Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây

Chia sẻ: Tri Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu một số kỹ thuật, thuật toán của giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây, từ đó đưa ra những đánh giá cho từng loại giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học máy tính: Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG DƯƠNG THẾ VINH ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC LỚP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN, 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG DƯƠNG THẾ VINH ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC LỚP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8 48 0101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. PHẠM VIỆT BÌNH THÁI NGUYÊN, 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn: “Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép từ bất kỳ một công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn được sử dụng là trung thực, đã được kiểm chứng và chưa được công bố trong bất kỳ công trình của tác giả nào khác. Thái Nguyên, ngày 22 tháng 07 năm 2019 TÁC GIẢ Dương Thế Vinh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Việt Bình - trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và định hướng cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên, các thầy cô khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã chia sẻ và động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu của mình. Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người đã luôn ủng hộ, quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa vững chắc giúp tôi có thể hoàn thành luận văn. Thái Nguyên, ngày 22 tháng 07năm 2019 TÁC GIẢ Dương Thế Vinh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. vii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .....................3 1.1. Giới thiệu .........................................................................................................3 1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ........................................................4 1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ...............................................5 1.3.1. Lớp vật lý ..................................................................................................6 1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu...................................................................................8 1.3.3. Lớp mạng ..................................................................................................8 1.3.4. Lớp truyền tải ...........................................................................................9 1.3.5. Lớp ứng dụng ...........................................................................................9 1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN .....................................................9 1.5. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ..............................................................10 1.6. Một số thách thức cần giải quyết cho giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây hiện nay ...............................................................................................12 1.7. Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây..........................16 1.8. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [5] .................................17 1.8.1. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp ..............................................17 1.8.2. Ứng dụng trong y tế ................................................................................18 1.8.3. Ứng dụng trong giám sát môi trường .....................................................18 1.8.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông .........................................................19 1.8.5. Ứng dụng trong gia đình.........................................................................19 1.9. Kết luận Chương 1 .........................................................................................20 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..........................................................................................................................22 2.1. Giới thiệu .......................................................................................................22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iv 2.2. Một số nguyên nhân gây lãng phí năng lượng trong mạng WSN .................23 2.2.1. Tiêu thụ năng lượng khi xung đột tín hiệu .............................................23 2.2.2. Tiêu thụ năng lượng cho việc nghe khi rỗi (Idle listening) ....................23 2.2.3. Tiêu thụ năng lượng khi nghe thông tin thừa (Overhearing) .................24 2.2.4. Xử lý các gói tin điều khiển ...................................................................25 2.3. Các mục tiêu thiết kế giao thức MAC trong WSN ........................................25 2.3.1. Tránh xung đột - tắc nghẽn tín hiệu (Collision advoidance - Obstruction) ............................................................................................. 25 2.3.2. Sử dụng năng lượng hiệu quả (Energy efficient) ...................................26 2.3.3. Khả năng mở rộng và thích ứng (Scalability and adaptivity) ................26 2.3.4. Hiệu quả sử dụng kênh ...........................................................................26 2.3.5. Độ trễ ......................................................................................................27 2.3.6. Thông lượng (Throughput) .....................................................................27 2.3.7. Sự công bằng ..........................................................................................27 2.4. Giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh .........................................................28 2.4.1. Giao thức S-MAC (Sensor - MAC)........................................................28 2.4.2. Giao thức T-MAC (Timeout - MAC) .....................................................39 2.5. Giao thức MAC dựa trên đa truy cập phân chia theo thời gian .....................48 2.5.1. Giao thức CSMA (Đa truy cập cảm biến sóng mang) ...........................48 2.5.2. LMAC (Lightweight MAC) ...................................................................51 2.6. Kết luận Chương 2 .........................................................................................57 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................................................................................................58 3.1. Giới thiệu .......................................................................................................58 3.2. Giới thiệu Castalia .........................................................................................59 3.3. Mô phỏng giao thức S-MAC và T-MAC trên Castalia .................................61 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................70 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa tiếng việt ACK Acknowledgement Bản tin xác nhận ADV ADVertisement Bản tin thông báo Application Programming API Các giao diện lập trình ứng dụng Interface Đa truy nhập cảm nhận theo sóng CSMA Carrier Sense Multiple Access mang S-MAC Sensor - MAC T-MAC Timeout - MAC LMAC Lightweight MAC Institute of Electrical and IEEE Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronic Engineers Distributed Coordination DCF Chức năng công tác phân tán Function MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập kênh truyền WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ Task Assignment and Data công nghệ đa truy nhập phân TDMA Advertisement Protocol chia theo thời gian IoT Internet of Things Phương pháp đa truy cập có Carrier Sense Multiple CSAM/CA cảm nhận song mang và tránh Access/Collision Avoidance xung đột RTS Request to Send CTS Clear to Send CS Carrier Sense Cảm ứng sóng mang Vectơ thời gian chiếm giữ NAV Network allocation Vector mạng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vi BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân QPSK Quadature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao DS Data sent Gửi dữ liệu FRTS Future Request to Send Gửi sớm RTS CM Control Message Thông điệp điều khiển DM Data Message Thông điệp dữ liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây. ............................................................4 Hình 1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. ...........................................................6 Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. ..................................................7 Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. ..........9 Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây trong nông nghiệp ....................18 Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong giao thông ..........................19 Hình 1.7. Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong dân dụng ...........................20 Hình 2.1. Lược đồ giao thức S-MAC........................................................................29 Hình 2.2. Đồng bộ giữa các nút A,B với C,D. ..........................................................30 Hình 2.3. Quan hệ định thời giữa nút nhận và các nút gửi .......................................33 Hình 2.4. Minh họa tránh nghe lỏm ..........................................................................36 Hình 2.5. Chu kỳ thức ngủ của T-MAC....................................................................40 Hình 2.6. Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản ................................................................42 Hình 2.7: Minh họa truyền bất đối xứng ...................................................................45 Hình 2.8: Minh họa thực hiện gửi sớm RTS. ............................................................46 Hình 2.9. Minh họa ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy .......................................................48 Hình 2.10. Minh họa các vấn đề với CSMA trong môi trường không dây. a) nút ẩn, b) nút hiện..................................................................................................................50 Hình 2.11. Khe thời gian LMAC ..............................................................................51 Bảng 2.1. Bảng cấu trúc thông điệp điều khiển của LMAC .....................................52 Hình 2.12. Minh họa thuật toán phân tán để tìm kiếm khe thời gian rảnh rỗi của giao thức LMAC ...............................................................................................................55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
viii Hình 3.1. Minh họa code của file omnetpp.ini..........................................................60 Hình 3.2. Minh họa giao diện lập trình trên Castalia ...............................................61 Hình 3.3. Minh họa năng lượng tiêu thụ của S-MAC và T-MAC trong mạng cảm biến không dây với số lượng 25 nút ..........................................................................66 Hình 3.4. Minh họa năng lượng tiêu thụ của S-MAC và T-MAC trong mạng cảm biến không dây với số lượng 49 nút ..........................................................................67 Hình 3.5: Minh họa tải cao điểm và mức năng lượng tiêu thụ (với 10 nút và 20 nút) ...................................................................................................................................68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cùng với những tiến bộ trong công nghệ như vật liệu, điện tử,… đã tạo điều kiện thuận lợi xây dựng thế hệ mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) ngày càng hiện đại và ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của xã hội như công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng, giao thông và y tế. Với ưu điểm như kích thước nhỏ ngọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm biến không dây đã trở thành 1 thành phần không thể thiếu trong xã hội hiện đại, nhất là trong xu thế IoT và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm thì việc tối ưu hiệu suất cho mạng cảm biến không dây, cũng như nâng cao hiệu năng của giao thức lớp mạng đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, trong đó việc phân tích và đánh giá giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây là một bước quan trọng để thực hiện công việc nghiên cứu này. Kết quả đánh giá giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây sẽ cho phép nhà khoa học đưa ra những ưu điểm và nhược điểm của từng giao thức trong những điều kiện, môi trường khác nhau. Căn cứ vào kết quả đánh giá, các nhà khoa học sẽ thực hiện việc xây dựng thuật toán khắc phục những nhược điểm của giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây. Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây”. Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu một số kỹ thuật, thuật toán của giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây, từ đó đưa ra những đánh giá cho từng loại giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2 Bố cục của luận văn như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây. Chương 3: Đánh giá giao thức lớp MAC trong WSNs Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. Giới thiệu Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc độ và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây. Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời. Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng của các đối tượng thông minh. Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý và các cảm biến. Mạng cảm biến liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó các nút trong mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên [3]. Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động. Các nút giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng như hình 1.1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
4 Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây. Qua đó ta thấy rằng, các nút cảm biến được bố trí ở vị trí xa, khó đi lại hoặc không thuận lợi cho việc cung cấp nguồn năng lượng cho các nút cảm biến. Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả là chủ đề nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, trong đó có chủ đề kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây. 1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông thường, nó có một số đặc điểm nổi bật như sau: - Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng... do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5 - WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế & giao thức truyền vô tuyến riêng. - Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến. - Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...). - Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng. - Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các node có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng. 1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.2. Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
6 Hình 1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến. Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút cảm biến. Các nút cảm biến giữ nhiệm vụ theo dõi xem nút nào là nút hàng xóm của chúng. Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. 1.3.1. Lớp vật lý Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô tuyến. Lớp vật lý của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
7 Tại Hoa Kỳ, IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-928MHz. Tại châu Âu, 802.15.4 sử dụng băng tần 868- 868.8MHz. Phần còn lại của thế giới, 802.15.4 sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz. IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi băng tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1.3. Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là 5MHz. IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả các kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
8 Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11. Bởi vì 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.3 cho thấy sự chồng lấn giữa 802.15.4 và 802.11. Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, thì có 2 kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng 802.11. Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian. Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11. 1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin. Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền. 1.3.3. Lớp mạng Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp mạng đóng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
9 1.3.4. Lớp truyền tải Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói. 1.3.5. Lớp ứng dụng Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Các nghiên cứu dựa trên tầng này để phát triển ứng dụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu cho toàn bộ hệ thống trong tầng ứng dụng của WSN. 1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ. Hình 1.4 trình bày một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này. Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Bên cạnh những thuật toán định tuyến trên, thì hiện nay người ta sử dụng chuẩn Zigbee để thực hiện việc thiết lập môi trường truyền thông không dây trong mạng cảm biến. Chuẩn Zigbee là chuẩn được dùng phổ biến bởi ưu điểm như tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp [9]. Chuẩn Zigbee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
10 thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc vào môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu). Mô hình mạng Zigbee hỗ trợ ba loại mô hình chính đó là mạng sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới. Tùy theo, mô hình mà nút cảm biến được phân chia theo mức độ khác nhau như ZC, ZR và ED. Cơ chế định tuyến của chuẩn Zigbee cũng được thiết kế ở tầng mạng với kỹ thuật định tuyến như AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), thuật toán hình cây… Trong chương 2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn một số kỹ thuật định tuyến tiêu biểu. 1.5. Cấu trúc mạng cảm biến không dây Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của từng nút trong mạng nhằm kéo dài thời gian sống của mạng. Vì vậy, thiết kế cấu trúc và kiến trúc mạng cảm biến không dây cần phải quan tâm đến các yếu tố sau: - Giao tiếp không dây đa chặng: Giao tiếp không dây có nhiều hạn chế như nhiễu môi trường, gặp vật cản,… hoặc nút thu và phát cách xa nhau nên cần nút trung gian chuyển tiếp nhằm giảm công suất phát, tiết kiệm năng lượng. Do đó, việc đa chặng trong mạng cảm biến không dây là cần thiết trong quá trình thiết kế và xây dựng mạng cảm biến không dây. - Sử dụng hiệu quả năng lượng: điều này sẽ giúp trong việc hỗ trợ kéo dài thời gian sống của mạng. - Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: cần có kết hợp giữa các dữ liệu của một hay nhiều nút để chuyển tới được nút gốc từ đó tiết kiệm được băng thông, năng lượng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn