Tài liệu Nghiên cứu đánh giá một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp mac cho mạng cảm biến không dây

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ HỒNG VÂN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Thái Nguyên – 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Hồng Vân, học viên lớp cao học K16 – 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 một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng cảm biến không dây” 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 2019 Học viên Nguyễn Thị Hồng Vân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii 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 viễn thông, Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông 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, 2019 Học viên Nguyễn Thị Hồng Vân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. iii MỤC LỤC .........................................................................................................iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................................vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..............................................................................ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..........................................................................xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................ xiii 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................... xiii 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ xv 3. Mục tiêu của đề tài .................................................................................... xv 4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... xv 5. Nội dung của luận văn .............................................................................. xv 6. Những đóng góp của luận văn .................................................................xvi Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................. 1 1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây ................................................ 1 1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây ............................. 2 1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút ......................................................... 2 1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng ..................................................... 4 1.2.3. Sự chuẩn hóa ..................................................................................... 7 1.2.4. Khả năng cộng tác ............................................................................. 9 1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây ................. 9 1.3.1. Lớp vật lý ........................................................................................ 11 1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu ......................................................................... 12 1.3.3. Lớp mạng......................................................................................... 13 1.3.4. Lớp giao vận .................................................................................... 14 1.3.5. Lớp ứng dụng .................................................................................. 15 1.4. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây ....................... 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v 1.4.1. Mô hình truyền thông Điểm - Điểm................................................ 17 1.4.2. Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm ........................................... 18 1.4.3. Mô hình truyền thông Đa Điểm - Điểm .......................................... 19 1.5. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây..... 21 1.5.1. Định dạng địa chỉ theo chuẩn IEEE 802.15.4 ................................. 23 1.5.2. Lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 ............................................. 24 1.5.3. Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4 . 27 1.5.4. Cấu trúc khung dữ liệu theo chuẩn IEEE 802.15.4 ......................... 28 1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................. 30 Chương 2. GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG Ở LỚP MAC CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................................................................ 31 2.1. Các thành phần tiêu thụ năng lượng trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm biến không dây ................................................................................ 31 2.1.1. Cấu trúc phần cứng cơ bản của một nút mạng cảm biến không dây31 2.1.2. So sánh các thành phần tiêu thụ năng lượng trong cấu trúc phần cứng của nút mạng cảm biến không dây ................................................... 32 2.2. Giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây ................................................................................................................. 35 2.2.1. Các giao thức không đồng bộ thời gian .......................................... 38 2.2.2. Các giao thức đồng bộ thời gian ..................................................... 42 2.3. Thực thi một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC trên hệ điều hành Contiki .................................................................................................. 44 2.3.1. Hệ điều hành Contiki....................................................................... 44 2.3.2. Thực thi giao thức ContikiMAC ..................................................... 50 2.3.3. Thực thi giao thức XMAC .............................................................. 58 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................. 61 Chương 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LỚP MAC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............... 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi 3.1. Cấu hình giao thức lớp MAC trong hệ điều hành Contiki .................... 62 3.1.1. Giới thiệu chung .............................................................................. 62 3.1.2. Cấu hình các giao thức lớp MAC tiết kiệm năng lượng trong hệ điều hành Contiki ...................................................................................... 63 3.2. Công cụ mô phỏng và mô hình kết nối .................................................. 64 3.2.1. Giới thiệu về công cụ mô phỏng Cooja .......................................... 64 3.2.2. Mô hình kết nối giữa các nút mạng cảm biến không dây trong Cooja ......................................................................................................... 65 3.2.3. Mô hình nhiễu giữa các nút mạng cảm biến không dây trong Cooja67 3.3. Kịch bản mô phỏng đánh giá ................................................................. 69 3.3.1. Cấu trúc liên kết mạng .................................................................... 69 3.3.2. Các giả thiết cho bài toán mô phỏng ............................................... 72 3.3.3. Kịch bản đánh giá ............................................................................ 74 3.4. Các thước đo đánh giá hiệu năng........................................................... 76 3.5. Kết quả đánh giá .................................................................................... 78 3.6. Phân tích và đưa ra khuyến nghị ........................................................... 80 3.7. Kết luận chương 3 .................................................................................. 82 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ AODV Adhoc Ondemand Distance Vector Routing ARQ Automatic Repeat Request ACK Amsterdam Compiler Kit BPSK Binary Phase Shift Keying B-MAC Berkeley- Multiplexed Analogue Components CCA Clear Channel Assessment CRC Cyclic Redundancy Check DAG Directed Acyclic Graph DAO Destination Advertisement Object DDR Data Delivery Ratio DODAG Destination Oriented DAG DIS DODAG Information Solicitation DIO DODAG Information Object EC Error Control ETX Expected Transmission FEC Forward Error Control FCS Frame Check Sequence FFD Full Function Device IP Internet Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IoT Internet of Things LO Local Oscillator MAC Medium Access Control Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii MIC Message Integrity Check OSI Open Systems Interconnection Reference Model OUI Organizational Unique Identifier PAN Personal Area Network PLC Power Line Communication P2P Point to Point QPSK Quadature Phase Shift Keying RAM Random Access Memory RPL IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network ROM Read-Only Memory RSSI Received Signal Strength Indicator RFD Reduced Function Device RDC Research Development Committee SFD Start of Frame Delimiter S-MAC Social Mobile Analytics Cloud SICS Swedish Institute of Computer Science SINR Signal to interference plus noise ratio TCP Transport Control Protocol TDMA Time Division Multiple Access TSMP Time Synchronized Mesh Protocol TCP/IP Transmission Control Protocol (TCP) và Internet Protocol (IP) UDP User Datagram Protocol UDG Unit Disk Graph Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ix UDI UDG with Distance Interference WiFi Wireless Fidelity WSN Wireless Sensor Networks DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Kịch bản đánh giá mô phỏng. ......................................................... 75 Bảng 3.2: Mô hình năng lượng của Tmote Sky tại công suất phát là 0dBm. . 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn xi 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. ...................................................................................... 2 Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây. ...... Error! Bookmark not defined. Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây. .................................................................................................................. 18 Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không dây. .................................................................................................................. 18 Hình 1.5: Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây. .................................................................................................................. 20 Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên PAN trong hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN. ......................................................................................................................... 23 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). ....................................................................................... 24 Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý. .............. 25 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. ........................................................................................... 26 Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC. .... 29 Hình 2.1: Các thành phần chính trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm biến không dây. ............................................................................................... 31 Hình 2.2: Bo mạch Tmote Sky....................................................................... 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn xii Hình 2.3: Công suất tiêu thụ của bộ vi điều khiển và bộ thu phát vô tuyến trên bo mạch Tmote Sky ........................................................................................ 33 Hình 2.4: Sơ đồ khối của bộ thu phát vô tuyến. .............................................. 34 Hình 2.5: Các mạng hình sao chỉ là các kiểu mạng có thể có nếu các thiết bị không bao giờ dùng bộ vô tuyến để lắng nghe các truyền dẫn từ các nút lân cận. .................................................................................................................. 36 Hình 2.6: Trong một mạng lưới, tất cả các nút có thể trao đổi với nhau, cho phép phạm vi của mạng có thể được mở rộng và cho phép các tuyến đường dự phòng để làm tăng độ tin cậy của mạng. ......................................................... 37 Hình 2.7: Nguyên lý quay vòng công suất vô tuyến trong LPL. .................... 38 Hình 2.8: Để phát một gói tin với cơ chế LPL thì đầu tiên phía gửi sẽ gửi một chuỗi các gói tin báo hiệu gửi để đánh thức phía thu. .................................... 39 Hình 2.9: Tối ưu hóa việc nhận biết gói tin báo hiệu gửi trong LPL. Mỗi gói tin báo hiệu gửi chứa địa chỉ của phía thu gói dữ liệu. Khi phía thu lắng nghe được một gói tin báo hiệu gửi, nó sẽ gửi một một gói tin xác nhận cho phía gửi và sau đó phía gửi ngay lập tức truyền gói dữ liệu. .................................. 39 Hình 2.10: Cơ chế hoạt động của giao thức XMAC. ...................................... 41 Hình 2.11: Cơ chế hoạt động của giao thức ContikiMAC.............................. 42 Hình 2.12: Với một giao thức đồng bộ thời gian chẳng hạn như TSMP thì các nút cần phải bật bộ vô tuyến với thời gian ít hơn, bởi vì chúng biết chính xác khi nào phía gửi có thể truyền dữ liệu............................................................. 43 Hình 2.13: Lịch sử phát triển Contiki. ............................................................ 45 Hình 2.14: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki. ...................................... 47 Hình 2.15: Sơ đồ hoạt động các ứng dụng trong Contiki. .............................. 48 Hình 2.16: Việc truyền dẫn trong ContikiMAC và tính toán thời gian. ......... 51 Hình 2.17: Gói tin truyền tải phải đủ dài để nó không nằm giữa các CCA kế tiếp nhau. ......................................................................................................... 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn xiii Hình 2.18: Tối ưu hóa chuyển sang chế độ ngủ nhanh trong ContikiMAC: nếu một khoảng thời gian im lặng không được phát hiện trước tl, nút nhận quay trở lại trạng thái ngủ. Nếu khoảng thời gian im lặng dài hơn ti, nút nhận quay trở lại trạng thái ngủ. Nếu không nhận được gói nào sau khoảng thời gian im lặng, ngay cả khi phát hiện hoạt động vô tuyến, nút nhận trở lại trạng thái ngủ. ......................................................................................................................... 54 Hình 2.19: Xác định pha truyền dẫn: Sau khi truyền thành công, nút gửi đã xác định được pha thức giấc của nút nhận, do đó cần gửi bản tin với số lần truyền ít hơn. ................................................................................................... 56 Hình 2.20: XMAC sử dụng một chuỗi báo hiệu để thông báo một truyền dẫn. ......................................................................................................................... 59 Hình 3.1: Tổ chức của 3 lớp Framer, RDC, MAC trong Contiki. .................. 62 Hình 3.2: Công cụ mô phỏng Cooja. .............................................................. 65 Hình 3.3: Mô hình UDG ................................................................................. 66 Hình 3.4: Mô hình UDI. .................................................................................. 69 Hình 3.5: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki. ........................ 70 Hình 3.6: Ví dụ về việc hình thành DODAG.................................................. 72 Hình 3.7: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong bài toán mô phỏng. ..... 74 Hình 3.8: Mô hình mô phỏng một cụm gồm 35 nút. ...................................... 75 Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu. ................... 79 Hình 3.10: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong mạng........................ 79 Hình 3.11: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình. .................................. 80 Hình 3.12: So sánh số bước nhảy trung bình. ................................................. 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn xiv MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một thế hệ mạng mới ra đời – mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường sống, giao thông. Trong một tương lai không xa, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm biến được tích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong xã hội hiện đại nhằm mang lại sự tiện nghi và những ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người. Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn không chỉ trong khoa học và nghiên cứu mà còn trong những ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, việc thiết kế và triển khai có hiệu quả mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với rất nhiều thử thách do những đặc điểm riêng biệt của nó như các nút cảm biến bị giới hạn về phần cứng, khả năng tính toán, mật độ dày đặc của các nút trong hệ thống. Với sự thuận lợi và khó khăn khi thiết kế và triển khai mạng cảm biến không dây (WSN) đã đặt ra nhiều hướng nghiên cứu để hoàn chỉnh hệ thống, trong đó có các hướng nghiên cứu chính đang được quan tâm mạnh mẽ từ các nhà khoa học đó là: Điều khiển truy nhập môi trường truyền cho mạng cảm biến không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các thiết bị cảm biến, vấn đề năng lượng và sử dụng tiết kiệm năng lượng, vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Trong đó vấn đề giảm tiêu hao năng lượng là một trong số vấn đề được quan tâm hàng đầu, do đây là vấn đề sống còn quyết định thời gian sống của toàn hệ thống mạng WSN. Chính vì vậy, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn xv việc nghiên cứu đánh giá giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng cảm biến không dây có ý nghĩa lý luận và thực tiễn. Xuất phát từ thực tế khách quan đó, tôi chọn nội dung: “Nghiên cứu đánh giá một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp Mac cho mạng cảm biến không dây”. Với mục đích tìm hiểu một số giao thức tiết kiệm năng lượng về mạng cảm biến không dây nhằm đưa ra nhưng hướng phát triển mới. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây. Đây là đối tượng nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm trong thời gian gần đây. Các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC được nghiên cứu trong phạm vi mô hình ứng dụng thu thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây. Các nghiên cứu đánh giá được tác giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng Cooja. 3. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng, tính hiệu quả của các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC trong phạm vi mô hình ứng dụng thu thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây. Dựa trên các kết quả đánh giá mô phỏng, tác giả đưa ra một số khuyến nghị khi áp dụng các giao thức này cho các ứng dụng thu thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây. 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 tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây. 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn xvi 5. Nội dung của luận văn Nội dung của luận văn được thể hiện qua 3 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây. Chương 3: Mô phỏng và đánh giá giao thức lớp MAC tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các đề xuất mới của tác giả và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn. 6. Những đóng góp của luận văn Trong luận văn này, tác giả đưa ra một số kết quả nghiên cứu đánh giá so sánh hiệu năng của một số giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến không dây. Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc thiết kế các mạng cảm biến không dây trong các hệ thống thu thập dữ liệu tự động. Do vậy vấn đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Thái Nguyên, năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Hồng Vân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính 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,…) [1]. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2 Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến. 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. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây 1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút Trong mạng cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành. Công suất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn năng lượng thấp bên ngoài. Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố kích thước và hình thức quyết định đến các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kích thước nhỏ gọn. Giá thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 3 không dây bởi vì mạng cảm biến không dây thường được triển khai với quy mô lớn. Với việc triển khai hàng ngàn các nút mạng cảm biến thì việc tiết kiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phép tiết kiệm được một khoản tiền đáng kể. Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc mạng. Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò cũng như hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng. Phần mềm chạy trên các nút cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng và đặt các thành phần phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Nhờ sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các nút mạng cảm biến có thể chạy hệ điều hành và nó cung cấp các cơ chế hoạt động công suất thấp giúp tiết kiệm năng lượng. Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạng cũng như việc thiết kế các giao thức mạng. Bởi vì quá trình truyền thông tiêu tốn nhiều năng lượng nên điều quan trọng là xác định hướng các kiểu truyền thông để chúng sử dụng hiệu quả tài nguyên sẵn có. Để giúp các giao thức mạng làm được điều này, phần cứng và phần mềm cần biết được thông tin về sự tiêu hao năng lượng và cung cấp thông tin này đến tầng mạng. Ngoài ra, để tiết kiệm năng lượng, người thiết kế hệ thống cần phải đặt các thiết bị phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Tuy nhiên, chế độ ngủ cũng ảnh hưởng đến trễ truyền thông của hệ thống. Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần cứng lẫn phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì ảnh hưởng ở đây là các phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít, mỗi linh kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền. Những ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 4 hưởng đối với các nhà thiết kế phần mềm là ít rõ rệt hơn. Với chi phí thấp, kích thước vật lý nhỏ, công suất tiêu thụ thấp thì các bộ vi xử lý mà trên đó các phần mềm hoạt động trở nên nhỏ gọn hơn, tốc độ tính toán và kích thước bộ nhớ của các bộ vi xử lý cũng bị giảm bớt. Các nhà thiết kế phần mềm cho một hệ thống mạng cảm biến không dây thường chỉ có vài ngàn Byte bộ nhớ để làm việc so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte bộ nhớ trong các hệ thống máy tính thông dụng. Do đó, phần mềm cho các nút mạng cảm biến không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải có khả năng chạy trong một môi trường hạn chế nghiêm ngặt về tài nguyên (năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý hạn chế). 1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút. Trong nhiều trường hợp, các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Định tuyến là quá trình mạng xác định những tuyến đường tốt nhất để truyền bản tin qua mạng. Định tuyến có thể được thực hiện hoặc là tập trung hoặc là phân tán. Với định tuyến tập trung thì một máy chủ tính toán bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, còn với định tuyến phân tán thì mỗi nút thực hiện tự quyết định lựa chọn tuyến đường để gửi mỗi bản tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn