Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) 1.1 Giới thiệu Một mạng cảm biến không dây WSN bao gồm nhiều node cảm biến nhỏ có giá thành thấp và tiêu thụ năng lượng thấp, giao tiếp thông qua các kết nối không dây có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc. Tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Môi trường có thể là tự nhiên hay các hệ thống sinh học.
Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi và các ứng dụng trong y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất đa dạng và không bị giới hạn. Mô hình mạng cảm biến được chia thành nhiều tầng, mỗi tầng có một nhiệm vụ riêng: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Mô hình phân tầng mạng WSN + Tầng ứng dụng (Application Layer): cung cấp một giao diện (interface) đến người sử dụng. + Tầng hỗ trợ ứng dụng (Application Support Layer): có nhiệm vụ phân chia và quản lý truyền thông giữa hai node đang hoạt động.
+ Tầng mạng (Network Layer): làm nhiệm vụ định tuyến truyền thông giữa các mạng. + Tầng MAC (MAC Sub-Layer): thực hiện hai nhiệm vụ cơ bản đó là: - Sử dụng các kỹ thuật đóng khung để cho phép các tầng trên truy cập môi trường. - Sử dụng kỹ thuật truy nhập môi trường và dò lỗi để điều khiển làm sao cho dữ liệu được đặt vào môi trường và được nhận từ môi trường. Quá trình đóng gói dữ liệu trong mạng cảm biến như sau: Dữ liệu được đưa xuống ngăn xếp giao thức trên đường đi của nó để truyền qua môi trường mạng, mỗi giao thức khác nhau thêm thông tin vào dữ liệu với các mức khác nhau.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Quá trình đóng gói dữ liệu Trong mạng cảm biến không dây, các node mạng liên tục nhận và truyền dữ liệu về các node trung tâm để xử lý. Các node trung tâm sau khi nhận được khung dữ liệu từ các node trong mạng sẽ phải thực hiện nhiệm vụ tách các thành phần thông tin có ích trong khung đó. Để có thể tách được các thông tin có ích thì phải có sự đồng bộ về dạng khung dữ liệu giữa các node truyền và node trung tâm. Quá trình đồng bộ này hoàn toàn thực hiện được vì cả bên truyền và bên nhận đều được lập trình bởi người sử dụng.
Do đó, các lập trình viên định nghĩa các dạng khung cố định cho các khung dữ liệu được truyền trong mạng. Nhờ vậy, các node mạng có thể phân biệt rõ các trường dữ liệu trong khung đã nhận và quá trình chọn lọc để tách các thông tin có ích trở nên nhanh chóng và đơn giản.[10] 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 node cảm biến hay chính là sự giới hạn về năng lượng của chúng. Do đó khi truyền dữ liệu trong mạng cảm biến có lỗi xảy ra, phải có cơ chế phù hợp để làm tăng thời gian sống của node mạng lên.2 Cấu trúc cho mạng cảm biến TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng. Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng cần phải dựa vào những đặc thù sau: - Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây được sử dụng cho các node mạng, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai node sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản.
Đặc biệt là khi node phát và node thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn. Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop.3 Giao tiếp không dây multihop - Điều khiển lỗi: Nếu việc truyền dữ liệu kéo dài do gặp phải lỗi thì làm giảm thời gian sống của mạng, để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, ta phải đưa ra giải pháp hợp lý. - Cộng tác, xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một node cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều node cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó nếu từng node thu dữ liệu gửi ngay đến node chính thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng.
Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới node chính thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.[8] Sau đây xét hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây: 1.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đây là cấu trúc đơn giản nhất, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất về hình dạng và chức năng. Các node giao tiếp qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn.4 Cấu trúc phẳng 1.2 Cấu trúc tầng (Tiered Architecture) Với cấu trúc này các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc vào kích cỡ của cụm đến một node định sẵn, thường gọi là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các node tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi node ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.5 Cấu trúc phân tầng Trong cấu trúc tầng thì được chia thành nhiều cấp và mỗi cấp được phân một chức năng cụ thể, các chức năng như cảm nhận, tính toán và đưa ra kết quả. - Cấp thấp nhất: thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận như đo đạc áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ, độ sâu,… - Cấp giữa: thực hiện tính toán tức là thu nhận dữ liệu từ nhiều node khác nhau rồi đưa ra quyết định. - Cấp trên cùng: thực hiện thu thập tất cả thông tin ở cấp giữa rồi đưa thông tin về trạng thái ban đầu như nhiệt độ, áp suất,… tại node thấp nhất đã đo được. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.6 Cấu trúc mạng phân cấp theo chức năng Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán.
Trong trường hợp này, các sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này. Sự phân tích chức năng của các mạng cảm ứng có thể phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các node, hoặc có thể gọi đơn giản là sự phân biệt theo logic. Một tập hợp con các node với khả năng truyền thông ở phạm vi rộng có thể tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý Một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic khi chúng thực hiện một nhiệm vụ đại diện cho các node khác. Những chức năng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các node.
Những quy tắc logic này tạo nên mạng phân cấp logic. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic Những quy tắc logic này có thể thay phiên nhau định kì để đảm bảo sự công bằng. Khi các nút với khả năng tính toán cao hơn hoạt động thì các nút ít khả năng hơn sẽ chuyển các nhiệm vụ tính toán sang các nút này. Nếu không có “computer servers” như vậy, một cụm các sensor cần thiết phải chọn ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ như là tập trung dữ liệu.
Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có mỗi nút có tài nguyên vật lý thích hợp mới thích hợp để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.3 Lựa chọn cấu trúc cho mạng cảm biến Mỗi một cấu trúc mạng đều có nhược điểm của nó, tuy nhiên việc chọn ra một cấu trúc mạng sao cho nó tối ưu nhất là vấn đề cần thiết. Mạng cảm ứng xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, với các lý do như sau: - Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm ứng bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao.
Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi. - Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng. Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.
Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng. - Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm ứng phải phù hợp với với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng là: Trong đó: - W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ - n là số lượng node mạng Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0. Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này.
Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc.