Chương 1: GIỚI THIỆU Chương 5: Phân tích, mô phỏng và đánh giá kết quả. Luận văn sẽ nghiên cứu các mô hình trong chương 4 bằng hai phương pháp: phân tích và mô phỏng. Một công cụ phân tích được phát triển dựa trên các giải thuật và công thức trong chương 3 và kết hợp vào các mô hình trong chương 4 để giúp việc phân tích các thông số QoS trong mạng WSNs. Các kết quả phân tích được kiểm chứng bằng việc mô phỏng các mô hình đề ra trong chương 4.
Chương 6: Tổng kết các công việc đã thực hiện trong Luận văn, những vấn đề đã giải quyết, và những vấn đề vẫn còn tồn tại cũng như hướng phát triển để giải quyết chúng. 3 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chương 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng tập hợp các bộ cảm biến được phân bố trong không gian gọi là các nút mạng. Các nút này có khả năng cảm biến, giám sát các hiện tượng vật lý và những biến đổi về môi trường xung quanh như: nhiệt độ, ánh sáng, sự di chuyển của một đối tượng nào đó và sau đó thông báo lại những biến đổi này cho trạm chủ. Mạng cảm biến không dây là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các nút cảm biến bằng sóng vô tuyến.
Trong mạng WSN, các nút có thể có vai trò khác nhau, một số nút sensor đơn giản chỉ có nhiệm vụ cảm ứng một hiện tượng duy nhất, trong khi đó cũng có những nút phức tạp có thể kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau (như âm thanh, quang học, từ trường) để cảm ứng môi trường. Chúng cũng có thể dùng các công nghệ khác nhau để truyền tín hiệu như sóng siêu âm, hồng ngoại, hay sóng radio với các tốc độ truyền và độ trễ khác nhau. Những node phức tạp ngoài việc cảm ứng môi trường xung quanh, truyền về trạm gốc BS (Base Station), nó cũng có khả năng xử lý và tổng hợp dữ liệu từ các nút khác và truyền về trạm gốc. Một số mạng cần định vị cụ thể vị trí, một số nút trong mạng WSN được trang bị thêm bộ thu GPS (Global Positioning System), cho phép chúng xác định vị trí chính xác, và giúp các node xung quanh xác định vị trí một cách tương đối.
Tuy nhiên, hệ thống WSN thường yêu cầu tiêu tốn năng lượng và chi phí triển khai thấp với số lượng node lớn, có thể lên đến hàng ngàn [18].2 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây đã có những bước tiến vượt bật trong những năm gần đây và đã được áp dụng thành công rộng rãi trong hệ thống giao thông thông minh, giám sát môi trường, thiên tai, khảo sát trận địa trong quân sự, y tế, sản xuất công nghiệp. Trong quân sự, mạng cảm biến không dây được dùng với các mục đích sau [21]: 4 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Theo dõi sự di chuyển hoặc xuất hiện của kẻ địch. Rà soát, phát hiện sự xuất hiện của bom mìn. Ứng dụng kết hợp với radar.
Phát hiện người sống sót trong chiến trường. Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường. Phát hiện sự tấn công bằng vũ khí sinh – hóa… Trong sản xuất, mạng cảm biến không dây có những ứng dụng sau đây: Sản xuất vận hành tự động, ví dụ: Kiva System Amazon. Phát hiện sự thay đổi trong một dây chuyền sản xuất như là mực nước, mức năng lượng tiêu thụ.
Quản lý giao thông thông minh trong đô thị. Trong sinh hoạt, y tế mạng cảm biến không dây có những ứng dụng tiêu biểu sau: Thiết kế nhà tự động thông minh. Quản lý tiêu thụ điện năng, gas, nước. Giúp bác sĩ theo dõi bệnh nhân mà không cần liên tục ở gần bệnh nhân.
Ngoài ra mạng cảm biến không dây còn có ứng dụng trong môi trường như phát hiện cháy rừng, cảnh báo nước ô nhiễm, sự xuất hiện của các loại phóng xạ trong môi trường.3 Cấu trúc mạng cảm biến 2.1 Giới thiệu về cấu trúc mạng cảm biến Vì mạng cảm biến không dây WSNs có những đặc điểm riêng khác với các mạng thông thường ta đã biết (như mạng LAN, mạng Wi-Fi), do đó, cấu trúc của mạng cũng có các điểm khác biệt nhất định [21]: Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số lượng nút trong mạng ad-hoc. Các nút có thể được triển khai với mật độ dày đặc. 5 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Các nút cảm biến dễ bị lỗi. Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.
Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad-hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm. Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ. Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (global identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các nút cảm biến. Một trong những yêu cầu lớn nhất trên các nút cảm biến là tiêu thụ điện năng thấp.
Các nút cảm biến thực hiện hạn chế, thường không thể thay thế nguồn điện. Vì vậy, trong khi các mạng truyền thống nhằm mục đích để đạt được chất lượng dịch vụ (QoS) quy định, các giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu vào việc kéo dài năng lượng. Do đó phải có các cơ chế cung cấp cho người dùng cuối các tùy chọn của việc kéo dài tuổi thọ mạng với trả giá thông lượng thấp hơn hoặc độ trễ truyền dẫn cao hơn.2 Cấu trúc một nút cảm biến Một nút cảm biến gồm năm thành phần cơ bản: Bộ xử lý Bộ nhớ Bộ cảm biến Nguồn năng lượng Bộ phận truyền tin. 6 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Hình 2.1 – Cấu trúc căn bản của một nút cảm biến[8] Trong mạng WSN, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng.
Công nghệ cảm biến rất đa dạng từ cảm biến từ trường, nhiệt, ánh sáng, độ ẩm, âm thanh… Mạng WSNs có một số đặc điểm như: công suất bị giới hạn, thời gian hoạt động bị hạn chế do nguồn cấp năng lượng, số lượng lớn các node cảm biến… Hiệu quả sử dụng của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí: • Chu kỳ hoạt động. • Xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút cảm biến. • Mô hình mạng.3 Cấu trúc một mạng cảm biến Một mạng cảm biến được cấu thành từ các thành phần chính sau: Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân tán. Kết nối liên kết các cảm biến (hữu tuyến hoặc vô tuyến) 7 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Điểm tập hợp dữ liệu (clustering) Hệ thống xử lý dữ liệu trung tâm Hình 2.2 – Mô hình mạng cảm biến không dây [Internet] Đối với mạng cảm biến, các node cảm biến được phân bố trong môi trường với mật độ đủ để quan sát được các thay đổi của môi trường và đồng thời đảm bảo được việc thông báo cho người giám sát biết sự thay đổi ấy khi cần.
Thông thường, mạng cảm biến không dây bao gồm các node cảm biến, một hay vài node sink. Traffic trong mạng gồm: Routing traffic: được tạo ra bởi các giao thức định tuyến. Originated traffic: dữ liệu các node lấy từ cảm biến và gửi đi đến node sink thông qua các node khác. Forwarding traffic: dữ liệu một node sẽ forward cho các node khác.4 Truyền thông trong mạng WSNs Truyền thông giữa hai nút trong mạng WSN có thể thông qua sóng radio hay hồng ngoại,.
Truyền thông dựa trên sóng radio thỏa mãn những yêu cầu trong mạng 8 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY cảm biến cho khoảng cách xa, tốc độ dữ liệu chấp nhận được, tỉ lệ lỗi chấp nhận được, không yêu cầu light-of-sight giữa các nút. Tần số tín hiệu thuộc vào băng tần cho khoa học và y tế (ISM). Phổ biến nhất hiện nay trong việc truyền thông trong mạng WSN là tiêu chuẩn IEEE 802.4 cho lớp vật lý và lớp điều khiển truy xuất thiết bị (Media Access Control). Và môt số tiêu chuẩn dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.4 phát triển cho các lớp phía trên là ZigBee, ISA100.
Tiêu chuẩn IEEE 802.4 tập trung vào giảm thiểu chi phí, giao tiếp tốc độ thấp giữa các thiết bị để đảm bảo kéo dài thời gian pin và chi phí triển khai thấp với số lượng nút lớn. Trong mạng WSNs, để quản lý và định tuyến cho các gói tin, giữa các nút cần trao đổi các gói thông tin định tuyến. Các gói tin định tuyến được truyền định kỳ để thông báo sự hiện diện của một nút trong mạng không dây. Các gói tin định tuyến được lan truyền qua các điểm truy cập trong mạng một cách broadcast.
Các gói tin định tuyến chứa thông tin MAC address ở trong header, dữ liệu và FCS. Một vài trường trong gói beacon được liệt kê sau đây: Timestamp: Sau khi nhận gói beacon, các nút thay đổi clock của nó theo thời gian nhận được. Điều này giúp việc đồng bộ thời gian. Beacon interval: là khoảng thời gian giữa hai lần truyền beacon.
Thời gian mà một nút phải gửi một beacon được ký hiệu TBTT (Target Beacon Transmission Time). Khoảng thời gian này được biểu diễn thông qua một đơn vị thời gian TU (Time Unit). Đó là một tham số cấu hình trong một nút và thông thường là 100 TU. Capability information: chứa thông tin về năng lực của các thiết bị trong mạng, loại kết nối, thông tin mã hóa.5 Thách thức và các giới hạn của mạng WSNs 2.1 Sức chịu lỗi Lúc triển khai các nút trên các môi trường thực tế có thể do hết năng lượng, bị hư hỏng do môi trường thì các nút có thể bị hư và dẫn đến nghẽn toàn mạng.
Do đó cần có cơ chế để đảm bảo toàn mạng với các nút không bị hư vẫn hoạt động hiệu quả. Các 9 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY protocol và thuật toán được thiết kế để đáp ứng yêu cầu sức chịu lỗi của mạng WSN trong từng điều kiện cụ thể. Ví dụ trong môi trường khắc nghiệt ở chiến trường thì các protocol phải được thiết kế để đảm bảo sức chịu lỗi cao.2 Giá cả Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, chi phí của một nút đơn là rất quan trọng để xem xét chi phí tổng thể của mạng.
