MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Các mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tƣ thấp, tiêu thụ ít điện năng, cho phép triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự tổ chức mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu đƣợc các hƣ hỏng sự cố đã tạo ra một triển vọng ứng dụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong vài năm gần đây, mạng cảm biến không dây thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu [1]-[9], và chúng đƣợc hình dung là có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm giám sát trong quân đội [10], giám sát môi trƣờng [11], và bảo vệ cơ sở hạ tầng [12]… Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây nhƣ giao thức cây thu thập dữ liệu CTP (Collection Tree Protocol) [13], [14], [15], giao thức RPL (IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks) [16], [17]. Tuy nhiên, các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu này vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu đánh giá và so sánh trong môi trƣờng di động.
Một số ứng dụng của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu trong môi trƣờng di động nhƣ ứng dụng trong quân sự, giám sát vật nuôi,… Luận văn này tập trung nghiên cứu, đánh giá một số giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trƣờng di động và đƣa ra những khuyến nghị. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP, RPL cho mạng cảm biến không dây trong môi trƣờng di động. Phạm vi nghiên cứu là mô phỏng và đánh giá các giao thức định tuyến CTP, RPL trong điều kiện một số nút mạng di động. Các nghiên cứu đánh giá đƣợc tác giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng Cooja.
Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng, tính hiệu quả của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP, RPL cho mạng cảm biến không dây trong môi trƣờng di động. Dựa trên các kết quả đánh giá mô phỏng, tác giả đƣa ra một số khuyến nghị khi áp dụng các giao thức định tuyến này cho mạng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 cảm biến không dây trong các ứng dụng di động nhƣ quân sự hoặc giám sát vật nuôi. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có ở trong và ngoài nƣớc để phân tích, đánh giá về các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, tác giả tiến hành mô phỏng và đánh giá các giao thức này trong môi trƣờng di động.
Nội dung của luận văn Luận văn đƣợc trình bày thành 03 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chƣơng 2: Định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Chƣơng 3: Đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trƣờng di động. Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các nội dung nghiên cứu và dự kiến hƣớng nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
Đóng góp của luận văn Hiện nay, mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng nhiều trong các điều kiện nút mạng di động nhƣ quân sự, giám sát vật nuôi… Các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP và RPL đã đƣợc nghiên cứu và đánh giá về tính hiệu quả nhƣ tiết kiệm năng lƣợng, tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu ở mức cao trong điều kiện các nút mạng cố định. Tuy nhiên, các giao thức định tuyến này vẫn chƣa đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều trong môi trƣờng di động. Do vậy, hƣớng nghiên cứu của đề tài vừa có giá trị khoa học và thực tiễn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Chƣơng 1.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây - WSN (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lƣờng), tính toán và truyền thông nhằm cung cấp cho ngƣời quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện tƣợng trong một môi trƣờng xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học… Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lƣợng lớn, thƣờng đƣợc phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế (thƣờng dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt (nhƣ trong môi trƣờng độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao,…).1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trƣờng cảm biến.
Các nút cảm biến thƣờng nằm rải rác trong trƣờng cảm biến nhƣ đƣợc minh họa ở hình 1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một Sink/Gateway và ngƣời dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể truyền thông với ngƣời dùng cuối/ngƣời quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (nhƣ WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với ngƣời dùng cuối.
Lƣu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều ngƣời dùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình 1. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu. Do vậy, việc truyền thông có thể đƣợc thực hiện bởi hai chức năng đó là: Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink. Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc chuyển tiếp các gói tin nhận đƣợc từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp trong tuyến đƣờng đa chặng đến Sink.
Ngăn xếp truyền thông cho mạng cảm biến không dây Kiến trúc ngăn xếp giao thức cho mạng cảm biến không dây đƣợc minh họa ở hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây. Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kết hợp giữa vấn đề năng lƣợng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng lƣợng, các giao thức tổng hợp dữ liệu và truyền thông hiệu quả năng lƣợng qua môi trƣờng không dây. Kiến trúc ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp ứng dụng, cũng nhƣ các mặt phẳng đồng bộ, mặt phẳng định vị, mặt phẳng quản lý cấu trúc liên kết mạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản lý di động và mặt phẳng quản lý nhiệm vụ. Lớp vật lý xác định các yêu cầu cần thiết đó là các kỹ thuật điều chế, truyền dẫn, tiếp nhận dữ liệu.
Bởi vì môi trƣờng có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động, nên lớp liên kết có trách nhiệm đảm bảo việc truyền thông tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiển lỗi và quản lý truy nhập kênh thông tin thông qua lớp MAC để hạn chế tối đa xung đột với các bản tin quảng bá của nút lân cận. Tùy thuộc vào các nhiệm vụ cảm biến thì các chƣơng trình ứng dụng khác nhau có LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 thể đƣợc xây dựng và đƣợc sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu từ lớp giao vận. Lớp giao vận giúp duy trì dòng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu.
Thêm vào đó là các mặt phẳng quản lý năng lƣợng, di động và quản lý nhiệm vụ để giám sát năng lƣợng tiêu thụ, sự di chuyển và sự phân phối nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những mặt phẳng này giúp các nút cảm biến phối hợp với nhau trong việc cảm nhận môi trƣờng và giảm tổng năng lƣợng tiêu thụ. Mặt phẳng quản lý năng lƣợng quản lý việc sử dụng năng lƣợng của một nút cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhận đƣợc một bản tin từ một nút lân cận.
Điều này nhằm tránh việc nhận đƣợc các bản tin trùng lặp. Ngoài ra, khi mức năng lƣợng của một nút cảm biến xuống thấp thì nút cảm biến sẽ thông báo quảng bá đến các nút lân cận để các nút lân cận biết rằng năng lƣợng của nó đang ở mức thấp và nó không thể tham gia vào việc định tuyến các bản tin. Năng lƣợng còn lại chỉ để dành riêng cho việc cảm nhận và truyền dữ liệu của riêng nút đó. Mặt phẳng quản lý di động phát hiện và đăng ký sự di chuyển của các nút cảm biến, do đó một tuyến đƣờng đến ngƣời dùng cuối luôn luôn đƣợc duy trì và các nút cảm biến có thể theo dõi các nút lân cận của chúng.
Bằng việc nhận biết các nút lân cận thì các nút cảm biến có thể cân bằng giữa việc sử dụng năng lƣợng và nhiệm vụ của chúng. Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ cân bằng và lập lịch các nhiệm vụ cảm nhận cho một khu vực cụ thể. Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đó đƣợc yêu cầu thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Kết quả là, một số nút cảm biến thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn các nút khác, tùy thuộc vào mức năng lƣợng của chúng.
Những mặt phẳng quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau sao cho chúng đạt đƣợc hiệu quả cao nhất về năng lƣợng, về định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Nếu không có các mặt phẳng quản lý này thì mỗi nút cảm biến chỉ có thể làm việc riêng lẻ. Từ góc độ toàn mạng thì sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể cộng tác với nhau, nhờ đó thời gian tồn tại của mạng có thể đƣợc kéo dài. Lớp vật lý Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mạng, phát hiện tín hiệu và điều chế dữ liệu.