TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Khái niệm về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một hệ thống bao gồm các thành phần cảm biến, tính toán và truyền thông, cho phép người quản trị theo dõi, đo đạc và phản ứng với các sự kiện trong môi trường cụ thể Ứng dụng phổ biến của mạng này bao gồm thu thập dữ liệu, giám sát và ứng dụng trong y học.
Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng, thường là các thiết bị nhỏ gọn, giá rẻ và có số lượng lớn Các nút này được phân bố rộng rãi, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế như pin, với thời gian hoạt động kéo dài từ vài tháng đến vài năm Chúng có khả năng hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt như độc hại, ô nhiễm và nhiệt độ cao.
Các nút cảm biến phân bố trong trường cảm biến, mỗi nút có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến Sink/Gateway và người dùng cuối Chúng giao tiếp qua mạng vô tuyến ad-hoc và sử dụng kỹ thuật truyền đa chặng để gửi dữ liệu về Sink Sink có thể kết nối với người dùng cuối qua Internet, vệ tinh hoặc các mạng không dây như WiFi, mạng di động, WiMAX, hoặc kết nối trực tiếp mà không cần mạng Kiến trúc này có thể bao gồm nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuối.
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến.
Trong mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng khi vừa khởi tạo dữ liệu vừa hoạt động như bộ định tuyến dữ liệu Điều này cho phép việc truyền thông diễn ra hiệu quả thông qua hai chức năng chính này.
Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink.
Các nút cảm biến không chỉ thu thập dữ liệu mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tiếp các gói tin từ các nút khác, giúp tạo thành một mạng lưới đa chặng hiệu quả để truyền tải thông tin đến điểm đích, hay còn gọi là Sink.
Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây
1.2.1 Những thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng cảm biến không dây, ba thách thức chính ở cấp độ nút cần được giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành Công suất tiêu thụ rất quan trọng vì các nút thường sử dụng pin hoặc nguồn năng lượng thấp Kích thước vật lý cũng cần được chú trọng, bởi nó ảnh hưởng đến các ứng dụng tiềm năng và yêu cầu các nút phải nhỏ gọn Cuối cùng, giá thành là yếu tố quan trọng do mạng cảm biến thường được triển khai với quy mô lớn; tiết kiệm vài đôla cho mỗi nút có thể mang lại khoản tiết kiệm đáng kể.
Hạn chế tiêu thụ năng lượng ảnh hưởng sâu sắc đến thiết kế phần cứng, phần mềm và kiến trúc mạng Các nhà thiết kế phần cứng cần chọn linh kiện công suất thấp và tối ưu hóa bố trí để giảm thiểu dòng rò và hỗ trợ chế độ ngủ tiết kiệm năng lượng Phần mềm trên các nút cảm biến không dây phải tắt các thành phần không sử dụng và đặt chúng ở chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng Nhờ sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm, các nút mạng cảm biến có thể sử dụng hệ điều hành với các cơ chế hoạt động công suất thấp, góp phần tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Hiệu quả năng lượng có ảnh hưởng lớn đến kiến trúc và thiết kế giao thức mạng, do quá trình truyền thông tiêu tốn nhiều năng lượng Việc xác định các kiểu truyền thông để tối ưu hóa tài nguyên là rất quan trọng Để các giao thức mạng hoạt động hiệu quả, phần cứng và phần mềm cần nắm bắt thông tin về tiêu hao năng lượng và truyền đạt đến tầng mạng Hơn nữa, để tiết kiệm năng lượng, các thiết bị phần cứng nên được đặt ở chế độ ngủ tối đa, mặc dù điều này có thể ảnh hưởng đến độ trễ truyền thông của hệ thống.
Kích thước vật lý và giá thành ảnh hưởng lớn đến thiết kế phần cứng và phần mềm Đối với thiết kế phần cứng, yêu cầu về kích thước nhỏ gọn, số lượng linh kiện ít, và chi phí thấp là rất quan trọng Trong khi đó, ảnh hưởng đến thiết kế phần mềm ít rõ ràng hơn, nhưng chi phí thấp và kích thước nhỏ giúp các bộ vi xử lý trở nên gọn nhẹ hơn, mặc dù tốc độ tính toán và dung lượng bộ nhớ cũng giảm Các nhà thiết kế phần mềm cho hệ thống mạng cảm biến không dây thường chỉ có vài ngàn Byte bộ nhớ để làm việc, so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte trong các hệ thống máy tính thông dụng, do đó, phần mềm cần phải hiệu quả năng lượng và hoạt động trong môi trường hạn chế về tài nguyên như năng lượng, bộ nhớ và khả năng xử lý.
1.2.2 Những thách thức ở cấp độ mạng
Các thách thức ở cấp độ nút trong mạng cảm biến không dây bao gồm việc hạn chế nguồn tài nguyên có sẵn Trong khi đó, ở cấp độ mạng, vấn đề cần giải quyết là quy mô lớn của mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây sở hữu tiềm năng to lớn về quy mô và số lượng nút tham gia, cùng với lượng dữ liệu phong phú mà mỗi nút tạo ra Trong nhiều tình huống, các nút cảm biến thu thập một khối lượng lớn thông tin từ nhiều điểm khác nhau, và một số mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng ngàn nút cảm biến.
Kích thước mạng ảnh hưởng lớn đến thiết kế giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Định tuyến là quá trình xác định các tuyến đường tối ưu để truyền tải thông tin Có hai phương pháp định tuyến: tập trung và phân tán Trong định tuyến tập trung, một máy chủ sẽ tính toán bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, trong khi đó, định tuyến phân tán cho phép mỗi nút tự quyết định tuyến đường gửi tin nhắn của mình.
Thiết kế giao thức định tuyến là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất mạng, bao gồm khả năng duy trì dữ liệu, tốc độ truyền tải và thời gian tồn tại của mạng Trong mạng cảm biến không dây, việc truyền thông tin tiêu tốn năng lượng, với các nút hoạt động nhiều sẽ tiêu hao năng lượng nhanh hơn so với các nút ở chế độ ngủ Do đó, giao thức định tuyến cần lựa chọn thông tin một cách hiệu quả khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin Mỗi nút cần thông tin về mạng và các nút lân cận, yêu cầu bộ nhớ, nhưng với dung lượng bộ nhớ hạn chế, giao thức phải tinh lọc thông tin cần thiết và loại bỏ thông tin không cần thiết.
Các mạng cảm biến không dây thường gặp khó khăn trong việc định tuyến do hoạt động trên kênh truyền không đáng tin cậy Trong môi trường truyền thông vô tuyến công suất thấp, không thể đảm bảo rằng một bản tin gửi từ nút này sẽ được nhận bởi nút đích mong muốn Bản tin có thể bị gián đoạn hoặc chặn bởi các vật cản lớn, như kim loại, đặt giữa hai đầu truyền Ngay cả khi không bị chặn hoàn toàn, các bit của bản tin vẫn có thể bị thay đổi trong quá trình truyền tải.
Tổn hao là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến không dây, tạo ra những thách thức cho các giao thức định tuyến Các giao thức này phải tính toán tổn hao khi quyết định tuyến đường truyền tải bản tin, nhằm giảm thiểu nguy cơ mất mát dữ liệu Nếu một bản tin bị mất khi truyền qua một tuyến đường, nó sẽ cần được gửi lại nhiều lần để đảm bảo thông tin được chuyển giao thành công.
Tổn hao trong mạng không dây là một yếu tố khó xác định, chịu ảnh hưởng từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và các tác động vật lý xung quanh Chẳng hạn, khi lò vi sóng hoạt động, nó có thể tạo ra các trường điện từ can thiệp vào băng tần 2.4GHz, ảnh hưởng đến kết nối không dây Ngoài ra, mạng WiFi có thể làm giảm hiệu suất của mạng cảm biến không dây, dẫn đến việc mất dữ liệu nhiều hơn vào ban ngày khi người dùng hoạt động nhiều hơn Do đó, các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây cần được thiết kế để ứng phó với những vấn đề này.
Trong các mạng cảm biến không dây quy mô lớn, việc định địa chỉ cho các nút trở nên phức tạp hơn Mỗi nút cần có một địa chỉ riêng biệt để nhận tin nhắn, với độ dài đủ lớn để đảm bảo tính duy nhất trong mạng Ngay cả trong mạng nhỏ, việc tương tác với các nút từ mạng khác cũng yêu cầu địa chỉ của các nút phải không trùng lặp.
Với sự gia tăng số lượng mạng cảm biến không dây tương tác với các mạng bên ngoài, việc chuẩn bị cho sự phát triển quy mô lớn là cần thiết Do đó, cơ chế định địa chỉ cho các mạng cảm biến không dây cần phải xác định duy nhất hàng triệu, thậm chí hàng tỷ nút mạng riêng biệt.
Quản lý mạng trong các mạng cảm biến không dây quy mô lớn là một thách thức lớn, vì chúng có thể bao gồm hàng ngàn nút và không thể áp dụng phương pháp quản lý truyền thống Phương pháp này yêu cầu sự can thiệp thủ công từ quản trị viên hệ thống, điều này không khả thi với các mạng cảm biến không dây dạng Ad-hoc, nơi mà mạng cần tự quản lý mà không có sự can thiệp của con người Trong khi các mạng máy tính truyền thống yêu cầu cấu hình thủ công hoặc bán thủ công cho từng máy tính, việc yêu cầu người dùng nhập mật khẩu để truy cập mạng là không khả thi đối với mạng cảm biến không dây, vì không thể yêu cầu người dùng nhập mật khẩu cho từng nút mạng.
Mạng cảm biến không dây cần cung cấp cơ chế truy cập từ bên ngoài để xử lý và lưu trữ dữ liệu Mặc dù có thể sử dụng một mạng cảm biến không dây trong trạng thái cô lập, nhưng thường thì dữ liệu tạo ra cần được truy xuất Hơn nữa, trong quá trình hoạt động, các mạng này cũng cần khả năng cấu hình lại hoặc thay đổi, do đó việc cho phép truy cập từ bên ngoài là rất quan trọng.
Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây
Kiến trúc ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi Sink và các nút cảm biến bao gồm nhiều lớp như lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận và lớp ứng dụng, cùng với các mặt phẳng quản lý khác nhau Lớp vật lý xác định các yêu cầu về kỹ thuật điều chế và truyền dẫn, trong khi lớp liên kết đảm bảo truyền thông tin đáng tin cậy thông qua các kỹ thuật kiểm soát lỗi và quản lý truy cập Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến dữ liệu, còn lớp giao vận duy trì dòng dữ liệu cho các ứng dụng mạng cảm biến Các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ giám sát tiêu thụ năng lượng, sự di chuyển và phân phối nhiệm vụ giữa các nút cảm biến, giúp tối ưu hóa việc cảm nhận môi trường và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ.
Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây.
Mặt phẳng quản lý năng lượng giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng của các nút cảm biến bằng cách tắt bộ thu sau khi nhận bản tin từ nút lân cận, tránh nhận bản tin trùng lặp Khi năng lượng của nút cảm biến xuống thấp, nó sẽ thông báo cho các nút lân cận biết rằng nó không thể tham gia định tuyến Mặt phẳng quản lý di động theo dõi sự di chuyển của các nút cảm biến, đảm bảo luôn duy trì tuyến đường đến người dùng cuối và giúp các nút cảm biến cân bằng giữa việc sử dụng năng lượng và nhiệm vụ Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ lập lịch cho các nhiệm vụ cảm nhận, cho phép một số nút thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn tùy vào mức năng lượng Các mặt phẳng quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến phối hợp, đạt hiệu quả cao trong việc sử dụng năng lượng, định tuyến dữ liệu và chia sẻ tài nguyên, từ đó kéo dài thời gian hoạt động của mạng.
Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mạng, phát hiện tín hiệu và điều chế dữ liệu.
1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc ghép các dòng dữ liệu, phát hiện khung dữ liệu, cũng như kiểm soát lỗi và truy cập kênh truyền Lớp này đảm bảo tính tin cậy cho các kết nối điểm - điểm và điểm - đa điểm trong mạng.
1.3.2.1 Điều khiển truy nhập kênh truyền
Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đa chặng và tự tổ chức cần đạt được hai mục tiêu chính: đầu tiên là xây dựng cơ sở hạ tầng mạng để thiết lập các liên kết truyền thông giữa hàng trăm nút cảm biến có mật độ cao; thứ hai là chia sẻ hiệu quả tài nguyên truyền thông như thời gian, năng lượng và tần số giữa các nút Trong suốt thập kỷ qua, nhiều giao thức MAC đã được phát triển nhằm đáp ứng những yêu cầu này cho các mạng cảm biến không dây.
Hiệu quả năng lượng là yếu tố quan trọng trong bất kỳ cơ chế truy nhập kênh truyền nào, đặc biệt là trong giao thức MAC dành cho nút cảm biến Các chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng, như tắt bộ thu phát khi không cần thiết, có thể giúp tiết kiệm năng lượng nhưng lại gây cản trở kết nối mạng Khi bộ thu phát tắt, nút cảm biến không thể nhận gói tin từ các nút lân cận, dẫn đến việc ngắt kết nối Hơn nữa, việc bật và tắt bộ thu phát cũng tiêu tốn năng lượng do yêu cầu về phần cứng và phần mềm trong các thủ tục khởi động Ngoài ra, còn có nhiều chế độ hoạt động khác cho nút cảm biến không dây, tùy thuộc vào trạng thái của bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi A/D và bộ thu phát, mỗi chế độ đều có đặc trưng riêng về năng lượng tiêu thụ và thời gian chuyển đổi.
Chức năng điều khiển lỗi (Error Control - EC) trong lớp liên kết dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong mạng truyền thông Hai phương thức chính của EC là sửa lỗi trước (Forward Error Control - FEC) và yêu cầu lặp lại tự động (Automatic Repeat Request - ARQ) Tuy nhiên, ARQ có nhược điểm trong các ứng dụng mạng cảm biến do tiêu tốn năng lượng khi truyền lại và độ phức tạp trong giải mã cao hơn so với FEC Do đó, các mã điều khiển lỗi đơn giản với quy trình mã hóa và giải mã ít phức tạp có thể là giải pháp tối ưu cho mạng cảm biến Để thiết kế cơ chế điều khiển lỗi hiệu quả, việc hiểu rõ đặc tính kênh truyền là rất quan trọng.
Các nút cảm biến được phân bố dày đặc trong một trường cảm biến, gần hoặc ngay trong khu vực hiện trường Tuy nhiên, phạm vi truyền thông hạn chế của các nút này không cho phép truyền thông trực tiếp với Sink, dẫn đến nhu cầu sử dụng các giao thức định tuyến không dây đa chặng Những giao thức này cần có các nút cảm biến trung gian để thực hiện việc chuyển tiếp dữ liệu Các kỹ thuật định tuyến hiện tại cho mạng Ad-hoc không dây thường không đáp ứng được các yêu cầu của mạng cảm biến, do đó, lớp mạng của mạng cảm biến cần được thiết kế theo những quy tắc riêng biệt.
Vấn đề hiệu quả năng lượng luôn là vấn đề được quan tâm nhất.
Các mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.
Ngoài việc định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp các dữ liệu từ các nút lân cận thông qua việc xử lý cục bộ.
Trong mạng cảm biến không dây, do số lượng lớn các nút, nhiều nút có thể không có nhận dạng duy nhất Vì vậy, việc đánh địa chỉ cho các nút này cần dựa trên dữ liệu và vị trí của chúng.
Định tuyến trong các mạng cảm biến không dây thường dựa trên các truy vấn tập trung dữ liệu, cho phép người dùng yêu cầu thông tin cụ thể từ mạng Các giao thức định tuyến sẽ xác định các nút phù hợp để cung cấp dữ liệu theo yêu cầu của người dùng Thay vì truy vấn một nút riêng lẻ, người dùng thường quan tâm đến các thuộc tính chung của môi trường, ví dụ như "các khu vực có nhiệt độ trên 21 o C" thay vì "nhiệt độ đọc bởi nút số #47".
Lớp mạng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp kết nối liên mạng với các mạng bên ngoài, bao gồm mạng cảm biến khác, hệ thống chỉ huy và mạng Internet Các nút Sink có thể hoạt động như Gateway để kết nối với các mạng khác, đồng thời tạo ra một đường trục kết nối giữa các nút Sink và kết nối đường trục này với các mạng khác thông qua Gateway.
Sự phát triển của các giao thức lớp giao vận trong mạng cảm biến không dây gặp nhiều thách thức do các nút cảm biến có hạn chế về phần cứng như năng lượng và bộ nhớ Mỗi nút cảm biến không thể lưu trữ lượng dữ liệu lớn như máy chủ trên Internet, do đó, các giao thức cần đảm bảo độ tin cậy và điều khiển tắc nghẽn Tài nguyên hạn chế và chi phí năng lượng cao ảnh hưởng đến độ tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối đến điểm cuối Do đó, cần thiết phải có các cơ chế đáng tin cậy để duy trì hiệu suất truyền thông Hơn nữa, tắc nghẽn có thể xảy ra do lưu lượng lớn dữ liệu trong quá trình sự kiện, và các giao thức lớp giao vận cần giảm thiểu vấn đề này để tối ưu hóa hoạt động của mạng cảm biến.
Lớp ứng dụng không chỉ bao gồm các ứng dụng chính mà còn tích hợp các chức năng quản lý Ngoài những chương trình ứng dụng cụ thể, lớp này cũng đảm nhận các chức năng quản lý và xử lý truy vấn.
Mạng cảm biến không dây không chỉ đảm nhận chức năng truyền thông mà còn hỗ trợ các giải pháp khác Mỗi thiết bị cảm biến trong mạng được trang bị đồng hồ cục bộ, giúp quản lý thông tin liên quan đến cảm nhận, xử lý và truyền thông Để người dùng có thể nhận thông tin phối hợp từ nhiều cảm biến, việc thống nhất thông tin định thời là cần thiết Hơn nữa, mạng cảm biến không dây có khả năng sắp xếp thứ tự chính xác các sự kiện từ các cảm biến phân tán, qua đó mô hình hóa chính xác môi trường vật lý Những yêu cầu về đồng bộ hóa này đã thúc đẩy sự phát triển của các giao thức đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến không dây.
Sự tương tác giữa các mạng cảm biến không dây và các hiện tượng vật lý trong môi trường yêu cầu thông tin vị trí chính xác Để cung cấp cái nhìn rõ ràng về trường cảm biến, thông tin thu thập từ các nút cảm biến cần được kết hợp với vị trí của chúng Các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng để theo dõi các đối tượng trong các ứng dụng giám sát, nơi thông tin vị trí là cần thiết cho các thuật toán theo dõi Hơn nữa, các dịch vụ và giao thức truyền thông dựa trên vị trí cũng yêu cầu thông tin này Do đó, các giao thức định vị đã được tích hợp vào ngăn xếp truyền thông để đáp ứng nhu cầu này.
Để duy trì kết nối và vùng phủ sóng của mạng cảm biến không dây, cần áp dụng các giải pháp quản lý cấu trúc liên kết hiệu quả Các thuật toán này không chỉ kéo dài thời gian tồn tại của mạng mà còn tối ưu hóa việc phủ sóng thông tin Hơn nữa, các giao thức điều khiển cấu trúc liên kết giúp xác định mức công suất truyền và thời gian hoạt động của các nút cảm biến, từ đó giảm thiểu năng lượng tiêu thụ trong khi vẫn đảm bảo kết nối mạng Cuối cùng, việc sử dụng các giao thức phân nhóm để tổ chức mạng thành các cụm sẽ cải thiện khả năng mở rộng và gia tăng thời gian tồn tại của mạng.
Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây
Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây được phân thành ba loại chính: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm Mỗi loại mô hình này phù hợp với những tình huống sử dụng khác nhau, và nhiều ứng dụng hiện nay thường kết hợp các mô hình truyền thông này để tối ưu hóa hiệu suất.
1.4.1.1 Mô hình truyền thông Điểm - Điểm
Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây xảy ra khi hai nút mạng giao tiếp trực tiếp với nhau, tuy nhiên, quá trình này có thể liên quan đến các nút mạng khác Như minh họa trong hình 1.3, bên cạnh việc giao tiếp trực tiếp, hai nút mạng cảm biến còn tương tác với hai nút mạng khác, đóng vai trò chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối, đảm bảo thông tin được truyền đạt hiệu quả.
Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.
1.4.1.2 Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm
Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm cho phép gửi bản tin từ một nút đến nhiều nút khác trong mạng, thậm chí là tất cả các nút Mô hình này cũng có thể được áp dụng để truyền lệnh thiết lập đến các nút trong hệ thống mạng.
Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm - Đa điểm trong mạng cảm biến không dây.
Trong mô hình Điểm - Đa điểm, có nhiều hình thức truyền thông khác nhau, và yêu cầu về độ tin cậy của bản tin sẽ thay đổi tùy theo từng tình huống Nếu cần độ tin cậy cao, giao thức truyền thông sẽ phải thực hiện việc truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đều xác nhận đã nhận thành công Ngược lại, nếu yêu cầu về độ tin cậy không quá khắt khe, giao thức có thể không cần truyền lại bản tin, coi kênh truyền thông là đủ tin cậy.
Trong mạng cảm biến không dây, nhiều cơ chế và giao thức đã được phát triển để thực hiện truyền thông Điểm - Đa điểm, trong đó mạng tràn lan là hình thức đơn giản nhất Mỗi nút sẽ quảng bá bản tin được gửi đi, và khi một nút lắng nghe bản tin từ nút bên cạnh, nó sẽ tiếp tục quảng bá bản tin đó tới các nút xung quanh Để giảm thiểu nhiễu, mỗi nút sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại bản tin Cơ chế này giúp đảm bảo rằng hầu hết các bản tin sẽ đến được tất cả các nút trong mạng, ngoại trừ những bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc xung đột.
Mặc dù mạng tràn lan có thể hoạt động hiệu quả trong một số tình huống, nhưng nó không phải là một cơ chế đáng tin cậy Các bản tin có thể bị mất do nhiễu hoặc xung đột, vì vậy cần phải truyền lại chúng Để đảm bảo độ tin cậy trong truyền thông Điểm - Đa điểm, giao thức truyền thông cần phát hiện và xử lý các bản tin bị mất, thực hiện việc phát lại chúng.
1.4.1.3 Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm
Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm là phương pháp hiệu quả để thu thập dữ liệu từ các nút trong trường cảm biến, trong đó nhiều nút gửi dữ liệu đến một nút trung gian được gọi là Sink Hình 1.5 minh họa rõ ràng mô hình này.
Hình 1.5: Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm trong mạng cảm biến không dây.
Truyền thông Đa điểm cho phép thu thập dữ liệu cảm biến như nhiệt độ từ các nút trong mạng, đồng thời truyền thông tin trạng thái của các nút Các nút định kỳ gửi báo cáo trạng thái tới Nút Sink, và Nút Sink sẽ tổng hợp và báo cáo hiệu năng toàn bộ mạng tới người quan sát bên ngoài.
Trong truyền thông Đa điểm - Điểm, mạng có thể chứa nhiều Sink, cho phép gửi dữ liệu đến Sink gần nhất nếu không có nút cụ thể được chỉ định Để thiết lập hệ thống này, các nút tạo thành một cấu trúc cây với Sink ở gốc Sink phát đi thông điệp quảng bá để thông báo sự hiện diện của nó, với các nút hàng xóm lắng nghe và truyền lại thông tin về số bước nhảy từ Sink Qua quá trình này, tất cả các nút trong mạng sẽ biết được khoảng cách đến Sink và các nút lân cận gần hơn Khi gửi gói tin, nút gửi chỉ cần gửi đến nút lân cận gần Sink nhất, giúp tối ưu hóa hiệu quả thu thập dữ liệu.
1.4.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
Chuẩn IEEE 802.15.4 là một tiêu chuẩn truyền thông không dây dành cho các ứng dụng công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp, được phát triển cho mạng cá nhân (PAN) bởi IEEE Với tốc độ dữ liệu tối đa 250.000 bit/s và công suất đầu ra 1mW, chuẩn này có phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét Điểm nổi bật của IEEE 802.15.4 là khả năng cho phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã giúp chuẩn này trở nên phổ biến trong mạng cảm biến không dây Nhiều công ty hiện nay sản xuất thiết bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4.
Chuẩn IEEE 802.15.4 đã trở nên phổ biến với sự hiện diện rộng rãi và các bộ thu phát vô tuyến tương thích, dẫn đến sự phát triển của nhiều ngăn xếp vô tuyến công suất thấp như WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee.
Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền vô tuyến vật lý như thế nào.
Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC): Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý sẽ được xử lý như thế nào.
Chuẩn IEEE 802.15.4 đã xác định một số cơ chế ở lớp vật lý và lớp MAC, tuy nhiên không phải tất cả các chỉ dẫn đều được áp dụng rộng rãi Chẳng hạn, chuẩn WirelessHART áp dụng các chỉ dẫn ở lớp vật lý và định dạng tiêu đề gói tin ở lớp MAC, nhưng không sử dụng toàn bộ các quy định tại lớp MAC.
Kích thước tối đa của gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte, điều này khiến cho các gói tin có kích thước nhỏ, phù hợp với các thiết bị có tốc độ dữ liệu thấp Lớp MAC bổ sung phần tiêu đề cho các gói tin, dẫn đến việc tăng lượng byte Do đó, các giao thức ở lớp trên thường áp dụng cơ chế phân mảnh để chia nhỏ các phần dữ liệu lớn thành nhiều khung theo chuẩn 802.15.4.
Mạng IEEE 802.15.4 được tổ chức thành các mạng PAN, mỗi mạng bao gồm một điều phối viên PAN và một nhóm thành viên Các gói tin trong mạng PAN được đánh dấu bằng một mã nhận dạng 16 bit, cho phép xác định mạng PAN mà gói tin được gửi đến Một thiết bị có thể hoạt động như điều phối viên PAN trong một mạng, đồng thời cũng là thành viên trong một mạng PAN khác.
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị: Thiết bị có chức năng đầy đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs) FFDs có khả năng vượt trội hơn và có thể hoạt động như điều phối viên PAN, trong khi RFDs là thiết bị đơn giản hơn, dễ chế tạo và có chi phí thấp RFDs chỉ có thể giao tiếp với FFDs, trong khi FFDs có thể giao tiếp với cả hai loại thiết bị.
