TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống gồm nhiều nút cảm biến nhỏ gọn, sử dụng liên kết không dây để thu thập dữ liệu từ môi trường, như nhiệt độ, độ ẩm và ô nhiễm không khí Các nút này gửi dữ liệu về nút gốc, nơi thông tin được phân tích và xử lý, giúp con người truy cập dữ liệu cần thiết Mạng cảm biến có thể triển khai ở nhiều địa hình, kể cả những nơi khó khăn, và thường bao gồm số lượng lớn các nút giao tiếp qua tín hiệu vô tuyến Công nghệ ngày nay giúp các nút cảm biến hoạt động hiệu quả trong môi trường dày đặc với chi phí thấp Mạng cảm biến không dây ngày càng quan trọng, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái, và trong các lĩnh vực công nghiệp, quân sự và đời sống hàng ngày.
Mạng cảm biến không dây (WSN) đang mở ra nhiều ứng dụng mới nhờ vào sự phát triển của thiết bị hiện đại và yêu cầu giao thức đơn giản do hạn chế về năng lực của các nút Việc cân bằng giữa khả năng truyền và xử lý dữ liệu là cần thiết do yêu cầu về độ phức tạp và mức tiêu thụ năng lượng thấp Điều này đã thúc đẩy nghiên cứu, chuẩn hóa và đầu tư vào lĩnh vực này trong nhiều thập kỷ qua Tuy nhiên, hiện nay, hầu hết nghiên cứu về WSN chủ yếu tập trung vào thiết kế thuật toán và giao thức để tối ưu hóa năng lượng và tính toán, trong khi phần mềm ứng dụng vẫn chủ yếu giới hạn ở các chức năng giám sát và thông báo.
1.1.1 Cấu trúc mạng cảm biến Để phù hợp với các chức năng sử dụng mang cảm biến được cấu tạo khá đơn giản Những thành phần chính để cấu tạo lên một mạng cảm biến đều được đề cập trong hình 1.1 Với các mục đích sử dụng khác nhau người sử dụng có thể thêm một số thiết bị an ninh để đảm bảo mục đích bảo mật.
Mạng WSN (Wireless Sensor Network) thường có cấu trúc với các nút cảm biến được triển khai dày đặc, cho phép thu thập và định tuyến dữ liệu về trạm gốc Mỗi nút cảm biến không chỉ thu thập thông tin mà còn gửi yêu cầu từ trạm gốc đến các nút khác trong mạng Dữ liệu được chuyển về bộ thu nhận (nút gốc) theo mô hình đa liên kết mà không cần cơ sở hạ tầng cố định như trạm thu phát hay trung tâm điều khiển Bộ thu nhận có khả năng giao tiếp trực tiếp với trạm điều hành của người dùng hoặc thông qua Internet và vệ tinh.
Mạng cảm biến được cấu trúc từ nhiều mô hình truyền thông không dây đa dạng Một trong những kiểu mạng phổ biến được áp dụng là mạng hình sao, cho phép kết nối hiệu quả giữa các nút cảm biến và trung tâm điều khiển.
Mạng hình sao là một loại mạng truyền thông trong đó một nút gốc có khả năng gửi và nhận tin nhắn để điều khiển các nút cảm biến Mỗi kênh truyền chỉ cho phép trao đổi dữ liệu giữa nút cảm biến và nút gốc, không cho phép gửi tin đến nút khác Ưu điểm của mạng này bao gồm tính đơn giản và khả năng tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ xa, đồng thời cho phép truyền thông với độ trễ thấp Tuy nhiên, nhược điểm là trạm cơ sở phải nằm trong phạm vi truyền vô tuyến của tất cả các nút và mạng này không mạnh mẽ như các loại mạng khác do phụ thuộc vào một nút duy nhất để quản lý.
Hình 1 2: Kiểu mạng hình sao b) Kiểu mạng hình lưới
Kiểu mạng hình lưới cho phép truyền dữ liệu từ một nút đến các nút khác mà không cần nằm trong phạm vi truyền thông, thông qua việc sử dụng các nút trung gian để chuyển tiếp tin nhắn Cấu trúc này mang lại lợi thế về sự phong phú và khả năng mở rộng, giúp các nút vẫn có thể giao tiếp ngay cả khi một nút riêng lẻ thất bại Phạm vi của mạng có thể được mở rộng bằng cách thêm nhiều nút vào hệ thống Tuy nhiên, nhược điểm của mạng lưới là tiêu thụ năng lượng cao hơn cho các nút thực hiện truyền thông đa chặng, dẫn đến hạn chế thời lượng pin Bên cạnh đó, khi số lượng nút giao tiếp tăng lên, thời gian gửi tin nhắn cũng kéo dài, có thể gây ra độ trễ khi nút cảm biến muốn giao tiếp với nút gốc, làm cho khả năng định tuyến trở nên phức tạp hơn.
Hình 1 3: Kiểu mạng hình lưới c) Kiểu mạng kết hợp
Sự kết hợp giữa mạng sao và mạng lưới tạo ra một hệ thống truyền thông mạnh mẽ và linh hoạt, đồng thời giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến không dây Trong cấu trúc này, các nút cảm biến có công suất thấp không được bật để chuyển tiếp dữ liệu, mà sẽ dành cho các nút có công suất cao hơn, giúp duy trì mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu Các nút khác trong mạng được kích hoạt với khả năng đa chặng, cho phép chuyển tiếp dữ liệu từ các nút công suất thấp đến các nút khác Nhìn chung, các nút có khả năng truyền đa bước thường có công suất cao hơn, và việc áp dụng kiểu mạng này trong các ứng dụng IoT sẽ mang lại lợi ích lớn trong truyền thông và trao đổi thông tin giữa các thiết bị.
Hình 1 4: Mô hình mạng hình sao hình lưới kết hợp
1.1.2 Cấu trúc nút cảm biến
Nút cảm biến được thiết kế nhỏ gọn, thực hiện các chức năng cơ bản như thu thập tín hiệu và truyền, chuyển tiếp dữ liệu, với cấu trúc đơn giản như thể hiện trong hình 1.5.
Nút cảm biến thường được cấu tạo từ bốn thành phần chính: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện.
Bộ cảm biến là thành phần chính của các hệ thống giám sát, có nhiệm vụ thu thập và giám sát các điều kiện vật lý như âm thanh, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, chuyển động và ô nhiễm Cảm biến hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC Các cảm biến trong mạng cảm biến không dây (WSN) có thể được phân loại thành ba loại: cảm biến thông thường, cảm biến chùm hợp và cảm biến hoạt động tích cực Cảm biến thông thường thu thập thông tin mà không can thiệp vào môi trường, trong khi cảm biến chùm hợp xác định rõ ràng các thông số trong môi trường như máy ảnh hoặc máy ghi hình Cảm biến hoạt động tích cực sử dụng công nghệ như laser hoặc sonar để dò tìm môi trường Do tính chất không dây và yêu cầu về năng lượng thấp, các nút cảm biến thường được trang bị nguồn năng lượng hạn chế, từ 0,5 Ah đến 1,2 V.
Bộ xử lý bao gồm vi điều khiển và bộ nhớ, với khả năng sử dụng CPU 8 bit hoặc 16 bit, hoạt động ở xung nhịp tối thiểu 20 MHz.
Nền tảng Mica2 Mote của Crossbow sử dụng vi điều khiển ATMega128L với mức tiêu thụ điện năng thấp, đảm bảo thời gian hoạt động dài cho nút cảm biến không dây Bộ xử lý nhúng là trái tim của nút, thực hiện các chức năng như lên lịch tác vụ, xử lý dữ liệu và kiểm soát các thành phần phần cứng khác Nó thu thập và xử lý dữ liệu từ cảm biến, quyết định thời điểm và địa điểm gửi thông tin, cũng như nhận dữ liệu từ các nút khác Bộ nhớ trong của nút bao gồm RAM để lưu trữ kết quả đọc cảm biến và EEPROM để lưu mã chương trình, trong khi bộ nhớ flash cho phép xóa và ghi dữ liệu theo khối Các yêu cầu về bộ nhớ phụ thuộc vào ứng dụng, với bộ nhớ người dùng lưu trữ dữ liệu cá nhân và bộ nhớ chương trình dùng để lập trình thiết bị Ví dụ, vi điều khiển ATMega128L trên Mica2 Mote có bộ nhớ chương trình flash 128 Kbyte và RAM 4 Kbyte, cùng với chip flash nối tiếp AT45DB041B Atillac 4 Mbit cung cấp bộ nhớ ngoài cho Mica và Mica2Mote.
Khối liên lạc trong mạng cảm biến được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các nút riêng lẻ thông qua phương thức truyền dẫn sóng vô tuyến (RF) Mặc dù yêu cầu các mạch điều chế, lọc và ghép kênh, phương thức này vẫn được ưa chuộng vì không cần tầm nhìn thẳng giữa bên gửi và bên nhận Khoảng cách liên lạc ngắn trong mạng cảm biến dẫn đến việc các gói tin truyền nhỏ, tốc độ dữ liệu thấp và tái sử dụng tần số cao Dải tần liên lạc thường nằm trong khoảng từ 433 MHz đến 2,4 GHz, với bộ thu phát hoạt động trong các băng tần ISM, sử dụng các kỹ thuật điều chế như QPSK, BFSK và GFSK, với công suất đầu ra thấp khoảng 0dBm hoặc 1 mw và phạm vi liên lạc từ 3 đến 100m.
Khối nguồn là yếu tố quan trọng quyết định tuổi thọ của mạng cảm biến, vì các nút cảm biến thường không thể truy cập sau khi triển khai Nguồn năng lượng cho các khối cảm biến, xử lý và liên lạc chủ yếu đến từ pin hoặc tụ điện, trong đó pin là nguồn chính, như Mica2 Mote sử dụng 2 pin AA Do dung lượng pin hạn chế, việc giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng là ưu tiên hàng đầu Một giải pháp để kéo dài tuổi thọ nút cảm biến là sử dụng năng lượng tái tạo từ môi trường, chẳng hạn như pin mặt trời Bên cạnh đó, áp dụng các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng cũng là một phương án hữu ích để tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu và tiết kiệm năng lượng.
Khối tùy chọn: Khối tùy chọn bao gồm hệ thống tìm vị trí và di động (Mobilizer).
Ứng dụng mạng cảm biến trong thực tế
Mạng cảm biến không dây ngày càng được ưa chuộng trong nhiều ứng dụng thực tiễn, mang lại hiệu quả kinh tế, y tế và giáo dục.
Các ứng dụng của mạng cảm biến trong môi trường nguy hiểm được đánh giá cao trong lĩnh vực quân sự, bao gồm giám sát trang thiết bị vũ khí, khảo sát tình hình chiến trường và phát hiện các mối đe dọa từ vũ khí hạt nhân, sinh học và hóa học.
Các nhà lãnh đạo và sĩ quan quân đội liên tục giám sát trạng thái lực lượng, trang thiết bị và đạn dược trên chiến trường thông qua mạng cảm biến Các phương tiện, thiết bị và đạn dược được gắn cảm biến nhỏ để thông báo tình trạng hiện tại Dữ liệu được tập hợp tại các nút gốc và gửi đến lãnh đạo quân đội, đồng thời cũng có thể chuyển tiếp lên các cấp cao hơn.
Giám sát địa hình và lực lượng quân địch là nhiệm vụ quan trọng, trong đó mạng cảm biến được lắp đặt tại các vị trí chiến lược Các nút cảm biến cần nhanh chóng thu thập và truyền tải dữ liệu trong thời gian ngắn, nhằm phát hiện kịp thời hoạt động của quân địch trước khi chúng có cơ hội phản ứng.
Giám sát chiến trường là một chiến lược quan trọng trong những khu vực địa hình hiểm trở, nơi mà các tuyến đường và đường mòn có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến Điều này cho phép theo dõi liên tục các hoạt động của quân địch Khi các hoạt động này được mở rộng, kế hoạch tác chiến mới có thể được triển khai linh hoạt bất cứ lúc nào, đảm bảo tính chủ động trong việc giám sát và ứng phó với tình hình chiến trường.
Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường là rất quan trọng, bao gồm việc phân tích các cuộc tấn công trước và sau Mạng cảm biến có thể được triển khai tại các vùng mục tiêu để theo dõi và nắm bắt mức độ nguy hiểm của tình hình chiến sự.
Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân:
Mạng cảm biến được triển khai tại các khu vực nhằm tạo ra hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học, cung cấp thông tin quan trọng kịp thời để giảm thiểu thương vong nghiêm trọng.
Cảm biến gắn dưới da là một ứng dụng quan trọng trong ngành y tế, cho phép bác sĩ theo dõi và đo các thông số máu, từ đó phát hiện và chẩn đoán bệnh kịp thời Việc theo dõi liên tục trong thời gian dài giúp bác sĩ có cái nhìn tổng quan về tình trạng sức khỏe của bệnh nhân, nâng cao độ chính xác trong việc phân tích và đánh giá sức khỏe.
Mô hình nhà thông minh là một trong các ứng dụng tiêu biểu của nút cảm biến với đa dạng các chức năng được thể hiện qua hình 1.8.
Mô hình nhà thông minh sử dụng cảm biến gắn vào hầu hết các thiết bị, giúp người dùng dễ dàng giám sát hoạt động của các thiết bị và môi trường xung quanh Ngoài ra, cảm biến còn hỗ trợ các hộ gia đình tiết kiệm điện năng một cách hợp lý hơn.
1.2.4 Trong thành phố thông minh
Hiện nay, Việt Nam đang phát triển kế hoạch xây dựng một thành phố thông minh dựa trên hạ tầng công nghệ thông tin Hệ thống này sẽ sử dụng các nút cảm biến phân bố rộng rãi để thu thập và phân tích dữ liệu, từ đó giảm thiểu sức lực con người trong việc giám sát và đánh giá Một số ứng dụng tiêu biểu của thành phố thông minh bao gồm hệ thống đèn chiếu sáng thông minh và hệ thống giám sát mật độ giao thông, giúp người dân lựa chọn tuyến đường di chuyển hợp lý Các ứng dụng mạng cảm biến trong thành phố thông minh sẽ đóng góp tích cực vào việc cải thiện môi trường và sức khỏe cộng đồng.
Hình 1 9: Mô hình thành phố thông minh
Một số vấn đề về bảo mật trong mạng cảm biến
Trong mạng cảm biến không dây (WSN), các vấn đề bảo mật được phân loại thành kỹ thuật mật mã, quản lý khóa, giao thức định tuyến an toàn, tổng hợp dữ liệu an toàn và phát hiện xâm nhập Chi phí truyền dữ liệu giữa các nút thường cao hơn nhiều so với chi phí tính toán dữ liệu, tạo ra thách thức trong việc tăng cường hệ thống bảo mật.
Bảo mật trong mạng cảm biến không dây (WSN) phải đối mặt với các tài nguyên hạn chế, bao gồm bộ nhớ, không gian mã và thời gian sống của cảm biến.
Trong mạng cảm biến không dây (WSN), năng lượng được sử dụng chủ yếu cho ba giai đoạn: cảm nhận thông tin, giao tiếp dữ liệu giữa các nút và tính toán Mặc dù một nút cảm biến có khả năng thực hiện từ 800 đến 1000 lệnh mỗi giây, năng lượng tiêu tốn cho tính toán vẫn rất nhỏ so với năng lượng dùng cho việc truyền dẫn dữ liệu Ngoài ra, năng lượng trên mỗi nút còn được sử dụng cho các chức năng khác như mã hóa, giải mã, chữ ký số và xác thực dữ liệu Hiện nay, nhiều nút cảm biến đã được trang bị tính năng cho phép nạp lại nguồn năng lượng.
Nút cảm biến là thiết bị điện tử nhỏ gọn, bao gồm RAM và CPU, nhưng có hạn chế về bộ nhớ và lưu trữ Các bản tin trong mạng cảm biến không dây (WSN) thường có kích thước nhỏ hơn so với các hệ thống khác, do đó, việc triển khai một hệ thống bảo mật mạnh mẽ là cần thiết để đảm bảo an toàn cho quá trình tính toán Dưới đây là ví dụ về cấu hình phần cứng của một nút cảm biến.
Bảng 1 1: Cấu hình của một nút SmartDust
Bộ xử lý 4MHz với 8-bit
Phương tiện truyền dẫn 916 MHz Radio
Không gian code OS 3500 bytes
Giao tiếp không tin cậy xảy ra khi trung tâm điều khiển hoạt động độc lập với cảm biến, với dữ liệu được giám sát và truyền tải qua các nhà cung cấp dịch vụ mạng như 3G/4G hoặc thông tin vệ tinh Việc đo lường dữ liệu dựa trên lưu lượng mạng và khoảng cách truyền dẫn giữa các nút rất ngắn.
Giao thức truyền không tin cậy thường sử dụng kiểu định tuyến không kết nối, dẫn đến khả năng xảy ra lỗi trong quá trình truyền tải như lỗi kênh hoặc mất gói tin Nếu không có cơ chế xử lý phù hợp, điều này có thể làm mất các gói tin quan trọng, ảnh hưởng đến các giao thức bảo mật như khóa mã.
Xung đột dữ liệu trong mạng có mật độ nút dày đặc xảy ra khi các gói tin gặp nhau trên đường truyền cùng lúc, dẫn đến việc khởi tạo lại mạng và truyền dữ liệu thất bại, ảnh hưởng đến bảo mật Trong mạng cảm biến không dây (WSN), các kiểu tấn công rất đa dạng, không chỉ giới hạn ở tấn công từ chối dịch vụ mà còn bao gồm giả mạo định danh, tấn công vào các giao thức địnhRouting và tấn công lớp vật lý.
Tấn công từ chối dịch vụ DoS trong mạng cảm biến không dây liên quan đến việc gây nhiễu tín hiệu vô tuyến bởi các tần số khác Có hai loại jamming: jamming liên tục, nơi tín hiệu trên toàn mạng bị nhiễu, và jamming gián đoạn, xảy ra khi các nút trao đổi bản tin định kỳ Tại lớp liên kết dữ liệu, kẻ tấn công có thể cố tình phá hoại các giao thức truyền thông như ZigBee hoặc IEEE 802.11b bằng cách gửi liên tục các bản tin gây ra xung đột dữ liệu.
Khi xảy ra xung đột, các nút trong mạng cần phải yêu cầu truyền lại các gói tin bị mất Tại tầng định tuyến, một nút bị nhiễm độc sẽ xóa bỏ tất cả thông tin về tuyến đường, khiến các nút lân cận không thể trao đổi dữ liệu ra ngoài mạng Đồng thời, tầng giao vận cũng dễ bị tấn công bằng phương thức tràn lụt, khi kẻ tấn công gửi một lượng lớn yêu cầu đến một nút, dẫn đến việc tài nguyên của nút đó bị sử dụng để xử lý các gói tin giả và nhanh chóng cạn kiệt.
Tấn công giả danh Sybil xảy ra khi kẻ tấn công sao chép định danh của một nút để thêm một nút giả vào mạng Nút bản sao này có thể gây hại nghiêm trọng đến hiệu suất mạng, dẫn đến việc gói tin bị thay đổi hoặc định tuyến sai Hệ quả là mạng có thể bị mất kết nối và nhận được kết quả cảm biến không chính xác.
Tấn công phân tích lưu lượng mạng cho thấy rằng các nút gần trạm gốc thường gửi nhiều gói tin hơn so với các nút ở xa Kẻ tấn công có thể lợi dụng đặc điểm này để tạo ra các sự kiện giả và xác định gói tin thuộc về nút nào Các tham số chính trong phân tích lưu lượng bao gồm tốc độ trung bình của gói tin và khoảng cách giữa hai gói tin liên tiếp.
Kết luận chương
Khi thiết kế mạng cảm biến không dây (WSN), cần xem xét nhiều yếu tố như độ linh hoạt, hiệu quả năng lượng, tỉ lệ lỗi, độ chính xác của cảm biến, chi phí thấp và khả năng triển khai nhanh chóng Mặc dù WSN có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện đại, nhưng vẫn đối mặt với nhiều thách thức như khả năng mở rộng, chi phí phần cứng, cấu trúc mạng thay đổi, môi trường và tiêu hao năng lượng Để giải quyết những vấn đề này, cần phát triển các giao thức mạng chuyên biệt cho WSN Nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào việc tối đa hóa lưu lượng trong mạng WSN phân cụm, đồng thời ước lượng quá trình ngẫu nhiên không gian và thời gian, tính toán kênh truyền vô tuyến, các lớp giao thức PHY, MAC và NET, cũng như các kỹ thuật gom dữ liệu, xác thực và bảo mật thông tin Chương 2 sẽ trình bày một số mô hình phân tích và giải pháp phân cụm phổ biến nhằm đánh giá mức độ quan trọng trong việc tiêu thụ năng lượng của nút cảm biến trong mạng.
CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Thách thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, nhưng cũng đối mặt với một số hạn chế như nguồn cung cấp năng lượng hạn chế, băng thông liên kết không dây hạn chế và khả năng xử lý dữ liệu thấp Việc truyền tải dữ liệu hiệu quả trong khi kéo dài tuổi thọ mạng và ngăn ngừa suy thoái kết nối là một thách thức lớn Do đó, thiết kế định tuyến trong mạng cảm biến không dây cần phải vượt qua nhiều yếu tố để đạt được hiệu quả tối ưu.
Trong mạng cảm biến, liên lạc giữa các nút thường được thực hiện qua phương thức không dây, bao gồm sóng vô tuyến, hồng ngoại và quang Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng; ví dụ, hồng ngoại và quang học yêu cầu tầm nhìn thẳng, trong khi sóng vô tuyến không cần điều này, khiến cho hai phương pháp sau không phải là lựa chọn lý tưởng Tuy nhiên, trong thông tin vô tuyến, các sự cố liên quan đến kênh không dây như hiện tượng pha đinh và tỷ lệ lỗi cao có thể ảnh hưởng đến hoạt động định tuyến của mạng cảm biến Do đó, việc lựa chọn tần số là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống mạng cảm biến.
Vùng phủ sóng và khả năng kết nối của mạng cảm biến phụ thuộc vào phạm vi cảm nhận của từng cảm biến, giới hạn trong một khu vực vật lý cụ thể Khi mạng cảm biến được thiết lập, các nút có khả năng thu thập và chuyển tiếp thông tin về trạm gốc, tạo thành một kết nối hiệu quả Để đảm bảo phủ sóng hoàn toàn, phạm vi vô tuyến cần phải gấp đôi phạm vi cảm biến, giúp các nút kết nối và hoạt động đồng bộ trong khu vực đó Việc triển khai mạng cảm biến với mật độ cao là cần thiết để ngăn chặn tình trạng cô lập và kéo dài tuổi thọ của mạng.
Triển khai nút trong mạng cảm biến không dây có thể thực hiện theo hai cách: xác định hoặc ngẫu nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng Khi triển khai, các nút cảm biến thường được đặt với mật độ cao và số lượng lớn, dẫn đến phạm vi truyền ngắn và yêu cầu nhiều bước nhảy trong định tuyến Trong phương pháp xác định, các nút được đặt thủ công và dữ liệu được định tuyến theo một lộ trình đã được xác định trước Ngược lại, trong phương pháp ngẫu nhiên, các nút được phân tán ngẫu nhiên, tạo ra một phân phối không đồng nhất và một cơ sở hạ tầng nhảy bậc (ad-hoc) Để tối ưu hóa kết nối và nâng cao hiệu quả năng lượng trong tình huống này, giải pháp phân cụm là rất cần thiết.
Tiêu thụ năng lượng: Các nút cảm biến thường bị giới hạn về nguồn điện nuôi.
Trong mạng cảm biến đa bước, các nút không chỉ khởi tạo dữ liệu mà còn thực hiện định tuyến, tiêu tốn nguồn năng lượng hạn chế của chúng trong quá trình tính toán và truyền thông tin không dây Tuổi thọ của các nút cảm biến phụ thuộc vào dung lượng pin, và tiêu thụ điện năng chủ yếu được chia thành ba phần: cảm biến, xử lý dữ liệu và liên lạc, trong đó truyền thông dữ liệu tiêu hao nhiều năng lượng nhất Để giải quyết vấn đề này, việc áp dụng các sơ đồ điều chế tiết kiệm năng lượng như Khóa tần số Mary (MFSK) và các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng là rất cần thiết.
Mạng cảm biến có khả năng mở rộng với hàng trăm nút, mỗi nút có năng lực tính toán và khả năng truyền nhận dữ liệu qua mạng không dây Thuật toán định tuyến cần phải xử lý hiệu quả số lượng lớn nút, trong đó hầu hết thường không hoạt động và chỉ một số ít cung cấp dữ liệu cảm biến cho đến khi sự kiện xảy ra Do đó, thuật toán định tuyến phải đủ linh hoạt để đáp ứng khi nhiều sự kiện được kích hoạt trong môi trường.
Các nút cảm biến trong mạng có thể gặp lỗi do hết nguồn, thiệt hại vật lý hoặc tác động từ môi trường như mưa và nhiễu điện tử Tuy nhiên, một số nút bị lỗi không ảnh hưởng đến chức năng tổng thể của mạng cảm biến, nhờ vào khả năng chịu lỗi Khả năng này cho phép mạng tiếp tục hoạt động mà không bị gián đoạn, ngay cả khi có nhiều nút gặp sự cố Để duy trì kết nối với trạm gốc thu gom dữ liệu, các giao thức định tuyến cần thiết lập các liên kết mới và điều chỉnh tốc độ tín hiệu cũng như công suất truyền để tiết kiệm năng lượng Do đó, việc thiết lập các lớp dự phòng có thể là cần thiết trong mạng cảm biến chịu lỗi.
Tổng hợp dữ liệu là quá trình kết hợp thông tin từ nhiều nút cảm biến để giảm thiểu sự dư thừa, do các nút này có khả năng cảm nhận cùng một sự kiện Việc này giúp giảm số lượng gói tin cần truyền đi bằng cách áp dụng các hàm tổng hợp như cực tiểu, cực đại hoặc trung bình.
Xử lý dữ liệu tiêu tốn ít năng lượng hơn so với truyền dữ liệu, do đó, tổng hợp dữ liệu giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể bằng cách giảm lượng dữ liệu cần truyền Kỹ thuật này đã được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và cải thiện quy trình truyền dữ liệu trong nhiều giao thức định tuyến Ngoài ra, tổng hợp dữ liệu còn có thể được thực hiện thông qua các phương pháp xử lý tín hiệu.
2.2 Phân loại các giao thức của mạng cảm biến không dây
Các giao thức định tuyến có thể được phân loại theo cấu trúc mạng thành dạng phẳng, phân cấp hoặc dựa trên vị trí Bên cạnh đó, chúng cũng được phân loại theo chế độ hoạt động như đa nền tảng, dựa trên truy vấn, đàm phán và QoS Giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc mạng mô tả các đặc điểm của mạng, chia thành hai nhóm: đặc điểm của trạm gốc và các nút cảm biến Trong khi đó, giao thức định tuyến dựa trên hoạt động mạng tập trung vào các đặc điểm hoạt động chính như mô hình truyền thông, phân cấp, phương thức phân phối và tính toán.
Hình 2.1: Minh họa phân loại các giao thức định tuyến WSN.
Trong các giao thức dựa trên dạng phẳng, tất cả các nút đều có vai trò như nhau và không có phân cấp Giao thức định tuyến phẳng cho phép phân phối thông tin đến bất kỳ nút cảm biến nào trong đám mây cảm biến khi cần thiết Việc tổ chức mạng hoặc quản lý lưu lượng truy cập là không cần thiết; thay vào đó, chỉ cần khám phá tuyến đường tốt nhất để đến đích bằng cách nhảy chặng.
Phân cấp dựa trên phân cấp giúp bảo tồn năng lượng bằng cách tổ chức các nút thành cụm, trong đó các nút trong một cụm truyền thông tin đến nút trưởng nhóm gần nhất để tổng hợp và chuyển tiếp đến trạm gốc Giao thức phân cụm hiệu quả là yếu tố quan trọng cho khả năng mở rộng mạng và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong giao tiếp Tuy nhiên, một nhược điểm của phương pháp này là có thể tạo ra nút cổ chai, do chỉ có cụm trưởng thực hiện giao tiếp thay mặt cho toàn bộ cụm.
Và cụm trưởng sẽ là điểm tiêu hao nguồn lớn nhất của cụm.
Trong giao thức định tuyến dựa trên vị trí, thông tin vị trí được sử dụng để tính toán khoảng cách giữa hai nút, giúp ước lượng năng lượng tiêu thụ Do mạng cảm biến không có sơ đồ địa chỉ như địa chỉ IP, việc sử dụng thông tin vị trí trong định tuyến dữ liệu trở nên hiệu quả hơn về mặt năng lượng.
Mạng dựa trên đa đường mang lại lợi ích từ việc có nhiều đường dẫn giữa các nút, giúp phân phối đều năng lượng và ngăn chặn tình trạng tiêu thụ nguồn quá mức tại một nút Khả năng chịu lỗi của giao thức được đánh giá qua sự tồn tại của các đường dẫn thay thế khi tuyến chính gặp sự cố, và điều này có thể được cải thiện bằng cách duy trì nhiều đường dẫn Tuy nhiên, việc duy trì các đường dẫn thay thế này sẽ làm tăng mức tiêu thụ năng lượng và lưu lượng truyền, do cần gửi tin nhắn định kỳ Kết quả là, độ tin cậy của mạng được nâng cao, nhưng cũng đồng nghĩa với việc tăng chi phí duy trì các tuyến thay thế.
Trong các giao thức dựa trên truy vấn, trọng tâm là việc phát tán các truy vấn qua mạng khi các nút yêu cầu dữ liệu Mỗi nút nhận được truy vấn và có dữ liệu cần thiết sẽ phản hồi lại nút yêu cầu Phương pháp này giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách giảm thiểu sự dư thừa và hạn chế việc truyền tải dữ liệu không cần thiết.
PHÂN TÍCH GIAO THỨC PHÂN CỤM THÍCH ỨNG NĂNG LƯỢNG THẤP VÀ MÔ PHỎNG
NĂNG LƯỢNG THẤP VÀ MÔ PHỎNG
Giao thức phân cụm thích ứng năng lượng thấp là một trong những giải pháp định tuyến hiệu quả nhất cho mạng cảm biến không dây, nhằm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng Bằng cách sử dụng phối hợp cục bộ, giao thức này không chỉ mở rộng và đảm bảo chất lượng mạng mà còn giảm lượng thông tin cần truyền tải đến trạm gốc Đây là sự kết hợp giữa tổng hợp dữ liệu và giao thức định tuyến, tạo ra một phương pháp tối ưu cho việc quản lý năng lượng trong mạng cảm biến.
Giao thức LEACH nhằm mục tiêu giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện tuổi thọ của mạng cảm biến không dây bằng cách tạo và duy trì các cụm Trong giao thức này, các nút sẽ truyền dữ liệu tới các nút trưởng cụm, nơi dữ liệu được tổng hợp và nén trước khi gửi tới trạm gốc Mỗi nút trong mạng có khả năng trở thành trưởng cụm với xác suất nhất định, và việc chọn trưởng cụm ngẫu nhiên từ các nút mạng là đặc trưng nổi bật của giao thức phân cụm thích ứng năng lượng thấp LEACH.
3.2 Giải thuật của giao thức LEACH Ở đầu mỗi vòng, mỗi nút xác định xem nó có thể là một cụm trưởng không trong vòng hiện tại theo nguồn năng lượng còn lại tại nút Theo cách này, việc tiêu thụ năng lượng của mạng cảm biến sẽ là đồng đều Nếu một nút quyết định là một cụm trưởng ở vòng hiện tại, nó thông báo quyết định của mình với các nút lân cận. Các nút khác mà không chọn trở thành cụm trưởng sẽ quyết định cụm mà chúng sẽ tham gia vào bằng cách chọn cụm trưởng mà đòi hỏi năng lượng liên lạc ít nhất. LEACH đã được đề xuất để định tuyến dữ liệu trong các mạng cảm biến không dây có một trạm cố định, trạm này ghi lại dữ liệu cần để được định tuyến Tất cả các nút cảm biến được coi là tĩnh, đồng nhất và năng lượng hạn chế Các nút cảm biến được dùng để cảm nhận môi trường liên tục và như vậy dữ liệu được theo chu kỳ cố định.Hoạt động của LEACH được tách thành hai giai đoạn: giai đoạn thiết lập và giai đoạn chuyển dữ liệu ở trạng thái ổn định.
3.2.1 Xác định nút trưởng cụm (Cluster Head)
Giả sử Pi(t) là xác suất mà nút I được chọn làm trưởng cụm ở đầu vòng r + 1, bắt đầu từ thời điểm t Do đó, số lượng nút trưởng cụm E[#CH] cho vòng này là k.
Mỗi nút sẽ là trưởng cụm một lần trong các vòng N/k trong đó k là số lượng các cụm trong mỗi vòng và N là số lượng nút trong mạng
Xác suất để mỗi nút I trở thành một cụm trưởng tại thời điểm t
Trong đó Ci(t) xác định xem nút i có phải là nột trưởng cụm trong các vòng (r mod (N/k)) gần đây hay không.
Khi các nút tự chọn trưởng cụm, chúng phát tin nhắn quảng cáo (ADV) để thông báo Mỗi nút thành viên sẽ quyết định cụm của mình bằng cách chọn trưởng cụm có yêu cầu năng lượng liên lạc thấp nhất, dựa trên cường độ tín hiệu nhận được từ quảng cáo Sau khi quyết định, các nút gửi tin nhắn yêu cầu tham gia (Join-REQ) trở lại trưởng cụm Trưởng cụm nhận tất cả các tin nhắn từ các nút và dựa trên số lượng nút trong cụm, sẽ tạo và thông báo lịch biểu TDMA, gán cho mỗi nút một khe thời gian để truyền thông tin.
Mỗi cụm giao tiếp áp dụng các mã CDMA khác nhau nhằm giảm thiểu nhiễu từ các nút trong các cụm khác Trong vòng hiện tại, mã CDMA được sử dụng kết hợp với lịch trình TDMA Thuật toán vận hành trạng thái thiết lập (thuật toán 3.1) cùng với sơ đồ khối (hình 3.1) được trình bày dưới đây.
Thuật toán 3.1: Giai đoạn thiết lập của LEACH
1 Vào đầu mỗi vòng, mỗi nút quảng cáo xác suất của nó, (tùy thuộc vào mức năng lượng hiện tại của nó) để trở thành Trưởng cụm, cho tất cảcác nút khác.
2 Các nút (k cho mỗi vòng) với xác suất cao hơn được chọn là Trưởng cụm.
3 Trưởng cụm phát thông báo quảng cáo (ADV) bằng cách sử dụng Giao thức MAC CSMA.
4 Dựa trên cường độ tín hiệu thu được, từng nút thành viên xác định trưởng cụm của nó cho vòng này (lựa chọn ngẫu nhiên với trở ngại).
5 Các nút thành viên truyền tin nhắn yêu cầu tham gia (Tham gia-REQ) trở lại đến trưởng cụm (Head Cluster) mà nó đã chọn bằng giao thức MAC CSMA.
6 Nút trưởng cụm thiết lập lịch trình TDMA để truyền dữ liệu phối hợp trong cụm.
Hình 3.1: Sơ đồ khối của giai đoạn thiết lập.
3.2.3 Giai đoạn trạng thái ổn định
Trong pha trạng thái ổn định, dữ liệu thực tế được truyền đến trạm gốc Nút trưởng cụm nhận và tổng hợp tất cả dữ liệu trước khi gửi đến trạm cơ sở Thuật toán vận hành trong trạng thái ổn định và sơ đồ khối liên quan được mô tả chi tiết.
Thuật toán 3.2: Giai đoạn trạng thái ổn định của LEACH
1 Lịch trình TDMA được sử dụng để gửi dữ liệu từ nút đến trưởng cụm.
2 Trưởng cụm tổng hợp dữ liệu nhận được từ các nút trong cụm.
3 Truyền thông thông qua phổ trải rộng chuỗi trực tiếp (direct-sequence spread spectrum - DSSS) và mỗi cụm sử dụng một mã lan truyền duy nhất để giảm nhiễu giữa các cụm.
4 Dữ liệu được gửi từ các nút trưởng cụm đến BS bằng cách sử dụng mã lan cố định và CSMA.
Sau một thời gian, mạng sẽ quay lại giai đoạn thiết lập và chọn trưởng cụm mới LEACH sử dụng định tuyến bước nhảy đơn và giả định rằng tất cả các nút có thể truyền với công suất phù hợp tới trạm gốc, đồng thời mỗi nút cần tính toán mức nguồn để hỗ trợ MAC khác nhau Tuy nhiên, điều này không áp dụng cho các mạng rộng lớn, vì có thể các trưởng cụm không phân bố đồng đều mà tập trung ở một phần của mạng Cuối cùng, giả định rằng mọi nút khi trở thành cụm trưởng tiêu thụ cùng một mức năng lượng, tức là tất cả các nút đều có mức năng lượng giống nhau khi bắt đầu mỗi vòng chọn trưởng cụm.
Hình 3.2: Sơ đồ khối của giai đoạn trạng thái ổn định.
3.3 Ưu và nhược điểm của giao thức LEACH
Khả năng mở rộng của mạng lưới được cải thiện bằng cách hạn chế giao tiếp chủ yếu giữa các cụm khác nhau Định tuyến đơn bước nhảy cho phép dữ liệu được truyền từ nút cảm biến trực tiếp đến đầu cụm một cách hiệu quả.
Giảm lưu lượng truy cập trong mạng: đầu cụm tổng hợp hoặc hợp nhất thông tin đã được thu thập bởi các nút cảm biến.
Tăng tuổi thọ của mạng trong ba giai đoạn.
Không yêu cầu thông tin về vị trí của các nút cảm biến trong mạng để tạo các cụm.
LEACH không hoạt động tốt với các ứng dụng yêu cầu diện tích lớn phủ sóng.
Trong mạng, yêu cầu về phạm vi công suất truyền cao là cần thiết do thiếu giao tiếp intercluster Hơn nữa, đầu cụm bị rò rỉ không được phân bổ đồng đều, gây ảnh hưởng đến hiệu suất của toàn bộ cụm.
3.4 Các phiên bản mở rộng của LEACH
Giao thức LEACH sử dụng TDMA giúp các node tiết kiệm năng lượng bằng cách cho phép chúng nghỉ khi không truyền dữ liệu, đồng thời tạo cơ hội cho tất cả các node trở thành CH, từ đó kéo dài thời gian sống của mạng Tuy nhiên, quá trình thành lập cụm và chọn CH diễn ra ngẫu nhiên, dẫn đến việc các CH ở xa trạm gốc (BS) có nguy cơ chết nhanh hơn so với các CH gần trạm gốc.
Giao thức LEACH-C (LEACH-Centralized) quyết định việc chọn cụm và cụm trưởng (CH) thông qua trạm gốc, nơi các node gửi thông tin về vị trí và các thông số quan trọng Trạm gốc sử dụng thuật toán tối ưu hoá để xác định cụm, giúp phân bố năng lượng hiệu quả hơn Tuy nhiên, việc này tiêu tốn nhiều năng lượng do cần sử dụng GPS để xác định vị trí của các node.
