Tài liệu Tổng quan về mạng cảm ứng không dây wireless sensor netwơrk-wsn

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, em đã nhận được sự động viên, giúp đỡ tận tình của PGS.TS Vương Đạo Vy. Em xin chân thành cảm ơn thầy và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Điện Tử Viễn Thông -Khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa Học đã dạy bảo em trong suốt 5 năm học đại học, để em có được những kiến thức như ngày hôm nay và cụ thể là qua kết quả đồ án đã phần nào thể hiện điều này. Ngoài ra, trong quá trình làm đồ án xa nhà , em cũng được sự trợ giúp, động viên hết sức to lớn về mặt vật chất cũng như tinh thần từ gia đình, người thân và bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn. Huế, ngày 28 tháng 0 4 năm 2009 Người thực hiện đồ án Nguyễn Duy Thanh Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng nên rất được chú ý trong lĩnh vực thông tin. Hiện nay, người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm ứng không dây để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm ứng được ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm ứng không dây là nguồn năng lượng bị giới hạn, rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong tương lai các ứng dụng của mạng cảm ứng không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống. Trong đồ án này sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm ứng không dây, các giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô phỏng và đánh giá 3 giao thức cơ bản trong mạng cảm biến không dây. Đó là các giao thức LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER. Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 2 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN I.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe… Hình 1.1: Biểu tượng của mạng như mô hình trên Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài. Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạng phạm vi ở nhà (Bluetooth). Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ được hỗ trợ internet không dây. Mạng cellular đích đến là tại những người sử dụng với tính di động cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler. Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao. Bluetooth và Home RF đích đến là tại nhà. Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp. WSN khác với các mạng trên. Nó có 1 số lượng lớn các node. Khoảng cách giữa các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng trên. Do WSN hoàn toàn chỉ là các node, chi phí cho mỗi node là ít. Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều, Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 3 Đồ án tốt nghiệp bởi vì việc thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả. Tốc độ dữ liệu và tính di động trong WSN cũng thấp hơn. Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhận không dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó được tạo thành một cách công khai, sẵn sàng để thương mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể dễ dàng sử dụng thiết bị này. Hình dưới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley. Sự tiện ích của các thiết bị này cũng như một chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đã mang lại một vai trò đầy đủ trong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận không dây. Hình 1.2: Thiết bị “mote” của Berkeley I.2 Cấu trúc mạng WSN I.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải 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, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 3, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 4 Đồ án tốt nghiệp unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer) Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng. Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết 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. Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời. Hầu hết 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 ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường. Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 5 Đồ án tốt nghiệp I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát 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 multihop. Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây. Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một các 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). 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 cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì 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 sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng. Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:  Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.  Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.  Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.  Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.4. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 6 Đồ án tốt nghiệp Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến (hình 1.5) Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến. 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 lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ. Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 7 Đồ án tốt nghiệp  Lớp ứng dụng :Tùy vào 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 mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination).  Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói ngừời dùng (UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu .  Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến 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:  Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.  Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu  Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.  Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không dây. Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipathbased), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến thỏa thuận (negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS – Quanlity of Service), định tuyến kết hợp (coherent-based). Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 8 Đồ án tốt nghiệp  Lớp kết nối 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 nhập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.  Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã và tách sóng.  Phần quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.  Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến. 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 có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó. Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến. I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN I.4.1 Thời gian sống bên ngoài Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn. Ví dụ: một loại pin kiềm cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cực gần 1 tháng hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho một mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế. Trong thực tế, pin rất cần Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 9 Đồ án tốt nghiệp thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng không cần thay thế trong vài năm. Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin. I.4.2 Sự đáp ứng Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển các node trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: chế độ ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active). Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là 1 thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ 1 cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các sensor. Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiên được tìm thấy và thông báo nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở giới hạn chính xác, thậm chí trong sự tồn tại của nghẽn mạng. I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao phủ chính xác (fine-grained coverage). Mục tiêu này phổ biến ở số lượng lớn các thiết bị không đắt tiền. Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi. Tốc độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường khắc khe và trong vùng của kẻ địch. Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng kỹ sảo để có thể đáp ứng tốt. Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầu của hệ thống là không bị hỏng với các thiết bị lỗi. I.4.4 Hiệu suất (Synergy) Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị về các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh chóng sự chính xác của bộ cảm biến. Tuy nhiên, vấn đề kinh tế được đặt ra ở đây là giá cả trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài cent), nó có thể làm cho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhất định. Đó là lý do để thiết kế các giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng của các thành phần trong nó cộng lại. Các giao thức cung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy tính và các tài nguyên thông tin. Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 10 Đồ án tốt nghiệp I.4.5 Tính mở rộng (Scalability) WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn 10 ngàn, thậm chí là hàng triệu node trong một giới hạn về độ dài).Có một vài hạn chế về thông lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến scalability của hoạt động mạng. I.4.6 Tính không đồng nhất (Heterogeneity) Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trình cài đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến). Sự không đồng nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế. I.4.7 Tự cấu hình Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ thống phân phối không cần chủ. Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong thiết kế. Ngay từ khi bắt đầu, các node trong WSN có thể được cấu hình theo topo mạng của chúng; tự đồng bộ, tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác. I.4.8 Tự tối ưu và tự thích nghi Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạt động trước khi triển khai. Dưới những điều kiện đó, việc xây dựng những máy móc để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học được đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng. Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường mà WSN hoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian. Các giao thức WSN sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môi trường năng động trong khi nó đang sử dụng. I.4.9 Thiết kế có hệ thống WSN có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng, nên cần có sự cân bằng giữa hai yếu tố:  Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng riêng để đưa ra những hoạt động phát triển cao.  Tính mềm dẻo: các phương pháp thiết kế phải phổ biến cho các hoạt động I.4.10 Cách biệt và bảo mật Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng, nhạy của thông tin thu được bởi vì WSN làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm sự cách biệt và bảo mật. Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 11 Đồ án tốt nghiệp I.5 Ứng dụng của mạng WSN WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế ... WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng. Một số ứng dụng cơ bản của WSN:  Cảm biến môi trường:  Quân sự: phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…  Công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…  Dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…  Điều khiển:  Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…  Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…  Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải...  Y tế: định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…  Hệ thống giao thông thông minh:  Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…  Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao thông,…  Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh,… WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…) Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 12 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG II ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Rất nhiều các giải thuật mới đã được đưa ra để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu. Các thuật toán phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng. Chương này trình bày ba loại giao thức thường được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location-based protocol). II.1 Giới thiệu Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng adhoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng. Do vậy nó yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới mà khác xa so với các giao thức định tuyến trong các mạng adhoc có dây và không dây. II.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến II.2.1 Tính động của mạng Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm ứng, nút sink và các sự kiện cần giám sát. Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút cảm ứng di động, còn lại hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố định. Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có thể di chuyển . Khi đó các bản tin chọn đường được lấy từ các nút di động hay được chuyển đến các nút di động sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng... Các sự kiện cảm nhận có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng. II.2.2 Sự triển khai các node Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể được xác định trước hoặc tự phân bố. Trong trường hợp được xác định trước, các nút được đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các đường đã định. Tuy nhiên trong các hệ thống tự tổ chức, các nút cảm ứng được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 13 Đồ án tốt nghiệp một cấu trúc theo kiểu ad hoc. Trong các cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các nút chủ cũng góp phần không nhỏ vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt động của mạng. Trong hầu hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thường có cự ly ngắn do các hạn chế về năng lượng và băng thông. Do đó việc chọn đường sẽ thực hiện qua nhiều bước nhảy. II.2.3 Tính đến 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 trường 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. Định 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 WSN 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. II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu trong WSN có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện, theo yêu cầu hoặc ghép lại các phương pháp này. Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng yêu cầu giám sát số liệu định kỳ. Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu cầu theo chu kỳ thời gian xác định. Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút khác trong mạng. Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 14 Đồ án tốt nghiệp Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ thuộc thời gian. Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ phương pháp báo cáo số liệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa năng lượng và sự ổn định tuyến. II.2.5 Khả năng của các node Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là có khả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như nhau. Tuy nhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có thể phải thực hiện các chức năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp, vì thế việc kết hợp ba chức năng trong cùng một thời điểm có thể nhanh chóng làm tiêu hao năng lượng của nút đó. Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kĩ thuật liên quan đến định tuyến. Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp nhiều sensor để kiểm tra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung quanh, phát hiện sự dịch chuyển thông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh của các vật chuyển động. Tốc độ đọc của các sensor này có thể khác nhau, vì thế với những môi trường không đồng nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn. Ví dụ, các giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biến bình thường khác. Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút cảm biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất, băng thông và bộ nhớ. Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập trung bởi một nhóm các nút chủ nhóm. II.2.6 Tập trung / hợp nhất dữ liệu Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm số lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tập trung lại. Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc dùng các chức năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max) và lấy trung bình (average). Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng. Việc tinh toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với giao tiếp, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng kể. Kĩ thuật này được sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến. Trong một số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉ định Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 15 Đồ án tốt nghiệp cho các nút nhiều năng lượng và chuyên dụng. Tập trung dữ liệu cũng khả thi trong kỹ thuật xử lý tín hiệu. II.3 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong WSN Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong WSN. Ngoài cách chia làm ba loại như đã đề cập ở trên, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí việc chọn đường trong WSN còn có thể được chia thành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựa theo vị trí tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng. Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thức chọn đường đa đường, yêu cầu hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất lượng dịch vụ -QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các giao thức chọn đường có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc ghép tuỳ 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. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn chọn đường). Việc phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN được chỉ ra trong hình 2.1 và hình 2.2 Hình 2.1: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 16 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.2: Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 17 Đồ án tốt nghiệp II.4 Các loại giao thức định tuyến II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu (data centric protocols) Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm ứng thì việc xác định số nhận dạng toàn cầu cho từng nút là không khả thi. Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu cùng với việc triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra tập hợp các nút chuyên dụng. Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi nút trong vùng triển khai với độ dư thừa đáng kể, nên việc sử dụng năng lượng sẽ không hiệu quả. Do vậy, người ta đã đưa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra tập hợp các nút và thực hiện tập trung dữ liệu trong suốt quá trình truyền. Điều này đã dẫn đến ý tưởng về giao thức trung tâm dữ liệu. Trong giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi dữ liệu từ các sensor đã được chọn trước trong vùng. SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm bớt sự dư thừa dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Sau đó Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ liệu. II.4.1.1 SPIN (Sensor protocols for information via negotiation) SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Mục tiêu chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môi trường có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng. Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng về tài nguyên và sắp xếp dữ liệu. Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) này là các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào được truyền trong mạng . Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá. Điều này tạo ra sự sắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến nút quan tâm loại dữ liệu này. Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng. Việc sử dụng bộ miêu tả dữ liệu cũng loại trừ khả năng chồng chất vì các nút có thể chỉ giới hạn về lọai dữ liệu mà chúng quan tâm đến. Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của mình trước khi truyền hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có thể giảm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 18 Đồ án tốt nghiệp hoặc các gói. Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của mạng. Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức này sử dụng ba loại bản tin (hình 2.3). Hình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN Hình 2.4: Hoạt động của SPIN Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 19 Đồ án tốt nghiệp 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: là 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. II.4.1.2 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion) Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ thông tin trong mạng cảm biến không dây. Mục tiêu chính là tiết kiệm năng lượng để tăng thời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này, giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi các bản tin, định vị trong vùng lân cận mạng. Sử dụng sự tương tác về vị trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đường truyền dẫn. Đặc điểm duy nhất của giao thức này là sự kết hợp với khả năng của nút để có thể tập trung dữ liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng. Thành phần chính của giao thức này bao gồm 4 thành phần: interest (thông tin yêu cầu), data message (các bản tin dữ liệu), gradient, reinforcements. Directed disffusion sử dụng mô hình publish- and subcribe trong đó một người kiểm tra (tại sink) sẽ miêu tả mối quan tâm (interest) bằng một cặp thuộc tính-giá trị. Như vậy, yêu cầu dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ trong vòng 10’s và trong một miền chi tiết như hình chử nhật có thể được trình bày như sau: Cặp thuộc tính – giá trị mô tả Type = temperature kiểu dữ liệu cảm biến Start = 01:00:00 thời gian bắt đầu Interval =1s báo cáo sự kiện, chu kỳ là 1s Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 20