beheo_hy4ever
New Member
Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết nối
Luận văn ThS. Truyền dữ liệu và mạng máy tính -- Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2010
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn này là các thuật toán, giao thức định tuyến trong mạng cảm biến vô tuyến. Xây dựng mô hình địa hình xấu, thực hiện việc mô phỏng và đánh giá thuật toán định tuyến phổ biến trong mạng cảm biến vô tuyến với điều kiện địa hình bình thường và địa hình xấu, từ đó rút ra kết luận
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN (WSN)
Nội dung chương bao gồm những phần chính sau:
- Giới thiệu chung về mạng không dây
- Giới thiệu về mạng Adhoc
- Giới thiệu về mạng cảm biến vô tuyến, các đặc điểm cũng như ứng dụng của
mạng cảm biến vô tuyến
1.1. Giới thiệu chung
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ thông tin đang ngày
càng được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống xã hội như kinh tế, giáo
dục, xây dựng, y học,... việc ứng dụng công nghệ thông tin vào giải quyết các công
việc thì Internet ngày càng khẳng định được vị trí quan trọng của mình trong cuộc
sống xã hội thời hiện đại. Khi cuộc sống con người ngày càng phát triển thì nhu cầu
trao đổi thông tin của con người ngày càng cao. Con người muốn mình có thể được kết
nối với thế giới vào bất cứ lúc nào, từ bất cứ nơi đâu mà không cần có đường nối.
Đó chính là lý do mà mạng không dây ra đời. Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự
hiện diện của mạng vô tuyến ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, các công ty, bệnh
viện, trường học hay thậm chí là các quán cà phê. Cùng với sự phát triển của mạng có
dây truyền thống, mạng vô tuyến cũng đang có những bước phát triển nhanh chóng
nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt
nhất.
Khi mà mạng vô tuyến đang ngày càng được quan tâm, đầu tư nghiên cứu và
phát triển thì ngày càng có nhiều mô hình, kiến trúc mạng được đề xuất bởi các nhà
khoa học, các hội nghị.
Mạng Ad hoc (viết tắt là MANETs – Mobile Adhoc Networks) là một loại
mạng vô tuyến điển hình không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng. Trong đó mạng cảm biến
vô tuyến (WSNs – Wireless Sensor Networks) là một dạng của mạng Ad hoc đang rất
được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Việc các mạng vô tuyến ít phụ thuộc vào cơ sở hạ
tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyền
thông không cao, mô hình mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống do các
nút mạng hay di chuyển, năng lượng cung cấp cho các nút mạng thường chủ yếu là
pin... Do đó, cùng với vấn đề bảo mật của mạng không dây thì vấn đề định tuyến trong
mạng vô tuyến cũng là vấn đề vô cùng quan trọng. Nó quyết định rất lớn đến hiệu
năng hoạt động của toàn hệ thống mạng.
6
1.2. Mạng Ad hoc [11]
Mạng Ad hoc là một mạng vô tuyến phi tập trung hóa (phân tán). Một mạng là
Ad hoc bởi vì nó không dựa trên một cơ sở hạ tầng sẵn có, chẳng hạn như các router
trong mạng có dây hay các access point trong mạng không dây được quản trị (cơ sở hạ
tầng). Thay vào đó, mỗi nút tham gia vào việc định tuyến bằng cách chuyển tiếp dữ
liệu tới các nút khác, và vì vậy việc xác định các nút nào chuyển tiếp dữ liệu được thực
hiện một cách động dựa trên sự kết nối của mạng.
Mạng Ad hoc sớm nhất là các mạng radio gói (PRNETs) từ những năm 1970, được
bảo trợ bởi DARPA sau dự án ALOHAnet.
Hình 1: Mô hình mạng không dây Ad hoc
Hình 2: Mạng Ad hoc điển hình
Ứng dụng của mạng Ad hoc
Sự phi tập trung của các mạng Ad hoc làm cho chúng thích hợp với rất nhiều
ứng dụng mà các nút trung tâm không thể thỏa mãn, và có thể phát triển sự mở rộng
của mạng Ad hoc giống các mạng không dây được quản trị.
- Đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính chất tạm thời: Ở tại địa điểm trong
một khoảng thời gian nhất định, giống như trong một lớp học, một cuộc hội thảo hay
một cuộc họp, ... việc thiết lập một mạng mang tính chất tạm thời để truyền thông với
7
nhau chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn. Nếu chúng ta thiết lập một mạng có
cơ sở hạ tầng, dù là mạng không dây vẫn rất tốn kém tiền bạc cũng như nhân lực, vật
lực, thời gian. Do đó, mạng Ad hoc được coi là giải pháp tốt nhất cho những tình
huống như thế này.
- Hỗ trợ khi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn và dịch họa: Khi xảy ra các thiên tai
như hỏa hoạn, động đất, cháy rừng ở một nơi nào đó, cơ sở hạ tầng ở đó như đường
dây, các máy trạm, máy chủ, ... có thể bị phá hủy dẫn đến hệ thống mạng bị tê liệt là
hoàn toàn khó tránh khỏi. Vì thế, việc thiết lập nhanh chóng một mạng cần thời gian
ngắn mà lại có độ tin cậy cao và không cần cơ sở hạ tầng để đáp ứng truyền thông,
nhằm giúp khắc phục, giảm tổn thất sau thiên tai, hỏa hoạn là cần thiết. Khi đó mạng
Ad hoc là một lựa chọn phù hợp nhất cho những tình huống như vậy.
- Đáp ứng truyền thông tại những nơi xa trung tâm, các vùng sâu, vùng xa: tại
những nơi xa trung tâm thành phố, nơi có dân cư thưa thớt như ở vùng sâu, vùng xa,
việc thiết lập các hệ thống mạng có cơ sở hạ tầng là rất khó khăn và tốn kém. Vậy ở
những nơi này, giải pháp được đưa ra là sử dụng các mạng vệ tinh hay mạng Ad Hoc.
- Tính hiệu quả: Trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ mạng có
cơ sở hạ tầng có thể không có hiệu quả cao bằng việc dùng mạng Ad hoc. Ví dụ như
với một mạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi một điểm truy cập mạng lên
các nút mạng muốn truyền thông với nhau đều phải thông qua nó. Ngay cả khi hai nút
mạng ở gần nhau, chúng cũng không thể trực tiếp truyền thông với nhau mà phải
chuyển tiếp qua một điểm truy cập trung tâm(Acess Point). Điều đó gây ra một sự lãng
phí thời gian và băng thông mạng. Trong khi đó, nếu sử dụng mạng Ad Hoc việc
truyền thông giữa hai nút mạng đó lại trở lên vô cùng dễ dàng và nhanh chóng. Hai nút
mạng gần nhau có thể truyền thông trực tiếp với nhau mà không cần thông qua
thiết bị trung gian nào khác.
Các mạng Ad hoc có thể được chia lớp cụ thể hơn theo ứng dụng của chúng:
Mạng ad hoc di động (mobile ad hoc networks - MANETs)
Mạng vô tuyến lưới (wireless mesh networks)
Mạng cảm biến vô tuyến (wireless sensor networks)
Các yêu cầu kỹ thuật:
Một mạng Ad hoc được tạo nên từ nhiều “nút” được liên kết bởi “các liên kết”
Các liên kết bị ảnh hưởng bởi các tài nguyên của các nút (chẳng hạn như nguồn năng
lượng sẵn có, công suất phát, công suất tính toán và bộ nhớ) và bởi các thuộc tính hành
vi (tính đáng tin cậy và tính chất đáng tin cậy), hay bởi các thuộc tính liên kết (chẳng
hạn nhiễu/méo dọc theo khoảng cách, độ dài của liên kết và mất tín hiệu, nhiễu/méo và
ồn)…
1.3. Mạng cảm biến vô tuyến (Wireless Sensor Network) [1]-[2]-[9]-[11]
Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) bao gồm các bộ cảm biến tự trị được phân tán
trong không gian để cùng theo dõi các điều kiện tự nhiên hay môi trường, chẳng hạn
như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp suất, chuyển động hay sự ô nhiễm. Sự phát triển
của các mạng cảm biến vô tuyến được thúc đẩy bởi các ứng dụng quân sự như là việc
theo dõi chiến trường. Mạng cảm biến vô tuyến có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết
các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các nút mạng
thường là các thiết bị đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp ... và có số lượng lớn, được
phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi
hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu
dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất
độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).Chúng được sử dụng trong rất nhiều vùng ứng dụng công
nghiệp cũng như dân cư, bao gồm quá trình điều khiển và giám sát công nghiệp, theo
dõi sức khỏe, theo dõi môi trường, các ứng dụng chăm sóc sức khỏe và điều khiển giao
thông.
Một mạng cảm biến thường tạo nên một mạng Ad hoc không dây, có nghĩa là
mỗi bộ cảm biến hỗ trợ một thuật toán định tuyến multi-hop (một vài nút có thể
chuyển tiếp các gói dữ liệu tới trung tâm (base station)).
Trong khoa học máy tính và viễn thông, các mạng cảm biến vô tuyến là một
lĩnh vực được quan tâm nghiên cứu với một số lượng các cuộc hội thảo và hội nghị
diễn ra hàng năm.
Hình 3: Mạng cảm biến vô tuyến
1.3.1. Nút cảm biến trong mạng cảm biến vô tuyến [6]
Cấu tạo của nút cảm biến như sau:Hình 4: Cấu trúc của một nút cảm biến
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình 2:
- đơn vị cảm biến (a sensing unit)
- đơn vị xử lý (a processing unit)
- đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit)
- bộ nguồn (a power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và
bộ phận di động (mobilizer).
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương
tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi bộ cảm
biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần
thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.
Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng 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. Các bộ phận di động đôi lúc cần dịch chuyển các nút cảm
biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành phần này
cần phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút 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 biến với sự biến đổi của môi
trường.
1.3.2. Đặc tính của mạng cảm biến vô tuyến [5]-[6]
Mỗi nút trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến
(sensor) hay điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng nút
trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối
với một nút mạng là giá thành thấp (10 - 50 USD) và kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề
mặt vài đến vài chục cm2).
Mạng phải cho phép hai nút bất kỳ trao đổi với nhau thường là thông qua các
nút khác – các nút chuyển tiếp thông tin. Một “đường đi” là một chuỗi các liên kết mà
kết nối hai nút đó. Thông thường, có nhiều đường đi giữa hai nút bất kỳ. Các nút
thường bị giới hạn bởi công suất phát (phạm vi phát) và các nguồn năng lượng sẵn có.
Công suất phát thường tiêu hao phần lớn năng lượng ở mỗi nút. Phụ thuộc vào luật
bình phương nghịch đảo, nó đòi hỏi năng lượng hiệu quả nhiều hơn để chuyển tiếp
thông tin qua một mạng thông qua nhiều nút.
Các nút mạng thường có chức năng cảm biến (nút cảm biến): cảm ứng, quan sát
môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng... theo dõi hay định vị các mục
tiêu cố định hay di động ... Các nút giao tiếp Ad hoc với nhau và truyền dữ liệu về
trung tâm một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop.
Lưu lượng dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục (không hẳn
với các ứng dụng dò vết và định vị). Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các nút cảm biến
thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode)
khác nhau. Thông thường thời gian một nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt
động rất nhiều.
Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến và một mạng
vô tuyến khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, topo mạng, lưu
lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động.
Đặc điểm của mạng cảm biến
Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là
năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới 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
như sau:
- Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không
hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hay do ảnh
hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động
bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng
không hoạt động.
- Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm
biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng
dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có
khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
- Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút
cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí
của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai bộ cảm biến
theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi
phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
- Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các
nút cảm biến cần có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước phải
nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ
cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người
kiểm soát, thích nghi với môi trường.
- Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc
mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong
các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hay trong những vùng ô nhiễm hóa học
hay sinh học, ở gia đình hay những tòa nhà lớn.
- Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết
nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên
bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hay những phương tiện quang học. Để thiết lập
sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải
được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các
nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng
thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz. Một
cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại. Thiết
kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn. Cả
hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi
nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
- Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng
trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được
triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể lên tới
20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần thiết lâp một cấu
hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và
thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:
+ Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt ngẫu
nhiên hay xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển
khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hay có thể do con người hoặc
robot đặt từng cái một.
+ Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình
phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái
không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản...), năng lượng
thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.
+ Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm
vào các nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hay tùy thuộc vào
sự thay đổi chức năng.
- Sự tiêu thụ năng lượng : Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết
bị vi điện tử chỉ có thểđược trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1,2V).
Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện
được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào
thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multi-hop Ad hoc, mỗi một nút đóng
một vai trò kép: vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài
nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu
định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý
nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay
người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế
nguồn cho mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường
cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh
chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra
làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu
(data processing).
Thiết kế trong mạng cảm biến
Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu cầu hoạt
động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan
trọng nhất trong mạng cảm biến:
- Lớp vật lý: tương đối đơn giản, gọn nhẹ do ràng buộc về kích thước và khả
năng tính toán của nút. Kỹ thuật điều chế tín hiệu số: O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất
bộ khuếch đại công suất. Các kỹ thuật mã hóa sửa sai phức tạp như Turbo Codes,
LDPC không được sử dụng, kỹ thuật trải phổ được sử dụng để cải thiện SNR ở thiết bị
thu và giảm tác động của fading của kênh truyền...
- Lớp MAC: kỹ thuật đa truy cập TDMA hay CSMA-CA hiệu chỉnh với mục
đích giảm năng lượng tiêu thụ.
- Lớp định tuyến: Định tuyến "nhận biết năng lượng", định tuyến địa lý, ...
WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn và
được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay
đổi sơ đồ mạng... do vậy WSN đòi hỏi một hình trạng mạng linh động (ad-hoc, grid,
star...) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình (auto-reconfigurable).
Trong một số WSN thông dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ...) địa chỉ ID
các nút chính là vị trí địa lý và giao thức định tuyến dựa vào vị trí địa lý này gọi là
Geography Routing Protocol (GRT). Đối với mạng với số lượng lớn các nút, sơ đồ
mạng không ổn định ... GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu
bảng định tuyến (routing table) lưu trữ tại các nút. GRT phù hợp với các WSN cố định,
tuy nhiên đối với các nút di động (địa chỉ ID nút thay đổi) giao thức định tuyến trở nên
phức tạp và không ổn định.
Việc cluster hoá: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng nghìn nút) thành
các clusters để ổn định hình trạng của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến, giảm
đụng độ (collission) khi truy cập vào kênh truyền (medium access) nên giảm được
năng lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút
mạng (theo cluster).
Do giới hạn khả năng tính toán của từng nút mạng cũng như để tiết kiệm năng
lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung
(giảm tải cho nút gần hết năng lượng) hay gửi dữ liệu cần tính toán cho các trạm cơ
sở (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng).
1.3.3. Một số chuẩn mạng cảm biến vô tuyến [1]
Do phạm vi ứng dụng cua WSN rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ
thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn
thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù
hợp cho từng ứng công cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên
thị trường. Một số chuẩn WSN được biết đến:
- ALOHA system (U. of Hawaii)
- PRNET system (U.S. Defense)
- WINS (U. of California)
- PicoRadio (U. of California)
- MicroAMPS (M.I.T)
- MANET (Mobile ad-hoc Network)
- Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4
1.3.4. Ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến [2]
WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát
triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robot, thiết bị thông minh, môi
trường, y tế ... WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp và
dân dụng. Một số ứng dụng cơ bản của WSN:
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Luận văn ThS. Truyền dữ liệu và mạng máy tính -- Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2010
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn này là các thuật toán, giao thức định tuyến trong mạng cảm biến vô tuyến. Xây dựng mô hình địa hình xấu, thực hiện việc mô phỏng và đánh giá thuật toán định tuyến phổ biến trong mạng cảm biến vô tuyến với điều kiện địa hình bình thường và địa hình xấu, từ đó rút ra kết luận
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN (WSN)
Nội dung chương bao gồm những phần chính sau:
- Giới thiệu chung về mạng không dây
- Giới thiệu về mạng Adhoc
- Giới thiệu về mạng cảm biến vô tuyến, các đặc điểm cũng như ứng dụng của
mạng cảm biến vô tuyến
1.1. Giới thiệu chung
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ thông tin đang ngày
càng được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống xã hội như kinh tế, giáo
dục, xây dựng, y học,... việc ứng dụng công nghệ thông tin vào giải quyết các công
việc thì Internet ngày càng khẳng định được vị trí quan trọng của mình trong cuộc
sống xã hội thời hiện đại. Khi cuộc sống con người ngày càng phát triển thì nhu cầu
trao đổi thông tin của con người ngày càng cao. Con người muốn mình có thể được kết
nối với thế giới vào bất cứ lúc nào, từ bất cứ nơi đâu mà không cần có đường nối.
Đó chính là lý do mà mạng không dây ra đời. Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự
hiện diện của mạng vô tuyến ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, các công ty, bệnh
viện, trường học hay thậm chí là các quán cà phê. Cùng với sự phát triển của mạng có
dây truyền thống, mạng vô tuyến cũng đang có những bước phát triển nhanh chóng
nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt
nhất.
Khi mà mạng vô tuyến đang ngày càng được quan tâm, đầu tư nghiên cứu và
phát triển thì ngày càng có nhiều mô hình, kiến trúc mạng được đề xuất bởi các nhà
khoa học, các hội nghị.
Mạng Ad hoc (viết tắt là MANETs – Mobile Adhoc Networks) là một loại
mạng vô tuyến điển hình không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng. Trong đó mạng cảm biến
vô tuyến (WSNs – Wireless Sensor Networks) là một dạng của mạng Ad hoc đang rất
được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Việc các mạng vô tuyến ít phụ thuộc vào cơ sở hạ
tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyền
thông không cao, mô hình mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống do các
nút mạng hay di chuyển, năng lượng cung cấp cho các nút mạng thường chủ yếu là
pin... Do đó, cùng với vấn đề bảo mật của mạng không dây thì vấn đề định tuyến trong
mạng vô tuyến cũng là vấn đề vô cùng quan trọng. Nó quyết định rất lớn đến hiệu
năng hoạt động của toàn hệ thống mạng.
6
1.2. Mạng Ad hoc [11]
Mạng Ad hoc là một mạng vô tuyến phi tập trung hóa (phân tán). Một mạng là
Ad hoc bởi vì nó không dựa trên một cơ sở hạ tầng sẵn có, chẳng hạn như các router
trong mạng có dây hay các access point trong mạng không dây được quản trị (cơ sở hạ
tầng). Thay vào đó, mỗi nút tham gia vào việc định tuyến bằng cách chuyển tiếp dữ
liệu tới các nút khác, và vì vậy việc xác định các nút nào chuyển tiếp dữ liệu được thực
hiện một cách động dựa trên sự kết nối của mạng.
Mạng Ad hoc sớm nhất là các mạng radio gói (PRNETs) từ những năm 1970, được
bảo trợ bởi DARPA sau dự án ALOHAnet.
Hình 1: Mô hình mạng không dây Ad hoc
Hình 2: Mạng Ad hoc điển hình
Ứng dụng của mạng Ad hoc
Sự phi tập trung của các mạng Ad hoc làm cho chúng thích hợp với rất nhiều
ứng dụng mà các nút trung tâm không thể thỏa mãn, và có thể phát triển sự mở rộng
của mạng Ad hoc giống các mạng không dây được quản trị.
- Đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính chất tạm thời: Ở tại địa điểm trong
một khoảng thời gian nhất định, giống như trong một lớp học, một cuộc hội thảo hay
một cuộc họp, ... việc thiết lập một mạng mang tính chất tạm thời để truyền thông với
7
nhau chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn. Nếu chúng ta thiết lập một mạng có
cơ sở hạ tầng, dù là mạng không dây vẫn rất tốn kém tiền bạc cũng như nhân lực, vật
lực, thời gian. Do đó, mạng Ad hoc được coi là giải pháp tốt nhất cho những tình
huống như thế này.
- Hỗ trợ khi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn và dịch họa: Khi xảy ra các thiên tai
như hỏa hoạn, động đất, cháy rừng ở một nơi nào đó, cơ sở hạ tầng ở đó như đường
dây, các máy trạm, máy chủ, ... có thể bị phá hủy dẫn đến hệ thống mạng bị tê liệt là
hoàn toàn khó tránh khỏi. Vì thế, việc thiết lập nhanh chóng một mạng cần thời gian
ngắn mà lại có độ tin cậy cao và không cần cơ sở hạ tầng để đáp ứng truyền thông,
nhằm giúp khắc phục, giảm tổn thất sau thiên tai, hỏa hoạn là cần thiết. Khi đó mạng
Ad hoc là một lựa chọn phù hợp nhất cho những tình huống như vậy.
- Đáp ứng truyền thông tại những nơi xa trung tâm, các vùng sâu, vùng xa: tại
những nơi xa trung tâm thành phố, nơi có dân cư thưa thớt như ở vùng sâu, vùng xa,
việc thiết lập các hệ thống mạng có cơ sở hạ tầng là rất khó khăn và tốn kém. Vậy ở
những nơi này, giải pháp được đưa ra là sử dụng các mạng vệ tinh hay mạng Ad Hoc.
- Tính hiệu quả: Trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ mạng có
cơ sở hạ tầng có thể không có hiệu quả cao bằng việc dùng mạng Ad hoc. Ví dụ như
với một mạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi một điểm truy cập mạng lên
các nút mạng muốn truyền thông với nhau đều phải thông qua nó. Ngay cả khi hai nút
mạng ở gần nhau, chúng cũng không thể trực tiếp truyền thông với nhau mà phải
chuyển tiếp qua một điểm truy cập trung tâm(Acess Point). Điều đó gây ra một sự lãng
phí thời gian và băng thông mạng. Trong khi đó, nếu sử dụng mạng Ad Hoc việc
truyền thông giữa hai nút mạng đó lại trở lên vô cùng dễ dàng và nhanh chóng. Hai nút
mạng gần nhau có thể truyền thông trực tiếp với nhau mà không cần thông qua
thiết bị trung gian nào khác.
Các mạng Ad hoc có thể được chia lớp cụ thể hơn theo ứng dụng của chúng:
Mạng ad hoc di động (mobile ad hoc networks - MANETs)
Mạng vô tuyến lưới (wireless mesh networks)
Mạng cảm biến vô tuyến (wireless sensor networks)
Các yêu cầu kỹ thuật:
Một mạng Ad hoc được tạo nên từ nhiều “nút” được liên kết bởi “các liên kết”
Các liên kết bị ảnh hưởng bởi các tài nguyên của các nút (chẳng hạn như nguồn năng
lượng sẵn có, công suất phát, công suất tính toán và bộ nhớ) và bởi các thuộc tính hành
vi (tính đáng tin cậy và tính chất đáng tin cậy), hay bởi các thuộc tính liên kết (chẳng
hạn nhiễu/méo dọc theo khoảng cách, độ dài của liên kết và mất tín hiệu, nhiễu/méo và
ồn)…
1.3. Mạng cảm biến vô tuyến (Wireless Sensor Network) [1]-[2]-[9]-[11]
Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) bao gồm các bộ cảm biến tự trị được phân tán
trong không gian để cùng theo dõi các điều kiện tự nhiên hay môi trường, chẳng hạn
như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp suất, chuyển động hay sự ô nhiễm. Sự phát triển
của các mạng cảm biến vô tuyến được thúc đẩy bởi các ứng dụng quân sự như là việc
theo dõi chiến trường. Mạng cảm biến vô tuyến có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết
các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các nút mạng
thường là các thiết bị đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp ... và có số lượng lớn, được
phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi
hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu
dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất
độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).Chúng được sử dụng trong rất nhiều vùng ứng dụng công
nghiệp cũng như dân cư, bao gồm quá trình điều khiển và giám sát công nghiệp, theo
dõi sức khỏe, theo dõi môi trường, các ứng dụng chăm sóc sức khỏe và điều khiển giao
thông.
Một mạng cảm biến thường tạo nên một mạng Ad hoc không dây, có nghĩa là
mỗi bộ cảm biến hỗ trợ một thuật toán định tuyến multi-hop (một vài nút có thể
chuyển tiếp các gói dữ liệu tới trung tâm (base station)).
Trong khoa học máy tính và viễn thông, các mạng cảm biến vô tuyến là một
lĩnh vực được quan tâm nghiên cứu với một số lượng các cuộc hội thảo và hội nghị
diễn ra hàng năm.
Hình 3: Mạng cảm biến vô tuyến
1.3.1. Nút cảm biến trong mạng cảm biến vô tuyến [6]
Cấu tạo của nút cảm biến như sau:Hình 4: Cấu trúc của một nút cảm biến
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình 2:
- đơn vị cảm biến (a sensing unit)
- đơn vị xử lý (a processing unit)
- đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit)
- bộ nguồn (a power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và
bộ phận di động (mobilizer).
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương
tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi bộ cảm
biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần
thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.
Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng 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. Các bộ phận di động đôi lúc cần dịch chuyển các nút cảm
biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành phần này
cần phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút 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 biến với sự biến đổi của môi
trường.
1.3.2. Đặc tính của mạng cảm biến vô tuyến [5]-[6]
Mỗi nút trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến
(sensor) hay điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng nút
trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối
với một nút mạng là giá thành thấp (10 - 50 USD) và kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề
mặt vài đến vài chục cm2).
Mạng phải cho phép hai nút bất kỳ trao đổi với nhau thường là thông qua các
nút khác – các nút chuyển tiếp thông tin. Một “đường đi” là một chuỗi các liên kết mà
kết nối hai nút đó. Thông thường, có nhiều đường đi giữa hai nút bất kỳ. Các nút
thường bị giới hạn bởi công suất phát (phạm vi phát) và các nguồn năng lượng sẵn có.
Công suất phát thường tiêu hao phần lớn năng lượng ở mỗi nút. Phụ thuộc vào luật
bình phương nghịch đảo, nó đòi hỏi năng lượng hiệu quả nhiều hơn để chuyển tiếp
thông tin qua một mạng thông qua nhiều nút.
Các nút mạng thường có chức năng cảm biến (nút cảm biến): cảm ứng, quan sát
môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng... theo dõi hay định vị các mục
tiêu cố định hay di động ... Các nút giao tiếp Ad hoc với nhau và truyền dữ liệu về
trung tâm một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop.
Lưu lượng dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục (không hẳn
với các ứng dụng dò vết và định vị). Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các nút cảm biến
thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode)
khác nhau. Thông thường thời gian một nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt
động rất nhiều.
Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến và một mạng
vô tuyến khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, topo mạng, lưu
lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động.
Đặc điểm của mạng cảm biến
Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là
năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới 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
như sau:
- Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không
hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hay do ảnh
hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động
bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng
không hoạt động.
- Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm
biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng
dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có
khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
- Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút
cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí
của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai bộ cảm biến
theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi
phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
- Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các
nút cảm biến cần có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước phải
nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ
cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người
kiểm soát, thích nghi với môi trường.
- Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc
mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong
các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hay trong những vùng ô nhiễm hóa học
hay sinh học, ở gia đình hay những tòa nhà lớn.
- Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết
nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên
bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hay những phương tiện quang học. Để thiết lập
sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải
được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các
nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng
thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz. Một
cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại. Thiết
kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn. Cả
hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi
nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
- Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng
trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được
triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể lên tới
20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần thiết lâp một cấu
hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và
thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:
+ Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt ngẫu
nhiên hay xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển
khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hay có thể do con người hoặc
robot đặt từng cái một.
+ Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình
phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái
không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản...), năng lượng
thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.
+ Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm
vào các nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hay tùy thuộc vào
sự thay đổi chức năng.
- Sự tiêu thụ năng lượng : Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết
bị vi điện tử chỉ có thểđược trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1,2V).
Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện
được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào
thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multi-hop Ad hoc, mỗi một nút đóng
một vai trò kép: vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài
nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu
định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý
nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay
người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế
nguồn cho mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường
cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh
chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra
làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu
(data processing).
Thiết kế trong mạng cảm biến
Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu cầu hoạt
động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan
trọng nhất trong mạng cảm biến:
- Lớp vật lý: tương đối đơn giản, gọn nhẹ do ràng buộc về kích thước và khả
năng tính toán của nút. Kỹ thuật điều chế tín hiệu số: O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất
bộ khuếch đại công suất. Các kỹ thuật mã hóa sửa sai phức tạp như Turbo Codes,
LDPC không được sử dụng, kỹ thuật trải phổ được sử dụng để cải thiện SNR ở thiết bị
thu và giảm tác động của fading của kênh truyền...
- Lớp MAC: kỹ thuật đa truy cập TDMA hay CSMA-CA hiệu chỉnh với mục
đích giảm năng lượng tiêu thụ.
- Lớp định tuyến: Định tuyến "nhận biết năng lượng", định tuyến địa lý, ...
WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng nút mạng lớn và
được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các nút mạng có thể di chuyển làm thay
đổi sơ đồ mạng... do vậy WSN đòi hỏi một hình trạng mạng linh động (ad-hoc, grid,
star...) và các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình (auto-reconfigurable).
Trong một số WSN thông dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ...) địa chỉ ID
các nút chính là vị trí địa lý và giao thức định tuyến dựa vào vị trí địa lý này gọi là
Geography Routing Protocol (GRT). Đối với mạng với số lượng lớn các nút, sơ đồ
mạng không ổn định ... GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu
bảng định tuyến (routing table) lưu trữ tại các nút. GRT phù hợp với các WSN cố định,
tuy nhiên đối với các nút di động (địa chỉ ID nút thay đổi) giao thức định tuyến trở nên
phức tạp và không ổn định.
Việc cluster hoá: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng nghìn nút) thành
các clusters để ổn định hình trạng của mạng, đơn giản hóa giải thuật định tuyến, giảm
đụng độ (collission) khi truy cập vào kênh truyền (medium access) nên giảm được
năng lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng nút
mạng (theo cluster).
Do giới hạn khả năng tính toán của từng nút mạng cũng như để tiết kiệm năng
lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung
(giảm tải cho nút gần hết năng lượng) hay gửi dữ liệu cần tính toán cho các trạm cơ
sở (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng).
1.3.3. Một số chuẩn mạng cảm biến vô tuyến [1]
Do phạm vi ứng dụng cua WSN rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ
thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các công ty, các phòng thí nghiệm vẫn
thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù
hợp cho từng ứng công cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên
thị trường. Một số chuẩn WSN được biết đến:
- ALOHA system (U. of Hawaii)
- PRNET system (U.S. Defense)
- WINS (U. of California)
- PicoRadio (U. of California)
- MicroAMPS (M.I.T)
- MANET (Mobile ad-hoc Network)
- Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4
1.3.4. Ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến [2]
WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát
triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robot, thiết bị thông minh, môi
trường, y tế ... WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp và
dân dụng. Một số ứng dụng cơ bản của WSN:
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links