Tài liệu Nghiên cứu đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trường di động

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VILAYSAK Akone NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG MÔI TRƯỜNG DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VILAYSAK Akone NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG MÔI TRƯỜNG DI ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 8520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Chiến Thắng Thái Nguyên - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: VILAYSAK Akone, học viên lớp cao học K17 – Kỹ thuật viễn thông – Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trường di động” do Thầy giáo TS. Vũ Chiến Thắng hướng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện, dựa trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, năm 2020 Học viên VILAYSAK Akone 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của: Thầy giáo hướng dẫn trực tiếp TS. Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình về phương hướng và phương pháp nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận văn. Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện về thời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho tác giả. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quý báu đó. Thái Nguyên, năm 2020 Học viên VILAYSAK Akone 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2 MỤC LỤC................................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 8 MỞ ĐẦU................................................................................................................... 10 1. Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................... 10 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 10 3. Mục tiêu của đề tài ............................................................................................ 10 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 11 5. Nội dung của luận văn....................................................................................... 11 6. Đóng góp của luận văn ...................................................................................... 11 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY........................ 12 1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây ....................................................... 12 1.2. Ngăn xếp truyền thông cho mạng cảm biến không dây ................................. 13 1.2.1. Lớp vật lý ................................................................................................. 14 1.2.2. Lớp liên kết dữ liệu.................................................................................. 14 1.2.3. Lớp mạng ................................................................................................. 16 1.2.4. Lớp giao vận ............................................................................................ 16 1.2.5. Lớp ứng dụng........................................................................................... 17 1.3. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây ............. 19 1.3.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây.......................... 19 1.3.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây ..................... 21 1.4. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến 28 1.5. Phần cứng cho mạng cảm biến không dây ..................................................... 29 1.6. Phần mềm cho mạng cảm biến không dây ..................................................... 30 1.7. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ...................................................... 31 1.7.1. Ứng dụng trong quân sự .......................................................................... 31 1.7.2. Ứng dụng trong môi trường và ngành nông nghiệp ................................ 32 1.7.3. Ứng dụng trong tự động hóa gia đình...................................................... 32 1.7.4. Ứng dụng trong tự động hóa tòa nhà ....................................................... 33 1.8. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 34 4 Chương 2. ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.................... 35 2.1.Tổng quan về vấn đề định tuyến cho mạng cảm biến không dây ................... 35 2.2. Những thách thức khi thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây .............................................................................................................. 36 2.3. Các thước đo định tuyến cho mạng cảm biến không dây .............................. 38 2.4. Khảo sát một số giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây .......... 39 2.4.1. Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu ................................................... 39 2.4.2. Giao thức định tuyến dựa trên sự phân cụm............................................ 43 2.5. Giao thức định tuyến thu thập dữ liêu cho mạng cảm biến không dây.......... 47 2.5.1 Giao thức định tuyến CTP ........................................................................ 47 2.5.2. Giao thức định tuyến RPL ....................................................................... 50 2.6. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 53 Chương 3. ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG MÔI TRƯỜNG DI ĐỘNG.............. 54 3.1. Giới thiệu về hệ điều hành Contiki và công cụ mô phỏng Cooja .................. 54 3.1.1. Hệ điều hành Contiki ............................................................................... 54 3.1.2. Công cụ mô phỏng Cooja ........................................................................ 54 3.2. Xây dựng kịch bản di động trong công cụ mô phỏng Cooja.......................... 59 3.3. Đánh giá giao thức CTP và RPL trong môi trường di động .......................... 60 3.3.1. Các thước đo đánh giá ............................................................................. 60 3.3.2. Kịch bản mô phỏng đánh giá ................................................................... 62 3.3.3. Kết quả mô phỏng và đánh giá với giao thức CTP trong môi trường di động ................................................................................................................... 64 3.3.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá với giao thức RPL trong môi trường di động ................................................................................................................... 65 3.4. Nhận xét và khuyến nghị................................................................................ 67 3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 68 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 70 5 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Mô hình năng lượng của Tmote Sky tại công suất phát là 0dBm. ........... 61 Bảng 3.2: Kịch bản đánh giá mô phỏng.................................................................... 64 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến......................................................................................................... 12 Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây........................ 13 Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây..... 19 Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không dây.19 Hình 1.5: Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.21 Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN. ..................................... 22 Hình 1.7: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và địa chỉ ngắn (16 bit). ....................................................................................................... 23 Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý.......................... 24 Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11. Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11. .... 25 Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC. .............. 27 Hình 1.11: Các thành phần chính trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm biến không dây. ................................................................................................................. 29 Hình 1.12: Bo mạch MicaZ của hãng Crossbow Technology. ................................ 30 Hình 1.13: Quá trình phát triển phần mềm cho một nút cảm biến không dây. Mã nguồn được biên dịch thành mã máy và được ghi vào ROM trong bộ vi điều khiển của nút cảm biến. .................................................................. 31 Hình 1.14: Mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây trong quân sự ................ 32 Hình 1.15: Mô hình hệ thống nhà thông minh .......................................................... 33 Hình 2.1: Mô hình mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến ...................................................................... 35 Hình 2.2: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây ...... 36 Hình 2.3: Giao thức SPIN ......................................................................................... 40 Hình 2.4: Hoạt động của giao thức Directed Diffusion ............................................ 41 Hình 2.5: Kiến trúc phân cấp dựa trên các cụm........................................................ 43 Hình 2.6: Cấu trúc chuỗi của PEGASIS ................................................................... 44 Hình 2.7: Kiến trúc phân cấp trong giao thức TEEN................................................ 46 7 Hình 2.8: Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP ..................... 48 Hình 2.9: ETXlink của một liên kết ............................................................................ 48 Hình 2.10: Các thành phần chính của giao thức CTP ............................................... 49 Hình 2.11: Ví dụ về một DODAG ............................................................................ 51 Hình 2.12: Ví dụ về việc hình thành DODAG.......................................................... 52 Hình 2.13: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki ................................. 53 Hình 3.1: Mô hình UDG .......................................................................................... 56 Hình 3.2: Mô hình UDI ............................................................................................ 57 Hình 3.3: Màn hình ban đầu với Cooja..................................................................... 57 Hình 3.4: Tạo mô phỏng mới với Cooja ................................................................... 58 Hình 3.5: Thêm nút cảm biến Sky mote trong Cooja ............................................... 58 Hình 3.6: Thêm nút cảm biến Sky mote trong Cooja ............................................... 59 Hình 3.7: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong luận văn ................................ 62 Hình 3.8: Mô hình một cụm gồm 16 nút mạng......................................................... 63 Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu trong mạng ........... 64 Hình 3.10: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong mạng.................................. 65 Hình 3.11: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình trong mạng .......................... 65 Hình 3.12: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu trong mạng ......... 66 Hình 3.13: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong mạng.................................. 66 Hình 3.14: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình trong mạng .......................... 66 8 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Tiếng Việt ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động BAS Building Automation System Hệ thống tự động hóa tòa nhà CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh trống CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập DAG Directed Acyclic Graph Đồ thị có hướng không chu trình DDR Data Delivery Ratio Tỷ lệ chuyển phát gói dữ liệu DODAG Destination Oriented DAG DIS DODAG Information Solicitation Đồ thị không chu trình hướng về điểm đến Bản tin yêu cầu thông tin DODAG DIO DODAG Information Object Đối tượng thông tin DODAG DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp EC Error Control Điều khiển lỗi ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng FEC Forward Error Control Điều khiển lỗi chuyển tiếp FFDs Full Function Devices Các thiết bị có chức năng đầy đủ IEEE ICMP Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Control Message Protocol MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad Hoc Network MCTP Mobile Collection Tree Protocol MRPL Mobile IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network MIC Message Integrity Check Viện kỹ sư điện và điện tử Giao thức bản tin điều khiển Internet Điều khiển truy nhập kênh truyền Mạng Ad hoc di động Giao thức cây thu thập dữ liệu di động Giao thức định tuyến IPv6 di động cho mạng tổn hao và công suất thấp Kiểm tra tính toàn vẹn của bản tin 9 LEACH LLNs Low Energy Adaptive Clustering Cấu trúc phân cụm thích ứng Hierarchy năng lượng thấp Các mạng tổn hao và công Low-Power and Lossy Networks suất thấp PAN Personal Area Network Mạng cá nhân PEGASIS Power-Efficient Gathering in Sensor Information System Thu thập dữ liệu hiệu quả về năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến HT Hard Threshold Ngưỡng cứng TDMA Time Division Multiple Access TEEN Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network QPSK Quadrature Phase-Shift Keying RFDs Reduced Function Devices RPL IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network Đa truy nhập phân chia theo thời gian Mạng cảm biến hiệu quả về năng lượng nhạy cảm theo ngưỡng Điều chế khóa dịch pha vuông góc Các thiết bị chức năng hạn chế Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng tổn hao và công suất thấp ST Soft Threshold Ngưỡng mềm SPIN Các giao thức cảm biến để Sensor Protocols for Information biết thông tin qua thương via Negotiation lượng SFD Start of Frame Delimiter Bắt đầu giới hạn khung UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng UDG Unit Disk Graph Đồ thị đĩa đơn vị UDI UDG with Distance Interference Đồ thị UDG với nhiễu khoảng cách WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây 10 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Các mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện năng, cho phép triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự tổ chức mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu được các hư hỏng sự cố đã tạo ra một triển vọng ứng dụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vài năm gần đây, mạng cảm biến không dây thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu [1]-[9], và chúng được hình dung là có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm giám sát trong quân đội [10], giám sát môi trường [11], và bảo vệ cơ sở hạ tầng [12]… Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây như giao thức cây thu thập dữ liệu CTP (Collection Tree Protocol) [13], [14], [15], giao thức RPL (IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks) [16], [17]. Tuy nhiên, các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu này vẫn chưa được nghiên cứu đánh giá và so sánh trong môi trường di động. Một số ứng dụng của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu trong môi trường di động như ứng dụng trong quân sự, giám sát vật nuôi,… Luận văn này tập trung nghiên cứu, đánh giá một số giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trường di động và đưa ra những khuyến nghị. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP, RPL cho mạng cảm biến không dây trong môi trường di động. Phạm vi nghiên cứu là mô phỏng và đánh giá các giao thức định tuyến CTP, RPL trong điều kiện một số nút mạng di động. Các nghiên cứu đánh giá được tác giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng Cooja. 3. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng, tính hiệu quả của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP, RPL cho mạng cảm biến không dây trong môi trường di động. Dựa trên các kết quả đánh giá mô phỏng, tác giả đưa ra một số khuyến nghị khi áp dụng các giao thức định tuyến này cho mạng 11 cảm biến không dây trong các ứng dụng di động như quân sự hoặc giám sát vật nuôi... 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có ở trong và ngoài nước để phân tích, đánh giá về các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, tác giả tiến hành mô phỏng và đánh giá các giao thức này trong môi trường di động. 5. Nội dung của luận văn Luận văn được trình bày thành 03 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Chương 3: Đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trường di động. Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các nội dung nghiên cứu và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn. 6. Đóng góp của luận văn Hiện nay, mạng cảm biến không dây được ứng dụng nhiều trong các điều kiện nút mạng di động như quân sự, giám sát vật nuôi… Các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP và RPL đã được nghiên cứu và đánh giá về tính hiệu quả như tiết kiệm năng lượng, tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu ở mức cao trong điều kiện các nút mạng cố định. Tuy nhiên, các giao thức định tuyến này vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều trong môi trường di động. Do vậy, hướng nghiên cứu của đề tài vừa có giá trị khoa học và thực tiễn. 12 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây - WSN (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học… Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao,…). Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến. Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minh họa ở hình 1.1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một Sink/Gateway và người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối. Lưu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình 1.1. 13 Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu. Do vậy, việc truyền thông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:  Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink.  Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp trong tuyến đường đa chặng đến Sink. 1.2. Ngăn xếp truyền thông cho mạng cảm biến không dây Kiến trúc ngăn xếp giao thức cho mạng cảm biến không dây được minh họa ở hình 1.2. Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây. Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kết hợp giữa vấn đề năng lượng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng lượng, các giao thức tổng hợp dữ liệu và truyền thông hiệu quả năng lượng qua môi trường không dây. Kiến trúc ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp ứng dụng, cũng như các mặt phẳng đồng bộ, mặt phẳng định vị, mặt phẳng quản lý cấu trúc liên kết mạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di động và mặt phẳng quản lý nhiệm vụ. Lớp vật lý xác định các yêu cầu cần thiết đó là các kỹ thuật điều chế, truyền dẫn, tiếp nhận dữ liệu. Bởi vì môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động, nên lớp liên kết có trách nhiệm đảm bảo việc truyền thông tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiển lỗi và quản lý truy nhập kênh thông tin thông qua lớp MAC để hạn chế tối đa xung đột với các bản tin quảng bá của nút lân cận. Tùy thuộc vào các nhiệm vụ cảm biến thì các chương trình ứng dụng khác nhau có 14 thể được xây dựng và được sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu từ lớp giao vận. Lớp giao vận giúp duy trì dòng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Thêm vào đó là các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và quản lý nhiệm vụ để giám sát năng lượng tiêu thụ, sự di chuyển và sự phân phối nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những mặt phẳng này giúp các nút cảm biến phối hợp với nhau trong việc cảm nhận môi trường và giảm tổng năng lượng tiêu thụ. Mặt phẳng quản lý năng lượng quản lý việc sử dụng năng lượng của một nút cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhận được một bản tin từ một nút lân cận. Điều này nhằm tránh việc nhận được các bản tin trùng lặp. Ngoài ra, khi mức năng lượng của một nút cảm biến xuống thấp thì nút cảm biến sẽ thông báo quảng bá đến các nút lân cận để các nút lân cận biết rằng năng lượng của nó đang ở mức thấp và nó không thể tham gia vào việc định tuyến các bản tin. Năng lượng còn lại chỉ để dành riêng cho việc cảm nhận và truyền dữ liệu của riêng nút đó. Mặt phẳng quản lý di động phát hiện và đăng ký sự di chuyển của các nút cảm biến, do đó một tuyến đường đến người dùng cuối luôn luôn được duy trì và các nút cảm biến có thể theo dõi các nút lân cận của chúng. Bằng việc nhận biết các nút lân cận thì các nút cảm biến có thể cân bằng giữa việc sử dụng năng lượng và nhiệm vụ của chúng. Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ cân bằng và lập lịch các nhiệm vụ cảm nhận cho một khu vực cụ thể. Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đó được yêu cầu thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Kết quả là, một số nút cảm biến thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn các nút khác, tùy thuộc vào mức năng lượng của chúng. Những mặt phẳng quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau sao cho chúng đạt được hiệu quả cao nhất về năng lượng, về định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Nếu không có các mặt phẳng quản lý này thì mỗi nút cảm biến chỉ có thể làm việc riêng lẻ. Từ góc độ toàn mạng thì sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể cộng tác với nhau, nhờ đó thời gian tồn tại của mạng có thể được kéo dài. 1.2.1. Lớp vật lý Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mạng, phát hiện tín hiệu và điều chế dữ liệu. 1.2.2. Lớp liên kết dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép các dòng dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, điều khiển lỗi và điều khiển truy nhập kênh truyền. Nó đảm bảo sự tin cậy của các kết nối điểm - điểm và điểm - đa điểm trong mạng. 15 1.2.2.1. Điều khiển truy nhập kênh truyền Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đa chặng và tự tổ chức cần phải đạt được hai mục tiêu. Mục tiêu thứ nhất là tạo cơ sở hạ tầng kết nối mạng. Bởi vì hàng trăm nút cảm biến có thể nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm biến, nên cơ chế MAC cần phải thiết lập các liên kết truyền thông để truyền dữ liệu. Điều này tạo thành cơ sở hạ tầng mạng cần thiết cho việc truyền thông không dây đa chặng và cung cấp khả năng tự tổ chức. Mục tiêu thứ hai là chia sẻ hiệu quả các tài nguyên truyền thông giữa các nút cảm biến. Những tài nguyên này bao gồm thời gian, năng lượng và tần số. Trong suốt một thập kỷ qua, một số giao thức MAC đã được phát triển cho các mạng cảm biến không dây để giải quyết những yêu cầu này. Với bất kể một cơ chế truy nhập kênh truyền nào thì vấn đề hiệu quả năng lượng là vô cùng quan trọng. Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trợ các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến. Việc bảo tồn năng lượng rõ ràng nhất là tắt bộ thu phát khi không cần thiết. Mặc dù phương pháp tiết kiệm năng lượng này dường như có lợi đáng kể cho việc tiết kiệm năng lượng nhưng nó có thể cản trở việc kết nối mạng. Sau khi bộ thu phát tắt thì nút cảm biến không thể nhận được bất kỳ gói tin nào từ các nút lân cận, bởi vì nó bị ngắt kết nối mạng. Ngoài ra, việc bật và tắt bộ thu phát vô tuyến đều có một chi phí về năng lượng tiêu thụ do các thủ tục khởi động và tắt bộ thu phát vô tuyến đều yêu cầu cả về phần cứng và phần mềm. Có một số chế độ hoạt động hữu ích khác cho nút cảm biến không dây tùy thuộc vào số lượng các trạng thái của bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi A/D và bộ thu phát. Mỗi chế độ này được đặc trưng bởi năng lượng tiêu thụ, thời gian trễ để chuyển đổi giữa các chế độ năng lượng đó. 1.2.2.2. Điều khiển lỗi Một chức năng quan trọng của lớp liên kết dữ liệu là điều khiển lỗi (Error Control - EC). Hai chế độ quan trọng của phương thức điều khiển lỗi trong các mạng truyền thông là sửa lỗi trước (Forward Error Control - FEC), yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request - ARQ). Lợi ích của ARQ trong các ứng dụng mạng cảm biến bị hạn chế do việc tổn hao năng lượng khi truyền lại và việc giải mã cũng phức tạp hơn ở FEC, cũng như các khả năng sửa lỗi cần phải được xây dựng. Do đó, các mã điều khiển lỗi đơn giản với việc mã hóa và giải mã ít phức tạp có thể là các giải pháp hiện tại tốt nhất cho các mạng cảm biến. Để thiết kế một cơ chế như vậy thì điều quan trọng là phải hiểu rõ về các đặc tính kênh truyền. 16 1.2.3. Lớp mạng Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm biến, có thể ở gần hoặc ngay trong hiện trường như được chỉ ra trong hình 1.1. Thông tin thu thập được liên quan đến hiện trường được truyền đến Sink có thể được đặt xa so với trường cảm biến. Tuy nhiên, phạm vi truyền thông của các nút cảm biến bị hạn chế đã không cho phép việc truyền thông trực tiếp giữa mỗi nút cảm biến với Sink. Điều này đòi hỏi các giao thức định tuyến không dây đa chặng giữa các nút cảm biến và Sink bằng việc sử dụng các nút cảm biến trung gian để thực hiện chuyển tiếp. Các kỹ thuật định tuyến hiện có đã được phát triển cho các mạng Ad-hoc không dây thường không phù hợp với các yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của các mạng cảm biến thường được thiết kế theo quy tắc sau đây:  Vấn đề hiệu quả năng lượng luôn là vấn đề được quan tâm nhất.  Các mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.  Ngoài việc định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp các dữ liệu từ các nút lân cận thông qua việc xử lý cục bộ.  Do số lượng lớn các nút trong một mạng cảm biến không dây nên có thể các nút không có nhận dạng duy nhất và chúng có thể cần phải được đánh địa chỉ dựa trên dữ liệu và vị trí của chúng. Một vấn đề quan trọng đối với việc định tuyến trong các mạng cảm biến không dây là việc định tuyến có thể dựa trên các truy vấn tập trung dữ liệu. Dựa trên các thông tin được yêu cầu bởi người dùng, các giao thức định tuyến sẽ xác định các nút khác nhau trong mạng để cung cấp thông tin yêu cầu. Cụ thể là người dùng quan tâm nhiều hơn đến truy vấn một thuộc tính của hiện trường chứ không o phải là truy vấn một nút riêng lẻ. Ví dụ "các khu vực có nhiệt độ trên 21 C" là một truy vấn phổ biến hơn so với "nhiệt độ đọc bởi nút số #47". Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp kết nối liên mạng với các mạng bên ngoài chẳng hạn như các mạng cảm biến khác, các hệ thống chỉ huy, điều khiển và mạng Internet. Các nút Sink có thể được sử dụng như một Gateway kết nối với các mạng khác, trong khi ở một trường hợp khác chúng tạo ra một đường trục kết nối các nút Sink với nhau và kết nối đường trục với các mạng khác thông qua một Gateway. 1.2.4. Lớp giao vận Sự phát triển của các giao thức lớp giao vận là một nhiệm vụ đầy thách thức bởi vì các nút cảm biến bị ảnh hưởng bởi những hạn chế về phần cứng như là năng 17 lượng và bộ nhớ hạn chế. Do đó, mỗi nút cảm biến không thể lưu trữ một lượng lớn dữ liệu như một máy chủ trên mạng Internet. Để thực hiện việc truyền thông trong mạng cảm biến không dây thì các giao thức lớp giao vận yêu cầu hai chức năng chính đó là: Đảm bảo độ tin cậy và điều khiển tắc nghẽn. Do tài nguyên hạn chế và chi phí cao về năng lượng đã ảnh hưởng đến độ tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối đến điểm cuối được sử dụng trong các mạng cảm biến không dây. Do vậy cần thiết phải có các cơ chế đáng tin cậy. Ngoài ra, tắc nghẽn có thể xuất hiện bởi lưu lượng lớn dữ liệu được tạo ra trong suốt quá trình xảy ra các sự kiện trong trường cảm biến. Tắc nghẽn cần được giảm thiểu bởi các giao thức lớp giao vận. 1.2.5. Lớp ứng dụng Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng chính cũng như một số chức năng quản lý. Ngoài các chương trình ứng dụng cụ thể cho mỗi ứng dụng thì các chức năng quản lý và xử lý truy vấn cũng nằm ở lớp này. Ngoài các chức năng truyền thông trong ngăn xếp phân lớp thì các mạng cảm biến không dây cũng được trang bị các chức năng để hỗ trợ hoạt động cho các giải pháp khác được đề xuất. Trong một mạng cảm biến không dây, mỗi thiết bị cảm biến được trang bị một đồng hồ cục bộ. Mỗi sự kiện có liên quan đến sự hoạt động của thiết bị cảm biến bao gồm cảm nhận, xử lý và truyền thông được kết hợp với thông tin định thời được điều khiển thông qua các đồng hồ cục bộ. Vì người dùng quan tâm đến thông tin phối hợp từ nhiều cảm biến, nên thông tin định thời có liên quan đến dữ liệu ở mỗi thiết bị cảm biến cần phải được thống nhất. Ngoài ra, mạng cảm biến không dây có thể sắp xếp thứ tự chính xác các sự kiện được cảm nhận bởi các cảm biến phân tán từ đó mô hình hóa chính xác môi trường vật lý. Những yêu cầu đồng bộ này đã dẫn đến sự phát triển các giao thức đồng bộ thời gian trong các mạng cảm biến không dây. Sự tương tác chặt chẽ với các hiện tượng vật lý đòi hỏi phải có các thông tin vị trí có liên quan. Các mạng cảm biến không dây kết hợp chặt chẽ với các hiện tượng vật lý ở môi trường xung quanh. Thông tin thu thập được cần phải được kết hợp với vị trí của các nút cảm biến để cung cấp cái nhìn chính xác về trường cảm biến. Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng để theo dõi các đối tượng nhất định trong các ứng dụng giám sát. Các ứng dụng này đòi hỏi thông tin vị trí để đưa vào các thuật toán theo dõi. Ngoài ra, các dịch vụ dựa trên vị trí và các giao thức truyền thông cũng yêu cầu thông tin vị trí. Do đó, các giao thức định vị đã được đưa vào ngăn xếp truyền thông. 18 Cuối cùng, một số giải pháp quản lý cấu trúc liên kết cũng cần phải có để duy trì kết nối và vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây. Các thuật toán quản lý cấu trúc liên kết cung cấp các phương thức hiệu quả cho việc triển khai mạng nhằm kéo dài thời gian tồn tại của mạng và phủ sóng thông tin một cách hiệu quả. Ngoài ra, các giao thức điều khiển cấu trúc liên kết giúp xác định các mức công suất truyền cũng như thời gian hoạt động của các nút cảm biến để tối thiểu năng lượng tiêu thụ trong khi vẫn đảm bảo kết nối mạng. Cuối cùng, các giao thức phân nhóm được sử dụng để tổ chức mạng thành các cụm nhằm cải thiện khả năng mở rộng và cải thiện thời gian tồn tại của mạng. Bản chất sự phụ thuộc vào từng ứng dụng của các mạng cảm biến không dây đã xác định một số thuộc tính đặc trưng riêng so với các giải pháp mạng truyền thống. Mặc dù những nghiên cứu và triển khai ban đầu của các mạng cảm biến không dây tập trung chủ yếu vào việc truyền dữ liệu trong môi trường không dây nhưng một vài lĩnh vực ứng dụng mới của mạng cảm biến không dây cũng đã xuất hiện. Chúng bao gồm các mạng cảm biến và điều khiển không dây, trong đó mỗi nút cảm biến có thêm các thiết bị truyền động để chuyển đổi thông tin cảm nhận được thành các hành động để tác động đến môi trường và các mạng cảm biến đa phương tiện không dây hỗ trợ lưu lượng đa phương tiện bao gồm các thông tin âm thanh và hình ảnh. Ngoài ra, hiện trường mạng cảm biến không dây gần đây đã được áp dụng vào trong các môi trường hạn chế như thiết lập mạng dưới nước, trong lòng đất và tạo ra các mạng cảm biến không dây dưới nước và trong lòng đất. Những lĩnh vực nghiên cứu mới này đặt ra những thách thức mới bổ sung mà chưa được quan tâm xem xét bởi một số giải pháp đã được phát triển cho các mạng cảm biến không dây truyền thống. Sự linh hoạt, khả năng chịu lỗi, cảm nhận độ trung thực cao, chi phí thấp và một số đặc điểm triển khai nhanh chóng của các mạng cảm biến không dây đã tạo ra nhiều lĩnh vực ứng dụng mới cho việc cảm nhận từ xa. Trong tương lai, một loạt các lĩnh vực ứng dụng này sẽ làm cho các mạng cảm biến trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên, việc thực hiện các mạng cảm biến này cần phải đáp ứng được các yếu tố như khả năng chống lỗi, khả năng mở rộng, chi phí, phần cứng, sự thay đổi cấu trúc liên kết mạng, môi trường và năng lượng tiêu thụ. Bởi vì những ràng buộc này rất nghiêm ngặt và đặc thù cho các mạng cảm biến nên các kỹ thuật mạng Ad-hoc không dây mới là rất cần thiết. Nhiều nhà nghiên cứu hiện đang tham gia vào việc phát triển các công nghệ cần thiết cho các lớp khác nhau của ngăn xếp giao thức mạng cảm biến.