Mở đầu Đặt những vấn đề liên quan đến đề tài, còn những việc chưa thực hiện được nhưng đang là vấn đề cấp thiết hiện nay, chính vì vậy nêu những mục tiêu chính 12 Tieu luan của đề tài để giải quyết các vấn đề trên, giới hạn những công việc cần làm chính yếu. Chương II: Tổng quan về WSN và nền tẳng cơ sở lý thuyết Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng trong mạng cảm biến. Nghiên cứu về các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến được áp dụng trên thế giới. Nêu khái quát về mô hình mạng OSI và các cơ sở lý thuyết khác.
Chương III: Giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây Giới thiệu về các mô hình mạng và cơ sở lý thuyết về các giao thức định tuyến cần nghiên cứu để cải tiến hoặc đề xuất mới. Nghiên cứu và giới thiệu về giao thức eACK, iACK. Nêu những ưu, khuyết điểm của 2 giao thức trên. Chứng minh hiệu quả sử dụng năng lượng của 2 giao thức.
Từ những khuyết điểm của 2 giao thức trên, đề xuất 1 giao thức mới (Combine- ACK) kết hợp từ 2 giao thức này để khắc phục những khuyết điểm vẫn còn tồn tại. Chương IV: Kết quả thực nghiệm và đánh giá Chạy thực nghiệm trên các môi trường thử nghiệm, nêu các tiêu chí so sánh và đánh giá của 3 giao thức. Đánh giá, phân tích các giá trị thực nghiệm Chương V: Kết luận và hướng phát triển Kết luận cuối cùng về giao thức định tuyến đã đề xuất, những ưu, nhược điểm của giao thức và hướng phát triển trong tương lai để giao thức hoàn thiện hơn. 13 Tieu luan CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ WSN & NỀN TẢNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1) Giới thiệu về WSN Khái niệm - Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp.
và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ. - Các node mạng thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động. Các node giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop.
Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau. Thông thường thời gian 1 node ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều. Các ứng dụng - Sự hội tụ của internet, thông tin vô tuyến và kỹ thuật thông tin đã tạo cho công nghệ cảm biến sự phát triển đầy tiềm năng. Phần cứng WSN, đặc biệt là các vi xử lý giá thành thấp, cảm biến nhỏ gọn, phần thu phát vô tuyến tiêu thụ công suất thấp trở thành các tiêu chuẩn chung.
14 Tieu luan - Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được bước phát triển mạnh mẽ, các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trường, năng lượng, sản xuất,. Sau đây là các ứng dụng phổ biến của WSNs: Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia · Giám sát chiến trường · Bảo vệ an ninh cho các công trình trọng yếu · Ứng dụng trong quân đội · Thông tin, giám sát, điều khiển Hình 2.1 Ứng dụng trong quân sự · Theo dõi mục tiêu · Phát hiện phóng xạ hạt nhân · Giám sát dưới nước, trên không 15 Tieu luan · Hệ thống radars · Rà soát bom mìn Hình 2.2 Ứng dụng trong an ninh quốc gia Ứng dụng trong bảo vệ môi trường · Phát hiện hoạt động núi lửa · Giám sát cháy rừng · Giám sát dịch bệnh · Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên · Cảm biến dùng trong nông nghiệp · Phát hiện động đất Hình 2.3 Ứng dụng trong bảo vệ môi trường Ứng dụng trong thương mại · Điều khiển không lưu · Quản lý cầu đường · Quản lý kiến trúc và xây dựng · Điều khiển nhiệt độ · Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng 16 Tieu luan · Hệ thống tự động · Cảm biến các chất hóa học, sinh học, nguyên tử · Thu thập dữ liệu thời gian thực · Các hệ thống nhận dạng bằng sóng radio (RFID tags) · Quản lý năng lượng · Điều khiển nhiệt độ · Quản lý sản xuất · Robot tự hành · Đo lượng khí gas, nước, điện,… · Hệ thống xử lý vật liệu (hóa học, gas, nhiệt,…) Hình 2.4 Ứng dụng trong thươg mại Ứng dụng trong y học · Cảm biến gắn trực tiếp lên cơ thể người · Chăm sóc sức khỏe · Phản ứng với dịch bệnh · Phân tích sức khỏe cá nhân · An toàn thực phẩm · Phân tích nồng độ các chất · Giám sát bệnh nhân, nhân viên y tế 17 Tieu luan Hình 2.5 Ứng dụng trong y học Ứng dụng trong gia đình · Điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà · Hệ thống tự động trong gia đình, cảnh báo an ninh · Giám sát an ninh Hình 2.6 Ứng dụng trong gia đình 2) Cấu trúc mạng WSN Cấu trúc 18 Tieu luan - Một node trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor) hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng node trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1 node mạng là giá thành thấp (10 - 50 usd) và kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2). - Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin.), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến: Lớp vật lý (physical layer) tương đối đơn giản, gọn nhẹ do ràng buộc về kích thước và khả năng tính toán của node.
Kỹ thuật điều chế tín hiệu số : O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất bộ khuếch đại công suất. Các kỹ thuật mã hóa sữa sai phức tạp như Turbo Codes, LDPC không được sử dụng, kỹ thuật trãi phổ được sử dụng để cải thiện SNR ở thiết bị thu và giảm tác động của fading của kênh truyền. Lớp MAC: kỹ thuật đa truy cập TDMA hoặc CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm năng lượng tiêu thụ. Routing layer: "power aware" Routing Protocol, geography routing.
- WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng. do vậy WSN đò hỏi 1 sơ đồ mạng (topology) linh động (ad-hoc, mesh, star .) và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình (auto-reconfigurable). - Trong một số WSN thông dụng (giám sát, cảm biến, môi trường .) địa chỉ ID các node chính là vị trí địa lý và giải thuật routing dựa vào vị trí địa lý này gọi là Geography routing protocol (GRT). Đối với mạng với số lượng lớn các node, sơ đồ mạng không ổn định.
GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu bảng routing (routing table) lưu trữ tại các node. GRT phù hợp với các WSN 19 Tieu luan cố định, tuy nhiên đối với các node di động (địa chỉ ID node thay đổi) giao thức routing trở nên phức tạp và không ổn định. - Cluster hoá: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành các clusters để ổn định topology của mạng, đơn giản hóa giải thuật routing, giảm đụng độ (collission) khi truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm được năng lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng và cấp phát địa chỉ cho từng node mạng (theo cluster). - Do giới hạn khả năng tính toán của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các base station (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng).
Sự khác nhau giữa mạng WSN và mạng truyền thống - Đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt 1 mạng cảm biến (WSN) và 1 mạng truyền thống khác chính là giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode). 3) Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Giao thức AODV (Ad hoc On demand Distance Vector) [7]: - AODV là một trong những giao thức định tuyến theo cơ chế phản ứng (theo yêu cầu) trong hệ thống mạng MANET. AODV dựa trên các phần của bảng định tuyến để phát gói tin RREP về nút nguồn và nút nguồn dùng thông tin đó để gửi dữ liệu đến đích. Để đảm bảo rằng thông tin trong bảng định tuyến là mới nhất thì AODV sử dụng kỹ thuật Sequence Number (kỹ thuật này dùng để nhận ra các con đường đi không còn giá trị trong quá trình cập nhật bảng định tuyến) để loại bỏ những đường đi không còn giá trị trong bảng định tuyến.
Mỗi nút sẽ có một bộ tăng số Sequence Number riêng cho nó. Quá trình định 20 Tieu luan tuyến của AODV cũng bao gồm hai giai đoạn chính: khám phá lộ trình và duy trì lộ trình. - Khám phá lộ trình sẽ được thiết lập khi một nút nguồn có nhu cầu trao đổi thông tin với một nút khác trong hệ thống mạng mà trong bảng định tuyến của nó không có thông tin định tuyến đến nút đích đó. Trong hệ thống mạng MANET hoạt động theo giao thức AODV, mỗi nút trong hệ thống mạng luôn duy trì 2 bộ đếm: Bộ đếm Sequence Number và Bộ đếm REQ_ID.
Cặp thông tin <Sequence Number, REQ_ID> là định danh duy nhất cho một gói tin RREQ. Giá trị của cập thông tin này sẽ bị thay đổi như sau: o Đối với Sequence Number: Trước khi một nút khởi động tiến trình khám phá lộ trình, điều này nhằm chống sự xung đột với các gói tin RREP trước đó.