Giới thiệu.

MAC Media Access Control
Điều khiển truy nhập môi trường ADV
Advertise Bản tin quảng bá
REQ Request
Bản tin yêu cầu DSSS
Directed-Sequence Spread Spectrum Trải phổ tuần tự
BS Base Station Sink
Trạm gốc CH
Cluster Head Nút chủ cụm

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu.

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như : theo dõi sự thay
đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đốn sự hỏng hóc của máy móc,
thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sĩ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ…
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của các hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch
tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính tốn tín hiệu… đã tạo ra các con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp,
làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến. 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 con cảm biến hay chính là sự giới
ĐT3 – K50
14
Trần Tuấn Việt
hạn về năng lượng của chúng. Các node cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp. Các node cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là khơng thể thay thế
được nguồn cung cấp. Do đó, khi mạng truyền thơng tập trung vào mục đích đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung
đầu tiên vào bảo tồn cơng suất. Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến và một mạng wireless 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.
Mạng cảm biến Sensor Networks là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân
tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiên tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Có 4 thành phần cơ bản tạo nên một mạng cảm biến :
• Các cảm biến được phân bố theo một mơ hình tập trung hay rải rác. • Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến có dây hoặc vơ tuyến .
• Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu Clustering. • Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý, hay còn gọi là các mote. Mạng cảm biến không dây WSN là mạng cảm biến trong
đó liên kết các node cảm biến bằng sóng vơ 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 khơng có hệ thống non – topology trên một diện tích rộng.
Trong mạng cảm biến, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến
trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường, và các cảm biến phục vụ
ĐT3 – K50
15
Trần Tuấn Việt
trong ứng dụng an ninh, sinh hóa…Ngày nay, cảm biến ngày càng được sử dụng rộng rãi với số lượng lớn.
Mạng WSNs có đặc điểm riêng, cơng suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng lượng của nguồn chủ yếu là pin có thời gian ngắn , chu kì nhiệm vụ ngắn, quan hệ
đa điểm - điểm, số lượng lớn các cảm biến… Cảm biến có thể bao gồm 1 hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng,từ nano
1-100nm, meso 100 - 1000nm, micro 10 - 1000um, macro vài mm - m,… Như chúng ta đã biết thì WSNs, với đặc tính di động và trước đây chủ yếu cho
các ứng dụng qn sự, chính vì thế đòi hỏi tính bảo mật là khá cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở rộng cho các ứng dụng dân dụng, mơi trường, thương mại, việc
tiêu chuẩn hóa sẽ tạo ra tính thương mại cao cho WSNs đem lại một diện mạo mới cho mạng cảm biến không dây. Bên cạnh đó, với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học
công nghệ mạng cảm biến không dây đã vươn lên một tâm cao mới và khẳng định được vị thế của mình trong lĩnh vực truyền thơng. Các nghiên cứu về WSNs có thể
chia làm nhiều phần như trong bảng thống kê số liệu dưới đây : Triển khai
Dò tìm mục tiêu Định vị
Thu thập dữ liệu Tập hợp
Bảo mật Giao thức Mac
Truy vấn dữ liệu Đồng bộ thời gian
9.70 7.27
6.06 6.06
5.76 5.76
4.85 4.25
3.64
Bảng 1.1 : Các lĩnh vực nghiên cứu về WSNs
Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các node xử lý giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải
quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí :
ĐT3 – K50
16
Trần Tuấn Việt
• Chu kỳ hoạt động ngắn. • Xủ lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền.
• Mơ hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm suy hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền.
WSNs được phân ra làm 2 loại chính, theo mơ hình kết nối và định tuyến mà các nodes sử dụng :
♦ Loại 1 C1WSNs : • Sử dụng giao thức định tuyến động.
• Các node tìm đường đi tốt nhất tới đích. • Khoảng cách rất lớn hàng ngàn mét.
• Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp. • Vai trò các node sensor này với các node kế tiếp như là các trạm lặp repeater.
• Mạng khá phức tạp. ♦ Loại 2 C2WSNs :
• Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh. • 1 node không cung cấp thông tin cho các node khác.
• Mơ hình sử dụng là đa điểm-điểm, kết nối radio đến node trung tâm. • Khoảng cách vài trăm mét.
• Node chuyển tiếp khơng có khả năng xử lý dữ liệu cho các node khác. • Hệ thống tương đối là đơn giản.
Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4 . Hoạt động tại tần số 2.4 GHz trong công nghiệp, khoa học và y học ISM, cung cấp đường
truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet
ĐT3 – K50
17
Trần Tuấn Việt
.ZigbeeIEEE 802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như bluetooth, wifi, ultrawidebandUWB, mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương
mại. Với sự ra đời của tiêu chuẩn ZigeeIEEE 802.15.4 , các hệ thống dần phát
triển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh truyền được tiêu chuẩn hóa. Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile adhoc
MANETs. WSNs tương tự như MANETs theo một vài đặc điểm, cả hai đều là chuẩn mạng wireless, multihop. Tuy nhiên, các ứng dụng và kỹ thuật giữa hai hệ
thống này là khác nhau. • Dạng thơng thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận, khác hẳn
điểm - điểm trong MANETs. • Các node trong WSNs ít di động, trong khi adhoc các là di động.
• Trong WSNs, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tượng, sự kiện ở thế giới thực. Ở MANETs chủ yếu là dữ liệu.
• Nguồn giới hạn, năng lượng trong WSNs được quản lí sử dụng rất chặt chẽ. Trong MANETs có thể khơng bị giằng buộc bởi nguồn cung cấp do các thiết bị thơng
tin có thể được thay thế nguồn cung cấp thường xuyên bởi người dùng. • Số lượng node trong WSNs rất lớn, MANETs ít hơn.
• Do sự khác biệt giữa hai mơ hình giao thức mà các giao thức định tuyến trong MANETs không thể áp dụng hồn tồn cho WSNs. Tuy nhiên WSNs có thể coi như
một phần trong MANETs adhoc.

1.2. Tổng quan về kĩ thuật WSN