Chương 1 giới thiệu ngắn gọn về mạng vô tuyến ad hoc and sensor, mô tả một số ứng dụng khả thi của công nghệ này trong tương lai gần. Chương này cũng đề cập đến những thách thức về mặt công nghệ cần được giải quyết trước khi loại mạng này thực sự được triển khai trên diện rộng. Tương lai của truyền thông vô tuyến Năng lực của hạ tầng thông tin cùng với các thiết bị tính toán và thông tin di động liên tục được cải tiến đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các mạng vô tuyến di động, đồng thời cũng là điều kiện cho sự bùng nổ của các mạng cellular dựa trên sự kết hợp của cả hai công nghệ: vô tuyến và hữu tuyến. Theo thống kê đến cuối năm 2005, số lượng người sử dụng mạng cellular lên đến 2 tỷ.
Mặc dù nghiên cứu và ứng dụng các mạng không dây truyền thống sử dụng hạ tầng mạng cố định vẫn đang là xu hướng chính và tiếp tục phát triển, nhưng ngành công nghiệp thông tin cũng đã bắt đầu chuyển sang nghiên cứu về mạng vô tuyến di động mà trong đó nhóm các thiết bị di động liên kết với nhau mà không sử dụng hạ tầng mạng cố định, các mạng như vậy được gọi là mạng ad hoc. Mạng ad hoc Mạng ad hoc là sự phát triển cao nhất của thông tin vô tuyến, trong mạng này các nút (node) liên kết trực tiếp với nhau thông qua bộ thu phát không dây (wireless transceiver) mà không sử dụng hạ tầng mạng cố định. Đây là một đặc tính riêng biệt của mạng ad hoc so với các mạng không dây LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 truyền thống như các mạng cellular và mạng WLAN, trong đó các nút (ví dụ như các thuê bao điện thoại di động) giao tiếp với nhau thông qua các trạm thu phát cố định. Mạng ad hoc được mong đợi sẽ là một cuộc cách mạng về thông tin vô tuyến trong một vài năm tới, bổ sung và hoàn thiện các mô hình mạng truyền thống (mạng Internet, cellular, thông tin vệ tinh).
Mạng ad hoc cũng có thể được xem là công nghệ tương ứng với khái niệm điện toán khắp nơi (ubiquitous computing). Với công nghệ mạng ad hoc, những thiết bị di động (như điện thoại di động, PDAs, máy tính xách tay,….) và các thành phần của mạng cố định (như các trạm thu phát cố định, các điểm truy cập Internet không dây, … ) có thể kết nối với nhau, tạo thành mạng toàn cầu hoặc mạng khắp nơi (ubiquitous network). Trong tương lai, công nghệ mạng ad hoc có thể sẽ là lựa chọn rất hữu ích. Ví dụ trong tình huống một trận động đất mạnh, phá hủy hầu hết các cơ sở hạ tầng, trong đó có hạ tầng viễn thông (như các đường điện thoại, trạm thu phát cố định …).
Nhiều đội cứu hộ ( như lính cứu hỏa, nhân viên y tế…) phối hợp với nhau, tham gia cứu trợ người bị nạn và khắc phục hậu quả. Rõ ràng là hoạt động hợp tác như thế chỉ đạt được thành quả khi các đội cứu hộ có thể giao tiếp, thông tin với nhau, cả với đồng nghiệp của mình và với thành viên của đội cứu hộ khác. Với những công nghệ hiện có, những nỗ lực của đội cứu hộ sẽ gặp rất nhiều hạn chế khi những cơ sở hạ tầng viễn thông cố định đã bị phá hủy, các thành viên của đội cứu hộ chỉ có thể liên lạc bằng bộ đàm cầm tay trong phạm vi hẹp. Một trong những ưu tiên trong khắc phục hậu quả là thiết lập lại cơ sở hạ tầng viễn thông nhanh nhất có thể, bằng cách sửa chữa các thiết bị, kết cấu hư hỏng hay triển khai các thiết bị viễn thông tạm thời (ví dụ như xe thu phát di động).
Chúng ta có thể ứng dụng công nghệ mạng ad hoc để khắc phục tình trạng này bằng cách sử dụng các giao tiếp không dây phân tán giữa nhiều điểm truy cập khác nhau, các đội cứu hộ ở cách xa nhau cũng có thể liên lạc với nhau thông qua nhiều trạm chuyển tiếp chính là bản thân các thiết bị trong mạng. Khi đó liên lạc thông tin trong phạm vi thành phố hoặc rộng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 hơn có thể thực hiện được mà không cần thiết lập lại mạng viễn thông cố định. Qua ví dụ trên, chúng ta thấy rằng kịch bản ứng dụng mạng ad hoc điển hình sẽ có những đặc điểm sau: − Tính đa dạng về thiết bị (heterogeneous network): mạng ad hoc bao gồm rất nhiều loại thiết bị khác nhau, như trong ví dụ trên thì các đội cứu hộ sử dụng các loại thiết bị như điện thoại di động, PDA, bộ đàm cầm tay, máy tính xách tay… và các thiết bị này đều có thể kết nối với nhau trong mạng ad hoc. − Tính di động (mobility): hầu hết các thiết bị trong mạng ad hoc đều di động.
− Tính phân tán (relatively dispersed network): mạng ad hoc có tính ứng dụng tốt nhất khi các nút phân tán đủ xa về mặt địa lý. Nếu các nút quá gần nhau thì khi đó chỉ cần kết trực tiếp giữa các nút, không cần đến nút chuyển tiếp, do đó không phát huy được hết tính ưu việt của mạng ad hoc. Các ứng dụng của mạng ad hoc rất đa dạng và phong phú, sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu: − Ứng dụng cho dịch vụ truyền thông trên đường cao tốc và vùng đô thị (highways and urban area): thông tin về tình hình giao thông được phát quảng bá tới các ô tô trang bị hệ thống GPS (Global Posisioning System), thông qua các trạm phát sóng cố định khi xe ở trong phạm vi của chúng, sau đó các ô tô này sẽ chuyển tiếp thông tin này tới các xe xa hơn. So với các dịch vụ truyền thống thì công nghệ này sẽ cung cấp thông tin nhanh hơn và rộng hơn.
− Truy nhập internet ở khắp nơi (Ubiquitous Internet Access): trong tương lai gần các điểm công cộng như sân bay, nhà ga, trung tâm thương mại… sẽ đều được trang bị điểm truy nhập internet không dây, khi đó thiết bị di động của người dùng truy nhập internet tại các điểm này sẽ trở thành cầu nối để mở rộng phạm vi truy nhập internet ra toàn khu vực. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 − Quảng bá thông tin địa điểm (location-aware information): sử dụng trạm phát sóng cố định (như dịch vụ quảng bá tình hình giao thông), các thông tin địa điểm của địa phương có thể được phát tới những người quan tâm, ví dụ như thông về các sự kiện, điểm du lịch, nhà hàng, cửa hiệu tại địa phương. Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) là một trường hợp cụ thể của mạng ad hoc, các nút trong mạng là các cảm biến thông minh (smart sensor), đó chính là các thiết bị kích thước rất nhỏ, bao gồm các thành phần: cảm biến (nhiệt độ, áp suất, âm thanh…), bộ vi xử lý và bộ thu phát sóng vô tuyến trong phạm vi nhỏ. Các cảm biến này thu thập thông tin từ môi trường, tập hợp các thông tin này giúp cho việc giám sát được khu vực cần theo dõi.
WSN được hy vọng là một bước đột phá trong quan sát thế giới tự nhiên, giúp cho con người hiểu và dự báo tốt hơn các hiện tượng tự nhiên. Để hiểu thêm về khả năng ứng dụng của WSN, chúng ta sẽ xem xét chi tiết ứng dụng mạng cảm biến trong việc giám sát khu vực rộng lớn và ở xa nhằm nhanh chóng phát hiện ra các sự kiện bất thường (ví dụ như cháy rừng). Các thiết bị cảm ứng thông minh với bộ nguồn, bộ xử lý tín hiệu và bộ liên lạc không dây sẽ được bố trí tại các điểm thích hợp (như đỉnh đồi hoặc các điểm có tầm quan sát rộng). Mỗi cảm biến sẽ chịu trách nhiệm quan sát trên một diện tích nhất định và liên lạc với các cảm biến xung quanh.
Cảm biến thu thập dữ liệu về môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ và hướng gió), dựa trên dữ liệu thu thập được bộ xử lý sẽ phân tích và nhận dạng các hiện tượng cụ thể. Ngoài ra, mỗi cảm biến còn được trang bị một camera hồng ngoại cho phép nhận biết được thay đổi nhiệt độ. Mỗi cảm biến đều biết vị trí địa lý của mình, biểu diễn bởi kinh độ và vĩ độ thông qua thiết bị GPS hoặc vị trí đăng ký ban đầu khi lắp đặt (trong trường hợp cảm biến cố định vị trí). Theo định kỳ, các cảm biến trao đổi dữ liệu với các nút xung quanh để nhận biết các hiện tượng bất thường.
Khi phát hiện ra tình trạng nguy hiểm (ví dụ là có cháy), một thủ tục cần thiết sẽ được kích hoạt: cảm biến mà phát hiện ra tình trạng bất thường sẽ liên lạc với các cảm biến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 xung quanh để xác định xem các cảm biến này có phát hiện được trạng thái bất thường không, sau đó nó sẽ xác định vị trí địa lý của đám cháy, một cảnh báo cháy cùng với vị trí cháy sẽ được phát ra. Bằng cách này, cảnh báo sẽ được gửi đến người có trách nhiệm. Qua ví dụ trên, chúng ta có thể thấy ứng dụng WSN sẽ có những đặc điểm sau: − Tính đa dạng: khác với những ứng dụng mạng ad hoc khác, ứng dụng WSN thường bao gồm các nút có tính năng khá giống nhau, tập trung vào bộ phận liên lạc. Tuy có thể sử dụng một số nút đặc biệt (bộ nhớ lớn, phạm vi liên lạc rộng) để tăng cường khả năng giám sát của mạng, nhưng các thiết bị khác nhau trong WSN cũng chỉ giới hạn trong 2-3 lớp.
− Tính cố định (Stationary or quasistationary network): khác với ứng dụng mạng ad hoc thông thường, WSN thường là mạng cố định hoặc các phần tử rất ít khi di chuyển. Tất nhiên cũng có trường hợp ứng dụng WSN đặc biệt, chẳng hạn ứng dụng WSN để giám sát một số loài vật hoang dã, khi đó tính di động của các nút mạng là rất cao. − Tính phân tán: đây là đặc điểm chung của mạng ad hoc, WSN thường bao gồm nhiều nút, phân tán trên một phạm vi lớn, do đó thường không thể liên kết trực tiếp giữa các nút. − Quy mô lớn: số phần tử trong WSN thường khá lớn, từ vài nghìn đến hàng chục nghìn nút.