Bai giang mang CB

MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................................1
MỤC LỤC.............................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.....................................6
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY.....................................6
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến khơng dây....................................................................6
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến khơng dây....................................................................6
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến...................................................7
phân bố rải rác trong trường cảm biến...................................................................................7
1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây................................................7
1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây................................................7
1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút............................................................................7
1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng........................................................................8
1.2.3. Sự chuẩn hóa......................................................................................................10
1.2.4. Khả năng cộng tác..............................................................................................11
1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây..................................12
1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây..................................12
Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây....................................13
1.3.1. Lớp vật lý...........................................................................................................13
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu............................................................................................13
1.3.3. Lớp mạng...........................................................................................................14
1.3.4. Lớp giao vận......................................................................................................15
1.3.5. Lớp ứng dụng.....................................................................................................16
1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây........................17
1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây........................17
1.4.1. Mơ hình truyền thơng trong mạng cảm biến khơng dây....................................17
Hình 1.3: Mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm trong mạng cảm biến khơng dây................18
Hình 1.4: Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến khơng dây...........18
Hình 1.5: Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây...........19
1.4.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến khơng dây................................20
Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và các nút

RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai mạng PAN
được biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao gồm hai FFDs nhưng chỉ
một FFD là điều phối viên PAN............................................................................................21
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)...................................................................................................................................22
Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vơ tuyến vật lý.....................................23
Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11. Kênh 25 và 26
không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng,
hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11.........................................24
Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC..........................25
Chương 2. PHẦN CỨNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY................................27
Chương 2. PHẦN CỨNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY................................27
1


2.1. Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây.....................................................27
2.1. Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây.....................................................27
Hình 2.1: Các thành phần chính trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm biến khơng dây.
...............................................................................................................................................27
Hình 2.2: Bo mạch MicaZ của hãng Crossbow Technology................................................28
2.1.1. Thiết bị truyền thơng..........................................................................................28
Hình 2.3: Bộ thu phát vô tuyến CC2430 với vi điều khiển 8051 và ăng-ten tích hợp trên bo
mạch được sản xuất bởi Radiocrafts. Kích thước của bo mạch là 1,2 x 1,0 cm2.................29
2.1.2. Bộ vi điều khiển.................................................................................................29
Hình 2.4: Bộ vi điều khiển Atmel ATTINY 2313 với 20 chân. Các bộ vi điều khiển
ATTINY 2313 có 2 KB bộ nhớ ROM và 128 byte bộ nhớ RAM.........................................30
2.1.3. Cảm biến............................................................................................................30
2.1.4. Nguồn cung cấp.................................................................................................31
2.2. Khảo sát một số nền tảng phần cứng phổ biến cho mạng cảm biến không dây.......31
2.2. Khảo sát một số nền tảng phần cứng phổ biến cho mạng cảm biến khơng dây.......31

Hình 2.5: Mốc thời gian ra đời các nền tảng phần cứng......................................................32
2.3. Giải pháp thiết kế phần cứng TUmote cho mạng cảm biến không dây....................33
2.3. Giải pháp thiết kế phần cứng TUmote cho mạng cảm biến khơng dây....................33
Hình 2.6: Sơ đồ khối TUmote..............................................................................................33
2.3.1. Bộ vi điều khiển MSP430..................................................................................33
2.3.2. Bộ thu phát vô tuyến CC2420............................................................................34
2.3.3. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm..................................................................................34
2.3.4. Bộ nhớ ngoài......................................................................................................34
2.3.5. Kết nối mở rộng.................................................................................................34
2.3.6. Giao tiếp USB....................................................................................................34
2.3.7. Nguồn cung cấp.................................................................................................35
2.4. Công cụ phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu TU2C........................................35
2.4. Công cụ phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu TU2C........................................35
Hình 2.7: Kiến trúc phần mềm TU2C..................................................................................35
2.5. Một số hình ảnh về phần cứng TUmote và chương trình phần mềm TU2C.............36
2.5. Một số hình ảnh về phần cứng TUmote và chương trình phần mềm TU2C.............36
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý TUmote.....................................................................................38
...........................................................................................................................................38
...........................................................................................................................................38
Hình 2.9: Sơ đồ mạch in TUmote........................................................................................38
Hình 2.10: Hình ảnh phần cứng TUmote.............................................................................39
Hình 2.11: Giao diện chương trình phần mềm TU2C..........................................................39
Chương 3. HỆ ĐIỀU HÀNH CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY...........................39
Chương 3. HỆ ĐIỀU HÀNH CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY...........................39
3.1. Giới thiệu về phần mềm của nút cảm biến không dây..............................................39
3.1. Giới thiệu về phần mềm của nút cảm biến không dây..............................................39
Hình 3.1: Quá trình phát triển phần mềm cho một nút cảm biến không dây. Mã nguồn được
biên dịch thành mã máy và được ghi vào ROM trong bộ vi điều khiển của nút cảm biến...40
3.2. Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây...........................................................40
3.2. Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây...........................................................40

3.3. Những thách thức ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ điều hành cho mạng cảm biến
không dây..........................................................................................................................40
2


3.3. Những thách thức ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ điều hành cho mạng cảm biến
không dây..........................................................................................................................40
3.4. Khảo sát một số hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây.................................41
3.4. Khảo sát một số hệ điều hành cho mạng cảm biến khơng dây.................................41
3.4.1. Hệ điều hành TinyOS.........................................................................................41
Hình 3.2: Kiến trúc hệ điều hành TinyOS............................................................................41
3.4.2. Hệ điều hành LiteOS..........................................................................................42
Hình 3.3: Kiến trúc hệ điều hành LiteOS............................................................................42
3.4.3. Hệ điều hành Contiki.........................................................................................43
Hình 3.4: Hệ điều hành Contiki...........................................................................................43
3.5. Hệ điều hành Contiki cho mạng cảm biến không dây..............................................44
3.5. Hệ điều hành Contiki cho mạng cảm biến khơng dây..............................................44
3.5.1. Giới thiệu...........................................................................................................44
Hình 3.5: Lịch sử phát triển Contiki....................................................................................45
3.5.2. Cấu trúc hệ điều hành Contiki...........................................................................45
3.5.3. Ngăn xếp truyền thơng trong hệ điều hành Contiki...........................................46
Hình 3.6: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki..............................................................46
Hình 3.7: Sơ đồ hoạt động các ứng dụng trong Contiki......................................................47
Hình 3.8: Ngăn xếp truyền thơng uIP...................................................................................48
Hình 3.9: Tổ chức của RIME...............................................................................................49
Hình 3.10: Bộ đệm và Thao tác gói trong RIME.................................................................49
3.5.4. Mơ hình lập trình trong hệ điều hành Contiki....................................................49
Hình 3.11: Phương thức sử dụng bộ nhớ của Multithreads và Event-driven.......................51
Hình 3.12: Các luồng điều khiển trong Multithreads và Event-driven................................51
Hình 3.13: Ví dụ về lập trình đa luồng (trái) và lập trình hướng sự kiện (phải)..................52

Hình 3.14: Ví dụ của lập trình Protothreads........................................................................52
3.5.5. Các bộ định thời trong hệ điều hành Contiki.....................................................52
3.5.6. Một số hướng dẫn cơ bản với hệ điều hành Contiki..........................................53
Hình 3.15: Giao diện VMware Player..................................................................................53
Hình 3.16: Chọn đường dẫn đến Instant-Contiki.................................................................54
Hình 3.17: Giao diện đăng nhập username..........................................................................54
Hình 3.18: Giao diện nhập Password...................................................................................54
Hình 3.19: Giao diện Instant-Contiki được cài trên Ubuntu................................................55
Hình 3.20: Soạn thảo Makefile trong gedit..........................................................................56
Hình 3.21: Soạn thảo chương trình Hello-world trong gedit...............................................57
Hình 3.22: Giao diện ứng dụng mơ phỏng trên Cooja.........................................................58
Chương 4. GIAO THỨC LỚP MAC...................................................................................59
Chương 4. GIAO THỨC LỚP MAC...................................................................................59
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.....................................................................59
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.....................................................................59
4.1. Cơ chế quản lý năng lượng lớp MAC.......................................................................59
4.1. Cơ chế quản lý năng lượng lớp MAC.......................................................................59
4.2. Cơ chế quản lý công suất vô tuyến...........................................................................60
4.2. Cơ chế quản lý công suất vô tuyến...........................................................................60
4.2.1. Chu kỳ công suất không đồng bộ.......................................................................62
3


4.2.2. Chu kỳ công suất đồng bộ..................................................................................66
Chương 5. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..........................68
Chương 5. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..........................68
5.1. Tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây..........................68
5.1. Tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây..........................68
5.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến...........69
5.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến...........69

5.3. Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây.............70
5.3. Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây.............70
5.4. Khảo sát một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây..................72
5.4. Khảo sát một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây..................72
5.4.1. Các giao thức định tuyến phẳng, trung tâm dữ liệu...........................................72
5.4.2. Các giao thức định tuyến dựa trên sự phân cụm................................................78
5.4.3. Các giao thức định tuyến dựa trên vị trí.............................................................83
5.4.4. Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP...................................................................83
5.5. Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP..........................................................................84
5.5. Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP..........................................................................84
5.5.1. Giới thiệu giao thức CTP...................................................................................84
Hình 5.8: Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP................................85
Hình 5.9: ETX1hop của một liên kết...................................................................................86
5.5.2. Thực thi giao thức CTP trên hệ điều hành Contiki............................................87
Hình 5.10: Giao thức CTP được xây dựng trên ngăn xếp truyền thơng RIME trong Contiki.
...............................................................................................................................................87
Hình 5.11: Quá trình xử lý một số sự kiện trong giao thức CTP.........................................92
Hình 5.12: Lưu đồ thuật tốn Thêm/Cập nhật rtmetric của nút lân cận..............................93
Chương 6. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..................................................................94
Chương 6. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..................................................................94
TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IP...............................................................................................94
TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IP...............................................................................................94
6.1. Giới thiệu về kiến trúc IP..........................................................................................94
6.1. Giới thiệu về kiến trúc IP..........................................................................................94
6.2. Ưu điểm của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP.................................95
6.2. Ưu điểm của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP.................................95
6.2.1. Khả năng cộng tác..............................................................................................95
6.2.2. Một kiến trúc phát triển và linh hoạt..................................................................97
6.2.3. Tính ổn định và sự phổ biến của kiến trúc.........................................................98
6.2.4. Khả năng mở rộng..............................................................................................98

6.2.5. Cấu hình và quản lý mạng.................................................................................98
6.2.6. Kích thước nhỏ gọn............................................................................................99
6.3. Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến khơng dây bởi IETF......................100
6.3. Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến khơng dây bởi IETF......................100
6.3.1. Nhóm làm việc 6LoWPAN..............................................................................101
6.3.2. Nhóm làm việc RoLL......................................................................................102
6.4. Mơ hình kết nối mạng cảm biến khơng dây trên nền kiến trúc IP..........................103
6.4. Mơ hình kết nối mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP..........................103
6.4.1. Mơ hình mạng cảm biến khơng dây tự trị........................................................103
6.4.2. Mơ hình mạng cảm biến khơng dây kết nối với Internet.................................104
6.5. Các giao thức lớp truyền tải....................................................................................105
6.5. Các giao thức lớp truyền tải....................................................................................105
4


6.5.1. Giao thức UDP cho mạng cảm biến không dây...............................................105
.........................................................................................................................................106
.........................................................................................................................................106
6.5.2. Giao thức TCP cho mạng cảm biến không dây................................................107
6.6. IPv6 cho mạng cảm biến không dây.......................................................................113
6.6. IPv6 cho mạng cảm biến không dây.......................................................................113
6.6.1. Giới thiệu về IPv6............................................................................................113
6.6.2. Tiêu đề IPv6 cố định........................................................................................114
6.6.3. Kiến trúc địa chỉ IPv6......................................................................................115
6.7. Lớp thích ứng 6LoWPAN.......................................................................................117
6.7. Lớp thích ứng 6LoWPAN.......................................................................................117
6.7.1. Phân mảnh gói tin............................................................................................119
6.7.2. Nén tiêu đề 6LoWPAN....................................................................................121
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................126
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................126

5


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng
bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính tốn và truyền thơng nhằm cung
cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện
tượng trong một môi trường xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến
khơng 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
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường
được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường
dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt
động trong mơi trường khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ
cao,…).
Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được 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 người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến adhoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể truyền
thơng với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay bất kỳ
mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc khơng cần đến các
mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối. Lưu ý rằng, có
thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình
1.1.

6


Hình 1.1: Mạng cảm biến khơng dây với các nút cảm biến

phân bố rải rác trong trường cảm biến.
Trong các mạng cảm biến khơng 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 được 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 được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp trong tuyến
đường đa chặng đến Sink.

1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây
1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút cần
phải giải quyết là cơng suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành. Công suất tiêu
thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng
thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn năng lượng thấp bên ngồi.
Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố kích thước và hình thức quyết
định đến các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm
biến khơng dây phải có kích thước nhỏ gọn. Giá thành cũng quan trọng đối với các
nút mạng cảm biến khơng dây bởi vì mạng cảm biến khơng dây thường được triển
khai với quy mô lớn. Với việc triển khai hàng ngàn các nút mạng cảm biến thì việc
tiết kiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phép tiết kiệm được một khoản
tiền đáng kể.
Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến
việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc mạng.
Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện phần cứng
có cơng suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dịng rị cũng như hỗ trợ chế độ ngủ
hiệu quả về mặt năng lượng. Phần mềm chạy trên các nút cảm biến không dây cần
phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng và đặt các thành phần phần cứng ở
chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Nhờ sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các

nút mạng cảm biến có thể chạy hệ điều hành và nó cung cấp các cơ chế hoạt động
công suất thấp giúp tiết kiệm năng lượng.

7


Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạng cũng như
việc thiết kế các giao thức mạng. Bởi vì q trình truyền thơng tiêu tốn nhiều năng
lượng nên điều quan trọng là xác định hướng các kiểu truyền thông để chúng sử
dụng hiệu quả tài nguyên sẵn có. Để giúp các giao thức mạng làm được điều này,
phần cứng và phần mềm cần biết được thông tin về sự tiêu hao năng lượng và cung
cấp thơng tin này đến tầng mạng. Ngồi ra, để tiết kiệm năng lượng, người thiết kế
hệ thống cần phải đặt các thiết bị phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Tuy
nhiên, chế độ ngủ cũng ảnh hưởng đến trễ truyền thơng của hệ thống.
Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần
cứng lẫn phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì ảnh hưởng ở đây là các
phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít, mỗi
linh kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền. Những ảnh hưởng đối với các nhà
thiết kế phần mềm là ít rõ rệt hơn. Với chi phí thấp, kích thước vật lý nhỏ, cơng suất
tiêu thụ thấp thì các bộ vi xử lý mà trên đó các phần mềm hoạt động trở nên nhỏ gọn
hơn, tốc độ tính tốn và kích thước bộ nhớ của các bộ vi xử lý cũng bị giảm bớt. Các
nhà thiết kế phần mềm cho một hệ thống mạng cảm biến không dây thường chỉ có
vài ngàn Byte bộ nhớ để làm việc so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte bộ nhớ trong
các hệ thống máy tính thơng dụng. Do đó, phần mềm cho các nút mạng cảm biến
không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà cịn phải có khả năng chạy trong
một môi trường hạn chế nghiêm ngặt về tài nguyên (năng lượng, bộ nhớ, khả
năng xử lý hạn chế).
1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng
Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết
là sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ mạng

cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biến khơng dây.
Mạng cảm biến khơng dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các
nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút. Trong nhiều
trường hợp, các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều
điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng cảm biến khơng dây bao gồm hàng ngàn các
nút cảm biến.
Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến trong
mạng cảm biến không dây. Định tuyến là quá trình mạng xác định những tuyến
đường tốt nhất để truyền bản tin qua mạng. Định tuyến có thể được thực hiện hoặc là
tập trung hoặc là phân tán. Với định tuyến tập trung thì một máy chủ tính tốn bản đồ
định tuyến cho tồn bộ mạng, cịn với định tuyến phân tán thì mỗi nút thực hiện tự
quyết định lựa chọn tuyến đường để gửi mỗi bản tin.
8


Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến cả
hiệu năng mạng xét về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc độ dữ liệu
để có thể vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng và hơn hết là khoảng thời gian
tồn tại của mạng được đảm bảo. Trong mạng cảm biến khơng dây, việc truyền thơng
tin địi hỏi năng lượng. Các nút thực hiện truyền thông tin nhiều sẽ mất năng lượng
nhanh hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ. Vì vậy, giao thức định tuyến
phải lựa chọn đầy đủ thông tin khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng.
Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn thông tin định tuyến thì nó u cầu các
thơng tin cả về mạng cũng như tồn bộ các nút lân cận gần nhất. Thơng tin này địi
hỏi cần phải có bộ nhớ. Tuy nhiên, mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế. Vì
vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin
về mạng, về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết
khác.
Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền không
đáng tin cậy, điều này làm cho vấn đề định tuyến càng gặp nhiều khó khăn. Trong

kênh truyền thơng vơ tuyến cơng suất thấp thì khơng chắc chắn rằng nếu một bản tin
đã được gửi đi bởi một nút thì bản tin đó sẽ nhận được bởi một nút đích được dự kiến
trước trong mạng. Bản tin này có thể bị gián đoạn hoặc có thể bị chặn hồn tồn bởi
một vật lớn bằng kim loại vừa được đặt giữa phía gửi và phía nhận. Ngay cả khi bản
tin khơng bị chặn hồn tồn thì các bit của nó có thể bị thay đổi trên đường truyền.
Tính chất khơng đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là "tổn
hao". Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến không
dây. Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là một thách thức đối với các
giao thức định tuyến. Các giao thức định tuyến phải tính tốn vấn đề tổn hao khi
quyết định tuyến đường để truyền các bản tin và có thể bản tin cần phải được gửi lại.
Các bản tin sẽ được định tuyến sao cho các nguy cơ mất mát bản tin là thấp nhất.
Nhưng nếu một bản tin được truyền qua một tuyến đường xảy ra việc mất dữ liệu thì
bản tin cần được gửi lại một vài lần trong trường hợp bản tin không thể gửi được qua
mạng trong lần thử đầu tiên.
Tổn hao là một thuộc tính khó xác định, đặc biệt là trong các mạng không
dây. Tổn hao bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm của
khơng khí cũng như môi trường vật lý xung quanh của các mạng cảm biến khơng
dây. Ví dụ, nếu một lị vi sóng được bật lên, các trường điện từ mà nó tạo ra có thể
can thiệp vào băng tần truyền khơng dây 2.4GHz. Tương tự như vậy, một mạng máy
tính WiFi có thể ảnh hưởng tới một mạng cảm biến không dây, do đó các mạng cảm
biến khơng dây thường bị mất dữ liệu nhiều hơn vào ban ngày, khi mà mọi người

9


đang sử dụng mạng WiFi hơn là vào ban đêm. Các giao thức định tuyến cho mạng
cảm biến không dây cần phải được chuẩn bị trước cho những vấn đề này.
Tính chất quy mơ lớn của các mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêm
việc định địa chỉ các nút. Trong một mạng quy mô lớn, mỗi nút phải có địa chỉ
riêng để các bản tin có thể được gửi tới nó. Các địa chỉ cần có độ dài đủ lớn sao cho

mỗi nút trong các mạng quy mô lớn phải có một địa chỉ riêng biệt. Và ngay cả khi
mạng có quy mơ nhỏ thì nó có thể tương tác với các nút mạng khác bên ngoài. Trong
trường hợp này, địa chỉ của các nút trong hai mạng phải là duy nhất.
Vì số lượng các mạng cảm biến khơng dây có thể tương tác với các mạng
khác bên ngoài ngày tăng, nên chúng ta cần phải chuẩn bị cho quy mơ phát triển theo
cấp số nhân. Do đó, cơ chế định địa chỉ cho các mạng cảm biến khơng dây phải xác
định duy nhất vài triệu, thậm chí vài tỷ các nút mạng riêng biệt.
Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là một
thách thức vơ cùng khó khăn. Với mạng cảm biến khơng dây có thể bao gồm hàng
ngàn nút thì việc thực hiện quản lý mạng theo cách truyền thống không thể áp dụng
ngay được. Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi sự điều chỉnh cơ sở hạ tầng mạng
thủ công bởi một quản trị viên hệ thống. Với các mạng cảm biến không dây ở dạng
Ad-hoc, mạng phải được chuẩn bị để tự quản lý chính nó mà khơng có bất kỳ sự điều
hành mạng nào của con người. Ngồi ra, trong mạng máy tính truyền thống, mỗi máy
tính kết nối mạng có thể u cầu cấu hình thủ cơng hoặc bán thủ cơng. Ví dụ như
người dùng ở các máy tính có thể cần phải nhập mật khẩu để truy cập mạng. Đối với
mạng cảm biến không dây thì điều đó là khơng khả thi khi cho một người nhập mật
khẩu vào từng nút mạng cảm biến tại các thời điểm khi cần truy cập mạng.
Một mạng cảm biến không dây cũng phải cung cấp các cơ chế truy cập từ
bên ngồi. Có những trường hợp mà một mạng cảm biến không dây được sử dụng
cô lập, nhưng thông thường các dữ liệu tạo ra bởi các mạng cảm biến không dây cần
phải được lấy ra để xử lý hoặc được lưu trữ ở một nơi khác. Ngồi ra, các mạng cảm
biến khơng dây cần phải được cấu hình lại hoặc thay đổi trong quá trình hoạt động.
Trong cả hai trường hợp, các mạng cảm biến không dây phải cho phép truy cập được
từ bên ngoài.
1.2.3. Sự chuẩn hóa
Tiêu chuẩn là một yếu tố then chốt đối với sự thành công của các mạng cảm
biến không dây. Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi số lượng lớn
các nút và các ứng dụng tiềm năng mà cịn được biết đến với việc có nhiều tiêu
chuẩn, nhiều nhà sản xuất và nhiều công ty khác nhau cùng quan tâm đóng góp về

mặt cơng nghệ. Các cơng nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau.
Một nhà sản xuất thiết bị cảm biến chuyên về cảm biến độ ẩm chính xác cao có thể
10


không quan tâm đến các hệ thống công nghệ thông tin. Tuy nhiên, cả hai phải làm
việc cùng nhau trong hệ thống tịa nhà tự động, ở đó các cảm biến độ ẩm tạo ra đầu
vào cho việc kiểm soát mơi trường trong tồ nhà. Hệ thống kiểm sốt mơi trường
được điều khiển bởi một hệ thống công nghệ thông tin tiên tiến, chúng tiếp nhận đầu
vào từ các cảm biến độ ẩm.
Nếu khơng có sự chuẩn hóa thì các nhà sản xuất thiết bị và các nhà tích hợp
hệ thống cần phải xây dựng toàn bộ hệ thống đối với mọi hệ thống mới được cài đặt.
Ngoài ra, nhà sản xuất và nhà tích hợp sẽ sử dụng một công nghệ độc quyền từ một
nhà cung cấp riêng lẻ. Cơng nghệ độc quyền này có thể cung cấp các lợi ích trong
thời gian ngắn, nhưng nó làm cho nhà sản xuất và nhà tích hợp đều gặp khó khăn
trong việc phát triển hệ thống của họ vượt ra ngoài cơng nghệ độc quyền bởi các nhà
cung cấp. Ngồi ra, khi cơng nghệ này là độc quyền thì các nhà cung cấp công nghệ
sẽ điều khiển tương lai của công nghệ mà không phải là các nhà sản xuất và các nhà
tích hợp.
Với việc chuẩn hóa cơng nghệ thì cơng nghệ là độc lập với nhà cung cấp, nhà
sản xuất và người dùng. Bất kỳ nhà cung cấp nào đều có thể lựa chọn để cung cấp
các hệ thống dựa trên công nghệ. Các nhà sản xuất thiết bị, các nhà tích hợp hệ thống
có thể lựa chọn để xây dựng hệ thống của họ dựa trên công nghệ từ bất kỳ nhà cung
cấp nào.
Tiêu chuẩn hóa cơng nghệ có một ưu điểm lớn đó là việc chấp nhận các điều
khoản. Khi cơng nghệ được chuẩn hóa thì các nhà cung cấp, nhà sản xuất và các nhà
tích hợp hệ thống có thể dễ dàng chọn các cơng nghệ mà khơng có rủi ro từ các nhà
cung cấp chính nữa.
Vấn đề chuẩn hóa cơng nghệ mạng cảm biến khơng dây là một thách thức
không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức. Các mạng

cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ, từ công nghệ
truyền thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định tuyến, truy cập mức ứng dụng
và tích hợp hệ thống cơng nghệ thơng tin. Mỗi cấp độ có những thách thức kỹ thuật
riêng nhưng quan trọng hơn đó là việc chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bởi các
nhóm khác nhau.
1.2.4. Khả năng cộng tác
Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung cấp
khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữa các
nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở hạ tầng
mạng hiện có.

11


Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến khơng dây phải có khả năng cộng tác ở
nhiều mặt. Các nút cảm biến phải tương thích với nhau từ lớp vật lý cho đến lớp ứng
dụng hoặc lớp tích hợp. Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị từ các
hãng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau. Ở cấp độ vật lý, các nút cảm biến
không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số vô tuyến để thực hiện truyền
thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu được truyền. Ở cấp độ mạng, các nút
phải thống nhất về định dạng thông tin được gửi và nhận trên các kênh vật lý cũng
như các nút mạng được đánh địa chỉ như thế nào, các bản tin sẽ được vận chuyển qua
mạng bằng cách nào. Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút cảm biến phải chia
sẻ cách thức để dữ liệu được gửi vào hoặc lấy ra từ mạng, cũng như làm thế nào để
nút cảm biến có thể được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài.

1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây
Kiến trúc ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi Sink và các nút cảm biến được
minh họa ở hình 1.2. Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kết hợp giữa vấn đề
năng lượng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng lượng, các giao thức tổng

hợp dữ liệu và truyền thông hiệu quả năng lượng qua môi trường 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 như 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 trường 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 chương trình ứng dụng khác
nhau có thể được xây dựng và được 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 yêu cầu. Thêm vào đó là các mặt phẳng quản lý năng
lượng, di động và quản lý nhiệm vụ để giám sát năng lượng 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 trường và giảm tổng năng
lượng tiêu thụ.

12


Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây.
Mặt phẳng quản lý năng lượng quản lý việc sử dụng năng lượng của một nút
cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhận được một bản tin
từ một nút lân cận. Điều này nhằm tránh việc nhận được các bản tin trùng lặp. Ngoài
ra, khi mức năng lượng 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 lượng của nó
đang ở mức thấp và nó khơng thể tham gia vào việc định tuyến các bản tin. Năng
lượng 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 đường đến người dùng cuối ln ln được 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 lượng 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 được 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 lượng 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 được hiệu quả cao nhất về năng lượng, 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 được kéo dài.
1.3.1. 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.
1.3.2. 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.
1.3.2.1. Điều khiển truy nhập kênh truyền
13


Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đa chặng và
tự tổ chức cần phải đạt được hai mục tiêu. Mục tiêu thứ nhất là tạo cơ sở hạ tầng
mạng. Bởi vì hàng trăm nút cảm biến có thể nằm rải rác với mật độ cao trong một
trường 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 lượng và tần số. Trong suốt một thập kỷ qua, một số
giao thức MAC đã được 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
lượng là vơ cùng quan trọng. Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trợ các chế độ
hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến. Việc bảo tồn năng lượng rõ ràng
nhất là tắt bộ thu phát khi không cần thiết. Mặc dù phương pháp tiết kiệm năng
lượng này dường như có lợi đáng kể cho việc tiết kiệm năng lượng nhưng nó có thể
cản trở việc kết nối mạng. Sau khi bộ thu phát tắt thì nút cảm biến khơng thể nhận
được 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 vô tuyến đều có một chi phí về năng lượng 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 lượng các trạng thái của bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi A/D và bộ
thu phát. Mỗi chế độ này được đặc trưng bởi năng lượng tiêu thụ, thời gian trễ để
chuyển đổi giữa các chế độ năng lượng đó.
1.3.2.2. 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 phương thức điều khiển lỗi trong các mạng
truyền thông là sửa lỗi trước (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 lượng khi truyền lại và việc giải mã cũng phức
tạp hơn ở FEC, cũng như các khả năng sửa lỗi cần phải được 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 như vậy thì
điều quan trọng là phải hiểu rõ về các đặc tính kênh truyền.
1.3.3. Lớp mạng
Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm biến, có
thể ở gần hoặc ngay trong hiện trường như được chỉ ra trong hình 1.1. Thơng tin thu

thập được liên quan đến hiện trường được truyền đến Sink có thể được đặt xa so với
14


trường 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 được phát triển cho các mạng Ad-hoc khơng dây thường
không phù hợp với các yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của các mạng cảm
biến thường được thiết kế theo quy tắc sau đây:
 Vấn đề hiệu quả năng lượng luôn là vấn đề được 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 lượng 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 được 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 được yêu cầu bởi người 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 người dùng quan
tâm nhiều hơn đến truy vấn một thuộc tính của hiện trường chứ khơng phải là truy
vấn một nút riêng lẻ. Ví dụ "các khu vực có nhiệt độ trên 21 oC" 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 như các mạng cảm biến khác, các hệ thống chỉ
huy, điều khiển và mạng Internet. Các nút Sink có thể được sử dụng như một
Gateway kết nối với các mạng khác, trong khi ở một trường hợp khác chúng tạo ra
một đường trục kết nối các nút Sink với nhau và kết nối đường trục với các mạng

khác thông qua một Gateway.
1.3.4. 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 hưởng bởi những hạn chế về phần cứng như là năng
lượng và bộ nhớ hạn chế. Do đó, mỗi nút cảm biến không thể lưu trữ một lượng lớn
dữ liệu như 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 lượng đã ảnh hưởng
đến độ tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối đến điểm cuối được sử dụng
15


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 lưu lượng lớn dữ liệu được tạo ra trong
suốt quá trình xảy ra các sự kiện trong trường cảm biến. Tắc nghẽn cần được giảm
thiểu bởi các giao thức lớp giao vận.
1.3.5. Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng chính cũng như một số chức năng quản
lý. Ngoài các chương 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.
Ngồi các chức năng truyền thơng trong ngăn xếp phân lớp thì các mạng cảm
biến khơng dây cũng được trang bị các chức năng để hỗ trợ hoạt động cho các giải
pháp khác được đề xuất. Trong một mạng cảm biến không dây, mỗi thiết bị cảm biến
được 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 được kết hợp với thông
tin định thời được điều khiển thơng qua các đồng hồ cục bộ. Vì người dùng quan tâm
đến thông 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 được thống nhất. Ngồi ra, mạng cảm biến
khơng dây có thể sắp xếp thứ tự chính xác các sự kiện được cảm nhận bởi các cảm

biến phân tán từ đó mơ hình hóa chính xác mơi trường vật lý. Những u 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 tương tác chặt chẽ với các hiện tượng 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
tượng vật lý ở môi trường xung quanh. Thông tin thu thập được cần phải được kết
hợp với vị trí của các nút cảm biến để cung cấp cái nhìn chính xác về trường cảm
biến. Ngồi ra, các mạng cảm biến khơng dây có thể được sử dụng để theo dõi các
đối tượng nhất định trong các ứng dụng giám sát. Các ứng dụng này địi hỏi thơng tin
vị trí để đưa 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
được đưa vào ngăn xếp truyền thông.
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 tốn quản lý
cấu trúc liên kết cung cấp các phương 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. Ngoài
ra, các giao thức điều khiển cấu trúc liên kết giúp xác định các mức công suất truyền
cũng như thời gian hoạt động của các nút cảm biến để tối thiểu năng lượng tiêu thụ
trong khi vẫn đảm bảo kết nối mạng. Cuối cùng, các giao thức phân nhóm được sử
16


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 trưng 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 trường không dây
nhưng 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 khơng dây, trong đó mỗi nút

cảm biến có thêm các thiết bị truyền động để chuyển đổi thông tin cảm nhận được
thành các hành động để tác động đến môi trường và các mạng cảm biến đa phương
tiện không dây hỗ trợ lưu lượng đa phương tiện bao gồm các thơng tin âm thanh và
hình ảnh. Ngồi ra, hiện trường mạng cảm biến không dây gần đây đã được áp dụng
vào trong các môi trường hạn chế như thiết lập mạng dưới nước, trong lòng đất và
tạo ra các mạng cảm biến khơng dây dưới nước và trong lịng đất. Những lĩnh vực
nghiên cứu mới này đặt ra những thách thức mới bổ sung mà chưa được quan tâm
xem xét bởi một số giải pháp đã được 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 tương 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 được các yếu tố như khả năng chống lỗi, khả năng mở rộng,
chi phí, phần cứng, sự thay đổi cấu trúc liên kết mạng, môi trường và năng lượng 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.

1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây
1.4.1. Mơ hình truyền thơng trong mạng cảm biến khơng dây
Mơ hình truyền thơng cho các nút mạng cảm biến khơng dây có thể được chia
thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm. Mỗi mơ hình
truyền thơng được sử dụng trong các trường hợp khác nhau. Nhiều ứng dụng sử dụng
kết hợp các mơ hình truyền thơng này.
1.4.1.1. Mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm

17

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 nhưng có hai nút mạng cảm biến khác
liên quan đến q 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 thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.
1.4.1.2. Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm
Mơ hình truyền thông Điểm - Đa điểm được minh họa như ở hình 1.4. Mơ
hình này được 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 được sử dụng để gửi
một lệnh thiết lập đến các nút trong mạng.

Hình 1.4: Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến khơng dây.
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 được 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 thông đủ tin cậy để
các bản tin có thể đến được các nút nhận.
18


Nhiều cơ chế và giao thức đã được 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. Điều này được thực hiện bằng cách từng nút quảng bá bản
tin được gửi đi. Khi một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá được 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
trước 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 vô tuyến.
Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợp nhưng
nó khơng phải là cơ chế đáng tin cậy. Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc xung đột cần
được truyền lại. Để đạt được độ tin cậy trong truyền thông Điểm - Đa điểm thì giao
thức truyền thơng phải phát hiện được các bản tin bị mất và phát lại chúng.
1.4.1.3. Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm
Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm thường được sử dụng để thu thập dữ
liệu từ các nút trong trường cảm biến. Với mơ hình truyền thông Đa điểm - Điểm,
một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút. Nút này thường được gọi là Sink. Hình 1.5
minh họa mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm.

Hình 1.5: Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.
Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cảm
biến chẳng hạn như nhiệt độ từ các nút trong mạng nhưng nó cũng được sử dụng
truyền thông 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 người
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 được 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.
19


Để thiết lập truyền thơng 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 bước nhảy bằng khơng
tính từ nút Sink. Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại các bản tin để

thơng báo chúng có bước nhảy là một tính từ nút Sink. Lần lượt, các nút lân cận của
chúng sẽ quảng bá thơng tin là chúng có bước nhảy là hai tính từ nút Sink. Với
phương thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết có bao nhiêu bước
nhảy chúng phải trải qua được tính từ nút Sink và biết được 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.
1.4.2. 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 được 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 tương thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiều ngăn xếp vô
tuyến công suất thấp đã được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 như là:
WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee.
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
 Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền vô
tuyến vật lý như thế nào.
 Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin đến từ
các lớp vật lý sẽ được xử lý như thế nào.
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 đã xác định rõ một vài cơ chế ở lớp vật lý và
lớp MAC nhưng không phải tất cả mọi chỉ dẫn đều được sử dụng rộng rãi. Ví dụ
chuẩn WirelessHART sử dụng các chỉ dẫn lớp vật lý và định dạng tiêu đề gói tin ở
lớp MAC nhưng không phải tất cả các quy định ở lớp MAC được sử dụng.
Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte. Các gói tin
có kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các thiết bị với tốc

độ dữ liệu thấp. Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các gói tin nên lượng dữ
liệu dành sẵn cho giao thức lớp trên hoặc lớp ứng dụng vào khoảng từ 86 đến 116
20


byte. Do vậy, các giao thức ở lớp trên thường thêm vào các cơ chế phân mảnh các
phần dữ liệu lớn hơn thành nhiều khung theo chuẩn 802.15.4.
Các mạng IEEE 802.15.4 được chia thành các mạng PAN như hình 1.6. Mỗi
mạng PAN có một điều phối viên PAN và một tập các thành viên mạng PAN. Các gói
tin được truyền qua mạng PAN mang 16 bit nhận dạng cho mạng PAN để xác định
mạng PAN nào mà gói được gửi đến. Một thiết bị có thể tham gia vào một mạng
PAN như là một điều phối viên PAN và cũng đồng thời tham gia là thành viên mạng
PAN trong một mạng PAN khác.
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: Thiết bị có chức năng đầy
đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs). Các FFDs có nhiều khả năng
hơn RFDs và có thể đóng vai trò như một điều phối viên PAN. RFDs là các thiết bị
đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành rẻ hơn.
RFDs chỉ có thể truyền thơng với FFDs. Các FFDs có thể truyền thơng được với cả
RFDs và FFDs.

Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và
các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai
mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao gồm
hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN.
Mặc dù chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba loại cấu trúc mạng được hỗ trợ là
hình sao, mạng mắt lưới và hình cây nhưng hầu hết các giao thức hoạt động ở lớp
trên không sử dụng các cấu hình mạng của 802.15.4. Thay vào đó, chúng xây dựng
những cấu trúc liên kết mạng của riêng nó ở phía trên lớp MAC 802.15.4. Vì lý do
đó, chúng ta không đi vào chi tiết các cấu trúc liên kết mạng được định nghĩa bởi
chuẩn IEEE 802.15.4.

1.4.2.1. Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mỗi nút trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 có một địa chỉ 64 bit nhận
dạng thiết bị duy nhất. Do kích thước gói tin bị giới hạn bởi chuẩn IEEE 802.15.4,
21


nên độ dài 64 bit địa chỉ là không khả thi. Do đó, chuẩn IEEE 802.15.4 cho phép các
nút sử dụng địa chỉ với độ dài 16 bit. Các địa chỉ ngắn được gán bởi điều phối viên
PAN và chỉ có giá trị trong khn khổ của một PAN. Các nút có thể lựa chọn để gửi
gói tin bằng cách sử dụng cả hai định dạng địa chỉ.
Địa chỉ được viết dưới dạng hệ thập lục phân (Hexa) phân cách nhau bằng dấu
hai chấm. Một ví dụ về độ dài một địa chỉ 802.15.4 là 00:12:75:00:11:6 e:cd: fb.
Hình 1.7 là một ví dụ về hai địa chỉ IEEE 802.15.4 là một địa chỉ dài và một địa chỉ
ngắn.

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).
Các địa chỉ dài là duy nhất trên thế giới và mỗi thiết bị IEEE 802.15.4 được
gán một địa chỉ khi được sản xuất. Mỗi nhà sản xuất yêu cầu 24 bit nhận dạng duy
nhất OUI của nhà sản xuất (Organizational Unique Identifier) lấy từ tổ chức IEEE.
Các OUI được sử dụng như là 24 bit địa chỉ đầu tiên của thiết bị. Còn lại 40 bit được
gán bởi nhà sản xuất và phải là duy nhất cho mỗi thiết bị.
Các địa chỉ ngắn được gán bởi các điều phối viên mạng PAN. Một địa chỉ
ngắn chỉ có hiệu lực trong phạm vi mạng PAN đó. Tuy nhiên, một thiết bị với một
địa chỉ ngắn có thể truyền thơng với các thiết bị bên ngoài mạng PAN bằng cách
mang thêm 16 bit định danh mạng PAN của nó và mạng PAN của thiết bị đích trong
mỗi bản tin được gửi đi. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 khơng chỉ định bất kỳ thuật tốn
cụ thể nào sẽ được sử dụng bởi một điều phối viên PAN khi gán các địa chỉ ngắn
trong phạm vi mạng PAN.
1.4.2.2. Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4

Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóa tín
hiệu. Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép
miễn phí. Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên tần số được cấp
phép ở các nước trên thế giới cũng khác nhau. Tại Hoa Kỳ, chuẩn IEEE 802.15.4 sử
dụng băng tần 902-982MHz. Tại châu Âu, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần
22


868-868.8MHz. Các nước còn lại thế giới, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần
2400-2483.5MHz.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau. Trong mỗi
băng tần có quy định một số kênh như được chỉ ra trong hình 1.8. Channel 0 được
quy định chỉ ở châu Âu và nằm trên băng tần 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy
định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz.
Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Khoảng cách giữa các kênh
là 5MHz.

Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý.
Chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến tùy thuộc vào tần số
kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các
kênh từ 11-26 sử dụng khố dịch pha vng góc (QPSK). Trên tất cả các kênh, chuẩn
IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).
Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc
độ bit của kênh là 0 là 20.000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40.000
bit/s và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s.

23


Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11. Kênh 25

và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11
được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11.
Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô
tuyến của chúng với chuẩn IEEE 802.11 (WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh
802.11. Bởi vì chuẩn IEEE 802.11 có một cơng suất đầu ra cao hơn nên lưu lượng
theo chuẩn 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.9 cho thấy sự
chồng lấn giữa chuẩn 802.15.4 và chuẩn 802.11. Tất cả kênh theo chuẩn 802.15.4
ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh theo chuẩn 802.11. Khi các kênh
1, 6 và 11 của chuẩn 802.11 được sử dụng thì có 2 kênh của chuẩn 802.15.4 (là kênh
15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng của chuẩn 802.11.
Lớp vật lý cũng cung cấp các cơ chế để đo công suất vô tuyến của một kênh
cho trước. Kết quả của phép đo này được sử dụng để lớp MAC biết một nút nào đó
có thể đang truyền dữ liệu trên một kênh cụ thể và để điều phối viên quét các kênh có
sẵn trong mạng.
Cơ chế phát hiện cơng suất vô tuyến cũng được sử dụng để hỗ trợ cơ chế đánh
giá kênh trống CCA (Clear Channel Assessment). Trong đó, lớp vật lý có thể đánh
giá để biết được một nút nào đó hiện đang truyền dẫn qua kênh vơ tuyến. Điều này
được thực hiện bằng một trong ba cách sau: Thứ nhất là đo công suất vô tuyến và so
sánh nó với một mức cơng suất ngưỡng được xác định trước. Thứ hai là thực hiện
giải điều chế tín hiệu vơ tuyến đến để xem nó có phải là một tín hiệu hợp lệ theo
chuẩn 802.15.4. Thứ ba là sự kết hợp của phương pháp phát hiện công suất vơ tuyến
và phương pháp điều chế tín hiệu. Cơ chế CCA được sử dụng bởi lớp MAC để kiểm
soát sự truy nhập kênh truyền vô tuyến.
1.4.2.3. Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4
Mục đích của lớp MAC là để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vơ
tuyến. Bởi vì kênh truyền vơ tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận
trong một khu vực lân cận với nhau nên lớp MAC cung cấp cơ chế để các nút xác
định khi nào kênh nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.
Lớp 802.15.4 MAC cung cấp cơ chế quản lý truy nhập kênh, xác nhận sự hợp
lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp

các cơ chế tùy chọn cho việc đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA) để truy nhập
kênh truyền. Trong đó, điều phối viên PAN chỉ định các khe thời gian cho thiết bị
trong mạng PAN và thực hiện việc lập lịch trình thơng qua sự truyền tải các bản tin
báo hiệu. Đây là chế độ báo hiệu, tuy nhiên không được sử dụng rộng rãi bởi các
giao thức chạy trên chuẩn 802.15.4.

24


Việc quản lý truy nhập kênh truyền thực hiện theo cơ chế CCA được hỗ trợ
bởi lớp vật lý. Trước khi gửi một gói tin, lớp MAC yêu cầu lớp vật lý thực hiện một
kiểm tra CCA. Nếu CCA nhận thấy rằng một nút khác hiện đang sử dụng kênh
truyền thì lớp MAC sẽ khơng thực hiện việc truyền gói tin của nó. Thay vào đó, lớp
MAC sẽ đợi một thời gian nhất định và thử gửi lại gói tin một lần nữa.
Lớp MAC thực hiện xác nhận sự hợp lệ các khung đến bằng việc tính tốn
kiểm tra dư vịng 16 bit (CRC) của tồn bộ khung. CRC được sử dụng để kiểm tra
các lỗi truyền trong khung và được tính tốn bởi nút gửi khung. Nó được thêm vào
các gói tin được truyền đi. Nếu CRC được tính tốn bởi nút nhận khơng khớp CRC ở
cuối khung thì nút nhận sẽ loại bỏ khung.
Lớp MAC cung cấp một cơ chế tự động xác nhận các khung dữ liệu. Nếu một
khung đến có thiết lập bit xác nhận thì lớp MAC sẽ gửi đi một khung xác nhận.
Khung xác nhận chỉ được gửi đi khi địa chỉ đích của khung đến giống địa chỉ của
thiết bị và nếu CRC của khung đến hợp lệ. Khung xác nhận không được định địa chỉ
rõ ràng đến nút gửi khung dữ liệu, mà được quảng bá đến tất cả các nút. Chính điều
này dẫn đến việc nhiều giao thức lớp trên chạy trên chuẩn 802.15.4 thực hiện các cơ
chế xác nhận của riêng chúng.
1.4.2.4. Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4
Các giao thức truyền thông xác định một định dạng gói tin chung sao cho tất
cả các nút biết cách để xây dựng và phân tích các gói tin từ những nút khác. Định
dạng gói tin bao gồm ba phần đó là: Phần tiêu đề, phần dữ liệu và phần kết thúc

khung. Phần tiêu đề bao gồm dữ liệu điều khiển như các địa chỉ, các số thứ tự và các
cờ. Phần dữ liệu là dữ liệu của lớp phía trên. Do đó, cấu trúc của phần dữ liệu thơng
thường không xác định nhưng được chuyển đến các giao thức lớp trên để xác định
rõ. Phần kết thúc khung thường chứa một kiểm tra tổng hoặc các chữ ký mật mã.
Phần kết thúc khung này có thể được tính tốn trong khi gói tin được truyền đi. Phần
kết thúc này sẽ được gửi đi sau khi phần còn lại của gói tin đã được gửi.

Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa một định dạng gói tin chung cho tất cả các
gói tin được truyền đi. Định dạng gói bao gồm một phần lớp vật lý và một phần lớp
25