Luận văn thạc sĩ về nhận thức trong mạng cảm biến không dây sử dụng phương pháp watermarking

Chuyên đề nhận thức trong mạng cảm biến không dây qua phương pháp watermarking, tiếp cận liên ngành, kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao trong

• Tác giả: Hoàng Thị Thu
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Trọng Minh
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Nhận Thực Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Bằng Phương Pháp Watermarking
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
• 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
• 1.2.1. Cấu trúc của một node mạng WSN
• 1.2.2. Cấu trúc của toàn mạng WSN
• 1.2.3. Cấu trúc đặc trưng của WSN
• 1.2.3.1. Cấu trúc tầng
• 1.2.3.2. Cấu trúc phẳng
• 1.2.3.3. Cấu trúc phân cấp chức năng theo lớp
• 1.2.3.4. Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý
• 1.2.3.5. Cấu trúc mạng phân cấp logic
• 1.3. Đặc điểm và yếu tố ảnh hưởng tới WSN
• 1.4. Các công nghệ truyền dữ liệu trong WSN
• 1.5. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
• 1.6. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: NHẬN THỰC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Nguyên lý nhận thực
• 2.2. Lý do nhận thực
• 2.3. Giai đoạn nhận thực. Quy trình nhận thực
• 2.4. Các giải pháp kỹ thuật cơ bản
• 2.5. Nhận thực dựa trên khóa công khai
• 2.6. Nhận thực dựa trên khóa đối xứng
• 2.7. Lược đồ nhận thực động
• 2.7.1. Lược đồ nhận thực động lớn
• 2.7.2. Lược đồ nhận thực nhẹ
• 2.7.3. Lược đồ nhận thực hiệu quả
• 2.8. Nhận thực sử dụng cấp hai TTUA
• 2.9. Nhận thực sử dụng cấp cao hai cấp TTUA
• 2.10. Các giao thức trao đổi khóa
• 2.11. Các giao thức xác thực
• 2.11.1. Giao thức kích hoạt và xác thực cảm biến (SAAP)
• 2.11.2. Giao thức xác thực lại Sensor -1 (SRP1)
• 2.11.3. Giao thức xác thực lại Sensor - 2 (SRP2)
• 2.11.4. Giao thức kích hoạt và xác thực người dùng (UAAP)
• 2.11.5. Giao thức xác thực người dùng chìm (USiAP)
• 2.11.6. Giao thức xác thực người dùng cảm biến (USeAP)
• 2.12. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: NHẬN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP WATERMARKING
• 3.1. Giải pháp nhận thực bằng watermarking
• 3.2. Kỹ thuật Watermark
• 3.3. Phân loại Watermark
• 3.4. Một số giải pháp nhận thực bằng watermarking
• 3.5. Mô hình hóa và mô phỏng kiểm chứng
• 3.5.1. Bài toán đặt ra
• 3.5.2. Mô phỏng kiểm chứng kịch bản tấn công lưu lượng
• 3.5.3. Đánh giá giải pháp
• 3.6. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương này khái quát các vấn đề chính của mạng cảm biến không dây, bao gồm cấu trúc, đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của mạng. Mạng cảm biến không dây là một hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ gọn, có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu về trung tâm xử lý. Các nút này thường được trang bị cảm biến, bộ xử lý và bộ thu phát không dây, cho phép chúng hoạt động độc lập và tự tổ chức. Đặc điểm nổi bật của mạng cảm biến không dây là khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng tự duy trì. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất đa dạng, từ giám sát môi trường, theo dõi sức khỏe đến quản lý giao thông. Việc hiểu rõ cấu trúc và chức năng của mạng cảm biến không dây là rất quan trọng để phát triển các giải pháp an ninh mạng hiệu quả.

1.1 Cấu trúc của một node mạng WSN

Mỗi nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây được cấu thành bởi bốn thành phần chính: bộ cảm nhận, bộ xử lý, bộ thu phát và bộ nguồn. Bộ cảm nhận có nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ môi trường, trong khi bộ xử lý xử lý thông tin thu được. Bộ thu phát đảm bảo việc truyền tải dữ liệu đến các nút khác trong mạng, và bộ nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống. Việc thiết kế các nút cảm biến cần đảm bảo tính nhỏ gọn, hiệu quả năng lượng và khả năng hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Cấu trúc này cho phép mạng cảm biến không dây hoạt động linh hoạt và hiệu quả trong việc thu thập và truyền tải thông tin.

II. Nhận thực trong mạng cảm biến không dây

Chương này trình bày về nhận thức trong mạng cảm biến không dây, một yếu tố quan trọng để đảm bảo an ninh và tính toàn vẹn của dữ liệu. Nhận thức là quá trình xác thực danh tính của các nút trong mạng, nhằm ngăn chặn các cuộc tấn công từ bên ngoài. Các phương pháp nhận thức có thể được phân loại thành nhận thức dựa trên khóa công khai và khóa đối xứng. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Việc áp dụng các giao thức xác thực hiệu quả là rất cần thiết để bảo vệ dữ liệu trong quá trình truyền tải. Các giao thức này không chỉ đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu mà còn giúp phát hiện và ngăn chặn các hành vi xâm nhập trái phép.

2.1 Nguyên lý nhận thực

Nguyên lý nhận thức trong mạng cảm biến không dây dựa trên việc xác thực danh tính của các nút trước khi cho phép chúng tham gia vào mạng. Điều này giúp ngăn chặn các cuộc tấn công từ các nút giả mạo. Các phương pháp nhận thức thường sử dụng các thuật toán mã hóa để bảo vệ thông tin trong quá trình truyền tải. Việc áp dụng các giao thức xác thực mạnh mẽ là rất quan trọng để đảm bảo an ninh cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức này cần được thiết kế sao cho có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường có nhiều nút và điều kiện thay đổi liên tục.

III. Nhận thực bằng phương pháp watermarking

Chương này tập trung vào việc áp dụng phương pháp watermarking để thực hiện nhận thức trong mạng cảm biến không dây. Watermarking là một kỹ thuật cho phép nhúng thông tin nhận thức vào dữ liệu truyền tải, giúp xác thực nguồn gốc và tính toàn vẹn của dữ liệu. Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng tiết kiệm băng thông và năng lượng, đồng thời đảm bảo an ninh cho dữ liệu. Các giải pháp watermarking có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, từ cách thức nhúng đến ứng dụng cụ thể. Việc mô phỏng và kiểm chứng các giải pháp này là cần thiết để đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng trong thực tế.

3.1 Giải pháp nhận thực bằng watermarking

Giải pháp nhận thức bằng phương pháp watermarking được đề xuất nhằm cải thiện tính an toàn cho mạng cảm biến không dây. Kỹ thuật này cho phép nhúng thông tin nhận thức vào dữ liệu, giúp xác thực nguồn gốc và tính toàn vẹn của thông tin. Việc áp dụng watermarking không chỉ giúp bảo vệ dữ liệu mà còn giảm thiểu rủi ro từ các cuộc tấn công. Các mô hình và kịch bản tấn công cần được kiểm chứng để đánh giá hiệu quả của giải pháp. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng watermarking có thể là một phương pháp hiệu quả để nâng cao an ninh cho mạng cảm biến không dây.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một trong những thành tựu công nghệ mới nổi bật, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, môi trường, y tế, nông nghiệp và giao thông. Theo ước tính, mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng trăm nghìn nút cảm biến nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả năng tự tổ chức và tự bảo trì. Tuy nhiên, với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và đa dạng thiết bị, vấn đề an toàn và bảo mật trong WSN trở nên cấp thiết, đặc biệt là tính nhận thực nhằm đảm bảo dữ liệu không bị thay đổi trong quá trình truyền tải.

Luận văn tập trung nghiên cứu về nhận thực trong mạng cảm biến không dây bằng phương pháp watermarking, một kỹ thuật nhận thực gọn nhẹ, hiệu quả, đang được nhiều nhà khoa học quốc tế quan tâm nhưng còn khá mới mẻ tại Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích, đánh giá các giải pháp nhận thực hiện có sử dụng watermarking và đề xuất cải tiến phù hợp với đặc thù của WSN. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các vấn đề lý thuyết, công nghệ, đề xuất giải pháp và kiểm chứng qua mô phỏng số.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tính bảo mật, toàn vẹn dữ liệu và độ tin cậy của mạng cảm biến không dây, góp phần thúc đẩy ứng dụng WSN trong các hệ thống IoT và các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế, giao thông. Các chỉ số hiệu quả như tỷ lệ phát hiện tấn công, tiêu thụ năng lượng và độ trễ truyền dữ liệu được xem xét để đánh giá giải pháp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết mạng cảm biến không dây và lý thuyết watermarking trong bảo mật thông tin.

1. Lý thuyết mạng cảm biến không dây (WSN):

   • Khái niệm và cấu trúc mạng WSN gồm các nút cảm biến (sensor nodes) với các thành phần cơ bản như bộ cảm nhận, bộ xử lý, bộ thu phát và bộ nguồn.
   • Các mô hình cấu trúc mạng: cấu trúc tầng (tiered architecture) và cấu trúc phẳng (flat architecture), trong đó cấu trúc tầng được đánh giá cao về hiệu quả năng lượng và độ tin cậy.
   • Đặc điểm và yếu tố ảnh hưởng đến WSN như khả năng chịu lỗi, khả năng mở rộng, chi phí sản xuất, ràng buộc phần cứng, cấu hình mạng, môi trường hoạt động và phương tiện truyền dẫn.
   • Các công nghệ truyền dữ liệu phổ biến trong WSN như Bluetooth, Zigbee, Wifi, LoRa, Sigfox, và các giao thức IP như 6LoWPAN, Thread.

2. Lý thuyết watermarking trong nhận thực:

   • Watermarking là kỹ thuật nhúng thông tin nhận thực vào dữ liệu truyền tải nhằm đảm bảo tính toàn vẹn và xác thực nguồn dữ liệu.
   • Phân loại watermarking dựa trên miền biến đổi (biến đổi Fourier, Cosine, Wavelet) và ứng dụng trong bảo mật mạng.
   • Các giải pháp watermarking được áp dụng trong WSN nhằm phát hiện và ngăn chặn các tấn công giả mạo, thay đổi dữ liệu trong quá trình truyền.

Các khái niệm chính bao gồm: nhận thực (authentication), watermarking, mạng cảm biến không dây, cấu trúc tầng và phẳng, giao thức trao đổi khóa, khả năng chịu lỗi, tiêu thụ năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp thông tin từ các tài liệu khoa học quốc tế và khảo sát thực trạng ứng dụng watermarking trong WSN. Nguồn dữ liệu chính bao gồm các công trình nghiên cứu, báo cáo kỹ thuật và tài liệu pháp luật liên quan đến bảo mật mạng.

Phương pháp phân tích được áp dụng để đánh giá các giải pháp nhận thực hiện có, từ đó đề xuất cải tiến phù hợp với đặc thù của mạng cảm biến không dây. Kiểm chứng giải pháp được thực hiện qua mô phỏng số và mô phỏng sự kiện rời rạc, tập trung vào kịch bản tấn công lưu lượng và đánh giá tỷ lệ phát hiện tấn công, tiêu thụ năng lượng và độ trễ.

Cỡ mẫu mô phỏng được lựa chọn phù hợp với quy mô mạng cảm biến thực tế, sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân bố các nút trong vùng khảo sát. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, phân tích lý thuyết, xây dựng mô hình, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của phương pháp watermarking trong nhận thực WSN:
   Mô phỏng cho thấy phương pháp watermarking có thể phát hiện tấn công lưu lượng với tỷ lệ phát hiện trên 85% khi tỷ lệ thay đổi tốc độ gói tin đạt 10%. So với các phương pháp nhận thực truyền thống, watermarking tiêu thụ năng lượng thấp hơn khoảng 20%, phù hợp với các nút cảm biến có nguồn năng lượng hạn chế.

2. Ảnh hưởng của cấu trúc mạng đến hiệu suất nhận thực:
   Cấu trúc tầng giúp giảm tiêu thụ năng lượng trung bình của mạng xuống còn khoảng 30% so với cấu trúc phẳng nhờ việc phân chia nhiệm vụ và tối ưu hóa truyền dữ liệu. Điều này làm tăng tuổi thọ mạng và cải thiện độ tin cậy trong nhận thực.

3. Khả năng chịu lỗi và mở rộng của giải pháp:
   Giải pháp watermarking được đề xuất có khả năng chịu lỗi cao, duy trì hoạt động ổn định khi có đến 15% nút cảm biến bị lỗi hoặc bị tấn công. Mật độ nút cảm biến lên đến 20 nút/m3 vẫn đảm bảo hiệu quả nhận thực và truyền dữ liệu ổn định.

4. So sánh với các giao thức nhận thực khác:
   So với các giao thức nhận thực dựa trên khóa công khai và khóa đối xứng, phương pháp watermarking giảm thiểu đáng kể độ trễ xác thực (giảm khoảng 25%) và giảm thiểu rủi ro tấn công DoS do tiêu thụ năng lượng thấp hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả cao đến từ việc watermarking nhúng thông tin nhận thực trực tiếp vào dữ liệu truyền, giảm thiểu các bước trao đổi khóa phức tạp và tiết kiệm năng lượng cho các nút cảm biến. Cấu trúc tầng giúp phân phối tải tính toán và truyền thông hợp lý, kéo dài thời gian sống của mạng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy kết quả phù hợp với xu hướng áp dụng watermarking trong các mạng IoT và WSN hiện đại. Việc mô phỏng kịch bản tấn công lưu lượng giúp đánh giá thực tiễn khả năng phát hiện và ngăn chặn các hành vi giả mạo, tăng cường bảo mật mạng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tỷ lệ phát hiện tấn công theo mức độ thay đổi tốc độ gói tin, bảng so sánh tiêu thụ năng lượng giữa các phương pháp nhận thực, và biểu đồ tuổi thọ mạng theo cấu trúc tầng và phẳng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai giải pháp watermarking trong các hệ thống WSN thực tế:
   Áp dụng phương pháp watermarking để nâng cao tính nhận thực và bảo mật dữ liệu, đặc biệt trong các ứng dụng IoT và công nghiệp. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị phát triển và vận hành mạng cảm biến chịu trách nhiệm.

2. Tối ưu cấu trúc mạng theo mô hình tầng:
   Khuyến nghị thiết kế mạng cảm biến theo cấu trúc tầng để giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ mạng, đồng thời hỗ trợ hiệu quả cho các giải pháp nhận thực. Các nhà thiết kế mạng và kỹ sư hệ thống nên áp dụng trong giai đoạn thiết kế và triển khai.

3. Phát triển các giao thức trao đổi khóa kết hợp watermarking:
   Nghiên cứu và phát triển các giao thức trao đổi khóa an toàn, kết hợp với watermarking để tăng cường bảo mật và khả năng chịu lỗi của mạng. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu và phát triển công nghệ thực hiện.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về bảo mật WSN:
   Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho các kỹ sư, nhà quản lý và người dùng cuối về tầm quan trọng của nhận thực và các giải pháp bảo mật trong mạng cảm biến không dây. Thời gian triển khai liên tục, do các cơ sở đào tạo và tổ chức chuyên ngành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông, công nghệ thông tin:
   Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về nhận thực và bảo mật trong mạng cảm biến không dây, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống IoT và mạng cảm biến:
   Tham khảo để áp dụng các giải pháp watermarking và cấu trúc mạng tối ưu, nâng cao hiệu quả và bảo mật hệ thống.

3. Quản lý dự án và nhà hoạch định chính sách công nghệ:
   Hiểu rõ các thách thức và giải pháp bảo mật trong WSN, từ đó xây dựng các chính sách, tiêu chuẩn phù hợp cho triển khai mạng cảm biến.

4. Doanh nghiệp và tổ chức ứng dụng công nghệ cảm biến:
   Áp dụng các kiến thức và giải pháp trong luận văn để nâng cao độ tin cậy, bảo mật dữ liệu trong các ứng dụng thực tế như nông nghiệp thông minh, y tế từ xa, quản lý giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp watermarking là gì và tại sao phù hợp với WSN?
   Watermarking là kỹ thuật nhúng thông tin nhận thực vào dữ liệu truyền tải để đảm bảo tính toàn vẹn và xác thực nguồn. Phương pháp này phù hợp với WSN do tính gọn nhẹ, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng phát hiện tấn công hiệu quả trong môi trường mạng có giới hạn tài nguyên.

2. Cấu trúc tầng và cấu trúc phẳng khác nhau như thế nào trong WSN?
   Cấu trúc tầng phân chia mạng thành các lớp với chức năng khác nhau, giúp tối ưu năng lượng và tăng tuổi thọ mạng. Cấu trúc phẳng thì các nút ngang hàng, dễ triển khai nhưng tiêu thụ năng lượng cao hơn và khó mở rộng quy mô.

3. Các giao thức nhận thực trong WSN có những điểm mạnh và hạn chế gì?
   Giao thức khóa công khai bảo mật cao nhưng tiêu tốn năng lượng và chậm. Khóa đối xứng nhanh hơn nhưng dễ bị tấn công nếu khóa bị lộ. Watermarking cân bằng giữa bảo mật và hiệu quả năng lượng, phù hợp với WSN.

4. Làm thế nào để mô phỏng và đánh giá hiệu quả giải pháp nhận thực?
   Sử dụng mô phỏng số và mô phỏng sự kiện rời rạc với các kịch bản tấn công lưu lượng, đo tỷ lệ phát hiện tấn công, tiêu thụ năng lượng và độ trễ truyền dữ liệu để đánh giá hiệu quả.

5. Giải pháp nhận thực bằng watermarking có thể áp dụng cho các mạng IoT khác không?
   Có, watermarking là kỹ thuật linh hoạt, có thể áp dụng cho nhiều loại mạng IoT và cảm biến khác nhau nhằm tăng cường bảo mật và tính toàn vẹn dữ liệu trong môi trường tài nguyên hạn chế.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích và đánh giá các giải pháp nhận thực trong mạng cảm biến không dây, tập trung vào phương pháp watermarking.
• Phương pháp watermarking được chứng minh hiệu quả trong việc phát hiện tấn công, tiết kiệm năng lượng và phù hợp với đặc thù WSN.
• Cấu trúc tầng được khuyến nghị để tối ưu hóa hiệu suất mạng và hỗ trợ các giải pháp nhận thực.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm nâng cao bảo mật và độ tin cậy của mạng cảm biến không dây.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo là phát triển giao thức trao đổi khóa kết hợp watermarking và thử nghiệm thực tế trên các hệ thống WSN quy mô lớn.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai thử nghiệm thực tế, mở rộng phạm vi ứng dụng và đào tạo nâng cao nhận thức về bảo mật trong mạng cảm biến không dây. Hành động ngay hôm nay để bảo vệ dữ liệu và nâng cao hiệu quả hệ thống mạng cảm biến không dây của bạn!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Tóm tắt: Chương này khái quát các vấn đề chính của mạng cảm biến không dây, các mô hình mạng không dây, đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng tới mạng cảm biến không dây, các công nghệ truyền dữ liệu và ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong đời sống của mỗi người. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, giám sát các mặt trận quân sự, sinh học và hóa học, theo dõi điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sĩ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong bệnh viện. Mạng cảm biến không dây là một mạng không dây mà các nút mạng sử dụng các vi điều khiển, cảm biến, bộ truyền RF với kích thước tương đối nhỏ, đa chức năng, tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng tự tổ chức, tự bảo trì, giá thành thấp để thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin. Thông tin được truyền về một trạm gốc thông qua các nút cảm biến khác và thông qua Internet truyền về trung tâm dữ liệu để lưu trữ, phân tích và xử lý.

Nút cảm biến bao gồm các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, bộ nhớ có giới hạn và nguồn nuôi. Khi nút cảm biến hoạt động, các nút này sẽ thu nhận tín hiệu từ môi trường và bản thân thiết bị, tín hiệu có thể là tín hiệu vật lý, sinh học, hóa học hay chuyển thành tín hiệu điện năng để đưa vào vi điều khiển. Thiết bị vi điều khiển sẽ thu nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý chúng. Sau đó, bộ truyền nhận tín hiệu thiết lập giao tiếp truyền dữ liệu đã được xử lý đến các nút trong mạng.

Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1. Cấu trúc của một node mạng WSN Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản gồm: bộ cảm nhận (a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Khi xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng- nút cảm biến. Các nút phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán, có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận.

Bên cạnh đó, có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng gồm: hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).1: Thành phần của một nút cảm ứng Với mô hình trên:  Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC).  Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Luan van 6  Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.  Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng thực hiện việc gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới nút sink.

 Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin, các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí nên cần phải có các bộ định vị.

Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module và tuân theo một số ràng buộc nghiêm ngặt khác như: tiêu thụ năng lượng ít, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường. Cấu trúc của toàn mạng WSN Các nút cảm ứng được phân bố trong một trường cảm biến (sensor field) như hình 1. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các nút sink.

Dữ liệu được định tuyến lại đến các nút sink bởi một cấu trúc đa điểm, các nút sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Luan van 7 Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Khi thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần phải dùng một số cơ chế, kỹ thuật đặc thù sau:  Giao tiếp không dây multihop: khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn nên cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể.  Hoạt động năng lượng hiệu quả: nhằm mục đích hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng.

 Tự động cấu hình: mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị).  Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: việc sử dụng một nút cảm biến không thể thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có sự cộng tác hoạt động của nhiều nút thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến nút sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Do vậy, cần sự kết hợp dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới nút sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.

Do vậy, cấu trúc mạng mới có các tính năng cơ bản sau: Luan van 8 - Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến. - Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng. - Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây. - Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.

Cấu trúc đặc trưng của WSN a. Cấu trúc tầng T rong cấu trúc tầng (tiered architecture), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop tùy thuộc vào kích cỡ của cụm đến một nút định sẵn được gọi là nút chủ (cluster head). Với cấu trúc các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã được định sẵn.3: Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.4) Luan van 9 Hình 1.4: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, 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 là một bộ lọc thông dải đơn giản để tách nhiễu ra khỏi dữ liệu, 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 nút, hoặc phân biệt theo logic. Ví dụ, một tập hợp con các nút với khả năng truyền thông ở phạm vi rộng tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.5:Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý Luan van 10 Tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách logic khi thực hiện một nhiệm vụ đại diện cho các nút khác, bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút. Những quy tắc logic này tạo nên mạng phân cấp logic (hình 1.6), có thể thay phiên định kỳ để đảm bảo sự công bằng khi các nút tham gia 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 máy chủ, một cụm các cảm biến cần thiết phải chọn ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ 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. Ví dụ một nút với hệ thống định vị toàn cầu (global positioning system - GPS) có thể thực hiện vai trò chủ chốt trong việc định vị hoặc đồng bộ thời gian. Do vậy, việc xảy ra ngẫu nhiên khi rất nhiều mạng cảm ứng hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp.6: Cấu trúc mạng phân cấp logic Luan van 11 b.

Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với nút sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Phạm vi truyền cố định, các nút gần nút sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng nguồn lớn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu nên có thể chia sẻ thời gian.

Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ như thời gian, tần số.7: Cấu trúc phẳng c.