ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN tử ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PEGASIS TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Tên đề tài:

ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PEGASIS TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

SVTH: TRẦN THỊ MAI HƯƠNG

Lớp: 09DT2, Khoa Điện Tử -Viễn Thông, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Người Hướng Dẫn: TS. NGUYỄN LÊ HÙNG

1. Tổng quan về đề tài.

Ngày nay nhờ tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được sự tiến bộ đáng kể trong vài năm qua. Mạng cảm biến là mạng vô tuyến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý, hay điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, sự chấn động, áp suất, sự chuyển động, ô nhiễm ở các vị trí khác nhau.

Trong tương lại không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một thành phần không thể thiếu trong cuộc sống con người

Mạng cảm biến không dây là một lĩnh vực rất sâu rộng, đồ án này sẽ giới thiệu một cách khái quát nhất về các đặc điểm của mạng cảm biến. Sau đó phần cuối sẽ đưa ra giải thuật định tuyến PEGASIS nhằm cải thiện đáng kể thời gian sống của mạng.

Đồ án này gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến: Chương này trình bày những khái niệm chung nhất về WSNs và đưa ra cấu trúc của mạng cảm biến. Đồng thời cũng nêu ra các ứng dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực cuộc sống.

Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến. Chương này phân loại các giao thức định tuyến ra làm ba loại:định tuyếntrung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị tríđịa lý, đồng thời đưa ra một vài giao thức đặt trưng mỗi loại.

Chương 3: Kiến trúc giao thức PEGASIS. Chương này sẽ tập trung chi tiết về giao thức PEGASIS trong mạng cảm biến, để ta có cơ sở lý thuyết để thực hiện chương mô phỏng giao thức này.

Chương 4: Mô phỏng giao thức PEGASIS bằng phần mềm NS-2. Chương này ta thực hiện mô phỏng giao thức PEGASIS để thấy được sự cải thiện về thời gian sống của mạng nhờ sự sử dụng năng lượng hiệu quả trong mạng.

2. Giao thức PEGASIS trong mạng cảm biến không dây.

Giao thức PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems) em  đưa ra ở đây thuộc giao thức phân cấp, PEGASIS có sự cải thiệnđáng kể về thời gian sống và hiệu quả năng lượng. PEGASIS  là giao thức dựa trên xây dựng chuỗi gần tối ưu. Tức là mỗi nút chỉ giao tiếp với một nút lân cận gần nó nhất và việctậptrungdữliệutrongmạngdọctheochuỗi đó. Mộtnútthích hợp trongchuỗisẽđượcchọnlàmnútchủ,tráchnhiệmcủanútchủlàtruyền dữliệutậphợpđượctớitrạmcơsở, nút chủ được quayvòngtrongchuỗinhằmđảmbảocôngbằngtrongtiêu thụnănglượnggiữacácnúttrongmạng.

·        Giả thiết

-         Thời gian mô phỏng: stop = 1500s

-         Số cluster khởi tạo: Num_cluster = 1

-         Năng lượng khởi tạo của node là 2 J

-         Số node mạng: 100

-         BS đặt ở tọa độ (50; 175)

-         Vị trí các node mạng được khởi tạo ngẫu nhiên trong phạm vi (100m;100m)

 

 

v   Kết quả mô phỏng:

 

Hình 4.2  Topo khởi tạo 100 node mạng ngẫu nhiên

 

• Phân chia cụm trong LEACH

Hình 4.3  Phân chia cụm trong LEACH

  Nhận xét : Giao thức LEACH phân chia lại cụm theo vòng, chia cụm xong trước rồi mới lựa chọn nút chủ cụm, nhưng hầu hết các nút không hoàn toàn nằm ở  trung tâm cụm.

Dữ liệu sẽ truyền từ các nút con đến các nút chủ,sau đó nút các chủ mới tổng hợp dữ liệu truyền đến BS.

 PEGASIS thì không hình thành cụm như LEACH mà là tạo một chuỗi các nút cảm biến để mỗi nút có thể nhận và truyền dữ liệu tới nút bên cạnh. Việc truyền dữ liệu từ nút đến nút, tập hợp dữ liệu lại và sau cùng truyền đến trạm gốc BS.

• Mô phỏng so sánh thời gian sống của mạng:

Hình 4.4  Thời gian sống của mạng đối với giao thức PEGASIS

• Nhận xét  :Giao thức PEGASIS có thời gian sống lâu hơn giao thức LEACH khá nhiều. Các node trong mạng của LEACH chỉ có tồn tại trong thời gian khoảng  300s  nhưng với PEGASIS thì thời gian sống của nó có thể nhiều hơn gấp 3 lần.

 

 

• Mô phỏng so sánhsự tiêu thụ năng lượng trong mạng :

 

Hình 4.5 So sánh sự  tiêu thụ năng lượngtrong mạng

Nhận xét:

•      Sự tiêu tốn năng lượng của giao thức PEGASIS được cải thiện rất nhiều so với LEACH.
• Ta có thể thấy ở cùng một thời điểm khoảng 300s,  LEACH đã tiêu tốn hết số năng lượng của toàn mạng (200J), còn PEGASIS thì chỉ tiêu tốn hết khoảng 80J. Như vậy giao thức PEGASIS còn có thể duy trì thời gian sống của mạng lâu hơn nữa, điều đó cũng chứng tỏ sự vượt trội hoàn toàn của nó về mặt năng lượng.

  

• Mô phỏng so sánh dữ liệu truyền tải trong mạng

 

Hình 4.6  Dữ liệu truyền tải trong mạng

Nhận xét: Do thời gian sống của LEACH ngắn  nên dữ  liệu truyền tải trong mạng ít hơn là điều dĩ nhiên.

3. Kết luận.

Qua đánh giá mô phỏng đã cho thấy PEGASIS có những cải tiến đáng kể hơn so với LEACH về thời gian sống và chất lượng của mạng.

Trong phạm vi đề tài này, em đã nghiên cứu được những nét khái quát nhất về mạng cảm biến và định tuyến trong mạng. Đánh giá được PEGASIS là giao thức tốt hơn LEACH rất nhiều nhờ vào việc tối thiểu hóa khoảng cách truyền dẫn. PEGASIS cải tiến khắc phục được: giảm trễ, tiết kiệm năng lượng bằng tập trung dữ liệu song song và thay đổi phương pháp chọn nút chủ.

Tuy nhiên, vẫn tồng tại một số vấn đề hạn chế  trong  PEGASIS là trễ truyền, nút chủ phải đợi nhận được bản tin dữ liệu hợp nhất của các nút sau đó mới truyền đến trạm cơ sở. Hơn nữa thường xảy ra hiện tượng thắt nút cổ chai tại nút chủ. Hướng nghiên cứu tiếp theo cần khắc phục được các nhược điểm này.

Do kiến thức còn hạn chế nên đề tài của em không tránh khỏi những thiếu sót, cần phải khắc phục và phát triển hơn nữa. Em rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của quý thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn nữa.

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1   TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.. vii

1.1 Giới thiệu chương. 1

1.2. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây. 1

1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây. 2

1.3.1 Cấu trúc một node mạng.2

1.3.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây. 4

1.3.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây. 6

1.3.3.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture). 6

1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây. 8

1.3.5 Kiến trúc giao thức mạng. 11

1.4.  Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây.13

1.4.1. Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc phòng. 13

1.4.2 Ứng dụng trong gia đình. 15

1.4.3 Ứng dụng trong y tế. 16

1.4.4 Ứng dụng trong bảo vệ môi trường. 17

1.4.5  Ứng dụng trong công nghiệp. 20

1.4.6  Ứng dụng trong giao thông. 21

1.5 Kết luận chương. 21

CHƯƠNG 2    ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN.. 22

KHÔNG DÂY.. 22

2.1 Giới thiệu chương. 22

2.2  Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây WSN   22

2.2.1 Giới hạn bởi năng lượng. 22

2.2.2 Giới hạn về giải thông. 23

2.2.3 Giới hạn về phần cứng. 23

2.2.4  Kết nối mạng không ổn định. 24

2.3  Phân loại các giao thức định tuyến. 24

2.3.1 Giao thức định tuyến ngang hàng. 26

2.3.2  Các giao thức định tuyến phân cấp. 30

2.3.3  Giao thức định tuyến dựa theo vị trí34

2.4 Kết lận chương. 35

CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC GIAO THỨC PEGASIS. 36

3.1. Giới thiệu chương. 36

3.2. Giao thức PEGASIS. 36

3.2.1 PEGASIS cơ bản. 36

3.2.2. PEGASIS cải tiến. 37

3.3 Mô hình năng lượng.40

3.4. Kết luận.45

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PEGASIS BẰNG PHẦN MỀM NS-2. 46

4.1 Giới thiệu chung. 46

4.2  Giới thiệu về phần mềm mô phỏng NS-2. 46

4.3 Giới thiệu về công cụ XGRAPH.. 46

4.4. Mô phỏng mạng WSN trên NS-2. 47

4.4.1. Giả thiết mô phỏng. 47

4.4.2. Câu lệnh. 47

4.4.3 Ý nghĩa các câu lệnh. 48

4.4.4 Kết quả mô phỏng. 49

4.5  Kết luận. 53

 

 

 

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

 

Chữ viết tắt	Chữ đầy đủ	Nghĩa tiếng Việt
AC	Address Centric
ADC	Analog- to - Digital Convert	Bộ chuyển đổi tương tự - số
BS	Base Station	Trạm gốc
CDMA	Code Division Multiple Access	Đa truy cập phân chia theo mã
ADV	Advertisement	Bản tin quảng bá
GPS	Global Positioning System	Hệ thống định vị toàn cầu
ISM	Industrial, Scientific and Medical
LEACH	Low Energy Adaptive Clustering   Hierarchy	Giao thức phân cấp theo  cụm  thích  ứng  năng lượng thấp
MAC	Media Access Control	Điều khiển truy nhập môi trường
NS2	Network Simulator version 2	Mô phỏng mạng phiên bản 2
PEGASIS	Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems	Tổng hợp năng lượng trong các hệ thống thông tin cảm biến
QoS	Quality of System	Chất lượng dịch vụ
REQ	Request	Bản tin yêu cầu
SAR	Sequential Assignment Routing	Định tuyến phân phối tuần tự
SMP	Sensor Management Protocol	Giao thức quản lý trong mạng cảm biến
SPIN	Sensor Protocol for Information via Negotiation	Giao thức cho thông tin dữ liệu thông qua đàm phán
SQDDP	Sensor Query and Data Dissemination Protocol	Giao thức phân phối sữ liệu và truy vấn cảm biến
TADAP	Task Assignment and Data Advertisement	Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng cảm biến
TCP	Transmission Control Protocol	Gió thức điều khiển truyền dẫn
TDMA	Time Division Multiple Access	Đa truy nhập phân chia theo thời gian
TEEN	Threshold – Sensitive Energy Efficient Sensor Network	Giao thức hiệu quả về sử dụng năng lượng
UDP	User Datagram Protocol	Giao thức gói dữ liệu người dùng
WSN	Wireless Sensor Network	Mạng cảm biến không dây

 

 

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1  Biểu tượng mô hình mạng WSN.. 2

Hình 1.2  Các thành phần của một nút cảm ứng. 3

Hình 1.3 Mạng đơn chặng............................................................................................... 13                    

Hình 1.4 Mạng đa chặng...................................................................................................... 4

Hình 1.5 Cấu trúc mạng cảm biến không dây. 6

Hình 1.6 cấu trúc phẳng. 6

Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp. 7

Hình 1.8 Kiến trúc giao thức mạng. 11

Hình 1.9  Thiết bị cảm biến đặt trên mặt đất.13

Hình 1.10  Sơ đồ thể hiện tình huống ngăn chặn hoạt động xâm phạm chủ quyền. 15

Hình 1.11 Sơ đồ căn nhà thông minh. 15

Hình 1.12 Lọ thuốc thông minh. 16

Hình 1.13  Ứng dụng trong bảo vệ môi trường. 17

Hình 1.14  Hệ thống cảm biến giám sát từ xa số. 18

Hình 1.15 Tính năn nổi bật của hệ thống. 19

Hình 1.16 Một thiết bị cảm biến cực nhạy của CTBTO trên mặt đất20

Hình 1.17 Ứng dụng trong công nghiệp. 20

Hình 1.18 Cảm biến ứng dụng trong giao thông. 21

KHÔNG DÂY. 22

Hình 2.1 Cấu trúc phần cứng hạt bui Berkeley mica2. 23

Hình 2.2 Phân loại giao thức định tuyến trong WSN.. 26

Hình 2.3 : Ba tín hiệu bắt tay của SPIN.. 27

Hình 2.4 Hoạt động của SPIN.. 28

Hình 2.5 Ví dụ về lưới ảo trong GAF.. 34

Hình 3.1  Xây dựng chuỗi  sử dụng thuật toán Greedy. 37

Hình 3.2 Xử lý lỗi khi một nút trong chuỗi chết37

Hình 3.3 Khắc phục của PEGASIS. 40

Hình 4.8 Mô hình năng lượng đơn giản. 42

Hình 4.1. Cửa sổ minh họa XGRAPH.. 47

Hình 4.2  Topo khởi tạo 100 node mạng ngẫu nhiên. 49

Hình  4.3 Sự phân chia cụm trong  LEACH.. 50

Hình 4.4  So sánh thời gian sống của 2 giao thức. 51

Hình 4.5 Sự tiêu thụ năng lượng theo thời gian của 2 giao thức. 52

Hình 4.6 So sánh dữ liệu truyền tải của 2 giao thức. 53

 

 

 

 

 

 

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nhờ những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ, sự phát triển của những mạng cảm biến với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến để có thể  áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó là các lĩnh vực về y tế, quân sự, giao thông, môi trường…Trong tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến.

 Tuy nhiên mạng cảm biến đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn va không thể nạp lại.

 Góp phần tìm hiểu về việc cải thiện tiết kiệm năng lượng trong toàn mạng. Em đã lựa chọn và tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS. Phương pháp nghiên cứu của em là tìm hiểu tổng quan các giao thức định tuyến. Tập trung đi sâu vào tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS và sử dụng phần mềm NS-2 để mô phỏng WSN trên hệ điều hành Ubuntu.

Nội dung đồ án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN).

Chương 2: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây.

Chương 3: Kiến trúc định tuyến PEGASIS.

Chương 4: Mô phỏng PEGASIS bằng phần mềm NS-2.

 Tuy nhiên đây là đề tài còn mới mẻ ở nước ta, và do còn hạn chế về kiến thức cũng như thời gian. Nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, cần phải phát triển thêm nữa. Em mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để đề tài của em được hoàn thiện hơn.

  Em xin chân  thành cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Điện tử- Viễn thông. Đặc biệt em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Nguyễn Lê Hùng đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án này.

CHƯƠNG 1   TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

 

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này em sẽ trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây, bao gồm :

+   Cấu trúc mạng cảm biến không dây WSN

+   Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây

+   Các ứng dụng nhất định của mạng cảm biến không dây.

1.2. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Sự tiến bộ của công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây WSN.

Một mạng cảm biến không dây( Wireless Sensor Network) là mạng liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến. Các nút giao tiếp với nhau và truyền về dữ liệu trung tâm (base station) một cách trực tiếp hoặc gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng.

 Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp…và có số lượng lớn, được phân bố trên phạm vi rộng, nguồn năng lượng (pin)có thời gian hoạt động hạn chế (vài tháng đến vài năm). Và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, địa hình hiểm trở…) Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi tùy thuộc vào từng ứng dụng.

Mạng cảm biến không dây có nhiệm vụ cảm nhận, quan sát, và khả năng tính toán nhằm mục đích thu thập và tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.

 

 

Hình 1.1  Biểu tượng mô hình mạng WSN

 

Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lượng của chúng. Tức là các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp, và hạn chế thứ hai đó là các nút cảm biến không thể thay thế được nguồn cung cấp.Như vậy vấn đề đặt ra chính là đưa ra những giải pháp giải quyết vấn đề hạn chế năng lượng trong mạng cảm biến không dây WSN.

1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây          

1.3.1 Cấu trúc một node mạng.

Để xây dựng các node cảm biến trước hết phải chế tạo các node thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để trao đổi thông tin với các nút lân cận.

Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản :

-  Bộ cảm ứng (sesing unit)

-  Bộ xử lý (a processing unit)

-  Bộ thu phát vô tuyến (a transceiver unit)

-  Bộ nguồn (a power unit)

-  Ngoài ra còn có thể có thêm các thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị, bộ phát nguồn và bộ phận di động.

Hình 1.2  Các thành phần của một nút cảm ứng

Các bộ cảm ứng (sesing unit) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC (Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm ứng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.

Bộ xử lý (a processing unit) thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để để thực hiện cá nhiệm vụ định sẵn.

Bộ thu phát vô tuyến(a transceiver unit) nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận  các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.

Bộ nguồn (a power unit) là thành phần quan trọng nhất của một nút mạng.Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có tuổi thọ lâu hơn thì bộ nguồn đóng vai trò quyết định, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.

Ngoài ra các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí, vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định  như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn phải đáp ứng một số tiêu chí như là phải tiêu thụ ít năng lượng, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với biến đổi của môi trường.

1.3.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Khi thiết kế mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng.Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần phải quan tâm đến các yếu tố sau:

- Giao tiếp không dây đa chặng:

Hình 1.3 Mạng đơn chặng                     Hình 1.4 Mạng đa chặng

Mạng đơn chặng đơn giản là từ các node con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp về node cơ sở, tuy nhiên mạng này thường nhỏ. Khi giao tiếp không dây thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt khi node phát và node thu cách xa nhau thìcần  phát công suất lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp đa chặng.

- Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị).

- Sử dụng hiệu quả năng lượng: Để hỗ kéo dài trợ thời gian sống của toàn mạng. sử dụng hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng trong mạng cảm biến không dây.

- Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến trạm gốc sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới trạm gốc thì sẽ tiết kiệm băng thông, thời gian và năng lượng. Chẳng hạn như khi xác định nhiệt độ trung bình, hay cao nhất của một vùng. Do vậy cấu trúc mạng được thiết kế sẽ phải thỏa mãn:

ü  Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.

ü  Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

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

ü  Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.

Các nút cảm biến được phân bố trong vùng cảm biến như hình 1.3, hình 1.4. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm gốc.

Dữ liệu được định tuyến lại các trạm gốc bởi một cấu trúc đa điểm như hình trên. Các trạm gốc có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (Task Manager Node) qua mạng Internet hay vệ tinh.

 

Hình 1.5 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.3.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây

1.3.3.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture)

Trong cấu trúc phẳng (Flat Architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng.Các nút giao tiếp với trạm gốc qua đa chặng sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần trạm gốc hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn.Giả sử rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian.

 

Hình 1.6 cấu trúc phẳng

 

 

1.3.3.2 Cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture)

Trong cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture), mạng phân thành các cụm, mỗi cụm có nút chủ cụm (Cluster Head). Các nút trong cụm thu thập dữ liệu, rồi gửi đơn chặng hay đa chặng tới nút chủ cụm (tùy theo kích thước của cụm).

Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

 

 

Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút.Chính vì vậy nó được phân theo nhiều cấp và mỗi cấp đảm nhiệm một chức năng cụ thể :

• Cấp 0: Là cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận như đo đạc nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…
• Cấp 1: Là cấp giữa thực hiện tính toán như phân phối dữ liệu từ nhiều nút khác nhau sau đó đưa ra quyết định.
• Cấp 2: Là cấp trên cùng thực hiện thu thập thông tin từ cấp giữa rồi đưa thông tin về trạng thái ban đầu tại nút thấp nhất.

Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán.Trong trường hợp này, các nút ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này và thực hiện các nhiệm vụ khác như tính toán, phân phối dữ liệu.

Căn cứ vào những đặc điểm của hai cấu trúc trên và những lý do sau đây cho chúng ta thấy mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng :

Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn cácnút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.

Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng cấu trúc phẳng.Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán.Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc phân cấp mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.

Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về bang thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng kích cỡ mạng tăng thì thông lượng của mỗi nút giảm

1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây

• Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số nút cảm ứng có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do hư hỏng vật lý hay do ảnh hưởng của môi trường.Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.
• Khả năng mở rộng (scability):khi triển khai mạng cảm biến nghiên cứu một hiện tượng nào đó, số lượng các nút cảm ứng được triển khai có thể đến hang tram nghìn, phụ thược vào từng ứng dụng, con số này có thể vượt quá hang triệu.Những kiểu mạng mới phải có khả năng làm việc với số lượng các nút này và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm ứng.
• Chi phí sản xuất (production costs):Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai cảm biến theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
• Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Như đã trình bày ở phần 1.2… về cấu trúc một nút cảm biến, có nhiều rang buộc về phần cứng: Phải có kích thước nhỏ , càng nhỏ càng tốt. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác như là phải tiêu thụ rất it năng lượng, hoạt động ở mật độ cao,giá thành thấp, có thể tự hoạt động và thích ứng với môi trường.
• Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:

+      Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến.

+      Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các node cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.

+      Pha triển khai lại: sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các node cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức năng.

• Môi trường hoạt động : Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
• Phương tiện truyền dẫn (Transmission meddia): Ở những mạng cảm ứng multihop, các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoạc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này,các phương tiện truyền dẫn được chọn phải phù hợp theo chuẩn trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm ứng dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm ứng năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz. Cấu trúc wireless Integrated network sensors (WINS) cũng sử dụng đường truyền vô tuyến để truyền dữ liệu.

Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại. Thiết kế máy thu phát dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn.

• Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không dây có thể được coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể trang bị nguồn năng lượng giới hạn(0.5Ah, 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin.

Mạng cảm biến không dây được dùng trong công nghiệp và y tế thường đòi hỏi công suất tiêu thụ thấp, được cung cấp năng lượng từ những cục pin nhỏ nhưng có thể sống được vài tháng đến vài năm. Với các ứng dụng theo dõi môi trường, khi mà số lượng lớn cảm biến được rải trên diện tích rất rộng thì việc thường xuyên phải thay pin để cung cấp nguồn năng lượng là điều không khả thi. Chính vì lý do đó trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lượng để sử dụng một cách hiệu quả nhất cần kết hợp với các thuật toán định tuyến tối ưu để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ.

• Tínhbảo mật : Khi truyền tín hiệu không dây được truyền đi trong không gian thì nó rất dễ dàng bị thu và đánh cắp thông tin ở bất cứ nơi đâu trên đường truyền vì thế vấn đề bảo mật rất được quan tâm khi thiết kế mạng cảm biến không dây. Điều này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên của hệ thống về mặt năng lượng và băng thông tuy nhiên bảo mật là một yếu tốt bắt buộc trong truyền tin. Bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần phải đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận. Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin, điều chỉnh các bit thông tin, thêm các bít xác thực.

1.3.5 Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm:

Hình 1.8 Kiến trúc giao thức mạng

• Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM915MHZ được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến.Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý.
• Lớp ứng dụng : tùy từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng có một số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng cảm biến (TADAP), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP).
• Lớp giao vận: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêucầu. Lớp giao vận đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet.
• Lớp liên kết dữ liệu: lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
• Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Việc định tuyến trong mạng cảm biến cần phải đối mặt với rất nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng… Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:

ühiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hang đầu.

ü Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.

üTích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

üPhải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí.

• Phần phẳng quản lý năng lượng: quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó.Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ phát quảng bá sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến. Năng lượng còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
• Phần quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự chuyển động của các nút, Các nút giữ việc theo dỏi xem ai là nút hàng xóm của chúng. Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.
• Phần quản lý nhiệm vụ: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tùy theo mức công suất của nó.
• Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Trước đây các thiết bị UGS trước khá lớn và cồng kềnh, hay phát cảnh báo sai và có tuổi đời chỉ tính bằng ngày hay tuần.Nhưng ngày nay  tuổi thọ của những cảm biến này đã được cải tiến có thể lên tới khoảng hai thập kỷ. Khi không phát hiện được vật thể hoặc truyền tín hiệu, các cảm biến sẽ tự tắt để tiết kiệm pin. Điều này giúp nó có thể duy trì hoạt động trong nhiều tuần khi bị chôn dưới đất. Các cảm biến được đặt vào hốc đá được trang bị tấm pin năng lượng mặt trời nhỏ để giúp cảm biến tự sạc pin. Vì thế, những loại thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thể được đặt ở bất kỳ đâu trên thế giới, và vẫn chạy tốt suốt đêm.
• Giám sát lực lượng và trang thiết bị: Lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bị. Quân đội, xe cộ, trang thiết bị có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến để có thể thông báo về trạng thái.
• Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thể theo dõi các hoạt động Phát hiện phóng xạ, rà phá bom mìn...

1.4.  Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây.

1.4.1. Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc phòng

Hình 1.9  Thiết bị cảm biến đặt trên mặt đất.

  Trước đây quân đội Mỹ đã sử dụng các thiết bị theo dõi dễ bị lẫn vao đất đá hoặc được giấu trong hốc đá  ngay từ năm 1966, khi các lực lượng của Mỹ gài các thiết bị phát hiện âm thanh trên đường Hồ Chí Minh. Hay hàng ngàn thiết bị UGS từng được rải khắp Afghanistan và Iraq, tạo nên mạng lưới giám sát quanh các tiền đồn và tại các địa điểm xa xôi. Đây là cách giám sát khu vực lớn nhất có thể với số lượng binh lính tối thiểu.

•      Giám sát địa hình và quản lý được đường biên giới, hải đảo: Với các thiết bị ADSID (cây nhiệt đới) mạng Wirelless sensor network, hệ thống truyền thông Viettel và hệ thống thông tin và cáp cáp quang hữu tuyến. Hoàn toàn có thể quản lý được đường biên giới, hải đảo trong một không gian rộng lớn dưới một mạng duy nhất, ổn định.

Với công nghệ hiên nay, các phần cứng trong ADSID có thể được lập trình sao cho, trong điều kiện bình thường các thiết bị ở trạng thái ngủ(sleeping) với mức tiêu thụ năng lượng ít nhất. Trong trường hợp các sensor cảm nhận được các tín hiệu âm thanh , từ trường hoặc địa chấn, vượt quá dải tần cảnh báo, phần cứng trong ADSID  mới trở về trạng thái kích hoạt, xác định tính chất của mục tiêu và truyền thông tin thu nhận được về trung tâm xử lý thồn tin. Trung tâm sẽ xác định lại mục tiêu, trong trường hợp xảy ra xâm phạm biên giới, hải đảo. Dựa vào những thông tin truyền về trung tâm từ cây nhiệt đới ADSID, trung tâm sẽ điều hành tác chiến và các đơn vị thành viên sẽ nhanh chóng  xác định được chính xác khu vực đang có tình huống, số lượng người hoặc phương tiện đang xâm phạm. Hình 1.10 cho ta hình dung được về ứng dụng của mạng cảm biến trong hoạt động quân đội.

 

Hình 1.10  Sơ đồ thể hiện tình huống ngăn chặn hoạt động xâm phạm chủ quyền

1.4.2 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.

Điều khiển từ xa các thiết bị trong nhà:Với các tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các nút cảm biến và các bộ điều khiển thông minh có thể gắn được trong các thiết bị gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh,máy bơm nước tự động…

Hình 1.11 Sơ đồ căn nhà thông minh

Ví dụ : Hình 1.11 trong ngôi nhà thông minh, từ tủ rượu cho tới gấu bông sẽ đều được kết nối thông minh và điều khiển từ ứng dụng smartphone, cửa ra vào sẽ "nói chuyện" cùng chuông báo cháy, đèn chiếu sẽ nhấp nháy khi tủ lạnh bị mở cửa, và một chú gấu bông thông minh sẽ thay bạn chúc em bé ngủ ngon.

1.4.3 Ứng dụng trong y tế

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là kiểm tra tình trạng các bệnh nhân, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng hoặc các loài sinh vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện.

Khi cảm biến phát hiện sự thay đổi, nó sẽ gửi thông tin đến điện thoại của bệnh nhân bằng tin nhắn hoặc email. Mỗi khi đến giờ uống thuốc, bóng đèn nhỏ trong lọ thuốc sẽ nhấp nháy kèm theo đó là âm thanh nhắc nhở. 

Hình 1.12 Lọ thuốc thông minh

Giám sát trong y tế và chuẩn đoán từ xa: Trong tương lai các nút cảm ứng có thể gắn được vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da và đo các thông số của máu để sớm phát hiện các bệnh hiểm nghèo như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn.

Quản lí dược phẩm trong bệnh viện: mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có thể nhận biết các dị ứng thuốc và dược phẩm cần thiết.Nhờ đó, có thể giảm tối đa cac sai sót trong việc kê đơn thuốc và sử dụng thuốc của bệnh nhân.

1.4.4 Ứng dụng trong bảo vệ môi trường

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc lớn đối với việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt

 

Hình 1.13  Ứng dụng trong bảo vệ môi trường

 

Phát hiện cháy rừng: FireWatch là hệ thống giám sát từ xa số trên mặt đất dùng để quan trắc một vùng rừng rộng lớn và phân tích, tính toán và lưu trữ dữ liệu thu thập.

Hình 1.14  Hệ thống cảm biến giám sát từ xa số

Do có sự nhạy cảm, chính xác và ổn định cao nên hệ thống có thể dễ dàng phát hiện sớm cháy rừng.

FireWatch có thể tính toán và phân loại nhiều loại thông tin đầu vào và kết nối với trạm trung tâm.Trong trường hợp phát hiện đám cháy, hệ thống sẽ tự động đưa ra cảnh báo.

FireWatch đã được thử nghiệm thành công và sử dụng tại Đức trong nhiều năm (một số Bang như: Brandenburg, Mecklenburg-Western Pomerania, Saxony-Anhalt).

Một số tính năng đặc thù:

- Phát hiện cháy rừng sớm một cách tự động và ổn định theo mô hình các trạm quan trắc.

- Tự động phát hiện đám khói bất luận ngày hay đêm.

- Xử lý dữ liệu trực tuyến trên đường truyền sóng radio hay cáp tốc độ cao.

- Giám sát một diện tích rừng lớn tới 70.000 ha bằng chỉ một cảm biến.

- Thu nhận và cung cấp hình ảnh chất lượng cao cho trạm xử lý.

Tính năng nổi bật:

 

Hình 1.15 Tính năn nổi bật của hệ thống

- Bán kính quan trắc: từ 10 đến 15 km

- Độ chính xác: Có khả năng phát hiện đám khói có độ lớn 15mx15m ở khoảng cách 15 km.

- Mỗi phút quan trắc được 14.000 ha.

- Bộ cảm biến được bảo vệ trong mọi điều kiện thời tiết.

Điều này sẽ giúp phát hiện sớm và đưa ra cảnh báo ngăn chặn được thảm họa cháy rừng.

Phát hiện lũ lụt: một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ. Hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mức nước, thời tiết. Những cảm biến này cung cấp thông tin cho  hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lũ lụt sớm.

   

 

 Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa trấn:

Hình 1.16 Một thiết bị cảm biến cực nhạy của CTBTO trên mặt đất

Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và hiện tượng núi lửa phun trào.

1.4.5  Ứng dụng trong công nghiệp

Ứng dụng trong quản lý, điều khiển, hiệu suất và an toàn trong các hoạt động công nghiệp. Cảm biến được đặt trong môi trường làm việc để giám sát quá trình làm việc và các sự cố có thể xảy ra… Các dữ liệu được truyền về trung tâm để người quản lý có biện pháp xử lý kịp thời..

Hình 1.17 Ứng dụng trong công nghiệp

1.4.6  Ứng dụng trong giao thông

Cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc được gắn ở vỏ ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau và tương tác với đường và các biển báo để giúp các phương tiện đi được an toàn, tránh tai nạn giao thông và giúp điều khiển luồng tốt hơn.

Hình 1.18 Cảm biến ứng dụng trong giao thông

1.5 Kết luận chương

Trong chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, gia đình, môi trường... Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta.Mạng cảm biến không dây có được những đặc tính vượt trội mạng khác là tính di động, và hoạt động ở những nơi có môi trường khắc nghiệt.Với những ưu điểm trên và sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến.

Tuy nhiên bên cạnh nhưng ưu điểm còn có nhược điểm cần phải khắc phục đó là vấn đề năng lượng. Để làm được điều đó cần phải có những giao thức định tuyến sao cho việc tiêu thụ năng lượng cho toàn mạng là ít nhất.Chương tiếp 2 theo em sẽ trình bày về các loại giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây.

 

 

 

 

 

CHƯƠNG 2    ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN

 KHÔNG DÂY

 

2.1 Giới thiệu chương

Chương hai em sẽ trình bày về các loại giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây:

+ Những khó khăn trong việc định tuyến cho mạng cảm biến không dây.

+  Định tuyến ngang hàng (flat based routing).

+  Định tuyến phân cấp (hierarechical based routing)

+  Định tuyến dựa vào vị trí (location based routing) 

2.2  Những khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây WSN

Vì mạng cảm biến không dây có những ứng dụng vô cùng to lớn trong cuộc sống, và để tận dụng hết những thuận lợi này ta phải xác định rõ những hạn chế của mạng cảm ứng và các vấn để kĩ thuật sẽ gặp phải khi triển khai.

2.2.1 Giới hạn bởi năng lượng

Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến bị ảnh hưởng mạnh bởi năng lượng. Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến là một hàm suy hao theo khoảng cách và đặc biệt suy giảm mạnh trong truờng hợp có nhiều vật cản, định tuyến đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp. Tuy nhiên, định tuyến đa bước nhảy cần một số lượng lớn các tiêu đề (overhead) để điều khiển cấu hình và điều khiển truy nhập đường truyền. Ðịnh tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các trường hợp các nút đều được rải  ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn.

Trong mạng cảm biến không dây đa bước nhảy, mỗi nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường. Một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức lại mạng.

2.2.2 Giới hạn về giải thông

Trong mạng cảm ứng, năng lượng được dùng trong xử lý dữ liệu ít hơn nhiều so với việc truyền nó đi.Hiện nay tốc độ truyền thông vô tuyến bị giới hạn trong tốc độ khoảng 10- 100Kbits/s. Sự giới hạn băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin giữa các nút.Và nếu không có sự truyền thông tin này thì không thể đồng bộ hóa được.

2.2.3 Giới hạn về phần cứng

Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước của các nút phải nhỏ,càng nhỏ càng tốt, và một số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai một số lượng lớn các nút trên một phạm vi hẹp.Điều này đã hạn chế về năng lực tính toán cũng như không gian lưu trữ trên mỗi nút.

 

Hình 2.1 Cấu trúc phần cứng hạt bui Berkeley mica2

 

Một nút cảm ứng tiêu biểu như hạt bui Berkeley mica2 hình 2.1 có một pin mặt trời nhỏ, CPU 8bit hoạt động ở tốc độ 10Mhz, bộ nhớ từ 128Khz đến 1Mb, và phạm vi truyền dưới 50m. Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ đã đặt ra một thách thức to lớn. Đó là ta không thể tăng kích cỡ nút cảm ứng vì như vậy sẽ tăng thêm chi phí và tiêu tốn thêm năng lượng, động thời sẽ gây khó khăn trong việc triển khai hàng nghìn nút trong mạng.

2.2.4  Kết nối mạng không ổn định

Mạng cảm ứng có ưu điểm là tính di động, nhưng mạng vẫn phải đối mặt với những nhược điểm sau:

Giới hạn trong phạm vi truyền của các sensor di động (10m đến 100m), dẫn đến việc truyền thông tin giữa các nút cảm ứng trở nên khó khăn.

Các phương tiện truyền không dây không được bảo vệ khỏi nhiễu bên ngoài nên có thể dẫn đến mất mát một lượng lớn thông tin.

Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục.

Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nút nên việc định lại cấu hình động trở nên cần thiết.

2.3  Phân loại các giao thức định tuyến

Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến là một thách thức khó khăn đòi hỏi phải có sự cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng và sự hiệu quả. Sự cân bằng này yêu cầu sự cần thiết thích hợp khả năng tính toán và truyền dẫn của các nút cảm biến ngược với overhead yêu cầu thích ứng với điều kiện này. Trong mạng cảm biến không dây, overhead được đo chính là lượng băng thông được sử dụng, tiêu thụ công suất và yêu cầu xử lý của các nút di động. Việc tìm ra chiến lược cân bằng giữa sự cạnh tranh này cần thiết tạo ra một nền tảng chiến lược định tuyến.

Việc thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải xem xét giới hạn về:

üCông suất và tài nguyên của mỗi nút mạng.

üChất lượng thay đổi theo thời gian của các kênh vô tuyến.

üKhả năng mất gói và trễ.

Dựa vào các yêu cầu thiết kế này một số các chiến lược định tuyến trong mạng cảm biến được đưa ra. Việc định tuyến trong WSN có thể được chia thành:

• Loại 1: giao thức định tuyến thông qua kiến trúc phẳng (Flat Architecture) trong đó các nút có vai trò như nhau. Kiến trúc phẳng có một vài lợi ích bao gồm số lượng overhead tối thiểu để duy trì cơ sở hạ tầng, và có khả năng khám phá ra nhiều đường giữa các nút truyền dẫn để chống lại lỗi và tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng như nhau.
• Loại 2: giao thức định tuyến phân cấp theo cụm: Lợi dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng, sự ổn định, sự mở rộng. Trong loại giao thức này các nút mạng tự tổ chức thành các cụm trong đó có một nút có mức năng lượng cao hơn các nút khác và đóng vai trò là nút chủ. Nút chủ thực hiện phối hợp hoạt động trong cụm và chuyển tiếp thông tin giữa các nút cụm với nhau. Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sống cho mạng.
• Loại 3: giao thức định tuyến dựa theo vị trí tùy thuộc vào cấu trúc của mạng. Trong đó vị trí của các nút cảm biến được sử dụng để định tuyến số liệu.

Một giao thức định tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lượng khả dụng. Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thức định tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào QoS tùy theo cơ chế hoạt động của giao thức.

Ngoài ra, các giao thức định tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tùy thuộc vào cách thức mà nguồn tìm đường tới đích. Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu cầu. Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên. Khi cá nút cảm biến cố định, nó thích hợp với giao thức định tuyến theo bảng hơn là với các giao thức tương tác. Một lượng công suất đáng kể được sử dụng để tìm đường và thiết lập các giao thức tương tác.Một số giao thức khác dựa vào định thời và thông tin vị trí. Để khái quát, có thể sự dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế họat động của giao thức (tiêu chuẩn định tuyến). Việc phân loại giao thức đinh tuyến trong WSN được thể hiện ở hình 2.2.

Hình 2.2 Phân loại giao thức định tuyến trong WSN

2.3.1 Giao thức định tuyến ngang hàng

Trong giao thức định tuyến ngang hàng, mỗi nút mạng có một chức năng giống nhau và các nút mạng cảm biến kết hợp với nhau. Do có quá nhiều nút có cùng chức năng nên việc xác định nhận dạng toàn cầu cho từng nút là không khả thi.

Vì vậy, trung tâm dữ liệu định tuyến (data-centric routing) được phát triển.trung tâm dữ liệu định tuyến yêu cầu trạm cơ sở (based stations) vấn tin đến các vùng xác định và đợi dữ liệu từ nút cảm biến của các vùng lân cận. Vì dữ liệu được yêu cầu bằng cách vấn tin, cần phải nhóm các nút có cùng tình chất với nhau và xác định rõ tính chất của dữ liệu. SPIN và directed diffusipon là hai giao thức đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm sự dư thừa dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Hai giao thức này đã dẫn đến sự phát triển của các giao thức GBR, SAR.

2.3.1.1 Giao SPIN (Sensor protocols for information via negotiation)

SPIN là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu.Trong SPIN, tất cả thông tin ở mỗi nút sẽ được phân tán đến tất cả các nút trong cùng mạng lưới, giả định rằng tất cả các nút trong mạng đều có thể là cơ sở nhận dữ liệu. Người dùng có thể vấn tin đến bất kì nút nào và nhận được thông tin yêu cầu ngay lập tức.Các giao thức thuộc SPIN dùng sự dàn xếp dữ liệu và thuật toán khác nhau để phù hợp với nguồn tài nguyên có sẵn.Các nút trong SPIN sử dụng một bộ miêu tả dữ liệu để miêu tả chính xác những dữ liệu được chứa và dàn xếp dựa trên các bộ miêu tả dữ liệu này trước khi truyền dữ liệu.Việc này giúp loại bỏ những dữ liệu dư thừa được truyền. SPIN cũng có thể truy cập và theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của các nút và thay đổi giao thức dựa trên nguồn năng lượng còn lại. Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống cho mạng.

Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử dụng ba loại bản tin ADV, REQ và DATA. ADV để dùng để

quảng cáo về những dữ liệu mới, REQ dùng để yêu cầu thông tin, và DATA để liên lạc với nhau :

 

 

 

 

 

 

Hình 2.3 : Ba tín hiệu bắt tay của SPIN

            Hoạt động của SPIN gồm 6 bước :

• Bước 1: ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các nút.
• Bước 2: REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm. Sau khi nhận được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu lấy dữ liệu.
• Bước 3: bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu được cảm biến và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu.
• Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu (metadata).
• Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu cầu dữ liệu.
• Bước 6: DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này.

Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được đích.

Hình 2.4 Hoạt động của SPIN

Giao thức SPIN được chia thành các loại:

• SPIN-PP: Giao thức này được thiết kế cho truyền thông điểm – điểm, giả sử như hai nút có thể giao tiếp với nhau mà không ảnh hưởng tới truyền thông của các nút khác. Khi nút đó có dữ liệu để gửi nó sẽ gửi ADV tới các nút hàng xóm, nếu nút nào muốn nhận thông tin đó nó sẽ trả lời bằng bản tin REQ. Quá trình sẽ cứ tiếp diễn như vậy.
• SPIN-EC: Giao thức này là sự bổ sung thêm thủ tục xác định năng lượng so với giao thức trước. Một nút chỉ tham gia quá trình nếu như nó có thể thực hiện các giai đoạn của giao thức mà năng lượng không xuống dưới ngưỡng cho phép.

SPIN-BC: Giao thức này dùng cho kênh quảng bá, ưu diểm của giao thức này là  mọi nút hàng xóm đều nhận được bản tin quảng bá. Còn nhược điểm của nó là các nút sẽ ngừng truyền nếu như kênh đó đã được sử dụng. Một điểm khác của giao thức này với các giao thức trước đó là các nút sẽ không lập tức gửi bản tin trả lời REQ ngay sau khi nhận được gói tin ADV, mỗi nút sẽ sử dung một thời gian trễ ngẫu nhiên rồi mới gửi gói tin REQ đi.

2.3.1.2    Giao thức khuếch tán trực tiếp (Dirrected Diffusion)

Khuếch tán trực tiếp là một mô hình kết hợp dữ liệu phổ biến cho mạng không dây. Đây là một mô hình trung tâm thông tin (data centric- DC). Nó sẽ tập trung tổng hợp dữ liệu để sử dụng năng lượng một cách hiệu quả, nghĩa là nó sẽ kết hợp dữ liệu từ những nút khác nhau để loại bỏ thông tin dư thừa nhằm tối ưu hóa số gói tin phải gửi, bởi vậy sẽ tiết kiệm được năng lượng cho toàn mạng.

Trong mô hình định tuyến tập trung địa chỉ Address Centric (AC) thì chỉ cần tìm đường đi ngắn nhất tới nút cơ sở. Trong mô hình tập trung dữ liệu, dữ liệu được tập trung ở một nút trước khi gửi về nút cơ sở, còn trong mô hình tập trung địa chỉ thì các nút gửi dữ liệu độc lập theo tuyến ngắn nhất về nút gốc.

2.3.1.3   Định tuyến dựa trên hướng và tốc độ truyền-GBR

Giao thức GBR (Gradient-Based Routing) là giao thức chỉnh sửa của Directed Diffusion.Ý tưởng chính trong đình tuyến dựa vào vị trí và tốc độ truyền là ghi nhớ số bước nhảy (hop) khi tin interest được khuếch tán ra toàn bộ mạng lưới.Sự khác nhau giữa số bước nhảy tối thiểu đến BS của nút đang xét và của nút lân cận được coi là gradient của đường nối.Một gói tin sẽ được chuyển tiếp trên một đường với gradient lớn nhất.GBR sử dụng một số công nghệ phụ trợ như tổng hợp thông tin và dãn lưu thông dữ liệu để chia lưu thông đồng đều ra toàn mạng khi nhiều tuyến chạy qua cùng một nút dẫn. Nút dẫn đó có thể ghép dữ liệu tùy theo chức năng.

Trong GBR, có ba cách phát tán khác nhau được sử dụng:

• Thứ nhất: là Stochastic Scheme – một nút ngẫu nhiên chọn một gradient khi hai hop kế tiếp (hoặc đơn) có cùng gradient.
• Thứ hai: là kế hoạch dựa trên nguồn năng lượng, khi một độ cao của một nút tăng khi nguồn năng lượng giảm dưới một ngưỡng nhất định, vì vậy các bộ cảm biến khác không gửi dữ liệu đến nút đó nữa.
• Thứ ba : là phương pháp dựa trên đường truyền (stream based), trong   là một phần của tuyến của các đường truyền khác.

 Mục tiêu của các phương pháp này là để đạt được sự cân bằng lưu thông dữ liệu trong mạng lưới, vì vậy kéo dài tuổi thọ của mạng lưới.

2.3.1.4 Giao thức gán tuyến liên tiếp SAR (Sequential Assignment Routing)

Mục đích của giao thức gán tuyến liên tiếp (SAR) là xem xét năng lượng và chất lượng dịch vụ trên mỗi tuyến và mức độ ưu tiên của gói tin để quyết định.Mỗi nút sẽ duy trì nhiều tuyến tới trạm cơ sở cùng một lúc để tránh tình trạng quá tải hoặc một tuyến liên kết bị lỗi.Số tuyến này được xây dựng bằng cách xây dựng cây mạng tại các nút kề trạm cơ sở, cây được mở rộng bằng cách thêm vào các nút lá hoặc nút nhánh kế tiếp và bỏ qua những nút có chất lượng dịch vụ hoặc năng lượng thấp. Như vậy mỗi nút sẽ kết hợp 2 thông số chất lượng dịch vụ và năng lượng trong mỗi tuyến, trong đó năng lượng được xác định bằng số gói tối đa có thể định tuyến mà không cần thay thế năng lượng nếu như vẫn sử dụng tuyến đó.     

Giao thức SAR tính toán thông số chất lượng dịch vụ, năng lượng tiêu thụ và mức ưu tiên của gói tin. Một thủ tục xây dựng lại tuyến được khởi phát bởi nút cơ sở để kịp thích ứng khi topo mạng thay đổi, việc phục hồi lại lỗi được thực hiện bằng thủ tục bắt tay giữa các nút hàng xóm với nhau.

2.3.2  Các giao thức định tuyến phân cấp

Trong kiến trúc phân cấp, các nút có vai trò khác nhau :các nút có năng lượng cao hơn được sử dụng để xử lý và gửi thông tin trong khi các nút có năng lượng thấp được sử dụng để cảm nhận, thu thập dữ liệu.Điều này có nghĩa là tạo ra các cluster và chỉ định các nhiệm vụ đặc biệt cho các nút chủ cụm (nút có nhiều năng lượng hơn).

Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến bằng việc đặt chúng trong giao tiếp đa chặng trong một cụm cụ thể, bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến trạm gốc. Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của nút và vùng lân cận của nút so với nút chủ cụm.

Phần này sẽ trình bày một số giao thức tiêu biểu trong giao thức định tuyến phân cấp.

2.3.2.1   Giao thức định tuyến phân cấp tương thích năng lượng thấp – LEACH

LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp rất hiệu quả trong mạng cảm biến WSN. Đây là giao thức thu thập dữ liệu từ các nút thành viên và truyền dữ liệu về các trạm gốc. Việc này sẽ tiết kiệm năng lượng vì quá trình truyền chỉ có thể thực hiện bằng các nút chủ của cụm thay cho việc sử dụng tất cả các nút cảm biến. Số lượng các nút chủ tối ưu của cụm là vào khoảng 5% tổng số lượng các nút.Trong giao thức LEACH, nhờ việc lựa chọn ngẫu nhiên một số nút làm chủ cụm, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với trạm gốc được trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng. Nhờ đó góp phần vào việc kéo dài thời gian sống cho mạng. Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha là pha thiết lập và pha ổn định.Thời gian của pha ổn định kéo dài hơn so với thời gian của pha thiết lập để giảm thiểu phần điều khiển.

vPha thiết lập

Các cụm được hình thành và các nút chủ cụm được lựa chọn.Các nút chủ được lựa chọn như sau : Mỗi nút cảm biến lựa chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n) được tính như sau :

nếu n  G

T(n)= 0

Trong đó : p :  tỷ lệ phần tram nút chủ

                  R:  chu kỳ hiện tại

                G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong  1/p chu kỳ cuối.

Mỗi nút chủ cụm được lựa chọn sẽ truyền thông tin quảng bá cho các nút còn lại trong mạng bản tin thông báo rằng chúng là nút chủ cụm mới. Các nút còn lại không là nút chủ cụm, khi nhận được tin quảng bá, chúng sẽ quyết định chúng thuộc về cụm của nút chủ nào. Quyết định này dựa trên độ mạnh của tín hiệu của bản tin quảng bá các nút chủ cụm phát đi mà chúng nhận được. Các nút không phải chủ cụm này sẽ thông báo cho nút chủ cụm rằng chúng sẽ thuộc về cụm nào. Sau khi các nút chủ cụm nhận được hết thông báo của các nút thuộc về cụm của chúng , căn cứ vào số nút trong cụm, nút chủ  cụm sẽ chỉ định thời gian mà các nút trong cụm gửi dữ liệu đến cho nó dựa trên TDMA.

 

vPha ổn định

Các nút bắt đầu thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu đến các nút chủ cụm. Các nút chủ cụm sẽ tích hợp dữ liệu của các nút trong cụm gửi đến trước khi gửi dữ liệu đến trạm gốc. Sau khoảng thời gian trong pha ổn định, mạng  sẽ trở lại pha thiết lập và vào bước lựa chọn nút chủ cụm mới.

Các nút có thể ngừng hoạt động ngẫu nhiên và các cụm động sẽ làm tăng thời gian sống của mạng. Tuy nhiên LEACH dùng định tuyến đơn điểm, các nút có thể truyền trực tiếp đến các nút chủ và trạm gốc. Vì thế nó sẽ không thích hợp với mạng triển khai trên diện rộng . Hơn nữa, ý tưởng về các cụm động đòi hỏi số lượng over head  lớn, ví dụ như các sự thay đổi nút chủ, quảng bá…

vMột số ưu nhược điểm của LEACH

Ưu điểm

-       Giao thức LEACH lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến làm nút chủ, do đó việc tiêu hao năng lượng khi liên lạc với nút gốc được trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng.

-       Giao thức LEACH giúp kéo dài thời gian sống cho mạng nhờ sự phân bố cho tất cả các nút trong mạng vì nhờ thực hiện phương pháp quay vòng này mà năng lượng tiêu tán sẽ được phân bố đều cho tất cả các nút dẫn đến sẽ kéo dài thời gian sống của mạng. .

Nhược điểm

-       Do LEACH là thuật toán phân tán hoàn toàn và không yêu cầu sự điều khiển bởi trạm gốc. Việc quản lý cụm là cục bộ và không cần sự hiểu biết về mạng toàn cục. Nên nút trong cụm tự mình bầu ra nút chủ, giả sử rằng các nút chủ của cụm đó ở xa trạm gốc thì sẽ tiêu tốn rất nhiều năng lượng để truyền dữ liệu tổng hợp về.

-       Các kết quả mô phỏng giao thức LEACH của mạng WSN cho thấy đây là một phương pháp chọn đường phân cấp có khả năng tiết kiệm được công suất sử dụng và kéo dài thời gian sống của mạng cảm biến.

Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của giao thức này là lựa chọn số liệu tập chung và thực hiện theo chu kỳ . Do đó giao thức này chỉ thích hợp với yêu cầu giám sát liên tục bởi mạng cảm biến. Với ứng dụng mà người sử dụng mà người sử dụng không cần tất cả số liệu ngay lập tức thì việc truyền số liệu theo chu kỳ là không cần thiết và có thể làm tiêu tốn năng lượng vô ích. Giao thức LEACH cần tiếp tục được cải tiến để khắc phục hạn chế này.

2.3.2.2  Giao thức PEGASIS

Giao thức PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)  là giao thức cải tiến lên từ LEACH. Thay vì việc hình thành các cụm, PEGASIS tạo thành chuỗi từ các nút cảm biến để mỗi nút truyền và nhận từ các nút lân cận và chỉ có một nút được chọn từ chuỗi đó để truyền đến trạm gốc. Dữ liệu tập hợp được truyền từ nút này sang nút kia ,tập trung lại và dần dần truyền đến trạm gốc.Ví dụ như hình….

C0  C1 C2  C3 C4

Trạm gốc

Nút C0 truyền dữ liệu của nó đến nút C1.Nút C1 tập hợp dữ liệu của nút C0 và dữ liệu của nó sau đó truyền đến nút chính.Sau khi nút C2 chuyển dữ liệu cho nút C4, nút C4 truyền dữ liệu của nó cho nút C3. Nú C3 tập hợp dữ liệu của C4 với dữ liệu của chính nó và sau đó truyền đến nút chính.Nút C2 đợi để nhận dữ liệu từ cả hai nút lân cận.Cuối cùng, C2 truyền một bản tin đến trạm gốc.

Sự khác biệt so với LEACH là ở chỗ dùng định tuyến đa chặng bằng việc hình thành chuỗi và chọn mỗi một nút để truyền đến trạm gốc thay cho dùng nhiều nút.

Mặc dù đơn giản nhưng mô hình tập trung dạng chuỗi dễ dây ra trễ trước khi dữ liệu tập trung được truyền đến sink. Một phương pháp để giảm độ trễ này là tập trung dữ liệu song song dọc theo chuỗi, và sẽ càng giảm nhiều hơn nếu các nút được trang bị bộ thu phát CDMA.

Giao thức PEGASIS giải quyết được vấn đề về overhead gây ra bởi việc hình thành các cụm động trong LEACH và giảm được số lần truyền và nhận bằng việc tập hợp dữ liệu. Tuy nhiên PEGASIS lại có độ trễ đường truyền lớn đối với các nút ở xa trong chỗi, hơn nữa ở nút chu có thể xảy ra hiện tượng thắt cổ chai.

2.3.3  Giao thức định tuyến dựa theo vị trí

Mục tiêu chính của giải thuật định tuyến này là dựa vào các thông tin về vị trí của các nút cảm biến để tìm một đường đi hiệu quả đến đích. Loại định tuyến này rất phù hợp với mạng cảm biến nơi mà việc tập trung dữ liệu là kỹ thuật hữu ích để giảm thiểu việc truyền bản tin đến trạm cơ sở bằng cách loại bỏ sự dư thừa giữa các gói đến từ các nguồn khác nhau.

Việc dùng thông tin vị trí vào định tuyến góp phần sử dụng hiệu quả năng lượng và tiết kiệm năng lượng cho toàn mạng.

2.3.3.1 Giao thức GAF

GAF (Geographic Adaptive Fidelity) dự trữ năng lượng bằng cách tắt các nút không cần thiết trong mạng mà không ảnh hưởng đến mức độ chính xác của định tuyến.Trong giao thức này, toàn bộ mạng sẽ tạo ra một lưới ảo cho vùng bao phủ.Trong mỗi khu vực, các nút kết hợp với nhau để giữ các vai trò khác nhau.Ví dụ như, các nút sẽ bầu ra một nút ở trạng thái hoạt động trong khoảng thời gian nhất định và sau đó đi vào chế độ nghỉ. Mỗi nút dùng hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Poisitioning System) của nó, xác định vị trí để kết hợp với một điểm trên lưới được gọi là tương đương khi tính đến việc định tuyến gói, để giữ các nút định vị trong vùng lưới xác định ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng. Vì vậy GAF có thể tăng đáng kể thời gian sống của mạng cảm ứng khi mà số lượng các nút tăng lên. Ví dụ được đưa ra ở hình 2.5 nút 1 có thể truyền đến bất kì nút nào trong số các nút 2, 3 và 4 và các nút 2, 3, 4 có thể truyền tới nút 5. Do đó các nút 2, 3, và 4 là tương đương và 2 trong số 3 nút đó có thể ở trạng thái nghỉ.

Hình 2.5 Ví dụ về lưới ảo trong GAF

2.3.3.2 Giao thức GEAR

GEAR (Geographic and Energy Aware Routing)  là giao thức sử dụng thông tin vị trí trong quá trình truyền bản tin truy vấn tới vùng thích hợp vì trong các truy vấn thường chứa các thuộc tính mang thông tin vị trí. Giao thức này dùng sự nhận biết về năng lượng và các phương pháp thông báo thông tin về địa lý rất có ích trong các hệ thống xác định vị trí, đặc biệt là trong mạng cảm biến. Mục đích chính là để hạn chế số tin interest trong truyền tin trực tiếp bằng cách chỉ xét một vùng nhất định thay vì gửi tin interest cho toàn mạng lưới, vì vậy tiết kiệm nhiều năng lượng hơn truyền tin trực tiếp.

2.4 Kết lận chương

Trong chương này em đã trình bày nhiều các giao thức định tuyến. Mỗi giao thức đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.Việc lựa chọn loại giao thức nào hoàn toàn phụ thuộc vào mục đích ứng dụng mà chúng ta triển khai sao cho đạt hiệu quả nhất. Ngày nay với công nghệ ngày càng phát triển thì các giao thức định tuyến ngày càng tối ưu..

Nội dung đồ án này trình bày về giao thức định tuyến PEGASIS và LEACH, trong chương 3 tiếp theo em sẽ trình bày rõ hơn về nội dung cũng như lợi ích mà giao thức đem lại.

 

 

 

 

CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC GIAO THỨC PEGASIS

 

3.1. Giới thiệu chương       

    Chương này sẽ tập trung chi tiết vào giao thức PEGASIStrong mạng cảm biến. Giao thức PEGASIS em  đưa raởđây có sự cải thiệnđáng kể về thời gian sống và hiệu quả năng lượng, bao gồm:

+   PEGASIS cơ bản

+   PEGASIS cải tiến

+   Mô hình năng lượng

3.2. Giao thức PEGASIS

3.2.1 PEGASIS cơ bản

PEGASIS (Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems) là giao thức dựa trên xây dựng chuỗi gần tối ưu. Tức là mỗi nút chỉ giao tiếp với một nút lân cận gần nó nhất, và lần lượt truyền dữ liệu đến trạm cơ sở, do đó  nó làm giảm tối thiểu năng lượng sử dụng trong một vòng.

PEGASIS hỗ trợ tối thiểu hóa khoảng cách truyền trong mạng, tối thiểu hóa lượng mào đầu quảng bá, tối thiểu hóa khối lượng bản tin truyền đến trạm cơ sở và phân bố năng lượng đồng đều giữa các nút trong mạng.

Ý tưởng của PEGASIS là tạo một chuỗi các nút cảm biến  để mỗi nút có thể nhận và truyền dữ liệu tới nút bên cạnh, việc truyền dữ liệu từ nút đến nút, tập hợp lại và sau cùng truyền đến trạm cơ sở. Các nút này sẽ thay nhau truyền dữ liệu đến trạm cơ sở, để năng lượng trung bình được sử dụng bởi mỗi nút được giảm ở mỗi vòng. Để thực hiện thuật toán chúng ta giả sử tất cả các nút cảm biến đều có hiểu biết toàn cục về mạng và đều có thể sử dụng thuật toán Greedy. Thuật toán greedy thực hiện rất tốt và việc xây dựng chuỗi được thực hiện trước khi một vòng truyền dữ liệu bắt đầu.

Để xây dựng một chuỗi chúng ta bắt đầu từ nút xa trạm BS nhất. Chúng ta làm điều này để đảm bảo các ở xa BS đều có nút lân cận gần nó, vì trong thuật toán greedy khoảng cách giữa các nút sẽ tăng dần vì các nút nằm trong chuỗi sẽ không được thăm lại. Hình (3.1) chỉ ra thứ tự liên kết, nút 0 nối với nút 3, nút 3 nối với nút 1, nút 1 nối với nút 2. Khi một nút chết, các nút sẽ phải xây dựng lại chuỗi và bỏ qua nút chết ấy.

Hình 3.1  Xây dựng chuỗi  sử dụng thuật toán Greedy

Để tập hợp dữ liệu mỗi vòng, mỗi nút sẽ nhận dữ liệu từ nút hàng xóm và hợp nhất với dữ liệu nó cảm nhận được và truyền đến nút hàng xóm tiếp theo trong chuỗi Sau khi chuỗi  được thành lập, bước tiếp theo là chọn nút chủ. Nút chủ  được chọn bằng cách sau: ở vòng thứ i thì nút thứ i mod N (N là số nút trong mạng ) sẽ làm chủ. Như vậy năng lượng sẽ được san sẻ giữa các nút. Khi một nút chết, chuỗi sẽ được cập nhật lại bằng cách bỏ qua nút đó trong chuỗi. Như hình 3.2 khi nút 7 chết , nút 8 sẽ cố gắng liênlạc với nút 6.

 

Hình 3.2 Xử lý lỗi khi một nút trong chuỗi chết

3.2.2. PEGASIS cải tiến

Trong giải thuật PEGASIS cơ bản, chúng ta thấy rằng mặc dù năng lượng đã được chia sẻ cho các nút nhưng các nút ở xa trạm BS sẽ bị tiêu thụ năng lượng