài ra, FEC thờng không hiệu quả nếu giải mã bằng một vi xử lý và nghiên cứu này giới
thiệu một bộ giải mã Viterbi chuyên dụng gắn trên bảng mạch. Các kỹ thuật mã đơn giản có
thể giải quyết vấn đề hiệu quả năng lợng cho mạng Sensor.
1.4.6 Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế và mã hoá
số liệu. Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ
không đợc xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng, hiệu
xuất năng lợng và các phơng pháp điều chế trong mạng Sensor.
Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về năng lợng
và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng Sensor, việc tối thiểu
hoá năng lợng đợc coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản,
phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đờng. Thông thờng, công suất đầu ra tối thiểu để
chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với d
n
, trong đó 2 n < 4.

Số mũ n gần 4
với antent tầm thầp và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng Sensor. Nguyên nhân là
do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất. Để giải quyết vấn đề này, ngời
thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt để. Vi
dụ, truyền thông qua nhiều bớc nhảy trong mạng Sensor có thể vợt qua một cách hiệu quả các
vật chắn và các hiệu ứng suy hao đờng truyền nếu mật độ nút mạng đủ lớn. Tơng tự, trong
khi suy hao đờng truyền và dung lợng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có
thể sử dụng lại tần số theo không gian.

Phan Viết Thời, D2001VT
24
Đồ án tốt nghiệp đại học Chơng I. Tổng quan về mạng Wireless Sensor
Việc lựa chọn phơng thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin cậy trong
truyền thông của mạng Sensor. Các phơng pháp điều chế cơ hai và cơ số M đợc so sánh trong
[36]. Trong khi một phơng pháp điều chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền
dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện
và tăng công suất vô tuyến. Với điều kiện công suất khởi kích (đợc giới thiệu trong phần
2.1.8) vợt trội thì phơng pháp điều chế cơ số hai có hiệu quả về năng lợng hơn. Vì thế, ph-
ơng pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi với các hệ thống có công suất khởi kích thấp.
Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (Impulse Radio-IR)
từng đợc sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đo khoảng cách, gần
đây đợc chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạng không dây trong nhà.
UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên không cần các tần số mang hoặc trung tần. Thông th-
ờng, điều chế vị trí xung đợc sử dụng. Ưu điểm chính của UWB là khả năng mau phục hồi
với đối với hiên tợng phát đa đờng. Việc sử dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế
mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích hợp với các mạng Sensor.
1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor
1.5.1. Kích thớc vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp
Trong bất kỳ hớng phát triển công nghệ nào, kích thớc và công suất tiêu thụ luôn chi phối
khả năng xử lý, lu trữ và tơng tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho
mạng Sensor phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về
khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế
của phần cứng.
1.5.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Phơng thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng Sensor là cảm biến và vận
chuyển các dòng thông tin với khối lợng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận một lệnh, dừng,
phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến có thể đợc thu nhận đồng thời bởi các
Sensor, đợc thao tác và truyền lên mạng. Hoặc dữ liệu có thể đợc nút Sensor nhận từ các nút
Sensor khác và đợc hớng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lợng bộ nhớ

trong nhỏ nên việc đệm một khối lợng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi.
Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lợng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức
cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó, các
nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
1.5.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Số lợng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi của liên kết
xử lý - lu trữ - chuyển mạch trong mạng Sensor thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông th-
ờng. Điển hình, bộ cảm biến (Sensor ) hay bộ truyền động (actuator) cung cấp một giao diện
Phan Viết Thời, D2001VT
25