Đồ án Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng

Mục lục Thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ADC Analogue/Digital converter Bộ chuyển đổi tương tự / số AODV Ad Hoc On-Demand Distance- Vector Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời API Application program interface Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng ARC Adaptive transmitssion rate control Điều khiển tốc độ truyền dẫn thích ứng ARQ automatic repeat request Cơ chế sửa lỗi bằng yêu cầu lặp lại tự động BER Bit error rate Tỷ lệ lỗi bit CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập theo cảm biến lưu lượng DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector Định tuyến theo chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động FDMA Frequency division multiple access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward error correction Cơ chế sửa lỗi trước GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu HTTP HyperText Tranffer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản ISM band Industrial, Scientific and Medical band Dải tần sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp, khoa học và y học LEACH Low energy adaptive clustering hierarchy Phân cấp cụm thích ứng với năng lượng thấp MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn MANET Mobile ad hoc network Mạng di động ad hoc (tạm thời, không có cơ sở hạ tầng) ME Minimum energy Năng lượng tiêu thụ cực tiểu MECN Minimum energy communication network Mạng truyền thông với năng lượng cực tiểu MH Minimum hop Số bước nhảy cực tiểu NAM Network AniMator Mô tả mạng bằng hình ảnh động NS-2 Network Simulator version 2 Phần mềm mô phỏng mạng phiên bản2 Otcl Object-oriented tool command language Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh hướng đối tượng PA Power available Mức năng lượng hiện tại QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ REQ Request message Bản tin yêu cầu RERR Route error packet Gói báo lỗi tuyến RREP Route reply packet Gói đáp ứng yêu cầu tuyến RREQ Route request packet Gói yêu cầu tuyến RS-232 Serial Radio Link - 232 Liên kết vô tuyến nối tiếp theo chuẩn RS-232 SAR Sequential assignment routing Định tuyến chỉ định liên tục SMECN Small minimum energy communication network Mạng truyền thông với năng lượng cực tiểu loại nhỏ SMACS Self Organizing MAC for Sensor network Giao thức MAC tự tổ chức cho mạng sensor SMP Sensor management protocol Giao thức quản lý sensor SPIN Sensor protocols for information via negotiation Các giao thức thông tin sensor thông qua thỏa thuận SQDDP Sensor query and data dissemination protocol Giao thức truy vấn sensor và phổ biến số liệu SQL Structure Query Language Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc SQTL Sensor query and tasking language Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ sensor SSF Scalable Simulation Framework Cơ cấu mô phỏng mở rộng TADAP Task assignment and data advertisement protocol Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn/giao thức Internet TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TORA Temporally Ordered Routing Algorithm Định tuyến bằng thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian WINS Wireless Integrated network sensors Mạng các thiết bị cảm biến tích hợp thiết bị thu phát không dây WISENET WIreless SEnsor NETwork Hệ thống mạng sensor không dây WISENET WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây Lời nói đầu Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch điện tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem lại nhiều ứng dụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất kỳ điều kiện và vùng địa lý nào. Có nhiều phương pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin trong đó mạng Wireless Sensor hiện đang được dùng phổ biến trên thế giới và đang dần xâm nhập vào nước ta. Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng Wireless Sensor như vấn đề năng lượng, vấn đề đồng bộ sensor, vấn đề mở rộng mạng... Năng lượng luôn là yếu tố quan trọng của tất cả các loại mạng. Với mạng Wireless Sensor do tính đặc thù của mạng là hạn chế về phần cứng và ứng dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lượng càng trở lên quan trọng. Trước thực tế này, được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, em đã chọn đề tài đồ án: “Vấn đề năng lượng trong mạng Wireless Sensor và đánh giá bằng mô phỏng”. Mục đích của đồ án này là tìm hiểu các vấn đề liên quan tới năng lượng trong mạng Wireless Sensor, từ đó đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong mạng và tận dụng các nguồn năng lượng sạch trong tự nhiên. Đồ án gồm 4 chương: 1 - Chương I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor 2 - Chương II : Năng lượng trong mạng Wireless Sensor 3 - Chương III : Phần mềm mô phỏng cho mạng Wireless Sensor 4 - Chương IV: Mô phỏng mạng Wireless Sensor Do còn hạn chế về kiến thức và năng lực nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, đã hướng dẫn em về chuyên môn cũng như phương pháp làm việc để em có thể hoàn thành đồ án. Qua đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, các cô trong Khoa Viễn Thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính - Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này. Hà Nội ngày 31 tháng 10 năm 2005 Sinh viên Phan Viết Thời Chương I : Tổng quan về mạng Wireless Sensor 1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây Các thiết bị cảm biến (Sensor) được kết nối thành mạng, phối hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ với quy mô lớn, được đặt nhiều hy vọng nhằm cách mạng hóa trong lĩnh vực thu thập thông tin ở bất kì điều kiện và vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút Sensor không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng Sensor có dây truyền thống được. Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp... 1.2. Nền tảng phát triển mạng Việc phát triển mạng Wireless Sensor dựa trên công nghệ mạng Ad hoc không dây và được thúc đẩy bởi hai yếu tố là nhu cầu ứng dụng và các tiến bộ công nghệ. 1.2.1. Mạng Ad hoc không dây Mạng Ad hoc không dây là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, được triển khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện như để tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp,.v.v. Mạng Ad hoc không cần các thành phần cơ sở hạ tầng như tổng đài, trạm thu phát gốc hay bất kì một trung tâm điều khiển nào. Tất cả các nút di động trong mạng Ad hoc được liên kết động với nhau một cách tuỳ ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài. Tất cả các nút này đều có thể hoạt động như một bộ định tuyến nhờ khả năng tìm và duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng. Các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc có thể chia thành hai loại: - Các giao thức định tuyến theo bảng: mỗi nút mạng sẽ duy trì và cập nhật thông tin định tuyến tới mọi nút mạng khác. - Các giao thức định tuyến theo yêu cầu: Việc định tuyến chỉ được thực hiện khi có yêu cầu chuyển gói, nhờ cơ chế tìm đường. Hiện nay có bốn giao thức định tuyến được sử dụng trong mạng Ad hoc: Định tuyến theo chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự Trong Định tuyến theo chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự (Destination-Sequenced Distance-Vector - DSDV), mọi trạm di động đều có một bảng định tuyến trong đó ghi các đích hiện tại, số các bước nhảy để đến được đích và số thứ tự được gán cho nút đích. Số thứ tự này được sử dụng để phân biệt các tuyến và như vậy tránh được sự hình thành các vòng lặp. Các trạm định kỳ gửi bảng định tuyến của nó cho các nút lân cận của nó. Một trạm cũng gửi bảng định tuyến nếu một thay đổi đáng kể trong bảng so với lần gửi cập nhật cuối cùng được phát hiện. Như vậy, việc cập nhật được thực hiện cả theo thời gian và theo sự kiện. Các bảng định tuyến có thể được gửi cập nhật theo hai cách: chuyển toàn bộ (“full dump”) hay cập nhật phần gia tăng. Theo cách chuyển toàn bộ, bảng định tuyến sẽ được gửi trọn vẹn đến các nút lân cận và nó có thể bao gồm nhiều gói tin. Ngược lại, theo cách cập nhật phần gia tăng, chỉ những mục ghi mới của bảng định tuyến so với lần cập nhật cuối cùng mới được gửi đi và phải vừa trong một gói tin. Khi mạng tương đối ổn định, các gói cập nhật phần gia tăng được sử dụng để tránh việc lưu lượng tăng cao và việc chuyển toàn bộ (full dump) ít được sử dụng hơn. Trong các mạng thay đổi nhanh, số lượng các gói cập nhật phần gia tăng có thể trở lên rất lớn nên việc chuyển toàn bộ bảng được thực hiện thường xuyên hơn. Định tuyến bằng thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian Định tuyến bằng thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian (Temporally Ordered Routing Algorithm - TORA) là một giao thức định tuyến trên cơ sở một thuật toán “đảo liên kết” (“Link Reversal”). Nó được thiết kế để tìm các tuyến đường theo yêu cầu, cung cấp nhiều tuyến tới một đích, thiết lập tuyến nhanh và giảm tới mức tối thiểu phần phụ tải (overhead) bằng thuật toán khoanh vùng chống lại các thay đổi về hình trạng mạng có thể sảy ra. Việc tối ưu định tuyến (tìm đường ngắn nhất) được coi là thứ yếu và việc định tuyến với các đường dài hơn được sử dụng thường xuyên để tránh phần phụ tải khi tìm đường mới. Hoạt động của giao thức TORA được hình dung giống như đưa nước chảy dốc xuống qua một mạng các đường ống và hướng tới một điểm đích. Các đường ống mô tả các liên kết giữa các nút mạng, các điểm nối các đường ống này mô tả các nút mạng và nước chảy trong các ống mô tả các gói tin được định tuyến hướng tới đích. Mỗi nút có một độ cao so với đích được tình toán bởi giao thức định tuyến và độ cao giảm dần trên tuyến, nhờ vậy có thể chuyển gói tin một cách tuần tự để tới đích. Giao thức định tuyến nguồn động Điểm cơ bản của giao thức định tuyến nguồn động ( Dynamic Source Routing - DSR) là việc sử dụng định tuyến nguồn. Tức là, nơi gửi nhận biết được hoàn toàn tuyến đường gồm các liên kết dẫn tới đích. Các tuyến đường này được lưu trong bộ nhớ định tuyến (Route Cache). Các gói dữ liệu mang theo thông tin định tuyến nguồn trong tiêu đề gói. Khi một nút trong mạng Ad hoc muốn gửi một gói tin tới một đích mà nó chưa nhận biết được tuyến đường, nó sẽ sử dụng một tiến trình tìm đường (Route Discovery) để xác định một tuyến. Tiến trình tìm đường sẽ gửi tràn lan vào trong mạng các gói yêu cầu tuyến (Route Request-RREQ). Mỗi nút nhận được RREQ lại tiếp tục quảng bá nó, trừ khi nút đó là nút đích hoặc có một tuyến tới đích được lưu trong bộ nhớ định tuyến. Các nút này trả lời các gói RREQ bằng các gói hồi âm định tuyến (Route Reply-RREP). Các gói này được định tuyến trở lại nguồn. Các gói RREQ và RREP cũng được định tuyến theo nguồn. Các gói RREQ lập lên một tuyến xuyên qua mạng. Gói RREP định tuyến trở lại nguồn bằng cách đi ngược trở lại theo tuyến đường này. Thông tin về tuyến được mang trở lại bằng gói RREP và được lưu tại nguồn để sử dụng. Nếu một liên kết trên một tuyến bị sự cố, nút nguồn được thông báo bằng một gói lỗi (Route Error-RERR). Nguồn sẽ xoá tuyến này trong bộ nhớ định tuyến và bắt đầu một tiến trình tìm đường mới nếu tuyến này còn cần thiết. Trong DSR không cần một cơ chế đặc biệt nào để phát hiện các vòng lặp định tuyến. Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu tạm thời (Ad hoc On-Demand Distance- Vector Routing - AODV) có điểm giống DSR là nó cũng tìm các đường có yêu cầu thông qua một bằng một tiến trình tìm đường tương tự. Tuy nhiên, AODV sử dụng một cơ chế rất khác để lưu giữ thông tin định tuyến. Nó sử dụng các bảng định tuyến truyền thống, mỗi mục là một đích. Đây là điểm ngược lại DSR (DSR có thể lưu giữ nhiều mục cho mỗi đích). Không có định tuyến nguồn, AODV dựa vào các mục trong bảng định tuyến để truyền một RREP trở về nguồn và sau đó,được sử dụng để định tuyến các gói số liệu được tới đích. AODV sử dụng các số thứ tự được lưu tại mỗi đích để xác định tính mới của thông tin định tuyến và chống lại các vòng lặp định tuyến. Tất cả các gói đều mang theo các số thứ tự này. Một đặc điểm quan trọng của AODV là lưu giữ các trạng thái định giờ căn bản trong mỗi nút để tận dụng các mục trong bảng định tuyến đơn. Một mục trong bảng định tuyến có thể bị xoá nếu nó không được sử dụng trong thời gian gần. Giao thức DSDV là giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức DSR, TORA, AODV thuộc loại giao thức định tuyến theo yêu cầu. 1.2.2. Nền tảng công nghệ Các tiến bộ trong công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử rất nhỏ giá rẻ với công suất thấp và phân hóa chức năng cao, các bước tiến trong công nghệ mạng không dây và trong lĩnh vực vi điều khiển đã tạo ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực cảm biến và thu thập dữ liệu. Việc sử dụng các bộ vi điều khiển công suất thấp tích hợp khối thu phát vô tuyến và các thiết bị cảm biến tương tự, số khác nhau cho phép một mạng các thiết bị cảm biến không dây hoạt động bằng nguồn acquy có thể thu thập dữ liệu về môi trường trong phạm vi lớn. Dữ liệu này có thể được tải đến một máy tính và được lưu trong cơ sở dữ liệu. Sau đó, có thể được phân tích thông qua một phần mềm ứng dụng. Kết quả có thể được truy xuất trực tiếp hoặc bởi một trình duyệt Web chuẩn ở bất cứ đâu trên Internet. Các mạng Sensor ngày nay có những cải tiến đáng kể so với các Sensor truyền thống theo hai hướng: Các Sensor có thể đặt ở xa hiện tượng tức là các thông tin về hiện tượng có được nhờ năng lực cảm biến và phân tích. Theo hướng này, yêu cầu các Sensor lớn sử dụng một số kỹ thuật phức tạp để nhận biết được các đích từ các tạp âm môi trường ở khoảng cách xa. Nhiều Sensor chủ yếu chỉ hoạt động cảm biến được triển khai. Vị trí các Sensor và hình trạng thông tin được tính toán cẩn thận. Chúng được liên kết thành một mạng để truyền thông tin về các diễn biến của hiện tượng được thăm dò tới các nút trung tâm, nơi tiếp nhận và xử lý dữ liệu. Một mạng Sensor bao gồm một số lượng lớn các nút được triển khai dày đặc bên trong đối tượng cần thăm dò hoặc ở rất gần nó. Vị trí của các Sensor phải không cần định trước. Điều này cho phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc trong các hoạt động tránh sự nguy hiểm. Điều này cũng có nghĩa là các thuật toán và giao thức phải có khả năng tự tổ chức. Một đặc trưng nữa của mạng Sensor là khả năng cộng tác của các Sensor. Các Nút Sensor phải có bộ xử lý gắn trong. Thay vì chuyển các dữ liệu thô đến các nút có nhiệm vụ xử lý, các nút Sensor sẽ sử dụng khả năng tính toán của nó để thực hiện các xử lý đơn giản và chỉ chuyển đi các dữ liệu được yêu cầu và đã qua xử lý sơ bộ. Các đặc điểm trên đưa đến một phạm vi ứng dụng lớn của mạng Sensor. Một số lĩnh vực được ứng dụng là y tế, quân sự và an ninh. Ví dụ như các bác sỉ sẽ kiểm tra từ xa các dữ liệu về sinh lý bệnh nhân. Điều này vừa thuận tiện cho bệnh nhân vừa giúp các bác sĩ hiểu rõ hơn về tình trạng bệnh nhân. Mạng Sensor còn được sử dụng để phát hiện các tác nhân hóa học trong không khí và nước. Chúng giúp chỉ ra kiểu, sự cô lại và vị trí của các chất. Về cơ bản, các mạng Sensor cung cấp cho người sử dụng sự hiểu tốt hơn, thông minh hơn về môi trường. Chúng ta có thể thấy rằng trong tương lai, các mạng wireles Sensor sẽ là một phần không thể thiếu trong cuộc sống, giống như máy tính cá nhân hiện nay. Các ứng dụng thực tế của mạng Sensor yêu cầu phải sử dụng công nghệ mạng Wireless Ad hoc. Mặc dù vậy, có nhiều thuật toán và giao thức đã được sử dụng cho các mạng Wireless Ad hoc truyền thống nhưng chúng không phù hợp lắm với các đặc tính và yêu cầu ứng dụng của mạng Sensor, Để minh hoạ điểm này, sự khác nhau giữa mạng Sensor và mạng Wireless Ad hoc được được phác hoạ dưới đây : Số lượng nút Sensor trong mạng Sensor có thể được yêu cầu ở mức lớn hơn rất nhiều so với các mạng Ad hoc. Các nút Sensor được triển khai với mật độ lớn hơn. Các nút Sensor thường gặp trục trặc Hình trạng mạng Sensor thay đổi rất thường xuyên. Các nút Sensor thường sử dụng mô hình thông tin quảng bá ngược lại các mạng Ad hoc sử dụng truyền thông điểm- điểm. Các nút Sensor có hạn chế về công xuất, khả năng tính toán và bộ nhớ. Các nút Sensor có thể không có nhận dạng toàn cục do số lượng nút Sensor lớn. Vì một số lượng lớn nút Sensor được triển khai dày đặc nên các nút lân cận có thể rất gần nhau. Do đó, truyền thông đa liên kết (Multihop) được chọn để công suất sử dụng thấp hơn so với truyền thông đơn liên kết truyền thống (Single hop).Hơn nữa, công suất truyền dẫn có thể giữ ở mức thấp, điều này rất cần cho các hoạt động ngầm. Truyền thông đa liên kết còn có một số hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền thông khoảng cách xa. Một hạn chế quan trọng nhất của các nút Sensor là yêu cầu phải tối thiểu công suất tiêu thụ. Các nút Sensor chỉ tích trữ được nguồn năng lượng hạn chế và không được thay thế. Vì vậy, trong khi các mạng truyền thống luôn đặt mục tiêu cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cao thì các giao thức trong mạng Sensor phải chú trọng đến sự bảo tồn nguồn năng lượng. Người sử dụng phải chọn giữa tuổi thọ của mạng với hạn chế về thông lượng hay độ trễ truyền dẫn lớn. 1.3. Mô tả hệ thống 1.3.1. Mô tả hệ thống tổng quát Các nút Sensor được triển khai trong một trường Sensor (Sensor field) được minh họa trên hình 1.1. Mỗi nút Sensor được phát tán có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ nút Sink đến các nút Sensor. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (nút Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite). Hình 1.1: Mô hình triển khai các nút Sensor Một nút Sensor được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút Sensor còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một nút Sensor được minh hoạ trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự / số (ADC). Các tín hiệu tương tự có được từ các Sensor trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút Sensor và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của nút Sensor là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho nút Sensor và không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ. Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng Sensor và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút Sensor thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút Sensor theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công. Bộ nguồn Bộ sinh năng lượng Sensor Thiết bị xử lý Bộ thu phát Hệ thống tìm vị trí Thiết bị di động ADC Thiết bị nhớ Bộ cảm biến Bộ xử lý Hình 1.2: Các thành phần của nút Sensor Để minh hoạ rõ hơn về mạng Sensor không dây trong thực tế, phần tiếp sau đây sẽ giới thiệu một hệ thống mạng Sensor điển hình. Đó là hệ thống WISENET. 1.3.2. Hệ thống WISENET a) Giới thiệu hệ thống WISENET WISENET (Wireless Sensor NETwork) là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi trường như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến không dây công suất thấp được gọi là các “hạt cảm biến” (Sensor motes). Dữ liệu này được chuyển tới một máy chủ và được lưu trong một cơ sở dữ liệu. Một chương trình Web sẽ nhận dữ liệu phân tích và hiển thị trên trình duyệt Web. Mỗi hạt Sensor được tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô tuyến, các phần tử cảm biến môi trường và nguồn nuôi. Một hệ điều hành thời gian thực được gọi là TinyOS (Tiny Operation System) được sử dụng để tối thiểu công suất tiêu thụ mà vẫn cung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạt động tập trung đồng thời. b) Sơ đồ hệ thống WISENET Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data Analysis Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành phần chính là trạm chủ (Server), trạm người dùng (Client) và mạng các hạt Sensor (Sensor mote network). Hình 1.3; Sơ đồ hệ thống WISENET Các hệ thống con chính là: - Hệ thống con phân tích số liệu: Hệ thống con này chỉ gồm phần mềm . Nó dựa trên cơ sở hạ tầng Internet và Web hiện tại (HTTP) để truyền thông tin giữa máy tính chủ (Server) và máy truy cập (Client). Nhiệm vụ của hệ thống con này là chọn lấy các dữ liệu môi trường thích hợp chưa được xử lý, có được nhờ hệ thống thu nhận dữ liệu, phân tích và gửi kết quả đến người dùng theo yêu cầu. - Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu môi trường và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý. Hệ thống con bao gồm mạng các Sensor được kết hợp với máy tính chủ được cài đặt phần mềm hệ thống (TinyOS Daemon). Các thành phần chính của hệ thống bao gồm: - Trạm người dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhưng là thành phần bên ngoài. Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệt Web (Web browser) và được nối mạng Internet. Nó chỉ đóng vai trò là giao diện của người sử dụng đối với hệ thống phân tích số liệu. Nó đưa ra yêu cầu số liệu của người sử dụng với trạm chủ và thu lấy các số liệu đã yêu cầu. Trạm chủ (Server): Đây là thành phần then chốt của hệ thống, là mối liên lạc giữa hai hệ thống con thu nhận và phân tích số liệu. Về mặt phân tích số liệu nó là một máy chủ HTTP (HTTP Server) mang một ứng dụng Web (Web program). Khi nhận được một yêu cầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web này nhận số liệu từ cơ sở dữ liệu (SQL Database), phân tích và đưa lại trang theo yêu cầu đến máy tính người dùng (Client). Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có một trình tiện ích hoạt động ngầm (Daemon) được gọi là wiseDB để trao đổi thông tin dễ dàng với mạng Sensor. WiseDB đảm nhận việc gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp R232 đến cổng giao tiếp (gateway mote) để chuyển tới mạng Sensor. Nó cũng đảm nhận việc thu thập số liệu từ mạng Sensor (cũng thông qua gateway mote). Số liệu đưa đến được xử lý rất ít và được chuyển vào cơ sở dữ liệu. Như vậy, cơ sở dữ liệu SQL là cầu nối giữa hai hệ thống thu nhận và xử lý số liệu. Vì cơ sở dữ liệu SQL liên lạc thông qua TCP/IP nên chỉ trạm chủ HTTP và chương trình Web cần phải được đặt trong cùng một tổ chức vật lý. Trạm chủ HTTP, cơ sở dữ liệu SQL, wiseDB có thể đặt trong các tổ chức vật lý khác nhau và kết nối thông qua Internet. Trình tự hoạt động của Server được tóm tắt như sau: Kiểm tra các tham số điều kiện hợp lệ. Nhận số liệu từ cơ sở dữ liệu, tuỳ theo ràng buộc của trạm khách Tạo trang Web với dữ liệu đã được yêu cầu Client yêu cầu số liệu với các điều kiện Gửi trang Web đến Client. Hình 1.4: Trình tự hoạt động của Server Mạng các hạt Sensor: Mạng các Sensor là thành phần trọng tâm của hệ thống. Các Sensor đảm nhận việc thu thập số liệu môi trường và chuyển các số liệu này đến trạm chủ. Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về số liệu hay tải chương trình mới. Có hai phần tử thuộc thành phần này. Thứ nhất là các hạt thông thường (Standard mote). Các hạt này có nhiệm thu thập các thông tin cảm biến từ môi trường, bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này đến gateway. Chúng truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần ISM 900 MHz và đảm bảo tất cả các gói đều được đưa tới Gateway. Chúng còn có phần cứng hiệu chỉnh và giám sát công suất nguồn. Hạt cổng (Gateway mote) là phần tử thứ hai của mạng Sensor motes. Mục đích chính của nó là liên lạc giữa trạm chủ và mạng Sensor qua liên kết vô tuyến RS-232 và chuyển tất cả các gói số liệu tới WiseDB. Cả hai phần tử Standard mote và Gateway mote đều có cùng phần cứng và phần mềm, chúng chỉ khác nhau vế chức năng. Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor gồm: Các thành phần trong hạt Sensor được minh hoạ trên hình 1.5, bao gồm: - Các Sensor cảm biến ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ (Light, Humidity, Temp); các LED trạng thái. - Mạch thu phát vô tuyến, mạch giao tiếp RS-232 (UARTS), các bộ chuyển tương tự-số (ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điều hành TinyOS, phần mềm) được tích hợp trên vi mạch CC1010. - Phần mềm hệ thống (drivers) giao tiếp RS-232 (chỉ trong gateway), bộ thu phát vô tuyến và antent. -Bộ nguồn nuôi (gồm acquy, mạch giám sát nguồn). c) Các tiêu chuẩn được áp dụng * Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP). * Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc (SQL). * Liên kết vô tuyến nối tiếp RS-232. * Liên kết nối tiếp vi điều khiển (I2C). * Quy định FCC (dải tần công nghiệp, khoa học, y tế ISM). 1.4. Tổng quan về kiến trúc mạng Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (nút Sink) và tất cả các nút Sensor được minh họa trong hình 1.6. Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút Sensor. Ngăn xếp giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane). Hình 1.6: Ngăn xếp giao thức mạng Sensor Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng Sensor yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút Sensor có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các nút lân cận . Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các nút Sensor. Các mặt bằng này giúp cho các nút Sensor có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ. Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một nút Sensor sử dụng năng lượng của nó như thế nào. Ví dụ, nút Sensor có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các nút lân cận. Điều này có thể tránh được việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của nút Sensor thấp, nút Sensor sẽ thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của nút Sensor, vì thế một tuyến đường hướng tới nút user luôn được duy trì và các nút Sensor có thể theo dõi được các nút Sensor lân cận. Với việc nhận biết được các nút Sensor lân cận, nút Sensor có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng. Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả các Sensor trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một vài nút Sensor thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút Sensor có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng Sensor di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút Sensor. Nếu không, mỗi nút Sensor sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng Sensor, sẽ hiệu quả hơn nếu các nút Sensor có thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng. 1.4.1. Lớp ứng dụng Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng Sensor được vạch rõ và được đề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng Sensor vẫn còn là một vùng rộng lớn chưa được khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý Sensor (Sensor Management Protocol-SMP), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu (Task Assignment and Data Advertisement Protocol-TADAP), giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu (Sensor Query and Data Dissemination Protocol-SQDDP), rất cần thiết cho mạng Sensor trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng Sensor. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở. 1.4.1.1. Giao thức quản lý Sensor Việc thiết kế một giao thức quản lý lớp ứng dụng có nhiều thuận lợi. Mạng Sensor có nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau và việc truy nhập đến các Sensor thông qua các mạng như Internet được định hướng trong một số các dự án hiện nay. Một giao thức quản lý lớp ứng dụng làm cho phần cứng và phần mềm của các lớp thấp trở lên trong suốt với các ứng dụng quản lý mạng Sensor. Tức là, việc sử dụng các phần cứng và phần mềm nào cho lớp thấp không ảnh hưởng tới hoạt động của các ứng dụng quản lý mạng Sensor. Các nhà quản trị hệ thống tác động tới mạng Sensor nhờ sử dụng SMP. Không như nhiều mạng khác, mạng Sensor bao gồm các nút không có các số nhận dạng ID (IDentify ) toàn cục và chúng thường không có cơ sở hạ tầng mạng. Vì thế SMP cần phải truy nhập tới các nút bằng cách sử dụng đặt tên thuộc tính cơ sở và đánh địa chỉ vị trí cơ sở. SMP là một giao thức quản lý cung cấp hoạt động phần mềm cần thiết để thực hiện nhiệm vụ quản trị mạng sau: - Đưa ra các quy tắc liên quan tới việc tập hợp số liệu, đặt tên thuộc tính cơ sở, tập hợp các nhóm nút Sensor thành cụm. - Trao đổi số liệu liên quan tới các thuật toán tìm vị trí - Đồng bộ thời gian cho các nút Sensor - Di chuyển các nút Sensor - Bật và tắt các nút Sensor - Truy vấn cấu hình mạng Sensor và trạng thái nút, định dạng lại cấu hình mạng Sensor - Xác nhận, phân phối khoá và bảo mật trong truyền thông số liệu 1.4.1.2. Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu Một hoạt động quan trọng khác trong mạng Sensor là phổ biến yêu cầu về số liệu. Người sử dụng có thể gửi yêu cầu này tới một nút Sensor, tới một mạng con hoặc tới toàn mạng. Yêu cầu này có thể là về một thuộc tính nào đó của hiện tượng mục tiêu hoặc một sự kiện đáng quan tâm. Sau đó, các Sensor liên quan sẽ gửi các số liệu được yêu cầu tới người sử dụng. Một phương pháp khác là quảng cáo các số liệu có sẵn. Trong phương pháp này, các nút Sensor quảng cáo các số liệu có sẵn cho người dùng và truy vấn người sử dụng về số liệu mà họ quan tâm tới . Một giao thức lớp ứng dụng cung cấp cho người dùng phần mềm với giao diện cho việc truyền đạt yêu cầu hỗ trợ rất hiệu quả cho các hoạt động của lớp thấp hơn, như định tuyến 1.4.1.3 Giao thức truy vấn Sensor và phổ biến số liệu SQDDP cung cấp cho người sử dụng những ứng dụng bao gồm giao diện truy vấn, phản hồi truy vấn và thu thập phản hồi gửi tới. Cần lưu ý rằng hầu hết các truy vấn không được đưa ra cho từng nút riêng. Thay vào đó, việc đặt tên thuộc tính cơ sở và vị trí cơ sở được sử dụng nhiều hơn. Ví dụ: “vị trí của những nút mà cảm biến được nhiệt độ cao hơn 70 độ F ” là một truy vấn thuộc tính cơ sở. Tương tự như vậy, “nhiệt độ đọc ra bởi những nút trong vùng A” là một ví dụ đặt tên vị trí cơ sở. Ngôn ngữ truy vấn và đặt nhiệm vụ Sensor (Sensor Query And Tasking Language-SQTL) là một ứng dụng cung cấp một tập hợp lớn dịch vụ. SQTL hỗ trợ ba loại sự kiện được định nghĩa bằng từ khóa receive, every and expire. Từ khóa receive định nghĩa các sự kiện được tạo ra bởi nút Sensor khi nút Sensor nhận được một bản tin (Message); từ khóa Every định nghĩa các sự kiện xảy ra định kỳ theo một bộ định thời gian (Timer), từ khóa Expire định nghĩa các sự kiện xảy ra khi một bộ định thời gian không còn hiệu lực. Nếu một nút Sensor nhận được một thông báo dành cho nó và bao gồm một đoạn mã lệnh, nút Sensor sẽ thực hiện đoạn lệnh đó. Ngoài SQTL, các loại SQDDP khác có thể phát triển cho những ứng dụng khác nhau. Các SQDDP có thể được sử dụng duy nhất cho từng ứng dụng. 1.4.2 Lớp giao vận Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các nút Sensor có báo cáo cần chuyển tới nút thu nhận (Sink) và nút người sử dụng. Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên ngoài khác. Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn chưa phù hợp với đặc trưng của môi trường mạng Sensor hiện nay. Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ các nút Sensor trực tiếp đến nút quản lý của người sử dụng là không hiệu quả. Phương pháp phân tách TCP là cần thiết để mạng Sensor tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet. Trong phương pháp này, kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa nút quản lý của người sử dụng và nút thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi trường mạng Sensor được sử dụng cho truyền thông giữa nút thu nhận và các nút Sensor. Kết quả là truyền thông giữa nút người sử dụng và nút thu nhận có thể sử dụng giao UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh. Mặt khác, việc truyền thông giữa nút thu nhận và các nút Sensor chỉ sử dụng hoàn toàn các giao thức kiểu như UDP, bởi vì các nút Sensor có bộ nhớ hạn chế. Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền thông đầu cuối (end to end) trong mạng Sensor không địa chỉ toàn cục. Các phương pháp này dựa trên việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu. Các nhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các đặc trưng như định tuyến tập trung số liệu khiến cho mạng Sensor cần phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận. Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận. 1.4.3 Lớp mạng Các nút Sensor được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa bước phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của mạng Sensor được thiết kế theo những nguyên tắc sau : - Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng - Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung - Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút Sensor . - Một mạng Sensor lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí. 1.4.4. Liên kết liên mạng Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp sự liên kết mạng với các mạng bên ngoài như các mạng Sensor khác, các hệ thống phát lệnh và điều khiển hay Internet. Trong một mô hình mạng, các nút Sink được sử dụng như một cổng (Gateway) đến các mạng khác. Trong một mô hình mạng khác, một đường trục được tạo ra bằng việc kết nối các nút Sink với nhau và đường trục này được truy nhập tới các mạng khác thông qua một Gateway. Các giao thức Mô tả giao thức SMECN Tạo một lược đồ con của mạng Sensor gồm đường ME Tràn Quảng bá số liệu tới tất cả các nút lân cận mà không quan tâm đến việc chúng đã nhận nó hay chưa Dây truyền Gửi số liệu tới một nút lân cận được lựa chọn ngẫu nhiên Chỉ gửi các số liệu tới các nút Sensor nếu chúng được yêu cầu; có 3 loại bản tin : ADV, REQ và DATA SPIN SAR Tạo nhánh nhiều nhánh cây với gốc của mỗi nhánh cây là một bước tới nút lân cận từ nút Sink; chọn một cây cho số liệu để định tuyến trở lại bộ nhận theo tài nguyên năng lượng và việc đo QoS bù. LEACH Tạo các cụm (Cluster) để tối thiểu hóa tiêu thụ năng lượng Truyền tin có định hướng Thiết lập các chỉ hướng cho số liệu từ nguồn tới nút Sink trong quá trình phổ biến sự quan tâm Bảng 1.1: Tổng quan về lớp mạng 1.4.5 Lớp liên kết số liệu Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách khung số liệu, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin cậy cho kết nối điểm -điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to Multipoint) trong mạng truyền thông. Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến lược truy nhập môi trường truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng Sensor. 1.4.5.1 Điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn Giao thức MAC trong mạng Sensor tự tổ chức đa bước không dây (Wireless Multihop Self-organizing Sensor network) phải đạt được hai mục tiêu. Thứ nhất là phải tạo ra cơ sở hạ tầng mạng. Vì hàng nghìn nút Sensor được phân bố dày đặc trong một trường Sensor nên giao thức MAC phải thiết lập được những liên kết thông tin để truyền số liệu. Việc này sẽ lập lên cơ sở hạ tầng nền tảng cần thiết cho truyền thông không dây đa bước và tạo cho mạng Sensor khả năng tự tổ chức. Nhiệm vụ thứ hai là chia sẻ tài các nguyên thông tin một cách hiệu quả và cân bằng giữa các nút Sensor. Các giao thức MAC truyền thống có thể được phân loại dựa trên các cơ chế phân bổ tài nguyên. Bảng 2.3 cung cấp một sự phân tích các ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các loại này. Phân loại Kiểu chia sẻ tài nguyên Phạm vi ứng dụng Nhược điểm Chỉ định riêng hay phân bổ cố định Phân bổ cố định được xác định trước Thích hợp với lưu lượng liên tục và cung cấp hạn chế trễ Không hiệu quả với lưu lượng cao Dựa trên nhu cầu Tuỳ thuộc vào nhu cầu hay yêu cầu của người dùng Hữu ích đối với tốc độ biến đổi và lưu lượng đa phương tiện Làm tăng phụ tải (Overhead) và trễ do tiến trình đăng kí trước tài nguyên Truy nhập ngẫu nhiên (dựa trên cạnh tranh) Tranh dành kênh khi cần chuyển gói Phù hợp với lưu lượng cao Không hiệu quả với lưu lượng nhạy cảm với trễ Bảng 1.2: Phân loại giao thức MAC 1.4.5.2 Điều khiển sửa lỗi Một chức năng quan trọng khác của lớp liên kết số liệu là điều khiển sửa lỗi cho số liệu truyền dẫn. Hai phương pháp điều khiển sửa lỗi quan trọng trong mạng truyền thông là sửa lỗi trước (Forward Error Correction-FEC) và yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request-ARQ). Phương pháp ARQ chưa được áp dụng trong mạng Sensor mặc dù đã có nhiều dạng ARQ có khả năng thích ứng và hiệu quả đã được áp dụng cho các mạng di động khác. Khả năng ứng dụng của phương pháp ARQ trong mạng Sensor bị hạn chế do việc tăng chi phí trước khi truyền dẫn và phụ tải. Mặt khác, độ phức tạp trong mã hoá của phương pháp FEC tăng theo khả năng hiệu chỉnh lỗi. Xét về mặt này, việc sử dụng các mã đơn giản là giải pháp tốt nhất cho mạng Sensor. Trong thiết kế của phương pháp này, vấn đề quan trọng là phải xem xét kỹ lưỡng đặc điểm của kênh và kỹ thuật mã. Phần tiếp theo sẽ trình bày động lực ứng dụng và cơ sở thiết kế thủ tục FEC theo yêu cầu của mạng Sensor. FEC: Độ tin cậy của liên kết là tham số quan trọng trong thiết kế bất kì một mạng không dây nào, điều này càng quan trọng hơn với mạng Sensor do tính chất gay gắt và không ổn định của sự đụng độ kênh trong các ứng dụng khác nhau. Một số các ứng dụng như giám sát di động và điều hành máy móc đòi hỏi độ chính xác số liệu cao. Tỷ số lỗi bít (BER) là tham số quan trọng để đánh giá độ tin cậy của liên kết. BER tỷ lệ thuận với tốc độ kí hiệu Rs và tỷ lệ nghịch với tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Es / N0) và mức công xuất phát Pout. Giả sử một phương pháp mã hoá với tỷ lệ R được sử dụng. Nếu tốc độ truyền kí hiệu số liệu được giữ không đổi so với trước khi mã hoá thì tốc độ truyền kí hiệu tổng phải tăng đến Rs / R. Ngoài ra, nếu công suất truyền dẫn không đổi thì năng lượng thu được trên một kí hiệu giảm đến REs. BER đo được ở đầu vào bộ giải mã, BER của tín hiệu chưa được xử lý, lớn hơn BER của tín hiệu sau giải mã. Điều này có được nhờ bộ giải mã bằng cách khai thác phần dư thừa và cầu trúc của bộ mã để hiệu chỉnh một số lỗi đường truyền. Trong thực tế, một mã sửa lỗi tốt được đánh giá qua mức độ giảm BER và độ lợi chung. Độ lợi mã được đánh giá bằng công suất phát thêm vào cần thiết trong trường hợp không dùng mã sửa lỗi để đạt được cùng BER của tín hiệu sau giải mã. Việc truyền thông số liệu một cách tin cậy có thể được cung cấp bằng cách tăng công xuất phát ra (Pout) hoặc sử dụng cơ chế FEC phù hợp. Vì một nút Sensor có nguồn năng lượng giới hạn nên việc tăng công suất phát là không khả thi. Do đó, phải tập trung vào FEC vì FEC có thể giảm đáng kể BER với bất kì giá trị Pout được cho. Tuy nhiên, cũng phải tính đến công suất xử lý tăng thêm do mã hoá và giải mã. Công suất xử lý này gây bất lợi do giới hạn nguồn năng lượng của các nút Sensor. Điều này rất quan trọng đối với mạng Sensor mặc dù có thể không đáng kể với các mạng không dây khác. Nếu công xuất xử lý phát sinh này lớn hơn độ lợi mã hoá thì cả quá trình này là không hiệu quả về năng lượng và hệ thống chẳng cần phải mã hoá sửa lỗi. Mặt khác, FEC là rất quan trọng với mạng Sensor nếu tổng công suất mã hoá và giải mã nhỏ hơn công suất phát tiết kiệm được. Giả thiết một kênh có Fading Rayleigh chậm không chọn lọc tần số và sử dụng mã hoá soắn để hiệu chỉnh lỗi. Các phân tích đã đưa đến kết luận rằng năng lượng tiêu thụ trung bình cho một bit có ích tăng hàm mũ theo độ dài hạn chế của mã và không phụ thuộc vào tỷ lệ mã. Ngoài ra, FEC thường không hiệu quả nếu giải mã bằng một vi xử lý và nghiên cứu này giới thiệu một bộ giải mã Viterbi chuyên dụng gắn trên bảng mạch. Các kỹ thuật mã đơn giản có thể giải quyết vấn đề hiệu quả năng lượng cho mạng Sensor. 1.4.6 Lớp vật lý Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều chế và mã hoá số liệu. Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ không được xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng, hiệu xuất năng lượng và các phương pháp điều chế trong mạng Sensor. Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả về năng lượng và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho mạng Sensor, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài ra còn các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng fading đa đường. Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với dn , trong đó 2 ≤ n < 4. Số mũ n gần 4 với antent tầm thầp và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng Sensor. Nguyên nhân là do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất. Để giải quyết vấn đề này, người thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt để. Vi dụ, truyền thông qua nhiều bước nhảy trong mạng Sensor có thể vượt qua một cách hiệu quả các vật chắn và các hiệu ứng suy hao đường truyền nếu mật độ nút mạng đủ lớn. Tương tự, trong khi suy hao đường truyền và dung lượng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì nhờ đó ta có thể sử dụng lại tần số theo không gian. Việc lựa chọn phương thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin cậy trong truyền thông của mạng Sensor. Các phương pháp điều chế cơ hai và cơ số M được so sánh trong [36]. Trong khi một phương pháp điều chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công suất vô tuyến. Với điều kiện công suất khởi kích (được giới thiệu trong phần 2.1.8) vượt trội thì phương pháp điều chế cơ số hai có hiệu quả về năng lượng hơn. Vì thế, phương pháp điều chế cơ số M chỉ có lợi với các hệ thống có công suất khởi kích thấp. Thiết bị băng tần cực rộng (Ultrawideband-UWB) hay vô tuyến xung (Impulse Radio-IR) từng được sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các hệ thống đo khoảng cách, gần đây được chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc biệt là các mạng không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên không cần các tần số mang hoặc trung tần. Thông thường, điều chế vị trí xung được sử dụng. Ưu điểm chính của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với hiên tượng phát đa đường. Việc sử dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích hợp với các mạng Sensor. 1.5. Đặc điểm của mạng Wireless Sensor 1.5.1. Kích thước vật lý nhỏ và tiêu thụ công suất thấp Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng Sensor phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng. 1.5.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng Sensor là cảm biến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các Sensor, được thao tác và truyền lên mạng. Hoặc dữ liệu có thể được nút Sensor nhận từ các nút Sensor khác và được hướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi. Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ. 1.5.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng Sensor thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến (Sensor ) hay bộ truyền động (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn. Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp. 1.5.4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Các thiết bị Sensor được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một phạm vi ứng dụng Sensor rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ. 1.5.5. Hoạt động tin cậy Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy. 1.6. ứng dụng của mạng Sensor Mạng Sensor có thể gồm các kiểu cảm biến khác nhau như động đất, từ trường với tốc độ lấy mẫu thấp, nhiệt độ, hình ảnh, hồng ngoại, âm thanh và dò vô tuyến (radar) qua đó có thể kiểm tra được rất nhiều tính chất của môi trường xung quanh như : Nhiệt độ Độ ẩm Sự di chuyển của xe cộ Các trạng thái chớp nhoáng áp suất Thành phần đất trồng Mức tạp âm Các thành phần hiện diện hay vắng mặt của đối tượng. Các mức ứng suất của các đối tượng tiếp xúc với nhau. Các đặc tính tức thời như tốc độ, phương hướng và kích thước của một đối tượng Các nút Sensor có thể được sử dụng để thăm dò liên tục, phát hiện sự kiện, nhận dạng sự kiện, cảm biến về vị trí hoặc để điều khiển. í tưởng về vi cảm biến và kết nối vô tuyến giữa các nút mạng hứa hẹn nhiều lĩnh vực ứng dụng mới. Có thể phân loại các ứng dụng theo lĩnh vực quân sự, y tế, môi trường, gia đình và các ứng dụng thương mại khác. Có thể mở rộng sự phân chia này với nhiều loại khác như thăm dò không gian, xử lý hóa học, giảm rủi ro. 1.6.1. ứng dụng trong quân sự Các mạng Wireless Sensor là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng Sensor cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các mạng Sensor dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các Sensor truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng của mạng Sensor là : kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân (NCB). - Kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược: Các lãnh đạo và chỉ huy có thể kiểm tra thường xuyên tình trạng của quân đội, điều kiện và khả năng sẵn sàng chiến đấu của các trang bị, đạn dược trong một chiến trường bằng việc sử dụng các mạng Sensor. Mỗi người lýnh, xe cộ, trang bị đều được gắn một Sensor để thông báo trạng thái. Các thông báo này được tập hợp tại một nút thu dữ liệu (Sink nút ) và được gửi tới người chỉ huy. Các số liệu này có thể được hướng tới các cấp cao hơn trong phân cấp chỉ huy cùng với các số liệu từ các đơn vị khác tại mỗi cấp. - Theo dõi chiến trường : Tại các vùng quan trọng, các tuyến tiếp cận, các con đường và eo biển, các mạng Sensor có thể được triển khai nhanh chóng để theo dõi hoạt động của đối phương một cách rõ ràng, bí mật. Khi bản đồ công tác đã được chuẩn bị, các mạng Sensor có thể được triển khai bất cứ lúc nào để theo dõi đối phương. - Trinh sát vùng và lực lượng đối phương: Khi các mạng Sensor được triển khai tại các vùng chiến lược, các thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời có thể được thu thập trong một vài phút trước khi bị đối phương ngăn chặn. - Tìm mục tiêu: Các mạng Sensor có thể được kết hợp chặt chẽ với các hệ thống hướng đạo trong các quân trang thông minh. - Đánh giá thiệt hại của trận đánh: Ngay trước hoặc sau khi tấn công, các mạng Sensor có thể được triển khai trong vùng mục tiêu để tập hợp các số liệu đánh giá thiệt hại trong trận đánh. - Trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân: Trong các cuộc chiến tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và kịp thời các tác nhân là điều rất quan trọng. Các mạng Sensor được triển khai trong vùng chiếm đóng và được sử dụng như các hệ thống cảnh báo vũ khí sinh hóa có thể cung cấp cho quân đội các thông tin về các tác nhân có thể gây nguy hiểm, thương vong. Các mạng Sensor còn được dùng để giám sát chi tiết sau khi các tấn công sinh, hóa và hạt nhân được phát hiện. Người ta có thể có được sự trinh sát về vũ khí hạt nhân mà không phải đưa các đội trinh sát vào vùng bức xạ nguy hiểm của. 1.6.2. ứng dụng về môi trường Một số các ứng dụng về môi trường của mạng Sensor bao gồm theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí,đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường. Phát hiện cháy rừng : Vì các nút Sensor có thể triển khai dày đặc, tự do ở các vị trí cần thiết nên chúng có thể cung cấp tin tức chính xác về nguồn gốc phát lửa trước khi chúng phát tán rộng không kiểm soát được. Hàng nghìn nút Sensor có thể được triển khai và tích hợp nhờ các hệ thống quang và các tần số vô tuyến. Ngoài ra, các nút Sensor còn được trang bị các phương pháp thu năng lượng, ví dụ như dùng pin mặt trời, để các Sensor có thể tự duy trì trong nhiều tháng thậm chí nhiều năm. Các nút Sensor sẽ cộng tác với các nút khác để phân tán sự cảm biến và chống lại các trở ngại như các cành cây, khối đá làm cản trở tầm nhìn của các Sensor. Vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường: Việc lập bản đồ sinh học của môi trường đòi hỏi phải tiếp cận một cách tinh vi để kết hợp các thông tin qua các trục không gian và thời gian. Các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực cảm biến từ xa và thu thập dữ liệu tự động cho phép độ phân giải không gian, quang phổ và thời gian cao tại một đơn vị diện tích. Dựa vào công nghệ hiện nay, các nút Sensor có thể được kết nối Internet, điều này cho phép người sử dụng từ xa có thể điều khiển, kiểm tra và theo dõi các thành phần sinh học trong môi trường. Mặc dù các hệ thống cảm biến vệ tinh và trên máy bay rất hữu ích cho việc theo dõi tính đa dạng sinh học vĩ mô nhưng chúng không đủ tinh vi để tiếp cận các thành phần sinh học có kích cỡ nhỏ. Do đó cần thiết phải sử dụng mạng Sensor để theo dõi chi tiết các thành phần sinh học một cách đầy đủ. Phát hiện lũ lụt: một ví dụ về ứng dụng phát hiện lũ lụt là hệ thống ALERT được triển khai tại Mỹ. Nhiều kiểu Sensor được triển khai trong hệ thống ALERT là các cảm biến về lượng mưa, mức nước và thời tiết. Các Sensor này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm. Các dữ liệu này được tính toán, phân tích để đưa ra dự báo về tình hình nguy cơ lũ lụt. Các tính toán cho nông nghiệp: một số các hỗ trợ trong nông nghiệp là kiểm tra, tính toán kịp thời mức độ mầm bệnh trong nước uống, mức độ xói mòn đất và mức độ ô nhiễm. 1.6.3. ứng dụng trong y tế Một số ứng dụng trong y tế của mạng Sensor là cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện. Kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người: Các số liệu về sinh lý thu thập được bằng các mạng Sensor có thể được lưu trữ trong thời gian dài và có thể được sử dụng để khảo sát y học. Mạng Sensor còn được sử dụng để kiểm tra và phát hiện tình trạng của người cao tuổi như sự đột quỵ. Các nút Sensor nhỏ này cho phép các đối tượng có thể di chuyển tự do trong phạm vi rộng và các bác sĩ có thể phát hiện các triệu chứng được định nghĩa trước một cách dễ dàng. Các mạng Sensor này tạo thuận lợi hơn cho các bệnh nhân so với việc đến các trung tâm điều trị. Một nhóm có tên là “Health Smart Home’’ được tổ chức tại khoa y học của Grenoble – France để đánh giá, công nhận tính khả thi của các hệ thống này. Giám sát và kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện: Mỗi bệnh nhân có các nút Sensor nhỏ và nhẹ được gắn với họ. Mỗi nút Sensor có một nhiệm vụ riêng. Ví dụ, một nút có thể theo dõi nhịp tim, trong khi một nút khác theo dõi huyết áp. Các bác sĩ cũng có thể mang theo các nút Sensor để các bác sĩ khác biết được vị trí của họ trong bệnh viện. Quản lý dược phẩm trong bệnh viện: Các bệnh nhân được gắn các nút Sensor có thể nhận biết các dị ứng thuốc và các dược phẩm cần thiết. Như vậy, có thể giảm tối đa các sai sót trong việc kê đơn thuốc và sử dụng thuốc của bệnh nhân. 1.6.4. ứng dụng trong gia đình - Tự động hóa trong gia đình: Với các tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các nút Sensor và các bộ điều khiển thông minh có thể được gắn trong các thiết bị gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, ... Các nút này có thể tương tác với các nút khác và mạng bên ngoài thông qua Internet hoặc vệ tinh. Nhờ vậy, người sử dụng có thể giám sát, điều khiển các thiết bị gia đình từ xa một cách dễ dàng. Môi trường thông minh: môi trường thông minh được thiết kế có thể gồm hai khối khác nhau là phần con người (human- centered) và phần kỹ thuật (technology – centered ) (G.D. Abowd, J.P.G. Sterbenz, Final report on the interagency workshop on research issues for smart environments, IEEE Personal Communications (October 2000). Trong phần con người, môi trường thông minh phải đáp ứng các yêu cầu của người sử dụng thông qua giao tiếp vào/ra. Về phần kỹ thuật, các kỹ thuật phần cứng, các giải pháp mạng và các dịch vụ phần sụn (middleware) được phát triển. Các nút Sensor có thể được gắn vào các độ dùng và thiết bị gia đình và chúng có thể thông tin với các nút khác và trạm chủ căn phòng (room Server). Các room Server cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi các công việc cần phải làm hoặc cần được hỗ trợ như việc in ấn, quét ảnh và fax. Các room Server và các nút Sensor kết hợp với các thiết bị trong gia đình trở thành một hệ thống thích nghi với khả năng tự tổ chức và tự điều chỉnh trên cơ sở các trường điều khiển. 1.6.5. Các ứng dụng thương mại khác Các ứng dụng thương mại có thể được kể đến là : kiểm tra sự mệt mỏi cơ thể; xây dựng các bàn phím ảo; quản lý sự kiểm kê; kiểm tra chất lượng sản phẩm; xây dựng các không gian làm việc thông minh; điều khiển môi trường trong các toà nhà công sở; các robot điều khiển và chỉ đạo trong các môi trường chế tạo tự động; đồ chơi tương tác; các bảo tàng thông minh; nhà máy điều khiển tự động; kiểm tra các vùng nguy hiểm; kiến trúc thông minh với các nút Sensor gắn trong; các máy chẩn đoán; vận tải; kiểm tra và phát hiện vụ trộm xe; giám sát xe cộ; ... Điều khiển môi trường trong các toà nhà công sở: các trạng thái không khí và nhiệt độ của hầu hết các công sở được điều khiển được từ một trung tâm. Bởi vậy, nhiệt độ trong một căn phòng có thể được thay đổi trong một phạm vi nhỏ, nơi này có thể có nhiệt độ ấm hơn một nơi khác vì chỉ có một bộ điều khiển trong một căn phòng mà dòng không khí chảy từ một hệ thống trung tâm lại không được phân bố đồng đều. Một hệ thống mạng Wireless Sensor phân tán có thể được thiết lập để điều khiển không khí và nhiệt độ tại các phần khác nhau của căn phòng. Kĩ thuật phân tán này giảm được rất nhiều chi phí năng lượng cho điều hoà không khí và giảm đáng kể lượng carbon sinh ra. Bảo tàng tương tác thông minh: trong tương lai, trẻ em có thể tương tác với các đối tượng trong bảo tàng để hiểu hơn về chúng. Các đối tượng này có thể phản ứng lại các va chạm hay lời nói. Ngoài ra, trẻ em còn có thể tham gia vào các thí nghiệm nguyên nhân - kết quả theo thời gian thực để học tập về khoa học và môi trường. Thêm vào đó, các mạng Wireless Sensor có thể cung cấp thứ tự và sự định vị bên trong bảo tàng. Một ví dụ là bảo tàng thám hiểm San Francisco Exploratorium, trưng bày kết hợp sự đo lường số liệu và các thí nghiệm nguyên nhân – kết quả. Phát hiện trộm cắp xe hơi: Các nút Sensor có thể được triển khai để phát hiện và nhận ra kẻ trộm trong vùng địa lý và thông báo cho chủ nhân thông qua Internet. Quản lý sự kiểm kê: mỗi thứ trong kho được có thể gắn một Sensor. Người sử dụng có thể tìm thấy chính xác vị trí của của đối tượng và kiểm kê số lượng của các đối tượng cùng loại. Nếu người sử dụng muốn thêm một sự kiểm kê mới thì phải liên lạc với các nút Sensor thích hợp. Qua đó có thể giám sát và định vị các đối tượng trong bản kê bất cứ lúc nào. Giám sát và theo dõi xe cộ: có hai phương pháp giám sát và theo dõi xe cộ. Thứ nhất, đường đi của xe được xác định trong các cụm và được chuyển tới trạm gốc, thứ hai là các số liệu chưa qua xử lý từ các nút Sensor được chuyển tới trạm gốc, tại đây chúng được phân tích để xác định vị trí các xe. Chương II : Năng lượng trong mạng Wireless Sensor 2.1. Tính đặc thù của mạng 2.1.1. Hạn chế phần cứng Tất cả các thành phần của nút Sensor phải đặt vừa vào trong một khối. Thông thường kích cỡ được yêu cầu nhỏ hơn 1 centimet khối, đôi khi, phải đủ nhẹ để có thể treo trên không trung. Ngoài các yêu cầu về kích cỡ, khối lượng, việc thiết kế các nút Sensor còn bị hạn chế bởi các yêu cầu nghiêm ngặt khác là : + Công suất tiêu thụ phải vô cùng thấp + Hoạt động trong mật độ thể tích cao + Giá thành sản xuất thấp và có thể bị bỏ qua mà không ảnh hưởng tới toàn mạng + Có thể tự động tổ chức, quản trị và hoạt động không cần can thiệp + Thích nghi được với môi trường. Vì các nút Sensor thường không tiếp cận được nên thời gian tồn tại của một mạng Sensor phụ thuộc vào tuổi thọ nguồn năng lượng của nút. Năng lượng cũng là tài nguyên hiếm do bộ nguồn có kích cỡ giới hạn. Ví dụ, tổng năng lượng dự trữ trong một hạt Sensor thông minh là 1J. Trong mạng Sensor tích hợp vô tuyến (WINS), dòng điện trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30 mA để đảm bảo thời gian sống dài. Các nút WINS được cung cầp năng lượng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đường kính 2.5 cm dày 1cm). Ngoài ra, có thể tăng thời gian sống của mạng bằng cách tìm lấy năng lượng từ môi trường. Các ô pin mặt trời là một ví dụ. Bộ thu phát của các nút Sensor có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến (RF). Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọc thông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở lên đắt và phức tạp. Ngoài ra, suy hao đường truyền tín hiệu giữa hai nút Sensor tỷ lệ theo luỹ thừa bậc bốn của khoảng cách do các nút Sensor sử dụng antent đẳng hướng. Tuy nhiên, truyền thông vô tuyến được quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trong mạng Sensor có kích thước nhỏ , tốc độ số liệu thấp (thường nhỏ hơn 1 Hz) và khả năng sử dụng lại tần số cao do khoảng cách truyền thông ngắn. Các đặc điểm này tạo ra cho thấy hệ số sử dụng hệ thống vô tuyến là thấp. Tuy nhiên, việc thiết kế các mạch vô truyến có hiệu quả về năng lượng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ. Các kỹ thuật vô tuyến thương mại hiện nay vẫn không được như mong muốn vì chúng còn tiêu thụ nhiều năng lượng. Mặc dù đã có các bộ xử lý công suất tính toán cao với kich thước nhỏ nhưng hiện tại chúng vẫn chưa được phổ biến. Ví dụ, một vi hạt thông minh (smart dust mote) nguyên bản là một bộ vi điều khiển 4 MHz Atmel AVR 8535 với 8 Kb bộ nhớ tốc độ cao, 512 byte RAM và 512 byte EEPROM (ROM lập trình bằng điện). Hệ điều hành TinyOS được sử dụng trong bộ xử lý này, với 3500 byte không gian chứa mã OS và 4500 byte không gian có sẵn. Bộ xử lý của một nút Sensor nguyên bản khác, gọi là mAMPS (m-Adaptive Multi-domain Power aware Sensors-Vi cảm biến nhận biết năng lượng đa miền thích ứng), có một vi xử lý 59 – 206 MHz SA – 1110 sử dụng hệ điều hành đa nhiệm m-OS. Hầu hết các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu có một sự hiểu biết về vị trí. Vì các nút Sensor thường được triển khai ngẫu nhiên và hoạt động tự động, nên chúng cần phải có một hệ thống tìm đường. Hệ thống này cũng được yêu cầu bởi nhiều giao thức định tuyến. Thông thường, các nút Sensor còn được trang bị hệ thống định vị toàn cầu GPS có độ chính xác nhỏ hơn 5m. Nhờ vậy, chúng có thể tự động tìm vị trí thích hợp và có khả năng định vị chính xác các hiện tượng đích. 2.1.2. Môi trường hoạt động Các nút Sensor được triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường hoạt động tự động tại các vùng cách xa. Chúng có thể làm việc trong các môi trường sau: + Trong các phần tiếp giáp + Bên trong các bộ phận lớn + Đáy biển + Bên trong các hiện tượng phức tạp + Trên mặt biển, trong một thuỷ lôi + Các vùng ô nhiễm sinh hoá + Các vùng chiến sự + Các ngôi nhà hay toà nhà lớn + Các nhà kho lớn + Gắn vào các con thú + Gắn vào xe cộ + Trong các đường ống hay dòng sông theo dòng chảy Như vậy, các nút Sensor phải làm việc với các điều kiện rất khó khăn: dưới áp suất cao dưới đáy biển; ở các môi trường khắc nghiệt như vùng chiến sự hay các đống đổ nát; dưới sức nóng hay độ lạnh; trong các môi trường tạp âm lớn. Với mỗi loai phải có một kế hoạch thiết kế thích hợp. 2.1.3. Môi trường truyền dẫn Trong một mạng Sensor đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môi trường không dây. Các liên kết này có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hay các tín hiệu quang. Việc chọn môi trường thông tin liên quan đén yêu cầu nhiệm vụ của mạng và chúng phải đảm bảo các quy định quốc tế về thông tin trong không gian để có thể hoạt động được ở mọi nơi. Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần công nghiệp, khoa học và y học (Industrial, Scientific and Medical-ISM). Các dải tần này được thông tin tự do trong hầu hết các nước. Bảng phân phối tần số quốc tế nằm trong khoản S5 trong quy định tần số chỉ ra một số dải tần dành cho các ứng dụng ISM (Bảng 2.1). Tần số trung tâm Dải tần Bảng 2.1. Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM Một số các dải tần này đã được sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay và mạng nội bộ không dây (Wireless LAN). Các mạng Sensor sử dụng bộ thu phát kích cỡ nhỏ, giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp. Do các hạn chế về phần cứng và sự cân bằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mang thuộc dải tần rất cao (UHF). Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433 MHz ISM ở châu Âu và 915 MHz ở Bắc Mỹ. Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổ rộng và thông dụng. Chúng không vượt khỏi các tiêu chuẩn riêng, do đó có thể phù hợp với các kế hoạch tiết kiệm năng lượng. Mặt khác, còn có các hạn chế khác như giới hạn công suất và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai do các dải tần ISM không được quản lý. Một kiểu truyền thông khác trong mạng Sensor là sử dụng hồng ngoại. Thông tin hồng ngoại được sử dụng tự do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết bị điện. Các bộ thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo. Ngày nay, các máy tính xách tay, máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại. Trở ngại chính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đường nhìn thẳng giữa nơi gửi và nơi nhận. Điều nay làm cho hồng ngoại khó được sử dụng trong trường hợp mạng Sensor. Một hướng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi trường truyền dẫn quang học. Có hai phương pháp truyền thông tin: thứ nhất là truyền thông thụ động sử dụng một máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật (Corner-cube-retroreflector (CCR)); thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các gương chuyển động. Hiện nay các diode lazer tại nơi phát được gắn trên bảng mạch, có thể chuyển động lái chùm sáng vào chính xác nơi nhận. Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi trường truyền dẫn phức tạp hơn. Ví dụ, với các ứng dụng dưới biển thì môi trường truyền dẫn là môi trường nước. Do đó phải sử dụng bức xạ bước sóng dài để đi xuyên trong nước. Với các vùng khí hậu khắc nghiệt hay các vùng chiến sự, thì phải vượt qua được các sai lỗi và nhiễu lớn. Ngoài ra, các antent của Sensor thấp hơn và có công suất bức xạ nhỏ hơn các thiết bị vô tuyến khác. Do đó,môi trường truyền thông phải được hỗ trợ bằng các phương thức điều chế và mã hoá chống lỗi phù hợp với đặc điểm từng loại kênh truyền. 2.2. Sự tiêu thụ năng lượng Nút Wireless Sensor là một thiết bị điện rất nhỏ nên chỉ được trang bị nguồn năng lượng hạn chế (<0.5Ah, 1.2V). Trong hầu hết các ứng dụng, việc tiếp thêm năng lượng là không thực hiện được. Cho nên, thời gian tồn tại của nút Sensor phụ thuộc chủ yếu vào tuổi thọ của nguồn năng lượng. Trong mạng Sensor đa liên kết, mỗi nút đóng hai vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu. Sự trục trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình trạng mạng, phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng. Do đó, việc bảo tồn nguồn năng lượng và quản lý nguồn năng lượng là rất quan trọng. Do các nguyên nhân này mà nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc thiết kế các thuật toán và giao thức nhận biết, tính toán năng lượng cho mạng Sensor. Trong các mạng đa liên kết và di động khác, việc tiêu thụ năng lượng là một vấn đề quan trọng trong thiết kế song không phải vấn đề chính vì nguồn năng lượng có thể được người sử dụng thay thế. Điều quan trọng hơn là vấn đề cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS). Tuy nhiên, trong các mạng Sensor, hiệu quả năng lượng là một vấn đề vô cùng quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới tuổi thọ của mạng. Các giao thức riêng cho từng ứng dụng được thiết kế để có được sự cân bằng thích hợp giữa các vấn đề về độ trễ và thông lượng với hiệu quả năng lượng. Nhiệm vụ chính của một nút Sensor trong trường Sensor là theo dõi các sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu. Công suất tiêu thụ bởi ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu. 2.2.1. Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến Năng lượng tiêu thụ của bộ cảm biến và các thành phần của nó có thể thay đổi tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Việc cảm biến rời rạc sẽ tiêu thụ công suất nhỏ hơn so với việc theo dõi các hiện tượng một cách liên tục. Độ phức tạp của nhiêm vụ quan sát hiện tượng đóng vai trò quyết định trong việc xác định mức năng lượng tiêu hao. Các mức tạp âm biên độ cao là nguyên nhân làm tăng độ phức tạp trong việc quan sát hiện tượng của các Sensor. Do đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho nhiệm vụ cảm biến. 2.2.2. Năng lượng cho truyền thông Trong ba thành phần nêu trên trong một nút Sensor, phần truyền thông số liệu tiêu thụ năng lượng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu. Đặc điểm truyền thông trong mạng Sensor là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp (~ 0 dbm), chi phí năng lượng cho việc phát và thu là gần như nhau. Trong mạch thu phát, các bộ trộn, các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khoá pha (PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể. Điều quan trọng là tính toán này không chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởi phát trong mạch thu phát. Thời gian khởi phát lên tới hàng trăm micro giây làm công suất khởi phát trở lên đáng kể. Giá trị cao của thời gian khởi phát được cho là do thời gian khoá của vòng khoá pha (PLL). Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiểm ưu thế so với công suất tích cực. Kết quả là việc chuyển trạng thái (thu, phát) giữa ON va OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một khối lượng điện năng lớn mỗi lần chuyển trạng thái về ON. Công suất vô tuyến tiêu thụ được tính như sau: Pc = NT [ PT ( Ton + Tst ) + Pout ( Ton )] + NR [ PR (Ron + Rst ) ] Trong đó, PT/R là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu; Pout là công suất đầu ra của bộ phát; T/Ron là khoảng thời gian phát/thu trạng thái ON; T/Rst là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu; NT/R là số lần mạch phát/thu chuyển mạch sang ON trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phương thức điều khiển truy nhập môi trường. Ton có thể viết lại bằng L/R , trong đó, L là kích thước gói, R là tốc độ số liệu. Với tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các bộ thu phát vô tuyến thường có PT và PR khoảng 20 dbm và Pout gần 0 dbm. Giá trị mục tiêu của Pc khoảng –20 dbm. 2.2.3. Năng lượng cho xử lý Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành cho truyền thông số liệu. Do ảnh hưởng của fading và do sự suy giảm đường truyền theo luỹ thừa bậc bốn nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyền thông tăng. Trong khi đó, bộ xử lý thường không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ. Một nút Sensor phải có khả năng tính toán và tương tác với môi trường xung quanh. Giới hạn về chi phí và kích thước dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán dẫn oxit kim loại (CMOS) cho bộ vi xử lý. Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế về hiệu quả năng lượng. Ngoài ra, trong nút Sensor còn có các mạch mã hoá và giải mã, các mạch tích hợp các ứng dụng đặc biệt. Khi thiết kế các giao thức và thuật toán cho mạng, phải tính toán các ảnh hưởng đến công suất tiêu thụ của các thành phần này. 2.3. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng 2.3.1. Giải pháp định tuyến Việc định tuyến trong mạng sensor cũng như trong các mạng khác được thực hiện tại lớp mạng. Các nút Sensor được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức định tuyến không dây đa bước phù hợp giữa nút Sensor và nút Sink là cần thiết. Kỹ thuật định tuyến trong mạng ad-hoc thông thường không phù hợp những yêu cầu của mạng Sensor. Lớp mạng của mạng Sensor được thiết kế theo những nguyên tắc sau : - Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng - Hầu hết các mạng Sensor là số liệu tập trung - Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp tác của các nút Sensor . - Một mạng Sensor lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc tính cơ sở và vị trí. 2.3.1.1. Các phương pháp định tuyến tối ưu về năng lượng Các phương pháp được sử dụng để chọn tuyến đường có hiệu suất năng lượng cao được minh hoạ trên hình 2.1. Hình2.1: Hiệu quả năng lượng trong định tuyến Trong đó, T là nút nguồn cảm biến hiện tượng mục tiêu. Nó có bốn đường có thể liên lạc với bộ thu nhận (Sink) như sau : . Đường 1 : Sink - A - B - T, tổng PA = 4 , tổng α =3 . Đường 2 : Sink - A - B - C - T , tổng PA = 6 , tổng α = 6 . Đường 3 : Sink - D - T , tổng PA = 3 , tổng α = 4 . Đường 4 : Sink - E - F - T , tổng PA = 5 , tổng α = 6 Với PA là mức năng lượng hiện tại của nguồn nuôi tại nút (Available Power) và αi là năng lượng cần thiết để truyền một gói số liệu qua kết nối liên quan. Theo các tiêu chí khác nhau, có bốn phương pháp chọn đường có hiệu quả cao nhất về năng lượng. 1) Đường tổng mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại (PA:power available) cực đại: là đường có tổng các mức năng lượng nguồn nuôi hiện tại của các nút liên quan lớn nhất. PA tổng được tính bằng tổng các PA của mỗi nút dọc theo đường. Theo phương pháp này, đường 2 được lựa chọn. Tuy nhiên, đường 2 lại bao gồm những nút trong đường 1 và một nút mở rộng. Vì thế, dù có PA tổng cao hơn nhưng nó không phải là đường có hiệu suất năng lượng cao nhất. Như vậy, những đường nhận được từ việc mở rộng các đường có thể kết nối Sensor tới Sink sẽ không được tính. Loại trừ đường 2, đường 4 là đường có hiệu suất năng lượng cao nhất khi sử dụng phương pháp PA tối đa. 2) Đường năng lượng cực tiểu (ME: minimum energy): đường mà năng lượng tiêu thụ cực tiểu khi truyền một gói số liệu giữa nút Sink và nút Sensor được gọi là đường ME. Như vậy đường ME là đường có tổng các α nhỏ nhất. Trong ví dụ này, đường 1 là đường ME. 3) Đường có số bước nhảy cực tiểu (MH: minimum hop): là đường có số liên kết từ nút Sensor nguồn tới nút Sink là nhỏ nhất. Đường 3 trong ví dụ này là đường có hiệu suất cao nhất theo tiêu chí này. Lưu ý rằng phương pháp ME sẽ chọn ra đường tương tự như phương pháp MH khi năng lượng tiêu thụ cho việc truyền một gói tin ở tất cả các liên kết đều như nhau, tức là tất cả α ở mọi liên kết đều bằng nhau. Vì thế, khi các nút phát quảng bá với cùng mức năng lượng mà không có bất kì sự điều khiển năng lượng nào, MH là tương đương với ME. 4) Đường có PA cực tiểu lớn nhất (Maximum minimum PA nút): là đường mà dọc theo nó, PA cực tiểu lớn hơn các PA cực tiểu của các đường khác. Theo tiêu chí này, đường 3 là đường có hiệu suất năng lượng cực đại và đường 1 là đường có hiệu suất lớn thứ hai. Phương pháp này ngăn ngừa việc sử dụng các nút Sensor có PA thấp sớm trong khi có thể sử dụng các nút khác có PA cao hơn. Như thế có thể tránh được hiện tượng một số nút bị cạn nguồn năng lượng sớm làm ảnh hưởng đến hoạt động toàn mạng. 2.3.1.2. Phương pháp định tuyến số liệu tập trung Một vấn đề quan trọng khác của lớp mạng là định tuyến có thể dựa trên việc tập trung số liệu. Trong định tuyến số liệu tập trung, việc phổ biến các yêu cầu (các nội dung được quan tâm) được thực hiện nhằm phân nhiệm vụ cảm biến tới các nút Sensor. Có hai phương pháp được sử dụng để phổ biến yêu cầu là: nút Sink phổ biến nội dung được quan tâm tới các nút Sensor cần thiết và các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo cho số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu về các số liệu này. Định tuyến số liệu tập trung yêu cầu phải đặt tên thuộc tính cơ sở. Nguyên nhân cần phải đặt tên thuộc tính cơ sở là người sử dụng thường quan tâm tới truy vấn thuộc tính của hiện tượng hơn là truy vấn tới một nút riêng lẻ. Ví dụ, “những khu vực nơi nhiệt độ vượt quá 70 độ F” là một truy vấn được sử dụng thường xuyên hơn là “nhiệt độ được đọc bởi một nút nào đó”. Việc đặt tên thuộc tính cơ sở được sử dụng để truy vấn về các thuộc tính của hiện tượng. Với việc đặt tên thuộc tính cơ sở, các phương thức phát quảng bá, phát đến một nhóm theo thuộc tính cơ sở (attribute-based multicasting), phát theo địa lý (geo-casting), phát bất kỳ ( any-casting ) trở lên quan trọng đối với mạng Sensor . Tập hợp số liệu là một kỹ thuật được sử dụng để giải quyết những vấn đề trùng lặp và chồng chéo trong định tuyến số liệu tập trung. Trong kỹ thuật này, một mạng Sensor được mô tả với cấu trúc cây phát đa điểm đảo ngược (reverse multicast tree) như trong hình 2.2. Hình 2.2: Ví dụ về tập hợp số liệu Bộ thu nhận (Sink) yêu cầu các nút Sensor báo cáo về trạng thái xung quanh hiện tượng. Số liệu từ nhiều nút Sensor được tập hợp lại khi chúng tới cùng một nút trên đường đến nút Sink nếu chúng cùng chỉ về một thuộc tính của hiện tượng. Trong ví dụ trên, nút Sensor E tập hợp số liệu từ các nút Sensor A và B. Trong khi đó, nút Sensor F tập hợp số liệu từ các nút Sensor C và D. Việc tập hợp số liệu có thể được hiểu như là một nhóm các phương pháp tự động kết hợp số liệu tới từ nhiều nút Sensor thành một tập thông tin có nghĩa. Về mặt này, việc tập hợp số liệu được xem như là hợp nhất số liệu. Ngoài ra, sự cẩn trọng là rất cần thiết khi tập hợp số liệu bởi các đặc trưng của số liệu, như vị trí của những nút Sensor báo cáo, không cho phép được bỏ sót. Những đặc trưng như vậy có thể rất cần thiết cho một ứng dụng nào đó. 2.3.1.3. Các giao thức lớp mạng khác được đề xuất cho mạng Sensor a) Mạng truyền thông với năng lượng cực tiểu loại nhỏ ( SMECN : Small Minimum Energy Communication Network ): giao thức MECN được phát triển để tính toán một mạng con có hiệu suất năng lượng cao trong một mạng truyền thông nhất định. Một thuật toán mới được gọi là SMECN được đề xuất cũng nhằm cung cấp một mạng con như vậy. Mạng con, tức là một lược đồ con, được cấu trúc bởi SMECN nhỏ hơn mạng con được cấu trúc bởi MECN nếu vùng phát quảng bá là hình tròn với công suất nhất định. Lược đồ con G của lược đồ G’, mô tả mạng Sensor, tối thiểu năng lượng sử dụng với các điều kiện sau: số cạnh trong lược đồ con G nhỏ hơn trong lược đồ G’ gồm tất cả nút trong G’, nếu hai nút u và v được kết nối trong G’ , chúng cũng được kết nối trong G; năng lượng cần thiết để truyền số liệu từ nút u tất cả các nút lân cận trong lược đồ con G nhỏ hơn năng lượng cần thiết để truyền số liệu tới tất cả các nút lân cận trong G’. SMECN cũng tuân theo đặc tính ME mà MECN sử dụng để cấu trúc nên mạng con. Đặc tính ME là có tồn tại một đường ME trong lược đồ con G giữa u và v với mọi cặp (u,v) được kết nối trong G’. Công suất cần thiết để truyền số liệu giữa u và v tính như sau: p(u,v) = td(u,v)n , với t là một hằng số, d(u,v) là khoảng cách giữa u và v và n ≥ 2 là hàm mũ suy giảm bởi truyền dẫn vô tuyến. Ngoài ra, công suất cần thiết để nhận số liệu là c . Vì p(u,v) tăng lên theo luỹ thừa n (n ≥ 2) của khoảng cách giữa u và v, công suất chuyển tiếp số liệu có thể nhỏ hơn công suất truyền dẫn số liệu trực tiếp giữa nút u và v. Đường dẫn giữa u (tức là u0) và v ( ví dụ uk) được đặc trưng bởi r , với r = ( u0, u1,..,uk) trong lược đồ con G = (V,E) là một dãy có thứ tự của các nút như cặp (ui, ui+1) thuộc E . Ngoài ra, độ dài của r là k . Tổng công suất tiêu thụ giữa các nút u0 và uk là: Với p(ui,ui+1) là công suất cần thiết để truyền dẫn số liệu giữa nút ui và ui+1; và c là công suất cần thiết để nhận số liệu. Tuyến đường r là một đường ME từ u0 tới uk nếu C(r) ≤ C(r)’ với mọi đường r’ giữa nút u0 và uk trong G’. Như vậy, một lược đồ con có đặc tính ME nếu với tất cả các cặp (u,v) thuộc V, có tồn tại một đường r trong G là một đường ME giữa u và v trong G’. b) Giao thức tràn (Flooding): thuật tràn là một kỹ thuật cũ có thể cũng được sử dụng để định tuyến trong mạng Sensor. Trong thuật tràn, mỗi nút đang nhận một gói số liệu hoặc một gói điều khiển lặp lại nó bằng cách phát quảng bá, trừ khi gói này đã đạt được số bước nhảy cực đại cho phép hoặc gói đã tới đích. Thuật tràn là một kỹ thuật phản ứng và nó không cần duy trì kiến trúc mạng đắt tiền và thuật toán tìm đường phức tạp. Tuy nhiên, nó có một vài hạn chế như : + Sự trùng lặp (Implosion): trùng lặp là một trạng thái mà các bản sao của gói tin được gửi tới cùng một nút. Ví dụ, nếu một nút Sensor A có N nút Sensor lân cận mà đó cũng là những nút lân cận của nút Sensor B, nút Sensor B nhận N bản sao của bản tin được gửi đi bởi nút Sensor A. + Sự chồng lấn (Overlap): nếu hai nút chia sẻ cùng một vùng quan sát, cả hai nút có thể cảm nhận cùng một kích thích tại cùng một thời điểm. Kết quả là các nút lân cận nhận được các bản tin sao lại. + Sự mù tài nguyên (Resource Blindness): giao thức tràn không đưa vào báo cáo các tài nguyên năng lượng hiện tại. Một giao thức nhận biết được tài nguyên năng lượng phải đưa vào báo cáo mức năng lượng của các nút tại mọi thời điểm . c) Giao thức dây truyền (Gossiping): với giao thức dây truyền, các nút không phát quảng bá mà gửi đi những gói tới tới một nút lân cận được chọn ngẫu nhiên. Một nút Sensor lựa chọn ngẫu nhiên một trong các nút lân cận để gửi số liệu. Khi nút lân cận đó nhận được số liệu, nó lại lựa chọn ngẫu nhiên một nút Sensor khác. Mặc dù phương pháp này tránh được vấn đề trùng lặp (Implosion) do chỉ có một bản sao của bản tin tại một nút bất kỳ, nhưng nó phải mất một thời gian khá dài để truyền bản tin tới tất cả các nút Sensor. d) Các giao thức thông tin Sensor thông qua thỏa thuận (Sensor Protocols for Information via Negotiation-SPIN): một họ các giao thức có khả năng thích ứng được gọi là SPIN được thiết kế để khắc phục nhược điểm của giao thức tràn (Flooding) cổ điển bằng thỏa thuận và khả năng thích ứng tài nguyên. Họ giao thức SPIN được thiết kế dựa trên hai ý tưởng cơ bản: 1) Các nút Sensor hoạt động hiệu quả hơn và có thể bảo tồn năng lượng bằng cách chỉ gửi các số liệu mô tả về số liệu cảm biến thay vì gửi toàn bộ số liệu; 2) Các nút Sensor phải giám sát sự thay đổi trong tài nguyên năng lượng của chúng. SPIN có ba kiểu bản tin là ADV (quảng cáo), REQ (yêu cầu) và DATA (số liệu). Trước khi gửi bản tin DATA, Sensor phát quảng bá một bản tin ADV gồm một bản mô tả (meta-data) của DATA chỉ ra trong bước 1 trên hình 2.3. Nếu một nút Sensor lân cận quan tâm đến số liệu này, nó sẽ gửi một bản tin REQ về số liệu và bản tin DATA sẽ được gửi tới nút Sensor này như các bước 2 và 3 trên hình 2.3. Nút Sensor này lại lặp lại tiến trình trên như chỉ ra ở bước 4, 5, 6. Kết quả là tất cả các nút Sensor trong toàn mạng Sensor có nhu cầu về số liệu này sẽ nhận được bản sao của số liệu. Hình2.3: Giao thức SPIN Lưu ý rằng SPIN dựa trên định tuyến số liệu tập trung trong đó các nút Sensor phát quảng bá một quảng cáo đối với số liệu có sẵn và đợi một yêu cầu từ các nút Sink có nhu cầu. e) Định tuyến chỉ định liên tục (Sequential Assignment Routing-SAR): một tập hợp các các thuật toán thực hiện các hoạt động tổ chức, quản trị và quản lý di động trong mạng Sensor được đề xuất. MAC tự tổ chức cho mạng Sensor (Self Organizing MAC for Sensor network-SMACS) là một giao thức phân tán cho phép một nhóm các nút Sensor có thể phát hiện ra các nút lân cận của chúng và thiết lập các tiến trình truyền / nhận mà không cần tới hệ thống quản lý trung tâm. Thuật toán nghe trộm và ghi lại (Eavesdrop And Register-EAR) được thiết kế để hỗ trợ kết nối liền mạch của các nút di động. Thuật toán EAR dựa trên những bản tin mời (Invitation) và dựa trên việc ghi lại các nút tĩnh của các nút di động. Thuật toán SAR tạo nên nhiều nhánh cây, trong đó, gốc của mỗi nhánh cây là một bước nhảy giữa nút lân cận và nút Sink. Mỗi nhánh cây phát triển ra phía ngoài từ nút Sink và tránh các nút có chất lượng dịch vụ (QoS) quá thấp (tức là thông lượng thấp / trễ cao) và dự trữ năng lượng quá ít. Kết thúc thủ tục này, phần lớn các nút thuộc về các nhánh cây này. Điều này cho phép nút Sensor có thể lựa chọn một cây để chuyển thông tin của nó về Sink. Có hai tham số được gắn với mỗi đường dẫn (nhánh cây) trở về Sink: + Khả năng về năng lượng: khả năng năng lượng được đánh giá bằng số lượng gói mà nút Sensor có thể gửi nếu nút Sensor sử dụng duy nhất đường này. + Đo QoS bù : Việc đo được QoS bù càng cao có nghĩa là QoS thực tế càng thấp. Thuật toán SAR lựa chọn đường dựa trên các khả năng về năng lượng và việc đo QoS cộng thêm của mỗi đường và mức ưu tiên của gói. Kết quả là mỗi nút Sensor sẽ lựa chọn được đường để nó định tuyến cho số liệu về Sink. Ngoài ra, hai thuật toán khác được gọi là “tuyển chọn một người chiến thắng” (single winner election) và “tuyển chọn nhiều người chiến thắng” (multiwinner election) điều khiển việc báo hiệu cần thiết và các nhiệm vụ chuyển giao số liệu trong xử lý thông tin hợp tác nội bộ . f) Phân cấp cụm thích ứng với năng lượng thấp (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy- LEACH ): LEACH là một giao thức lập cụm cơ sở (Clustering - Based) nhằm tối thiểu sự suy hao năng lượng trong mạng Sensor. Mục đích của LEACH là chọn ngẫu nhiên các nút Sensor như các đầu cụm (cluster-head), vì thế sự suy hao năng lượng lớn trong truyền thông với các trạm gốc được trải ra tới tất cả các nút Sensor trong mạng Sensor. Hoạt động của LEACH được chia thành hai giai đoạn là giai đoạn thiết lập và giai đoạn ổn định. Khoảng thời gian của giai đoạn ổn định dài hơn so với khoảng thời gian của giai đoạn thiết lập để giảm thiểu phụ tải (overhead). Trong giai đoạn thiết lập, một nút Sensor chọn một số ngẫu nhiên giữa 0 và 1. Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn ngưỡng T(n), nút Sensor này là một đầu cụm. T(n) được tính như sau : trong các trường hợp khác Với P là phần trăm mong muốn để trở thành một đầu cụm; r là chu kỳ hiện tại và G là tập các nút không được chọn làm đầu cụm trong 1/P chu kỳ cuối. Sau khi đầu cụm được lựa chọn, các đầu cụm sẽ thông báo tới tất cả các nút Sensor trong mạng rằng chúng là các đầu cụm mới. Khi các nút Sensor nhận được thông báo này, chúng xác định cụm mà chúng muốn gia nhập dựa trên độ mạnh tín hiệu của thông báo từ các đầu cụm tới các nút Sensor. Các nút Sensor báo cáo cho đầu cụm thích hợp rằng chúng sẽ là một thành viên của một cụm. Sau đó, đầu cụm chỉ định thời điểm mà các nút Sensor có thể gửi số liệu dựa trên phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Trong giai đoạn ổn định, các nút Sensor sẽ cảm biến và truyền số liệu tới đầu cụm. Đầu cụm cũng tập hợp số liệu từ các nút trong cụm của chúng trước khi gửi những số liệu này tới trạm gốc. Sau một khoảng thời gian ổn định nào đó, mạng vào lại bắt đầu giai đoạn thiết lập và vào chu kỳ mới trong việc lựa chọn những đầu cụm. g) Phương thức truyền tin có định hướng (Directed Diffusion): trong mô hình phổ biến số liệu được truyền theo định hướng, nút Sink gửi yêu cầu mô tả về nhiệm vụ (Task Description) tới tất cả các nút Sensor như chỉ ra trong hình 2.4(a). Các mô tả nhiệm vụ được đặt tên bằng việc gán các cặp giá trị thuộc tính mô tả nhiệm vụ. Mỗi nút Sensor sau đó lưu trữ mục yêu cầu (Interest Entry) trong cạc (Cache) nhớ của nó. Mục yêu cầu bao gồm một trường nhãn thời gian và các trường chỉ hướng (Gradient field). Khi yêu cầu của Sink được truyền xuyên qua mạng, các chỉ hướng (Gradient) từ nguồn trở về nút nhận được thiết lập như trong hình 2.4(b). Khi nguồn có số liệu theo yêu cầu, nguồn sẽ gửi số liệu dọc theo các chỉ hướng như trong hình 2.4(c). Việc truyền phát, tập hợp số liệu và yêu cầu được xác định một cách cục bộ. Ngoài ra, bộ nhận phải làm mới lại và tăng cường các yêu cầu khi nó bắt đầu nhận số liệu từ nguồn. Chú ý phương thức truyền tin có định hướng dựa trên định tuyến số liệu tập trung trong đó, bộ nhận quảng bá yêu cầu. Hình 2.4: Ví dụ về truyền tin định hướng: (a) Phát yêu cầu, (b) Thiết lập định hướng, (c) gửi số liệu. 2.3.2. Giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn Các giải pháp truy nhập môi trường được thực hiện trong lớp liên kết số liệu. 2.3.2.1. Yêu cầu với giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) cho mạng sensor Yêu cầu đối với giao thức MAC cho mạng Sensor là phải có chiến lược bảo tồn nguồn năng lượng, quản lý di động và khắc phục được những sai hỏng. Mặc dù nhiều giao thức truy nhập môi trường truyền dẫn đã được đề xuất cho MANET, việc thiết kế một giao thức MAC hiệu quả với kiểu mạng Sensor vẫn là một vấn đề ngỏ. Vì thế, cả hai kiểu “ phân bổ cố định” (Fixed Allocation) và truy nhập ngẫu nhiên (Random Access) trong truy nhập môi trường truyền dẫn đã được đề xuất. Phương pháp điều khiển truy nhập môi trường theo yêu cầu (Demand - Based) có thể không phù hợp cho mạng Sensor do phụ tải (Overhead) và trễ thiết lập kết nối lớn. Việc bảo tồn nguồn năng lượng có thể đạt được bằng việc sử dụng các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng và dùng giới hạn thời gian trong các bản tin báo nhận. Vì các thiết bị vô tuyến phải được tắt đi trong suốt thời gian rỗi để việc tiết kiệm nguồn năng lượng nên giao thức MAC phải được cải biến từ TDMA. Việc truy nhập kênh trên cơ sở cạnh tranh (Contention-Based Channel Access) được coi là không thích hợp do những yêu cầu của chúng về điều khiển kênh truyền tại mọi thời điểm. Điều này phải được chú ý, tuy nhiên, truy nhập môi trường truyền dẫn ngẫu nhiên cũng có thể hỗ trợ việc bảo tồn nguồn năng lượng, như trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 cho WLAN (mạng nội bộ diện rộng), bằng việc tắt thiết bị vô tuyến theo trạng thái của vector định vị lưới (Net Allocation Vector). Các phương pháp điều khiển tốc độ thích ứng và số lần lắng nghe cố định (Constant Listening Times) cũng có thể giúp đạt được hiệu suất năng lượng cao trong phương thức truy nhập ngẫu nhiên cho mạng Sensor. Các phần tiếp theo sẽ trình bày một số giao thức MAC được đề xuất cho mạng Sensor. 2.3.2.2. Các giao thức MAC cho mạng sensor a) SMACS và thuật toán EAR : giao thức SMACS (Self-oganization MAC for Sensor network) hoàn thành việc khởi động mạng và tổ chức liên kết lớp (Network Start-up and Link-layer Organization) còn thuật toán EAR cho phép kết nối liền mạch (Seamless Connection) giữa các nút di động trong mạng Sensor. SMACS là một giao thức xây dựng cơ sở hạ tầng phân tán cho phép các nút có thể phát hiện ra các nút lân cận của chúng và thiết lập các tiến trình truyền / nhận cho thông tin mà không cần tới bất kì nút chủ (master nút) toàn cục hay cục bộ nào. Trong giao thức này, các giai đoạn phát hiện nút lân cận và chỉ định kênh được kết hợp để trong thời gian các nút lắng nghe các nút lân cận, chúng có thể tạo ra một kết nối mạng. Một kết nối truyền thông bao gồm một cặp khe thời gian hoạt động tại một tần số cố định được chọn ngẫu nhiên (hoặc chuỗi nhảy tần). Đây là một sự lựa chọn có thể thực hiện trong mạng Sensor vì băng thông được phép sử dụng lớn hơn nhiều tốc độ truyền số liệu tối đa cho các nút Sensor. Phương pháp này tránh được sự bắt buộc phải đồng bộ trên diện rộng mặc dù việc truyền thông giữa các nút lân cận trong mạng con vẫn phải được đồng bộ thời gian. Việc bảo tồn nguồn năng lượng là nhờ sử dụng tiến trình báo thức ngẫu nhiên trong giai đoạn kết nối và nhờ tắt thiết bị vô tuyến trong các khe thời gian rỗi. Giao thức EAR đảm bảo cung cấp dịch vụ thường trực cho các nút di động trong cả hai điều kiện di động và cố định. ở đây, các nút di động đảm nhận toàn bộ việc điều khiển một quá trình kết nối và cũng như quyết định khi nào bỏ kết nối, do đó tối thiểu hóa phần phụ tải của bản tin. EAR là trong suốt đối với SMACS để SMACS hoạt động cho đến khi đưa được các nút di động vào trong mạng. Trong mô hình này, mỗi nút di động bất kỳ đều có một số các nút tĩnh trong vùng lân cận của nó. Một hạn chế của phương pháp chỉ định khe thời gian này là khả năng các thành viên thuộc về các mạng con khác nhau có thể không bao giờ được kết nối. b) Truy nhập môi trường dựa trên CSMA: Các phương pháp dựa trên CSMA (đa truy nhập theo cảm biến lưu lượng) truyền thống là không thích hợp vì chúng đều hoạt động chủ yếu với lưu lượng phân bố ngẫu nhiên và có xu hướng hỗ trợ các dòng điểm - điểm độc lập. Ngược lại, giao thức MAC cho mạng Sensor phải có khả năng hỗ trợ biến đổi lưu lượng tuần hoàn và có tính tương quan cao. Bất kì phương pháp truy nhập môi trường truyền dẫn CSMA nào cũng có hai thành phần quan trọng là cơ chế lắng nghe và phương pháp làm giảm công suất (Backoff). Theo kết quả mô phỏng các khoảng thời gian lắng nghe cố định có hiệu quả về năng lượng và sự đưa vào trễ ngẫu nhiên cung cấp một phương pháp mạnh mẽ chống lại các va chạm lặp. Cửa sổ cố định và phương pháp giảm công suất theo hàm mũ nhị phân được đề xuất để duy trì tính công bằng cân xứng trong mạng. Một sự thay đổi pha tại mức ứng dụng được thực hiện để vượt qua bất kỳ một hiệu ứng bắt giữ nào. Hiệu quả năng lượng được thể hiện ở năng lượng tiêu thụ trên một đơn vị thông tin hoàn thành. Một phương pháp điều khiển tốc độ truyền dẫn thích ứng (Adaptive transmitssion Rate Control-ARC) đạt được sự công bằng trong truy nhập môi trườngtruyền dẫn bằng việc cân bằng các tốc độ khởi đầu và thông lượng qua tuyến cũng được xem xét. Điều này đảm bảo rằng các nút gần các điểm truy nhập hơn thì không được ưu tiên hơn các nút ở sâu trong mạng. ARC điều khiển tốc độ khởi đầu số liệu của một nút để cung cấp thông lượng qua tuyến cho truyền dẫn. Một cơ chế báo hiệu tiến bộ được sử dụng để thông báo cho các nút giảm tốc độ khởi đầu số liệu của chúng. ARC sử dụng một phương pháp tăng tuyến tính và giảm bội (Linear Increase and Multiplicative Decrease). Trong khi sự tăng tuyến tính dẫn tới sự cạnh tranh kênh mạnh mẽ hơn thì sự giảm bội điều khiển khi truy nhập đường truyền thất bại. Vì việc mất lưu lượng qua tuyến có hại hơn nên lưu lượng qua tuyến được ưu tiên hơn lưu lượng khởi đầu. Các tính toán của phương pháp này làm cho hiệu suất năng lượng tăng lên nhiều hơn phương thoả thuận và thông báo bằng vô tuyến. ARC cũng cố gắng giảm vấn đề về các nút ẩn trong mạng đa bước bằng sự điều chỉnh thường xuyên tốc độ truyền dẫn và thực hiện các thay đổi pha để các dòng tuần hoàn ít xảy ra va chạm lặp đi lặp lại. c) MAC trên cơ sở lai ghép TDMA/ FDMA: phương pháp MAC theo điều khiển trung tâm này được giới thiệu trong tài liệu [nghiên cứu về hoạt động của các Sensor nhận biết được năng lượng để thích ứng]. Trong đó, nghiên cứu chi tiết hiệu quả điện tử của lớp vật lý không lý tưởng trên thiết kế giao thức MAC cho mạng Sensor. Hệ thống được tạo lên bởi các nút Sensor bị hạn chế năng lượng liên lạc với một trạm gốc đơn, ở gần và được cấp nguồn năng lượng cao (< 10 m). Cụ thể là ứng dụng điều khiển máy của mạng Sensor với những yêu cầu nghiêm ngặt về trễ số liệu và phương pháp truy nhập môi trường truyền dẫn lai ghép TDMA - FDMA được sử dụng. Trong khi phương pháp TDMA thuần túy dành riêng băng thông cho một nút Sensor đơn lẻ thì phương pháp FDMA thuần túy chỉ cấp băng thông tín hiệu tối thiểu cho mỗi nút. Mặc dù thực tế là phương pháp TDMA thuần túy tối thiểu được trễ truyền thông song không được sử dụng nhiều do các chi phí cho đồng bộ thời gian kết hợp. Một công thức nhận được từ nghiên cứu trong [36] để tìm ra số kênh tối ưu để sự tiêu thụ năng lượng hệ thống là thấp nhất. Điều này dẫn đến việc phương pháp lai ghép TDMA-FDMA được sử dụng. Số kênh tối ưu được tìm ra phụ thuộc vào tỉ lệ tiêu thụ năng lượng giữa máy phát và máy thu. Nếu máy phát tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, phương pháp TDMA sẽ được coi trọng hơn, trong khi đó phương pháp truy nhập sẽ càng nghiêng về phía FDMA khi máy thu tiêu thụ năng lượng càng nhiều. Giao thức Kiểu truy nhập kênh Các đặc trưng mạng Sensor Bảo tồn nguồn năng lượng SMACS và EAR Chỉ định cặp khe thời gian cố định tại tần số cố định Khai thác băng thông lớn so với tốc độ số liệu Kích hoạt ngẫu nhiên trong khi thiết lập và tắt thiết bị vô tuyến trong khi rỗi Lai ghép TDMA-FDMA Phân chia theo tần số và thời gian Tối ưu số lượng kênh để tối thiểu năng lượng tiêu thụ Tối thiểu năng lượng hệ thống trên cơ sở phần cứng Dựa trên CSMA Truy nhập ngẫu nhiên trên cơ sở cạnh tranh Chuyển pha ứng dụng và trễ trước truyền dẫn Sử dụng thời gian lắng nghe cố định để đạt hiệu quả năng lượng Bảng 2.2: Tóm tắt các giao thức MAC cho mạng Sensor Để hiểu hơn về các đặc điểm nổi bật và hiệu quả của các giao thức MAC cho mạng Sensor, bảng 2.2 sẽ đưa ra một số điểm tổng quan và so sánh các giao thức này. Cột các đặc trưng mạng Sensor nhằm minh họa những đặc điểm mới và quan trọng của mạng Sensor cho phép áp dụng các giao thức. Đồng thời bảng 2.2 cũng trình bày sự biến đổi khác biệt từ các phương pháp MAC truyền thống không thể áp dụng cho mạng Sensor và việc các giao thức mới này đạt được hiệu suất năng lượng như thế nào . 2.3.2.3. Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng Bất kể phương pháp truy nhập môi trường truyền dẫn nào được sử dụng cho mạng Sensor đều phải hỗ trợ các kiểu hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút Sensor. Vi dụ rõ ràng nhất của việc bảo tồn nguồn năng lượng là tắt bộ thu phát khi nó không được yêu cầu. Mặc dù, phương pháp tiết kiệm năng lượng này dường như cung cấp sự tăng thêm năng lượng nhưng một điểm quan trọng không được phép bỏ qua là các nút Sensor liên lạc bằng các gói số liệu ngắn. Các gói càng ngắn thì năng lượng khởi kích càng nổi trội. Trong thực tế, nếu chúng ta tắt thiết bị vô tuyến một cách máy móc trong thời gian khe rỗi, chúng ta có thể làm cho năng lượng tiêu thụ nhiều hơn khi thiết bị này được bật. Kết quả là hoạt động trong một chế độ tiết kiệm năng lượng chỉ đạt hiệu suất năng lượng cao nếu thời gian được sử dụng chế độ đó lớn hơn với một giới hạn nào đó. Có một số chế độ có ích như vậy áp dụng cho nút Sensor không dây, tuỳ thuộc vào số lượng trạng thái của vi xử lý, bộ nhớ, bộ biến đổi A/D và bộ thu phát. Mỗi chế độ này có thể được mô tả bằng sự tiêu thụ năng lượng của nó và năng lượng chuyển trạng thái từ và tới