Tài liệu Nghiên cứu giải thuật phân tuyến nhiều nút sink cho wsn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ XUÂN VƢƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN NHIỀU NÚT SINK CHO WSN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ XUÂN VƢƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PHÂN TUYẾN NHIỀU NÚT SINK CHO WSN NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VƢƠNG ĐẠO VY HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn “Nghiên cứu giải thuật phân tuyến nhiều nút SINK cho WSN” là kết quả nghiên cứu và thực hiện của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Vương Đạo Vy. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ và rõ ràng. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 09 tháng 10 năm 2014 TÁC GIẢ Lê Xuân Vƣơng LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian gần đây, công nghệ và truyền thông đã có những bước phát triển mạnh mẽ và đạt được những thành tựu ấn tượng, đóng góp một vai trò thiết yếu trong cuộc sống của con người. Chính sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã làm cho hoạt động trao đổi thông tin trở thành một đặc trưng của xã hội hiện đại. Để đáp ứng được tốt yêu cầu đó, đòi hỏi những người trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học phải không ngừng sáng tạo để tìm ra những giải pháp công nghệ mới, không những chỉ đáp ứng tốt nhu cầu hiện tại của xã hội, mà còn định hướng cho những ứng dụng mới trong tương lai. Sự ra đời của mạng cảm biến không dây WSN được đánh giá là một trong những ví dụ điển hình của những giải pháp công nghệ như vậy. Mạng WSN có những ưu thế vượt trội như khả năng ứng dụng phong phú, chi phí triển khai thấp do các nút mạng có giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng nhưng vẫn đảm bảo khả năng cảm biến và truyền thông tốt. Tuy nhiên, bất cứ một hệ thống nào có tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi cũng đều phải đối mặt với rất nhiều thách thức, và WSN cũng không phải là một ngoại lệ. Một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến là nguồn năng lượng của các nút cảm biến bị giới hạn và không thể nạp lại. Để giải quyết vấn đề đó, hiện nay, rất nhiều hướng nghiên cứu đang tập trung vào việc tìm ra giải pháp để cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng cho mạng cảm biến nhưng đáng chú ý nhất là phương pháp sử dụng giao thức định tuyến phù hợp. Kết quả là rất nhiều giao thức định tuyến đã được đưa ra, trong đó, những giao thức định tuyến phân cấp được đánh giá là rất hiệu quả. Để nắm bắt được một công nghệ mới là một việc rất khó khăn, do đó, luận văn này không nghiên cứu toàn bộ các giao thức định tuyến phân cấp mà tập trung nghiên cứu một khía cạnh của loại định tuyến này để giúp mạng cảm biến không dây có thể sử dụng một cách hiệu quả và tối ưu nguồn năng lượng bị giới hạn. Đó là nghiên cứu và giới thiệu phương pháp lựa chọn node chủ cụm trong các mạng cảm biến không dây nhiều node sink. Từ mỗi phương pháp, cố gắng nêu lên các đặc điểm và phân tích các ưu điểm và nhược điểm của nó, qua đó giúp cho những người quan tâm nghiên cứu về mạng cảm biến không dây một cái nhìn tổng quan và áp dụng từng phương pháp trong từng ứng dụng cụ thể của mình. Cấu trúc của Luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 1 Chương 3: Các phương pháp chọn node chủ cụm trong mạng cảm biến không dây nhiều node sink. Để có thể hoàn thành luận văn này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về kiến thức cũng như kinh nghiệm quý giá của các thầy cô, bạn bè trong Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Vương Đạo Vy – Khoa Điện tử Viễn Thông – Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình hoàn thành Luận văn này. Mặc dù đã nỗ lực cố gắng, song với hạn chế về kiến thức cũng như thời gian thực hiện, luận văn này không thể tránh được những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý , chỉ bảo quý báu của các thầy cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Học viên Lê Xuân Vương 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................... 1 MỤC LỤC .......................................................................................................................... 3 DANH MỤC HÌNH VẼ..................................................................................................... 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ................................................................................................. 7 CHƢƠNG 1:....................................................................................................................... 8 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................................................. 8 1.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 8 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây........................................................................... 9 1.2.1 Cấu trúc của một node mạng trong mạng cảm biến không dây .......................... 9 1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây .......................................................... 10 1.3 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây ......................................................... 15 1.3.1 Khả năng chịu lỗi: ............................................................................................. 15 1.3.2 Khả năng mở rộng: ............................................................................................ 15 1.3.3 Giá thành sản xuất: ............................................................................................ 15 1.3.4 Ràng buộc về phần cứng: .................................................................................. 15 1.3.5 Môi trường hoạt động: ...................................................................................... 15 1.3.6 Tiêu thụ năng lượng: ......................................................................................... 16 1.3.7 Tính bảo mật: .................................................................................................... 16 1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ............................................................... 16 1.4.1 Ứng dụng trong môi trường: ............................................................................. 16 1.4.2 Ứng dụng trong y học: ...................................................................................... 17 3 1.4.3 Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày: ............................................................. 17 1.4.4 Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp: ............................................................. 17 1.4.5 Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp: ............................................................. 17 1.4.6 Ứng dụng trong quân sự:................................................................................... 17 1.5 Kết luận .................................................................................................................... 17 CHƢƠNG 2:..................................................................................................................... 19 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................................... 19 2.1 Giới thiệu ................................................................................................................. 19 2.2 Những thách thức trong vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây. ................. 19 2.3. Các vấn đề cần lưu ý đối với giao thức định tuyến ................................................ 19 2.3.1. Tính động của mạng ......................................................................................... 19 2.3.2. Triển khai các node ......................................................................................... 20 2.3.3. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng cảm biến .................. 20 2.3.4. Tài nguyên hạn chế .......................................................................................... 20 2.3.5. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ........................................... 20 2.3.6. Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ..................................... 21 2.4. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây .................... 21 2.4.1 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centic protocols) ......................................... 23 2.4.2 Các giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) .............................................. 28 2.4.3 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) ........................................ 32 CHƢƠNG 3:..................................................................................................................... 37 CÁC PHƢƠNG PHÁP CHỌN NODE CHỦ CỤM (CLUSTER HEAD) TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NHIỀU NODE SINK ......................................... 37 4 3.1 Giới thiệu ................................................................................................................. 37 3.2 Một số phương pháp chính về chọn node chủ cụm (Cluster Head) trong mạng cảm biến nhiều node sink. ..................................................................................................... 38 3.2.1 Sử dụng phương pháp nhận dạng để lựa chọn node chủ cụm: ......................... 38 3.2.2 Phương pháp chọn node chủ cụm dựa trên bậc (degree) của node:................. 38 3.2.3 Phương pháp lựa chọn node chủ cụm liên quan đến trọng số của node. ......... 38 3.3 Lựa chọn node chủ cụm trong một số giao thức tiêu biểu. ...................................... 39 3.3.1 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức LEACH ............................................. 39 3.3.2 Lựa chọn node chủ cụm theo LEACH – C (LEACH Centralized) ................... 41 3.3.3 Lựa chọn node chủ cụm theo LEACH – F (Fixed Cluster, Rotating Cluster Head) .......................................................................................................................... 41 3.3.4 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức PEGASIS .......................................... 41 3.3.5 Lựa chọn node chủ cụm theo giao thức HEED................................................ 43 3.3.6 Chọn node chủ theo tiền phân nhóm năng lượng động dựa vào năng lượng và vị trí. ........................................................................................................................... 45 3.4 Kết luận .................................................................................................................... 46 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN...................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 49 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Hình 1.3 Cấu trúc phẳng Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Hình 2.1 Hiện tượng bản tin kép Hình 2.2 Hiện tượng chồng chéo Hình 2.3 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN Hình 2.4 Cơ chế của SPIN Hình 2.5 Các pha trong Directed Diffusion Hình 2.6 Mô hình hoạt động của LEACH. Hình 2.7 Chuỗi trong PEGASIS Hình 2.8 Hoạt động của GAF Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái trong GAF Hình 3.1 Xây dựng chuỗi sử dụng giải thuật Greedy Hình 3.2 Mô hình truyền dữ liệu trong PEGASIS 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADC Analog Digital Coverter Bộ chuyển đổi tương tự- số GAF Geographic Adaptive Fidelity Chính xác tương thích địa lý GEAR Geographic and EnergyAware Routing Định tuyến dựa theo sự nhận biết về địa lý và năng lượng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ID Identification number Chỉ số nhận dạng IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp LEACH-C Low-Energy Adaptive Clustering HierarchyCentralized Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp - tập trung LEACH-F Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Fixed Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp - Cố định PEGASIS Power-efficient Gathering in Sensor Information System Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation Giao thức thông tin cảm biến thông qua sự đàm phán TDMA Task Assignment and Data Advertisement Protocol Đa truy nhập và phân chia theo thời gian WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Trong chương mở đầu này, sẽ nêu lên các khái niệm chung nhất, khái quát nhất về mạng cảm biến không dây cũng như các thành phần trong mạng, cấu trúc một node mạng, của toàn mạng, các yếu tố cần xem xét khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng thực tế của nó. 1.1 Giới thiệu Trong thời gian gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho rất nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự hoạt động của môi trường, giám sát không gian, giám sát các mặt trận quân sự, chẩn đoán sự hoạt động của máy móc, thiết bị , theo dõi và giám sát các hoạt động của bác sỹ, bênh nhân trong bệnh viện, theo dõi và điều khiển phương tiện giao thông xe cộ… Hơn nữa, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành như kỹ thuật Vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, cảm biến, tính toán và xử lý số liệu…đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến trong thực tế. Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node mạng với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng đã bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập thông tin, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thường là các thiết bị nhỏ gọn, đơn giản, có giá thành thấp…và được phân bố với số lượng lớn trong một phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài. Các node mạng có chức năng cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng..., định vị, theo dõi, thông báo các thông tin về mục tiêu cần giám sát. Các node giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trạm trung tâm để xử lý thông tin. Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:  Có khả năng tự tổ chức.  Yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người  Truyền thông vô tuyến và truyền đa bước.  Triển khai số lượng lớn trên phạm vi rộng.  Năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý bị giới hạn. 8  Cấu hình thường xuyên thay đổi do môi trường hoặc do node mạng.  Quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ, khả năng xử lý và tính toán chính là những vấn đề thách thức trong mạng cảm biến không dây. Chính những đặc tính này đã đưa ra những yêu cầu trong việc tính toán thiết kế mạng cảm biến không dây. 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1 Cấu trúc của một node mạng trong mạng cảm biến không dây Để xây dựng nên mạng cảm biến không dây trước hết phải chế tạo và phát triển các node mạng cảm biến giúp cấu thành nên mạng. Các node phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo mục đích sử dụng cụ thể: Các node phải có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả, có các thiết bị cảm biến có độ tin cậy cao, có khả năng tính toán và có bộ nhớ lưu trữ đáp ứng đủ yêu cầu, phải có khả năng thu phát sóng vô tuyến để thông tin liên lạc với các node khác và trạm cơ sở. Mỗi node cảm biến được cấu thành bởi 4 phần cơ bản: bộ cảm biến (a sensing unit), bộ xử lý( a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn ( a power unit). Ngoài ra còn có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc ứng dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn ( a power generator) và bộ phận di dộng (mobilizer). Hình 1.1 Các thành phần của 1 node cảm biến +) Bộ phận cảm biến (sensing units): Bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC). 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. 9 Có rất nhiều loại cảm biến, tùy vào ứng dụng trong mạng cảm biến mà ta có các loại cam biến tương ứng, thường là dựa vào kiểu hoạt động của cảm biến ( tích cực, thụ động ) , phạm vi giám sát, năng lượng tiêu thụ, giá thành và kích thước… +) Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ (storage unit): Bộ vi xử lý là thiết bị quan trọng nhất trong node mạng cảm biến không dây. Có nhiệm vụ làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ các node, sau đó xử lý trước khi gửi đi và nhận dữ liệu từ các node khác. Bộ lưu trữ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thu thập về từ các node cảm biến, hoặc gói dữ liệu từ các node khác. Yêu cầu kích thước của bộ nhớ và năng lượng tiêu thụ tương ứng với yêu cầu về dữ liệu của ứng dụng của node mạng. +) Phần thu phát vô tuyến : có nhiệm vụ kết nối các node vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các node lân cận tới các node khác hoặc tới trạm cơ sở. +) Bộ nguồn: là một trong số các phần cốt yếu của một node mạng cảm biến. Trong đó có 2 vấn đề cần quan tâm là khả năng lưu trữ, cung cấp năng lượng và khả năng thay thế nguồn. Bộ nguồn thường là một số loại pin có năng lượng hạn chế và khả năng thay thế trong node mạng là không thể do các khó khăn về địa hình triển khai và số lượng các node mạng lớn. Để các node có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó nên có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến 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 node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó. 1.2.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây 1.2.2.1 Cấu trúc mạng Đặc điểm của mạng cảm biến không dây là bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên và đặc biệt là năng lượng rất hạn chế. Do đó, cấu trúc mạng cảm biến không dây cần được thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của toàn mạng. Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần đáp ứng những yếu tố kĩ thuật như: +) Giao tiếp không dây multihop: Trong mạng cảm biến không dây, phương thức giao tiếp giữa các node cảm biến là giao tiếp không dây. Do đó, việc giao tiếp trực tiếp giữa 2 node mạng sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hoặc vật cản. Đặc biệt là khi node phát và 10 node thu cách nhau càng xa thì càng cần công suất càng lớn. Vì vậy cần có các node trung gian để làm node chuyển tiếp làm giảm công suất tổng thể. Do đó các mạng cảm biến không dây cần dùng giao tiếp multihop. +) Hoạt động hiệu quả năng lượng: Vấn đề năng lượng là vấn đề rất quan trọng cần giải quyết của mạng cảm biến không dây. Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây chính là sự hạn chế về năng lượng. Do vậy, để hỗ trợ việc kéo dài thời gian sống của toàn mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây. +) Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Chẳng hạn như các node có thể tự xác định vị trí của nó thông qua các node khác. +) Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node cảm biến không thu thập đủ dữ liệu cần phải có nhiều node cùng tham gia cộng tác hoạt động để thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node tự thu thập dữ liệu rồi gửi ngay dữ liệu đó đến trạm cơ sở thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều node trong 1 phân vùng nhất định, xử lý sơ bộ sau đó mới gửi tới trạm cơ sở giúp tiết kiệm băng thông và năng lượng tiêu thụ. Do đó, cấu trúc mạng mới cần thiết kế thỏa mãn các yêu cầu như:  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 node lân cận nhau. Các node cảm biến được phân bố trong một vùng cảm biến như hình dưới. Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi cấu trúc đa điểm. Các trạm cơ sở có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên trong mạng ( là một node cảm biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự như là một máy tính có khả năng tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng có thể đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như mạng internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng. 11 Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến không dây a, Cấu trúc phẳng (flat architecture) Hình 1.3 Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ chuyển tiếp. Với phạm vi truyền cố định, các node gần trạm cơ sở hơn sẽ đảm bảo vai trò là bộ chuyển tiếp đối với một lượng lớn nguồn tiêu thụ. Giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng 1 tần số để truyền dữ liệu, vì vậy cần chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian hoặc tần số. b, Cấu trúc phân cấp (tiered architecture) Trong cấu trúc phân cấp, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc vào kích thước của cụm đến node định sẵn, thường là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các node tạo thành một 12 hệ thống phân cấp mà ở đó mỗi node ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã được định sẵn. Hình 1.4 Cấu trúc phân cấp Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các node. Những chức năng này có thể phân chia theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng phân phối dữ liệu. Hình 1.5 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Các nhiệm vụ xác định có thể được phân chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp này, các cảm biến ở cấp thấp nhất đóng vài trò là bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi tín hiệu, trong đó các node ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này và thực hiện các chức năng như tính toán, phân phối dữ liệu. 13 Mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn mạng cấu trúc phẳng bởi các lý do sau: +) Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi node chỉ cần 1 lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các node cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng nhất định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không quá cao. Thay vào đó, nếu số lượng lớn các node có chi phí thấp được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ, chi phí toàn mạng sẽ giảm xuống. +) Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng. Khi cần tính toán nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các node tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc phân cấp mà các chức năng mạng được phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ giúp tăng thời gian sống của toàn mạng. +) Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các node yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi node trong mạng có n node là W/n trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi node sẽ giảm về 0. Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc phân cấp đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các node ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm sink đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng . Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc phân cấp và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau. Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc phân cấp. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi node, một phần phân bố đến tập con của các node. Giả thiết rằng các node đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của 14 chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng. 1.3 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây là sự liên kết của số lượng lớn các node cảm biến. Các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về mặt tài nguyên và năng lượng. Do đó, cấu trúc mạng cảm biến không dây có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây, ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến không dây như sau: 1.3.1 Khả năng chịu lỗi: Trong quá trình vận hành của mạng cảm biến không dây, một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động. 1.3.2 Khả năng mở rộng: Phạm vi triển khai của mạng cảm biến không dây là không cố định. Nó phụ thuộc vào từng yêu cầu cụ thể và từng đặc điểm của môi trường khi triển khai ứng dụng. Số lượng các node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó, mạng cảm biến không dây phải có khả năng làm việc mở rộng với số lượng các node thay đổi và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm biến. 1.3.3 Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp. 1.3.4 Ràng buộc về phần cứng: Do đặc điểm là có số lượng lớn các node cảm biến khi được triển khai, do đó các node mạng cảm biến phải chịu các ràng buộc về phần cứng. Ngoài kích cỡ nhỏ,càng nhỏ càng tốt ra, các node cảm biến 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 tôt với môi trường. 1.3.5 Môi trƣờng hoạt động: Các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng 15 xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn. 1.3.6 Tiêu thụ năng lƣợng: Trong mạng cảm biến không dây, các node mạng cảm biến hoạt động dựa trên nguồn năng lượng bị giới hạn ( như là pin ). Trong một số điều kiện nhất định, việc bổ sung nguồn cho các node là không thể thực hiện được. Vì thế thời gian sống của node cảm biến phụ thuộc phần nhiều vào pin. Việc duy trì và quản lý năng lượng của node đóng vai trò quan trọng do sự cố nếu xảy ra với một vài node có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn mạng. 1.3.7 Tính bảo mật: Trong mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan trọng, đặc biệt là trong quân sự. Việc truyền tín hiệu không dây luôn tiềm ẩn rủi ro mất thông tin, bị đánh cắp thông tin rất lớn. Như vậy bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gửi và người nhận. Việc này sẽ được thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin, điều chỉnh các bít thông tin, thêm các bít xác thực… 1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Trong thực tế, mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau. Nhờ những ưu điểm và đặc trưng mà mạng cảm biến không dây có được, nó có thể được sử dụng để theo dõi và giám sát các vùng không gian rộng lớn và đa dạng về điều kiện địa hình. Các node cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện sự kiện, nhận dạng, phát hiện vị trí…Cụ thể, có thể xem xét một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong một số lĩnh vực sau để làm nổi bật vai trò quan trọng và cần thiết của mạng cảm biến không dây trong thực tế. 1.4.1 Ứng dụng trong môi trƣờng: +) Phát hiện cháy rừng: Bằng việc triển khai mạng cảm biến không dây trong rừng, mỗi node mạng sẽ thu thập các thông tin cần thiết như nhiệt độ, độ ẩm, khói... sau đó gửi về trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, cảnh báo và phát hiện ra cháy. Điều này sẽ giúp sớm phát hiện và ngăn chặn các thảm họa cháy rừng. +) Cảnh báo lũ lụt: Hệ thống được triển khai bao gồm các node cảm biến về lượng mưa, mực nước. Các node cảm biến cung cấp các thông tin cho hệ thống xử lý trung tâm để phân tích và cảnh báo sớm. 16 +) Giám sát các hiện tượng địa chấn: Có thể triển khai mạng cảm biến gồm các node cảm biến về sự rung chuyển trên mặt đất hoặc trong lòng đất giúp cảnh báo sớm động đất, sóng thần, núi lửa phun trào. 1.4.2 Ứng dụng trong y học: Giám sát trong y tế và chuẩn đoán: Trong tương lai không xa, các node cảm biến có thể đủ nhỏ, đủ tin cậy để gắn lên cơ thể người giúp giám sát sức khỏe con người, cảnh báo các nguy cơ bệnh tật nhờ đó có thể phát hiện sớm và chữa bệnh dễ dàng hơn. 1.4.3 Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày: Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai trong nhà giúp đo nhiệt độ. Không những thế chúng còn có thể phát hiện ra sự di chuyển trong nhà và thông báo đến các thiết bị báo động trong trường hợp cảnh báo có trộm. 1.4.4 Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp: Trong kinh doanh: việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa sẽ được giải phóng. Các kiện hàng có thể gắn các node cảm biến chỉ cần tồn tại trong thời gian lưu trữ. Trong mỗi lần kiểm kê, người ta chỉ cần quảng bá 1 bản tin tới kho lưu trữ. Tất cả các kiện hàng sẽ tự động trả lời bản tin đó giúp bộc lộ thông tin về kiện hàng. Việc này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo quản và lưu trữ hàng hóa số lượng lớn. 1.4.5 Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp: +) Ứng dụng trong trồng trọt: Mạng cảm biến không dây có thể được triển khai giúp giám sát và duy trì độ ẩm đất trong trồng trọt. +) Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cần triển khai các cảm biến giúp dễ dàng theo dõi và giám sát tình trạng môi trường sống cho gia súc, gia cầm. 1.4.6 Ứng dụng trong quân sự: Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong quân sự như giám sát quân đội, giám sát các trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, đối phương, thăm dò, tấn công bằng vũ khí công nghệ cao. Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây có thể chia làm 2 loại là: - Giám sát môi trường tĩnh. - Giám sát môi trường động. 1.5 Kết luận Trong chương này đã giới thiệu một cách tổng quan về cấu trúc của mạng cảm biến không dây, đồng thời cũng nêu lên những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong 17