Chương 1: Mạng cảm biến không dây và các tham số của mạng 1.1 Giới thiệu Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ… Những tiến bộ công nghệ gần đây trong các lĩnh vực như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu về nơi giám sát. Những nút cảm biến này bao gồm các thành phần: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây và nguồn nuôi. Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các nút cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lượng của chúng.
Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp. Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT - 11 - Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất. Mạng cảm biến đòi hỏi công nghệ kết nối mạng add-hoc không dây.
Mặc dù nhiều giao thức và các thuật toán đã được đề xuất cho mạng add-hoc không dây truyền thống nhưng chúng không phù hợp với các đặc tính riêng và các ứng dụng yêu cầu trong mạng cảm biến. Có vài điểm khác biệt giữa mạng cảm biến và mạng add-hoc không dây: • Các nút trong mạng cảm biến không dây được triển khai dày đặc. • Các nút trong mạng cảm biến không dây dễ bị lỗi. • Số nút trong mạng cảm biến không dây có thể được yêu cầu với một số lượng lớn hơn là trong mạng add-hoc không dây.
• Topology của một mạng cảm biến là thường xuyên thay đổi. • Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng mô hình truyền thông quảng bá trong khi hầu hết các mạng add-hoc sử dụng mô hình truyền thông điểm-tới-điểm. • Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ. • Các nút cảm biến không có định danh toàn cục bởi vì chi phí và số lượng của các cảm biến là lớn.
Phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến là rất rộng. Chúng có thể dùng để theo dõi điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, mức độ ô nhiễm…Trong lĩnh vực y tế WSN được dùng để theo dõi bệnh nhân, chuẩn đoán, dùng thuốc trong bệnh viện, giám sát dữ liệu sinh lí của con người, theo dõi và giám sát các bác sĩ, bệnh nhân trong một bệnh viện. Trong lĩnh vực quân sự WSN có thể là một phần của chỉ huy quân sự, điều khiển, truyền thông, tính toán, tình báo, giám sát, trinh sát và hệ thống mục tiêu. Chúng được sử dụng để giám sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, và giám sát chiến trường.
Các mạng cảm biến cũng có thể được tích hợp vào trong các hệ thống hướng dẫn cho các loại vũ khí thông minh. Ngoài ra các mạng WSN còn được sử dụng trong nhiều lĩnh Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT - 12 - Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây vực như là thám hiểm không gian, xử lý hóa chất và giảm nhẹ thiên tai, các ứng dụng trong gia đình và thương mại khác.1: Giám sát chiến trường 1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến Do các điểm khác biệt giữa mạng cảm biến và mạng add-hoc không dây đã nêu ở trên nên cấu trúc hiện nay của mạng Internet và mạng add-hoc không dây không dùng được cho mạng cảm biến. Cấu trúc của mạng cảm biến phải đảm bảo các yêu cầu sau: • Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến • Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng • Truyền năng lượng hiệu quả trong các phương tiện không dây • Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận Các nút cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến (sensor field) như hình 1.2, mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến tới các sink.2: Cấu trúc mạng cảm biến. Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT - 13 - Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) 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 nút cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng. Kiến trúc của một nút cảm biến như sau: • Đơn vị cảm biến (sensing unit) • Đơn vị xử lý (processing unit) • Đơn vị truyền dẫn (bộ thu phát unit) • Bộ nguồn (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).3: Kiến trúc của một nút cảm biến.
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 sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Đơn vị xử lý Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT - 14 - Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây 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 phải 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 phải 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.3 Các tham số của mạng cảm biến Một thiết kế cho mạng cảm biến chịu ảnh hưởng của nhiều tham số trong đó bao gồm khả năng chịu lỗi, khả năng mở rộng, chi phí sản xuất, môi trường hoạt động, topology của mạng, hạn chế về phần cứng, phương tiện truyền thông, điện năng tiêu thụ. Sự thất bại của các nút cảm biến phải không ảnh hưởng tới công việc chung của mạng cảm biến.
Đây là độ tin cậy hoặc tính chịu lỗi của mạng. Tính chịu lỗi là khả năng duy trì chức năng của mạng cảm biến mà không có bất kì gián đoạn nào do sự hỏng hóc của các nút cảm biến gây ra. Các giao thức và các thuật toán có thể được thiết kế để giải quyết các mức độ chịu lỗi yêu cầu bởi mạng cảm biến. Nếu môi trường nơi các nút cảm biến được triển khai có ít nhiễu như là theo dõi nhiệt độ, độ ẩm trong một ngôi nhà, khi đó các giao thức có thể được thiết kế đơn giản hơn.
Trong trường hợp khác, nếu các nút cảm biến được triển khai vào trong chiến trường để giám sát và phát hiện thì tính chịu lỗi phải có mức yêu cầu cao vì dữ liệu cảm nhận là quan trọng và các nút cảm biến có thể bị phá hủy Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT - 15 - Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây bởi các hoạt động thù địch. Tính chịu lỗi phụ thuộc vào từng ứng dụng trên mạng cảm biến. Số nút cảm biến được triển khai để nghiên cứu về hiện tượng có thể được yêu cầu là hàng trăm hoặc hàng nghìn nút vì thế các mạng phải có khả năng làm việc với một số lượng lớn các nút. Mật độ có thể dao động từ vài nút tới hàng vài trăm nút trong một khu vực mà có có đường kính nhỏ hơn 10m.
Mật độ của các nút phụ thuộc vào ứng dụng mà trong đó các cảm biến được triển khai. Việc triển khai một mạng cảm biến với mật độ dày đặc và số lượng các nút lớn đòi hỏi phải cẩn trọng trong việc bảo trì topology. Các vấn đề liên quan tới việc bảo trì topology và thay đổi được phân lớp thành ba pha: pha trước triển khai và triển khai, pha sau triển khai và pha triển khai lai. • Pha trước triển khai và pha triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến.
Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một.