TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Định nghĩa
Mạng cảm nhận không dây (WSN) là hệ thống kết nối các node qua sóng vô tuyến, với các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp và số lượng lớn Các node này được phân bố không có hệ thống trên một diện tích rộng, hoạt động trong phạm vi lớn, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt như chất độc, ô nhiễm và nhiệt độ cao.
Động lực phát triển
Trong những năm gần đây, nhiều mạng cảm nhận không dây đã được phát triển và triển khai cho các ứng dụng đa dạng, bao gồm theo dõi sự thay đổi môi trường, khí hậu, cũng như quản lý và điều khiển giao thông và các phương tiện xe cộ.
Sự tiến bộ công nghệ và sự hội tụ của các hệ thống như kỹ thuật vi điện tử, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm ứng, và xử lý tín hiệu đã tạo ra những node cảm biến nhỏ gọn, đa chức năng, với chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng ít Điều này đã tăng cường khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm nhận không dây.
Khi nghiên cứu mạng cảm nhận không dây, thời gian sống của các node cảm biến là yếu tố quan trọng, liên quan đến giới hạn năng lượng của chúng Các node này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp và thường không thể thay thế nguồn cung cấp Vì vậy, trong khi mạng truyền thông hướng tới dịch vụ chất lượng cao, các giao thức mạng cảm nhận cần tập trung vào việc tiết kiệm năng lượng.
Cấu trúc của WSN
Một node cảm biến bao gồm ba thành phần chính: vi điều khiển, cảm biến và bộ phát radio Bên cạnh đó, node còn được trang bị các cổng kết nối với máy tính để truyền tải dữ liệu.
- Bao gồm: CPU; bộ nhớ ROM, RAM; bộ phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số và ngược lại
- Chức năng: cảm nhận thế giới bên ngoài, sau đó chuyển dữ liệu qua bộ phận chuyển đổi để xử lý
Node cảm biến đóng vai trò thiết yếu trong mạng cảm biến không dây (WSN), vì vậy việc thiết kế các node này để tối ưu hóa việc tiết kiệm năng lượng là ưu tiên hàng đầu.
Hình 1.3.1 Phân bố node cảm biến trong trường cảm biến
Mạng cảm nhận, như hình 1.3.1, bao gồm nhiều node cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến Các node này có khả năng thu thập dữ liệu thực tế và chuyển chúng về node gốc thông qua phương pháp đa bước nhảy Node gốc sau đó liên lạc với node quản lý nhiệm vụ qua Internet hoặc vệ tinh Thiết kế mạng cảm nhận theo mô hình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Khả năng chịu lỗi của mạng cảm biến rất quan trọng, vì một số node có thể ngừng hoạt động do thiếu năng lượng, hư hỏng vật lý hoặc tác động từ môi trường Mạng cần phải duy trì hoạt động bình thường và tiếp tục thực hiện các chức năng của mình ngay cả khi có một số node không hoạt động.
Khả năng mở rộng là yếu tố quan trọng khi nghiên cứu hiện tượng, vì số lượng node cảm biến có thể lên đến hàng trăm nghìn hoặc hơn, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Do đó, cấu trúc mạng cần được thiết kế để đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng phù hợp với từng yêu cầu của ứng dụng.
Giá thành sản xuất mạng cảm nhận rất quan trọng do số lượng lớn các node cảm biến Để tối ưu hóa chi phí mạng, cần đảm bảo rằng chi phí cho mỗi node cảm biến được giữ ở mức thấp.
Tích hợp phần cứng cho node cảm biến trong mạng yêu cầu kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí sản xuất hợp lý, khả năng thích ứng với môi trường, tự cấu hình và hoạt động độc lập mà không cần giám sát.
Các node cảm biến thường được phân bố dày đặc và trực tiếp trong nhiều loại môi trường khác nhau, bao gồm cả môi trường ô nhiễm, độc hại và dưới nước Điều này yêu cầu các node cảm biến phải có khả năng thích ứng với nhiều điều kiện môi trường và sự biến đổi của chúng.
Trong mạng cảm nhận, các node kết nối không dây sử dụng các phương tiện truyền dẫn như sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học Để đảm bảo hoạt động thống nhất cho các mạng này, việc chọn lựa phương tiện truyền dẫn phù hợp trên toàn cầu là rất quan trọng.
Cấu hình mạng cảm nhận: Mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, do đó phải thiết lập một cấu hình ổn định
Sự tiêu thụ năng lượng của các node cảm biến là yếu tố quan trọng, bởi vì mỗi node chỉ có nguồn năng lượng giới hạn Trong nhiều ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng là không khả thi, khiến cho tuổi thọ của mạng phụ thuộc vào tuổi thọ của các node cảm biến Tuổi thọ của node cảm biến lại gắn liền với thời gian sống của pin Do đó, các nhà khoa học hiện đang nỗ lực phát triển các giải thuật và giao thức thiết kế nhằm tiết kiệm nguồn năng lượng hạn chế này.
* Kiến trúc giao thức mạng cảm nhận
Hình 1.3.2 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
Kiến trúc giao thức cho mạng cảm nhận được mô tả trong hình 1.3.2, bao gồm các lớp và mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này giúp các node hoạt động hiệu quả, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm nhận di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến.
+ Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu
Lớp liên kết số liệu có chức năng ghép nối các luồng dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, quản lý truy cập đường truyền và kiểm soát lỗi Trong môi trường có tạp âm và các node cảm biến di động, giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC) cần xem xét vấn đề công suất và tối thiểu hóa va chạm với thông tin từ các node lân cận.
+ Lớp mạng: quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải
Lớp truyền tải đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì luồng dữ liệu khi ứng dụng mạng cảm nhận yêu cầu Nó trở nên cần thiết khi hệ thống dự kiến sẽ được truy cập qua Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
+ Lớp ứng dụng: tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở ớp ứng dụng
Mặt phẳng quản lý công suất đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển mức tiêu thụ năng lượng của node cảm biến Chẳng hạn, sau khi nhận được một bản tin, node cảm biến có thể tự động tắt bộ thu để ngăn chặn việc phát sinh các bản tin trùng lặp.
Khi node cảm biến có mức công suất thấp, nó sẽ phát tín hiệu đến các node cảm biến lân cận để thông báo rằng năng lượng của nó không đủ và không thể tham gia vào quá trình định tuyến Năng lượng còn lại sẽ được dành cho nhiệm vụ cảm biến.
Những thách thức của WSN
Để WSN thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức và trở ngại chính cần vượt qua:
Vấn đề về năng lượng
Năng lực xử lý, tính toán
Thích ứng tốt với môi trường
Ngoài ra, còn có một số thách thức và trở ngại thứ yếu như: vấn đề mở rộng mạng, giá thành các node, quyền sở hữu,…
Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống
Dựa vào sự trình bày ở trên, ta dễ dàng nhận thấy sự khác nhau giữa WSN và các mạng truyền thống:
Số lượng node cảm biến trong một mạng cảm nhận lớn hơn nhiều lần so với những node trong các mạng truyền thống
Các node cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn
Những node cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động hơn
Cấu trúc mạng cảm nhận thay đổi khá thường xuyên
Mạng cảm nhận chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá, trong khi đó đa số các mạng truyền thống là điểm - điểm
Những node cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ
Những node cảm biến có thể không có số định dạng toàn cầu (global identification) (ID)
Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây
Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node lân cận
Ứng dụng của WSN
Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm các nút cảm biến nhỏ gọn, có khả năng thích ứng với môi trường khắc nghiệt Những nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận thông tin từ môi trường xung quanh và gửi dữ liệu về trung tâm để xử lý theo ứng dụng cụ thể Ngoài khả năng giao tiếp với các nút lân cận, các nút cảm biến còn có thể xử lý dữ liệu trước khi truyền đến các nút khác WSN mang lại nhiều ứng dụng hữu ích trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống.
* Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường
Phát hiện mìn, chất độc trong môi trường
Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa,…
Phát hiện ô nhiễm, chất thải,…
Phát hiện hoạt động núi lửa
* Các ứng dụng trong y tế Định vị theo dõi bệnh nhân
Hệ thống báo động khẩn cấp
Cảm biến gắn trực tiếp lên cơ thể con người
Phân tích nồng độ các chất
Hỗ trợ chăm sóc bệnh nhân
Hình 1.4.1 Ứng dụng trong y tế
* Các ứng dụng trong gia đình
Hệ thống giao tiếp và điều khiển từ xa các thiết bị
Hệ thống cảnh báo an ninh,…
Hình 1.4.2 Ứng dụng điều khiển trong gia đình
Các node cảm biến được lắp đặt trên các thiết bị giải trí, đo nhiệt độ và cảnh báo an ninh trong ngôi nhà, kết nối thành một mạng để truyền dữ liệu về nơi cung cấp dịch vụ Điều này cho phép chủ nhà quản lý từ xa các thiết bị, đảm bảo an toàn cho ngôi nhà một cách thuận tiện và dễ dàng.
* Hệ thống giao thông thông minh
Giao tiếp giữa biển báo và phương tiên giao thông
Hệ thống điều tiết lưu thông công cộng
Hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…
Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện giao thông
Hình 1.4.3 Ứng dụng định vị phương tiện giao thông
* Ứng dụng trong quân sự, an ninh Định vị, theo dõi sự di chuyển của các thiết bị quân sự Điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
Kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự
Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh
Hình 1.4.4 Ứng dụng cảm biến trong quân sự
Các ứng dụng quân sự và an ninh đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ con người khỏi các khu vực nguy hiểm, đặc biệt là trong bối cảnh chiến tranh, đồng thời cho phép giám sát hiệu quả các hoạt động trên chiến trường.
* Ứng dụng trong thương mại
Quản lý kiến trúc và xây dựng
Hệ thống xử lý vật liệu
Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng Điều khiển nhiệt độ
Thu thập dữ liệu thời gian thực
Hình 1.4.5 Các ứng dụng trong công nghiệp
Các node cảm biến kết nối thành mạng lưới, gửi dữ liệu về node trung tâm, hỗ trợ trong sản xuất công nghiệp với các ứng dụng như điều khiển, quản lý, hiệu suất và an toàn Cảm biến được đặt trong môi trường làm việc để giám sát quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, kiểm soát môi trường và quản lý nhân viên Dữ liệu thu thập sẽ được gửi về trung tâm, giúp người quản lý đưa ra quyết định kịp thời.
MỘT SỐ GIAO THỨC MAC VÀ ĐỊNH TUYẾN
Giao Thức Mac
Mạng cảm biến không dây là một hệ thống đặc biệt với nhiều nút cảm biến trang bị bộ vi xử lý và cảm biến, hoạt động cùng nhau để hoàn thành nhiệm vụ chung Các nút này thường được triển khai phi cấu trúc như mạng ad hoc và cần tự tổ chức để tạo thành một mạng không dây đa bước nhảy Một thách thức lớn trong mạng không dây là xung đột xảy ra khi hai nút gửi dữ liệu đồng thời trên cùng một kênh truyền.
Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền (MAC) giúp các nút quyết định thời điểm và cách thức truy nhập kênh, thường được xem là một lớp con của lớp liên kết dữ liệu trong mạng Các giao thức MAC như Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong truyền thông không dây, đặc biệt trong các hệ thống truyền thông tế bào hiện đại Những phương pháp này nhằm tránh xung đột bằng cách chia nhỏ kênh truyền thành các kênh con, cho phép các nút truy cập mà không gây ảnh hưởng lẫn nhau, tạo thành nhóm giao thức phi xung đột Ngược lại, một số giao thức MAC khác dựa vào sự cạnh tranh để truy cập kênh chung, có thể dẫn đến xung đột trong quá trình này.
Mạng cảm biến khác với mạng dữ liệu không dây truyền thống ở một số điểm quan trọng Đầu tiên, hầu hết các nút trong mạng cảm biến hoạt động dựa vào nguồn điện từ pin, việc nạp điện cho tất cả các nút là rất khó khăn Thứ hai, các nút thường được triển khai theo cách phi cấu trúc và cần tự tổ chức để hình thành mạng truyền thông Thứ ba, nhiều ứng dụng yêu cầu số lượng lớn nút với mật độ thay đổi theo thời gian và địa điểm, bao gồm cả mạng thưa và mạng dày đặc Cuối cùng, lưu lượng trong mạng chủ yếu do các sự kiện cảm ứng thúc đẩy, với sự phân bố không đều và co cụm Những đặc điểm này cho thấy rằng các giao thức MAC truyền thống không phù hợp cho mạng cảm biến không dây nếu không có sự điều chỉnh.
2.1.1 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây
Tính tránh xung đột (Collision Avoidance) là yêu cầu thiết yếu trong tất cả các giao thức MAC, quyết định thời điểm mà một nút có thể truy cập vào đường truyền để thực hiện việc trao đổi dữ liệu.
Tính hiệu năng (Energy Efficiency) là thuộc tính quan trọng nhất của giao thức MAC trong mạng cảm biến, vì hầu hết các nút cảm biến hoạt động bằng pin, và việc thay đổi hoặc nạp điện cho chúng rất khó khăn Nhiều mạng cảm biến được thiết kế với các nút có chi phí thấp, thường được coi là bỏ đi thay vì nạp lại Do đó, việc kéo dài tuổi thọ của mỗi nút là vấn đề then chốt trong thiết kế mạng cảm biến.
Dù bất kỳ nền tảng phần cứng nào, năng lượng cho thu phát sóng vô tuyến luôn là nguồn tiêu thụ chính Lớp MAC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động thu phát sóng vô tuyến, và mức tiêu thụ năng lượng của nó ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của nút.
Khả năng thích ứng và biến đổi được
Tính biến đổi được và khả năng thích ứng là những thuộc tính quan trọng của giao thức MAC, giúp điều tiết sự thay đổi trong kích thước, mật độ và topo mạng Trong môi trường mạng cảm biến phi cấu trúc, nhiều nút có thể không hoạt động hoặc ngừng hoạt động trong thời gian dài, trong khi một số nút mới có thể tham gia và một vài nút khác có thể di chuyển Do đó, một giao thức MAC hiệu quả cần phải quản lý những thay đổi này một cách hợp lý để đảm bảo hoạt động ổn định trong các điều kiện không chắc chắn.
Khả năng sử dụng kênh
Sự sử dụng kênh phản ánh băng thông trong truyền thông, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện thoại tế bào và mạng cục bộ không dây, nơi băng thông là tài nguyên quý giá Các nhà cung cấp dịch vụ mong muốn tối đa hóa số lượng người dùng, trong khi số lượng nút hoạt động trong mạng cảm biến phụ thuộc vào loại ứng dụng Độ trễ, hay sự trì hoãn trong việc gửi và nhận gói tin, có tầm quan trọng khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng Trong các ứng dụng giám sát, nút cảm biến thường không hoạt động cho đến khi phát hiện sự kiện, cho phép bỏ qua một số độ trễ thông điệp Tuy nhiên, khi sự kiện xảy ra, việc giảm thiểu độ trễ trở thành mục tiêu quan trọng để đảm bảo phản ứng nhanh chóng của mạng.
Thông lượng (Throughput) là số lượng dữ liệu được chuyển giao thành công từ nguồn đến đích trong một khoảng thời gian nhất định Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thông lượng, bao gồm khả năng tránh xung đột, mức độ sử dụng kênh, độ trễ, và quy trình xử lý thông tin điều khiển Tương tự như độ trễ, tầm quan trọng của thông lượng phụ thuộc vào loại ứng dụng; các ứng dụng cảm biến có vòng đời dài thường chấp nhận độ trễ cao hơn và thông lượng thấp hơn.
Fairness là khả năng chia sẻ kênh truyền giữa các người dùng, nút hoặc ứng dụng một cách công bằng, đặc biệt quan trọng trong mạng tiếng nói và mạng dữ liệu truyền thống, nơi mỗi người dùng cần cơ hội bình đẳng để gửi và nhận dữ liệu Tuy nhiên, trong mạng cảm biến, các nút hợp tác cho một nhiệm vụ chung và vào những thời điểm nhất định, một nút có thể có nhiều dữ liệu hơn để gửi so với các nút khác Do đó, thay vì tập trung vào sự công bằng giữa các nút, thành công được đo bằng hiệu suất của ứng dụng, làm cho độ công bằng với từng nút hoặc người dùng trở nên ít quan trọng hơn.
Các thuộc tính của giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây bao gồm khả năng tránh xung đột hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, và tính biến đổi cùng với khả năng thích ứng với mật độ và số lượng nút.
2.1.2 Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng
Sự xung đột (Collision) là nguyên nhân đầu tiên gây tiêu phí năng lượng
Khi hai gói tin được truyền đồng thời, xung đột sẽ xảy ra, dẫn đến việc các gói tin bị hỏng và cần phải loại bỏ Việc yêu cầu truyền lại gói tin sẽ tiêu tốn năng lượng, vì vậy tất cả các giao thức MAC đều nỗ lực tối đa để tránh xung đột.
Nguyên nhân thứ hai gây tiêu hao năng lượng là vấn đề nghe khi rỗi (Idle
Nghe là quá trình mà các thành phần sóng vô tuyến "lắng nghe" kênh để xác định xem có dữ liệu nào để nhận hay không Sự tiêu hao năng lượng trong quá trình này đặc biệt cao, đặc biệt là trong các ứng dụng mạng cảm biến, nơi không có dữ liệu trao đổi trong thời gian không có sự kiện được cảm biến.
Nhiều giao thức MAC như CSMA và CDMA luôn duy trì việc nghe kênh ngay cả khi không có dữ liệu để gửi Chi phí của việc nghe khi rỗi phụ thuộc vào phần cứng và chế độ hoạt động của sóng vô tuyến Hầu hết các mạng cảm biến được thiết kế để hoạt động lâu dài, do đó các nút cảm biến thường ở trạng thái nghe trong thời gian dài Trong những trường hợp này, việc nghe khi rỗi trở thành yếu tố quan trọng trong việc tiêu thụ năng lượng của sóng vô tuyến.
Nguyên nhân thứ ba gây tiêu hao năng lượng là vấn đề nghe thừa (overhearing), khi một nút nhận được các gói tin không dành cho mình Việc phải xử lý những lưu thông không cần thiết này trở thành yếu tố chính làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, đặc biệt khi lưu lượng truyền tải tăng và mật độ nút cao.
Định tuyến trong mạng cảm biến
Mạng cảm biến, mặc dù có nhiều điểm tương đồng với các mạng adhoc có dây và không dây, vẫn thể hiện những đặc tính độc đáo, tạo nên sự khác biệt cho chúng Những đặc tính này yêu cầu thiết kế các giao thức định tuyến mới, khác biệt so với các giao thức trong mạng adhoc Điều này đặt ra nhiều thách thức lớn cho mạng cảm biến Chương này sẽ giới thiệu ba loại giao thức định tuyến chính trong mạng cảm biến: giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu, giao thức định tuyến phân cấp và giao thức định tuyến dựa vào vị trí.
2.2.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến
Chính vì những đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến mà việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức sau:
Mạng cảm biến có rất nhiều nút, do đó việc xây dựng sơ đồ địa chỉ toàn cầu để triển khai số lượng lớn các nút là rất khó khăn, vì lượng overhead cần thiết để duy trì ID quá cao.
Dữ liệu trong mạng cảm biến yêu cầu cảm nhận từ nhiều nguồn khác nhau và truyền đến sink
Các nút cảm biến trong mạng thường bị hạn chế về năng lượng, tốc độ xử lý và khả năng lưu trữ Hầu hết các nút này đều ở trạng thái tĩnh sau khi được triển khai, ngoại trừ một số ít nút có khả năng di động.
Mạng cảm biến là những ứng dụng riêng biệt
Việc nhận biết vị trí là vấn đề rất quan trọng vì tập hợp dữ liệu thông thường đưa lên vị trí
Khả năng dư thừa dữ liệu rất cao vì các nút cảm biến thu lượm dữ liệu dự trên hiện tượng chung
2.2 3 Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến
Mạng cảm biến chủ yếu nhằm truyền dữ liệu hiệu quả trong khi tối ưu hóa thời gian sống và duy trì kết nối thông qua các kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt Trong quá trình thiết kế giao thức định tuyến, chúng ta thường đối mặt với các thách thức liên quan đến tính biến đổi theo thời gian và trật tự sắp xếp của mạng.
Các nút cảm biến hoạt động với giới hạn về khả năng tính toán, lưu trữ và truyền dẫn, đồng thời chịu ràng buộc năng lượng khắt khe Mật độ các nút cảm biến trong mạng có thể thay đổi từ thưa thớt đến rất dày tùy thuộc vào ứng dụng Trong nhiều trường hợp, số lượng nút cảm biến có thể lên đến hàng trăm, thậm chí hàng ngàn, được triển khai một cách tự do và thường không có sự giám sát, nhằm bao phủ một vùng rộng lớn.
Trong mạng cảm biến, các cảm biến có đặc tính thích nghi động và cao, yêu cầu tự tổ chức và bảo toàn năng lượng Điều này buộc các nút cảm biến phải liên tục điều chỉnh để phù hợp với hoạt động hiện tại.
Ràng buộc về tài nguyên
Các nút cảm biến được thiết kế đơn giản nhằm triển khai hiệu quả trong phạm vi lớn, giúp giảm chi phí mạng Năng lượng là mối quan tâm chính trong mạng cảm biến không dây, và việc kéo dài thời gian sống của các nút trong điều kiện năng lượng hạn chế là rất quan trọng Truyền gói mutilhop là nguồn tiêu thụ năng lượng chủ yếu, do đó, việc điều khiển tự động chu kỳ công suất của mạng cảm biến có thể giúp giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng Tuy nhiên, quản lý năng lượng vẫn là một thách thức chiến lược trong nhiều ứng dụng quan trọng.
Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến
Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các nút cảm biến và các sink
Mô hình này phụ thuộc vào bản chất của ứng dụng, đặc biệt là cách thức dữ liệu được yêu cầu và sử dụng Nhiều mô hình dữ liệu đã được đề xuất để đáp ứng yêu cầu tương tác và nhu cầu thu thập dữ liệu từ các ứng dụng đa dạng.
Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng, trong đó yêu cầu mô hình thu thập dữ liệu dựa trên việc lấy mẫu theo chu kỳ hoặc theo sự kiện xảy ra trong môi trường quan sát.
Trong các ứng dụng, dữ liệu có thể được chụp, lưu trữ hoặc xử lý tại một nút trước khi chuyển tiếp đến sink Một mô hình thứ ba là tương tác hai chiều giữa các nút cảm biến và sink.
Nhu cầu hỗ trợ đa dạng các mô hình dữ liệu làm tăng tính phức tạp của vấn đề thiết kế giao thức định tuyến
Cách thức truyền tải truy vấn và dữ liệu giữa các trạm cơ sở và các vị trí quan sát hiện tượng đóng vai trò quan trọng trong mạng cảm biến không dây.
Một phương pháp cơ bản để truyền dữ liệu từ các nút cảm biến đến trạm cơ sở là sử dụng giao thức truyền trực tiếp Tuy nhiên, phương pháp này dựa trên bước nhảy đơn (single-hop) có chi phí cao và khiến các nút xa trạm cơ sở nhanh chóng tiêu hao năng lượng, dẫn đến giảm thời gian sống của mạng.
Để giảm thiểu lỗi trong phương pháp truyền dữ liệu, việc trao đổi giữa các nút cảm biến và trạm cơ sở có thể được thực hiện thông qua truyền gói đa bước nhảy (multihop) trong phạm vi truyền ngắn Phương pháp này không chỉ tiết kiệm năng lượng đáng kể mà còn giảm thiểu sự giao thoa giữa các nút khi cạnh tranh truy cập kênh, đặc biệt trong mạng cảm biến không dây có mật độ cao Dữ liệu được truyền giữa các nút cảm biến và các sink sẽ được minh họa như hình 3.1 Để đáp ứng các truy vấn từ sink hoặc các sự kiện đặc biệt trong môi trường, dữ liệu thu thập sẽ được chuyển đến các trạm cơ sở qua nhiều đường dẫn multihop.
Trong mạng cảm biến không dây, định tuyến mutilhop yêu cầu các nút trung gian chuyển tiếp dữ liệu giữa nguồn và đích Việc xác định tập hợp các nút tạo thành đường dẫn chuyển tiếp là nhiệm vụ quan trọng trong thuật toán định tuyến Định tuyến trong mạng lớn là một thách thức, đòi hỏi các thuật toán phải đáp ứng nhiều yêu cầu thiết kế như độ chính xác, ổn định, tối ưu hóa và khả năng thích ứng với sự thay đổi của các thông số.
Hình 2.14: Mô hình truyền dữ liệu giữa sink và các nút
Mạng cảm biến có đặc điểm bên trong là dải băng thông và năng lượng hạn chế, điều này tạo ra thách thức cho các giao thức định tuyến Các giao thức này cần phải đáp ứng yêu cầu lưu lượng đồng thời kéo dài tuổi thọ của mạng.
2.2.4 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến