Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường 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 thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao,…) [1]. Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minh họa ở hình 1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một Sink/Gateway và người 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 người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối. Lưu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình 1.1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến. 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 được 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 được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp trong tuyến đường đa chặng đến Sink. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây 1. Những thách thức ở cấp độ nút Trong mạng cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành. Công suất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn năng lượng thấp bên ngoài.
Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố kích thước và hình thức quyết định đến các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kích thước nhỏ gọn. Giá thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 không dây bởi vì mạng cảm biến không dây thường được triển khai với quy mô lớn. Với việc triển khai hàng ngàn các nút mạng cảm biến thì việc tiết kiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phép tiết kiệm được một khoản tiền đáng kể. Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc mạng.
Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò cũng như hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng. Phần mềm chạy trên các nút cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng và đặt các thành phần phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Nhờ sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các nút mạng cảm biến có thể chạy hệ điều hành và nó cung cấp các cơ chế hoạt động công suất thấp giúp tiết kiệm năng lượng. Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạng cũng như việc thiết kế các giao thức mạng.
Bởi vì quá trình truyền thông tiêu tốn nhiều năng lượng nên điều quan trọng là xác định hướng các kiểu truyền thông để chúng sử dụng hiệu quả tài nguyên sẵn có. Để giúp các giao thức mạng làm được điều này, phần cứng và phần mềm cần biết được thông tin về sự tiêu hao năng lượng và cung cấp thông tin này đến tầng mạng. Ngoài ra, để tiết kiệm năng lượng, người thiết kế hệ thống cần phải đặt các thiết bị phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Tuy nhiên, chế độ ngủ cũng ảnh hưởng đến trễ truyền thông của hệ thống.
Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần cứng lẫn phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì ảnh hưởng ở đây là các phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít, mỗi linh kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền. Những ảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 hưởng đối với các nhà thiết kế phần mềm là ít rõ rệt hơn. Với chi phí thấp, kích thước vật lý nhỏ, công suất tiêu thụ thấp thì các bộ vi xử lý mà trên đó các phần mềm hoạt động trở nên nhỏ gọn hơn, tốc độ tính toán và kích thước bộ nhớ của các bộ vi xử lý cũng bị giảm bớt.
Các nhà thiết kế phần mềm cho một hệ thống mạng cảm biến không dây thường chỉ có vài ngàn Byte bộ nhớ để làm việc so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte bộ nhớ trong các hệ thống máy tính thông dụng. Do đó, phần mềm cho các nút mạng cảm biến không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải có khả năng chạy trong một môi trường hạn chế nghiêm ngặt về tài nguyên (năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý hạn chế). Những thách thức ở cấp độ mạng Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút.
Trong nhiều trường hợp, các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Định tuyến là quá trình mạng xác định những tuyến đường tốt nhất để truyền bản tin qua mạng.
Định tuyến có thể được thực hiện hoặc là tập trung hoặc là phân tán. Với định tuyến tập trung thì một máy chủ tính toán bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, còn với định tuyến phân tán thì mỗi nút thực hiện tự quyết định lựa chọn tuyến đường để gửi mỗi bản tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến cả hiệu năng mạng xét về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc độ dữ liệu để có thể vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng và hơn hết là khoảng thời gian tồn tại của mạng được đảm bảo. Trong mạng cảm biến không dây, việc truyền thông tin đòi hỏi năng lượng.
Các nút thực hiện truyền thông tin nhiều sẽ mất năng lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn đầy đủ thông tin khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng. Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn thông tin định tuyến thì nó yêu cầu các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất. Thông tin này đòi hỏi cần phải có bộ nhớ.
Tuy nhiên, mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác. Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền không đáng tin cậy, điều này làm cho vấn đề định tuyến càng gặp nhiều khó khăn. Trong kênh truyền thông vô tuyến công suất thấp thì không chắc chắn rằng nếu một bản tin đã được gửi đi bởi một nút thì bản tin đó sẽ nhận được bởi một nút đích được dự kiến trước trong mạng.
Bản tin này có thể bị gián đoạn hoặc có thể bị chặn hoàn toàn bởi một vật lớn bằng kim loại vừa được đặt giữa phía gửi và phía nhận. Ngay cả khi bản tin không bị chặn hoàn toàn thì các bit của nó có thể bị thay đổi trên đường truyền. Tính chất không đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là "tổn hao". Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến không dây.
Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là một thách thức đối với các giao thức định tuyến. Các giao thức định tuyến phải tính toán vấn đề tổn hao khi quyết định tuyến đường để truyền các bản tin và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 có thể bản tin cần phải được gửi lại. Các bản tin sẽ được định tuyến sao cho các nguy cơ mất mát bản tin là thấp nhất. Nhưng nếu một bản tin được truyền qua một tuyến đường xảy ra việc mất dữ liệu thì bản tin cần được gửi lại một vài lần trong trường hợp bản tin không thể gửi được qua mạng trong lần thử đầu tiên.