LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết thu luận văn thân thực không chép từ tài liệu khác Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm điều nói không Ký tên Lƣu Hoàng Vũ LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Vương Đạo Vy, Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, người hướng dẫn tận tình giúp đỡ nhiều trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn thầy Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập thực đề tài Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người động viên, giúp đỡ trình làm luận văn Tác giả Lƣu Hoàng Vũ LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, tiến khoa học kỹ thuật, việc sản xuất thiết bị cảm biến nhỏ chi phí thấp trở nên khả thi mặt kỹ thuật mặt kinh tế Việc thiết kế thực có hiệu mạng cảm biến không dây trở thành lĩnh vực thu hút nhiều quan tâm tiềm ứng dụng mạng cảm biến lĩnh vực đời sống hàng ngày y tế, công nghiệp, quân sự…Tuy vậy, việc thiết kế thực có hiệu mạng cảm biến không dây phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn mạng cảm biến nguồn lượng bị giới hạn nạp lại, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng toàn mạng Xuất phát từ phát từ yêu cầu thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu, đánh giá mô số giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây” thực việc giới thiệu cách tổng quan mạng cảm biến không dây, giao thức giải thuật định tuyến thường dùng: LEACH, LEACH-C, MTE, STAT-CLUSTER, đồng thời sử dụng phần mềm NS-2 để mô phỏng, đánh giá giao thức Luận văn gồm có chương: Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây (WSN): đưa định nghĩa, cấu trúc mạng WSN, yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng WSN, thách thức mà mạng WSN phải đối mặt Chƣơng 2: Định tuyến mạng cảm biến không dây: đưa vấn đề phải đối mặt định tuyến, đưa giao thức định tuyến dùng mạng cảm biến trình bày cách phân loại cách tiếp cận với vấn đề Ba loại định tuyến đưa chương giao thức trung tâm liệu, giao thức phân cấp giao thức dựa vào vị trí Chƣơng 3: Kiến trúc giao thức LEACH: khái niệm LEACH, cách hình thành cụm (Cluster) nút chủ cụm (Cluster Head) LEACH; pha thiết lập pha ổn định LEACH; tổng hợp liệu nút chủ cụm; thuật toán nâng cáo LEACH LEACH-C LEACH-F Chƣơng 4: Sử dụng NS-2 để mô WSN hệ điều hành Ubuntu: Khái quát phần mềm mô mạng NS-2 xây dựng mô hình phần mềm mô cho giao thức mạng Phân tích nghiên cứu vấn đề lượng, thời gian sống, liệu truyền thời gian trễ trạm gốc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH VẼ DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 1.1 Giới thiệu 11 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 11 1.2.1 Cấu trúc phẳng 13 1.2.2 Cấu trúc phân cấp 14 1.3 Các đặc trưng mạng cảm biến không dây 15 1.3.1 Năng lượng tiêu thụ 15 1.3.2 Chi phí 16 1.3.3 Loại hình mạng 16 1.3.4 Tính bảo mật 17 1.3.5 Độ trễ 17 1.3.6 Tính di động 17 1.4 Những khó khăn việc phát triển mạng không dây 18 1.4.1 Giới hạn lượng 18 1.4.2 Giới hạn giải thông 18 1.4.3 Giới hạn phần cứng 18 1.4.4 Ảnh hưởng nhiễu bên 18 1.5 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not defined 2.1 Các vấn đề thiết kế giao thức định tuyến Error! Bookmark not defined 2.1.1 Đặc tính thay đổi thời gian trật tự xếp mạng Error! Bookmark not defined 2.1.2 Ràng buộc tài nguyên Error! Bookmark not defined 2.1.3 Mô hình liệu mạng cảm biến Error! Bookmark not defined 2.1.4 Cách truyền liệu Error! Bookmark not defined 2.2 Các giao thức định tuyến WSN Error! Bookmark not defined 2.2.1 Các giao thức xét theo cấu trúc mạng .Error! Bookmark not defined 2.2.2 Các giao thức phân cấp .Error! Bookmark not defined 2.2.3 Giao thức định tuyến dựa theo vị trí Error! Bookmark not defined 2.2.4 Các giao thức định tuyến xét theo hoạt động Error! Bookmark not defined 2.3 Kết Luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: KIẾN TRÚC GIAO THỨC LEACH Error! Bookmark not defined 3.1 LEACH Error! Bookmark not defined 3.1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 3.1.2 Pha thiết lập .Error! Bookmark not defined 3.1.3 Pha ổn định .Error! Bookmark not defined 3.1.4 Tổng hợp liệu .Error! Bookmark not defined 3.2 LEACH-C (LEACH-Centralized) Error! Bookmark not defined 3.3 Phân chia cụm cố định (Stat-Cluster) Error! Bookmark not defined 3.4 Năng lượng truyền tối thiểu (Minimum Transmit Energy) Error! Bookmark not defined 3.5 LEACH-F Error! Bookmark not defined 3.6 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined 4.1 Giới thiệu NS-2 Error! Bookmark not defined 4.2 C++ OTcl Error! Bookmark not defined 4.3 Các đặc tính NS-2 Error! Bookmark not defined 4.4 Mô mạng cảm biến không dây NS-2 .Error! Bookmark not defined 4.4.1 Bài toán mô Error! Bookmark not defined 4.4.2 Mô hình phần mềm Error! Bookmark not defined 4.4.3 Mô Error! Bookmark not defined 4.5 Kết luận Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 13 Hình 1.2 Cấu trúc phẳng 13 Hình 1.3 Cấu trúc phân cấp 14 Hình 1.4 Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp 14 Hình 2.1 Phân loại giao thức chọn đường WSN Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Cơ chế SPIN Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Các pha Directed Diffusion .Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Chuỗi PEGASIS Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Time line cho hoạt động TEEN Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Ví dụ lưới ảo GAF Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Sự chuyển trạng thái GAF Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Rumor Routing Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Giao thức LEACH Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Time-line hoạt động LEACH .Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Giải thuật hình thành cluster LEACH .Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Sự hình thành cụm vòng khác (nút đen nút chủ) Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Mô hình LEACH sau ổn định trạng thái Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Hoạt động pha ổn định LEACH Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Time-line hoạt động LEACH vòng Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Sự ảnh hưởng kênh phát sóng Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Đồ thị so sánh lượng sử dụng có tổng hợp liệu cục Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Pha thiết lập LEACH-C Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Hoạt động giao thức MTE Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Ảnh hưởng cụm gần Error! Bookmark not defined Hìnhh 3.13 Ảnh hưởng nút dùng công suất phát lớn để giao tiếp với nút chủ Error! Bookmark not defined Hình 4.1: Tổng quan NS góc độ người dùng Error! Bookmark not defined Hình 4.2: Luồng kiện cho file Tcl chạy NS Error! Bookmark not defined Hình 4.3: Kiến trúc NS-2 Error! Bookmark not defined Hình 4.4: C++ OTcl: Sự đối ngẫu Error! Bookmark not defined Hình 4.5: TclCL hoạt động liên kết A B Error! Bookmark not defined Hình 4.6 Mô hình cấu trúc phần mềm xây dựng NS-2 Error! Bookmark not defined Hình 4.7 Số nút mạng sống theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 4.8 Năng lượng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 4.9 Tỉ lệ nút/số bytes nhận trạm gốc .Error! Bookmark not defined Hình 4.10 Tỉ lệ liệu / lượng Error! Bookmark not defined Hình 4.11 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc Error! Bookmark not defined Hình 4.12 Số nút mạng sống theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 4.13 Năng lượng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 4.14 Tỉ lệ nút/số bytes nhận trạm gốc Error! Bookmark not defined Hình 4.15 Tỉ lệdữ liệu / lượng Error! Bookmark not defined Hình 4.16 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc Error! Bookmark not defined Hình 4.17 Số nút mạng sống theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 4.18 Năng lượng tiêu thụ toàn mạng theo thời gian Error! Bookmark not defined Hình 4.19 Tỉ lệ nút/số bytes nhận trạm gốc Error! Bookmark not defined Hình 4.20 Tỉ lệ liệu / lượng Error! Bookmark not defined Hình 4.21 Biểu đồ trễ tín hiệu trạm gốc Error! Bookmark not defined DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt ACK Acknowledgement Bản tin phúc đáp ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - Số ADV Advertise Bản tin quảng bá AoA Angle of Arrival Góc đến BS Base Station (Sink) Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DD Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp EDD Enhanced Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp nâng cao GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật xác theo địa lý Geographic and Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý Routing sử dụng hiệu lƣợng GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu LEACH Low-energy adaptive clustering Giao thức phân cấp theo cụm hierarchy thích ứng lƣợng thấp Media Access Control Điều khiển truy nhập môi GEAR MAC trƣờng PEGASIS Power-efficient Gathering in Tổng hợp lƣợng Sensor Information Systems hệ thống thông tin cảm biến QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ REQ Request Bản tin yêu cầu RSS Received Signal Strength Độ mạnh tín hiệu thu đƣợc RSSI Received Signal Strength Bộ thị độ mạnh tín hiệu Indicator thu đƣợc SAR Sequential Assignment Routing Định tuyến phân phối SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lí mạng cảm biến SPIN SQDDP TADAP Sensor protocols for Giao thức cho thông tin information via negotiation liệu thông qua đàm phán Sensor Query and Data Giao thức phân phối liệu Dissemination Protocol truy vấn cảm biến Task Assignment and Data Giao thức quảng bá liệu Advertisement Protocol định nhiệm vụ cho cảm biến TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Threshold sensitive Energy Giao thức hiệu Efficient sensor Network lƣợng nhạy cảm với mức protocol ngƣỡng ToA Time of Arrival Thời gian đến UDP User Datagram Protocol Giao thức gói liệu ngƣời TEEN dùng WINS WSN Wireless Integrated Network Cảm biến mạng tích hợp Sensors không dây Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây 10 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (WSN) có mạng liên kết nút với kết nối sóng vô tuyến nút mạng thường thiết bị đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố cách hệ thống (non-topology) diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn lượng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) hoạt động môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ) Các nút mạng thường có chức cảm nhận, quan sát môi trường xung quanh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động Các nút giao tiếp với truyền liệu trung tâm (base station) cách gián tiếp kỹ thuật đa chặng (multi-hop) Lưu lượng (traffic) liệu lưu thông WSN thấp không liên tục Do để tiết kiệm lượng, nút thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) trạng thái nghỉ (sleep mode) khác Thông thường thời gian nút trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều Như vậy, đặc trưng để phân biệt mạng cảm biến mạng wireless khác giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng liệu, lượng tiêu thụ thời gian trạng thái hoạt động (active mode) 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế cho sử dụng có hiệu nguồn tài nguyên hạn chế mạng, kéo dài thời gian sống mạng Vì thiết kế cấu trúc mạng kiến trúc mạng phải cần phải quan tâm đến yếu tố sau: 11 - Giao tiếp không dây đa chặng: Khi giao tiếp không dây kĩ thuật chính, giao tiếp trực tiếp hai nút có nhiều hạn chế khoảng cách hay vật cản Đặc biệt nút phát nút thu cách xa cần công suất phát lớn.Vì cần nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp đa chặng - Sử dụng hiệu lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống toàn mạng, sử dụng hiệu lượng kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây - Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình thông số tự động Chẳng hạn nút xác định vị trí địa lý thông qua nút khác (gọi tự định vị) - Cộng tác, xử lý mạng tập trung liệu: Trong số ứng dụng nút cảm biến không thu thập đủ liệu mà cần phải có nhiều nút cộng tác hoạt động thu thập đủ liệu, mà nút thu liệu gửi đến trạm gốc tốn băng thông lượng Cần phải kết hợp liệu nhiều nút vùng gửi tới trạm gốc tiết kiệm băng thông lượng Chẳng hạn xác định nhiệt độ trung bình, hay cao vùng Do vậy, cấu trúc mạng thiết kế phải thỏa mãn: - Kết hợp vấn đề lượng khả định tuyến - Tích hợp liệu giao thức mạng - Truyền lượng hiệu qua phương tiện không dây - Chia sẻ nhiệm vụ nút lân cận Các nút cảm biến phân bố vùng cảm biến hình 1.1 Mỗi nút cảm biến có khả thu thập liệu định tuyến lại đến trạm gốc Dữ liệu định tuyến lại đến trạm gốc cấu trúc đa điểm hình vẽ Các trạm gốc giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet vệ tinh 12 Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Có thể phân chia cấu trúc mạng cảm biến thành loại: cấu trúc phẳng cấu trúc phân cấp 1.2.1 Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.2), tất nút ngang hàng đồng hình dạng chức Các nút giao tiếp với trạm gốc qua đa chặng sử dụng nút ngang hàng làm tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, nút gần trạm gốc đảm bảo vai trò tiếp sóng số lượng lớn nguồn Giả thiết tất nguồn dùng tần số để truyền liệu, chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách có hiệu với điều kiện có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ thời gian, tần số… Hình 1.2 Cấu trúc phẳng 13 1.2.2 Cấu trúc phân cấp Trong cấu trúc phân cấp (tiered architecture) hình 1.3, mạng phân thành cụm, cụm có nút chủ cụm (cluster head) Các nút cụm thu thập liệu, gửi đơn chặng hay đa chặng tới nút chủ cụm (tùy theo kích thước cụm) Hình 1.3 Cấu trúc phân cấp Trong cấu trúc nút tạo thành hệ thống cấp bậc mà nút mức xác định thực nhiệm vụ định sẵn Trong cấu trúc phân cấp chức cảm nhận, tính toán phân phối liệu không đồng nút Những chức phân theo cấp, cấp thấp thực tất nhiệm vụ cảm nhận, cấp thực tính toán, cấp thực phân phối liệu (hình 1.4) Hình 1.4 Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp Các nhiệm vụ xác định chia không đồng lớp, ví dụ lớp thực nhiệm vụ xác định tính toán Trong trường hợp 14 này, nút cấp thấp đóng vai trò lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu khỏi liệu, nút cấp cao ngừng việc lọc liệu này, thực nhiệm vụ khác tính toán, phân phối liệu Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu cấu trúc phẳng, lý sau: - Cấu trúc phân cấp giảm chi phí chi mạng cảm biến việc định vị tài nguyên vị trí mà chúng hoạt động hiệu Rõ ràng triển khai phần cứng thống nhất, nút cần lượng tài nguyên tối thiểu để thực tất nhiệm vụ Vì số lượng nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí toàn mạng không cao Thay vào đó, số lượng lớn nút có chi phí thấp định làm nhiệm vụ cảm nhận, số lượng nhỏ nút có chi phí cao định để phân tích liệu, định vị đồng thời gian, chi phí cho toàn mạng giảm - Mạng cấu trúc phân cấp có tuổi thọ cao mạng phẳng Khi cần phải tính toán nhiều xử lý nhanh hiệu hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực tính toán Tuy nhiên, với nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động khoảng thời gian dài, nút tiêu thụ lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu hoạt động hiệu Do với cấu trúc phân cấp mà chức mạng phân chia phần cứng thiết kế riêng cho chức làm tăng tuổi thọ mạng 1.3 Các đặc trƣng mạng cảm biến không dây 1.3.1 Năng lƣợng tiêu thụ Các ứng dụng mạng cảm biến không dây thường đòi hỏi thành phần có công suất tiêu thụ thấp nhiều so với công nghệ không dây (như Bluetooth) Ví dụ cảm biến dùng công nghiệp y tế cung cấp lượng từ cục pin nhỏ, sống vài tháng đến vài năm Với ứng dụng theo dõi môi trường, mà số lượng lớn cảm biến rải diện tích rộng việc thường xuyên phải thay pin để cung cấp nguồn 15 lượng điều không khả thi Chính mạng cảm biến không dây, việc quản lý lượng để sử dụng cách hiệu cần kết hợp thuật toán định tuyến tối ưu 1.3.2 Chi phí Khi thiết kế ứng dụng không dây giá thành yếu tố cần quan tâm Để đạt mục tiêu thiết kế cấu hình mạng giao thức truyền thông cần tránh sử dụng thành phần đắt tiền tối thiểu hóa độ phức tạp giao thức truyền thông Trong mạng cảm biến, số lượng nút mạng sử dụng lớn chi phí để sản xuất nút giảm giá thành toàn hệ thống giảm đáng kể Hiện ứng dụng nút mạng có giá khoảng 5-10USD Ngoài yếu tố phần lớn tác động tới giá thành chi phí quản trị bảo trì hệ thống Mạng cảm biến không dây làm tốt hai chức tự cấu hình tự bảo trì Tự cấu hình có nghĩa tự động dò tìm vị trí nút lân cận tổ chức thành cấu trúc xác định Tự bảo trì có nghĩa tự động phát sửa lỗi phát sinh hệ thống (ở nút mạng liên kết nút) mà không cần tác động người Với tính ưu việt mạng cảm biến không dây ngày tỏ rõ ưu việt 1.3.3 Loại hình mạng Với số ứng dụng đơn giản phạm vi hẹp mạng hình (star network) đáp ứng yêu cầu truyền nhận xử lý liệu Trong mạng hình sao, nút đóng vai trò nút chủ nút lại nút kết nối tới nút chủ Tuy nhiên mạng mở rộng cấu trúc hình đơn không đáp ứng được, mạng phải có cấu hình đa chặng (multi-hop) Cấu hình đòi hỏi nhiều tài nguyên nhớ xử lý tính toán mật độ nút mạng tăng diện tích mạng phủ phạm vi lớn 16 1.3.4 Tính bảo mật Trong ứng dụng mạng cảm biến không dây tính bảo mật quan trọng, đặc biệt ứng dụng quân Không giống mạng có dây khó lấy thông tin truyền đối tượng, truyền tín hiệu không dây truyền không gian thu lại Những mối hiểm họa không việc đánh cắp thông tin mà chỗ thông tin bị chỉnh sửa phát lại để phía thu nhận thông tin không xác Như bảo mật mạng cảm biến không dây cần đảm bảo yếu tố: liệu mã hóa, có mã xác thực nhận dạng người gửi người nhận Việc thực kết hợp phần mềm phần cứng việc mã hóa tập tin, điều chỉnh bít thông tin, thêm bít xác thực… Các chức làm tiêu tốn thêm tài nguyên hệ thống mặt lượng băng thông nhiên bảo mật yếu tố bắt buộc truyền tin Do cần đạt cân yếu tố để đảm bảo cho hệ thống tối ưu 1.3.5 Độ trễ Các ứng dụng thông thường mạng cảm biến yêu cầu cao thời gian thực truyền mà chủ yếu trọng vào chất lượng nguồn tin (trừ số trường hợp đặc biệt hệ thống báo cháy) Tuy nhiên mạng lưới lớn, thông tin nút tập hợp nút chủ để xử lý đưa trạm trung tâm yếu tố đồng hóa quan trọng 1.3.6 Tính di động Nhìn chung ứng dụng mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di động nhiều triển khai nút mạng thường vị trí cố định Các phương thức định tuyến mạng cảm biến không dây đơn giản so với mạng ad-hoc khác (như MANET) 17 1.4 Những khó khăn việc phát triển mạng không dây Tuy mạng cảm biến không dây có nhiều ưu điểm ứng dụng hữu ích, triển khai thực tế gặp phải số hạn chế khó khăn mặt kỹ thuật Khi nắm rõ khó khăn có điều kiện để cải tạo nhằm tối ưu 1.4.1 Giới hạn lƣợng Thông thường, thiết bị mạng cảm biến không dây thường sử dụng nguồn lượng có sẵn (pin) Khi số lượng nút mạng lớn, yêu cầu tính toán nhiều, khoảng cách truyền lớn tiêu thụ lượng lớn Chính cần tìm giải pháp để tối ưu việc xử lý & truyền liệu với lượng ban đầu nút nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng 1.4.2 Giới hạn giải thông Hiện tốc độ truyền thông vô tuyến bị giới hạn tốc độ khoảng 10100 Kbits/s Sự giới hạn dải thông ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin nút 1.4.3 Giới hạn phần cứng Yêu cầu mạng cảm biến không dây kích thước nút phải nhỏ có số ứng dụng đòi hỏi phải triển khai số lượng lớn nút phạm vi hẹp Điều hạn chế lực tính toán không gian lưu trữ nút 1.4.4 Ảnh hƣởng nhiễu bên Do mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền vô tuyến nên bị ảnh hưởng can nhiễu bên ngoài, bị mát sai lệch thông tin truyền từ nút trạm gốc 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]-Bhaskar Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press, 2005 [2]-HolgerKarl and AndreasWillig, “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, John Wiley & Sons, Ltd, 2005 [3]-I.F Akyildiz, W Su*, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci, “Wireless sensor networks: a survey”, Broadband and Wireless Networking Laboratory, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA, Received 12 December 2001; accepted 20 December 2001 [4]-Jamal N Al-Karaki Ahmed E Kamal, “Routing Techniques in Wireless Sensor Networks”, Dept of Electrical and Computer Engineering Iowa State University, Ames, Iowa 50011 [5]-Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, “Wireless sensor networks technology protocols and applications”, John Wiley & Sons, Ltd, 2007 [6]-K Kalpakis, K Dasgupta, and P Namjoshi, “Maximum Lifetime Data Gathering and Aggregation in Wireless Sensor Networks”, In the Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Networking (ICN'02), Atlanta, Georgia, August 26-29, 2002 pp 685-696 [7]-“The MIT uAMPS code ns extensions”, Massachusett Institute of Technology Cambridge, August 2007 [8]-“The NS Manual”: http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/index.html [9]-W Rabiner Heinzelman, A Chandrakasan, and H Balakrishnan, “EnergyEfficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks”, Proceedings of the 33rd International Conference on System Sciences (HICSS '00), January 2000, pp 1-10 19 [...]... mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp đa chặng - Sử dụng hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, sử dụng hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây - Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một các tự động Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị)... biệt 1 mạng cảm biến và 1 mạng wireless khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode) 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng Vì... khi xác định nhiệt độ trung bình, hay cao nhất của một vùng Do vậy, cấu trúc mạng được thiết kế sẽ phải thỏa mãn: - Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến - Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng - Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây - Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận Các nút cảm biến được phân bố trong một vùng cảm biến như hình 1.1 Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu...CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (WSN) có là mạng liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến 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,... 1.3 Các đặc trƣng của mạng cảm biến không dây 1.3.1 Năng lƣợng tiêu thụ Các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây thường đòi hỏi các thành phần có công suất tiêu thụ thấp hơn rất nhiều so với các công nghệ không dây hiện tại (như Bluetooth) Ví dụ như các cảm biến dùng trong công nghiệp và y tế được cung cấp năng lượng từ những cục pin nhỏ, có thể sống được vài tháng đến vài năm Với các ứng dụng theo... một mạng lưới khá lớn, các thông tin của các nút con được tập hợp ở một nút chủ để xử lý và đưa về trạm trung tâm thì yếu tố đồng bộ hóa là rất quan trọng 1.3.6 Tính di động Nhìn chung các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây không đòi hỏi tính di động nhiều vì khi triển khai các nút mạng thường ở các vị trí cố định Các phương thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn giản hơn so với. .. môi trường, khi mà số lượng lớn cảm biến được rải trên diện tích rất rộng thì việc thường xuyên phải thay pin để cung cấp nguồn 15 năng lượng là điều không khả thi Chính vì thế trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lượng để sử dụng một cách hiệu quả nhất cần kết hợp các thuật toán định tuyến tối ưu 1.3.2 Chi phí Khi thiết kế một ứng dụng không dây thì giá thành cũng là một yếu tố chính... nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm gốc Dữ liệu được định tuyến lại đến các trạm gốc bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên Các trạm gốc có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh 12 Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Có thể phân chia cấu trúc của mạng cảm biến thành 2 loại: cấu trúc phẳng và cấu trúc... thuần sẽ không đáp ứng được, mạng sẽ phải có cấu hình đa chặng (multi-hop) Cấu hình này sẽ đòi hỏi nhiều tài nguyên bộ nhớ và xử lý tính toán hơn do mật độ của các nút mạng tăng và diện tích của mạng được phủ trên một phạm vi lớn 16 1.3.4 Tính bảo mật Trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây thì tính bảo mật rất quan trọng, đặc biệt là các ứng dụng trong quân sự Không giống như các mạng có dây rất... này thì khi thiết kế cấu hình mạng và giao thức truyền thông cần tránh sử dụng các thành phần đắt tiền và tối thiểu hóa độ phức tạp của giao thức truyền thông Trong mạng cảm biến, số lượng các nút mạng sử dụng là khá lớn và khi chi phí để sản xuất từng nút con được giảm đi thì giá thành của toàn bộ hệ thống giảm đi đáng kể Hiện nay trong các ứng dụng cơ bản các nút mạng có giá khoảng 5-10USD Ngoài các