CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.2 Một số vấn đề trong mạng cảm biến không dây
2.2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Việc định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến không dây thường rất khó khăn do đặc tính riêng của mạng này với các mạng không dây khác nhƣ các mạng ad-hoc hoặc các mạng tế bào... Một số nguyên nhân chính gây ra khó khăn này nhƣ sau:
[1,5]
-Do số lượng node cảm biến trong mạng cảm biến không dây thường là rất lớn nên không thể xây dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai. Vì vậy, các giao thức dựa trên kỹ thuật IP truyền thống sẽ không thể áp dụng đƣợc cho các node mạng của mạng cảm biến không dây.
- Khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây đều yêu cầu truyền số liệu thu thập được tại môi trường giám sát từ nhiều node tới một node gốc.
- Các node mạng cảm biến bị hạn chế về công suất cũng nhƣ khả năng xử lý và dung lượng nhớ. Do đó sẽ rất khó khăn trong việc lưu trữ thông tin của quá trình định tuyến tại mỗi node, bên cạnh đó yêu cầu giới hạn về mặt công suất cũng sẽ làm ảnh hưởng tới tốc độ xử lý và truyền tin trong mạng.
- Trong hầu hết các ứng dụng, các node mạng trong mạng cảm biến không dây thường có vị trí cố định. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng đặc biệt, các node cảm biến có thể đƣợc phép di chuyển và thay đổi vị trí. Điều này khiến cho những node mạng khi di chuyển phải liên tục tìm kiếm hàng xóm của chúng để thực hiện quá trình định tuyến.
25
- Do mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong rất nhiết những lĩnh vực khác nhau. Đối với mỗi một ứng dụng, việc triển khai mạng cảm biến không dây sẽ đƣợc thực hiện theo những phương thức khác nhau, do đó thuật toán định tuyến được sử dụng trong mỗi ứng dụng cũng sẽ khác nhau.
- Ngoài ra, vị trí của các node cảm biến đóng vai trò quan trọng vì việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí. Hiện nay hầu hết các ứng dụng chưa được tích hợp thêm phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS), do đó việc định vị vị trí thường được lựa chọn và thiết lập trước. Trong trường hợp này, cần xây dựng những thuật toán định tuyến phù hợp cho mục đích này, đồng thời cũng cần đảm bảo tối thiểu giá thành triển khai mạng.
Dựa vào cấu trúc mạng mạng cảm biến không dây có thể phân loại thành các kỹ thuật định tuyến nhƣ sau:
o Định tuyến ngang hàng o Định tuyến phân cấp o Định tuyến theo vị trí
Trong định tuyến ngang hàng, tất cả các node thường có vai trò hoặc chức năng nhƣ nhau. Trong định tuyến phân cấp, các node sẽ đóng vai trò khác nhau trong mạng. Trong định tuyến dựa theo vị trí thì vị trí của các node cảm biến đƣợc sử dụng để định tuyến số liệu. [5]
Một giao thức định tuyến đƣợc coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển đƣợc để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lƣợng của nó. Những giao thức này cũng có thể đƣợc chia thành các giao thức định tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất lƣợng của dịch vụ tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các giao thức định tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà bản tin từ nguồn tìm đường tới đích. Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu,
26
trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu cầu. Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên. Khi các node cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức định tuyến theo bảng hơn là với các giao thức tương tác. Một lượng công suất đáng kể được sử dụng để định tuyến và thiết lập các giao thức tương tác. Một số giao thức khác dựa vào định thời và thông tin vị trí. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (định tuyến tiêu chuẩn) nhƣ sau:
Hình 2.5-Giao thức định tuyế N dự e ại tiêu chuẩn.
2.2.2 Tối ƣu ă ƣợng trong mạng cảm biến không dây 2.2.2.1. Vấn đề năng lượng trong mạng cảm biến không dây
Để đạt đƣợc yêu cầu duy trì năng lƣợng hoạt động trong nhiều năm, các node mạng cần phải tiêu thụ năng lƣợng rất thấp. Việc tiêu thụ năng lƣợng thấp chỉ đạt đƣợc bằng cách kết hợp các thành phần phần cứng năng lƣợng thấp và chu trình hoạt động ngắn. Trong thời gian hoạt động, truyền thông vô tuyến sẽ tiêu thụ một phần năng lƣợng đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lƣợng của node mạng
[1,8,9]. Các thuật toán và các giao thức cần đƣợc phát triển để giảm thiểu hoạt động truyền nhận vô tuyến. Nhìn chung, năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây thường bị lãng phí do:
- Trong quá trình truyền tin bị xung đột phải truyền lại
27
- Các node mạng luôn hoạt động ở trạng thái tích cực sẽ lãng phí năng lƣợng.
Thường thì các node mạng hoạt động ở trạng thái nghỉ và chỉ hoạt động ở trạng thái tích cực khi cần sẽ tiết kiệm năng lƣợng.
- Năng lƣợng cũng bị tổn hao trong quá trình điều khiển việc nhận và gửi bản tin tại các node mạng.
Về cơ bản, năng lƣợng tiêu thụ tại một node mạng cảm biến gồm 2 phần:
Năng lƣợng thiết bị Etb gồm năng lƣợng tiêu hao trong quá trình cảm nhận, xử lý tín hiệu... Năng lƣợng truyền sóng Etr là năng lƣợng cung cấp cho bộ khếch đại công suất phía trước anten.
Để giảm năng lƣợng Etr thì cấu trúc chip RF phải tiết kiệm năng lƣợng (liên quan đến công nghệ và cấu trúc ...) và giải thuật xử lý tín hiệu cũng không quá phức tạp, tối ƣu về tiêu thụ năng lƣợng. Để giảm năng lƣợng Etr thì cần các phương pháp xử lý tín hiệu số (mã hóa, điều chế, giải điều chế...) để thiết bị thu có thể nhận tốt dữ liệu với công suất tín hiệu nhỏ nhất (nghĩa là cần ít năng lƣợng để cho bộ khuếch đại công suất phát nhất).
Tuy nhiên nếu giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp sẽ tăng công suất tiêu thụ tại node mạng, do đó số lƣợng transitor phải tăng lên (giá thành cao) nên không phù hợp với mạng cảm biến không dây. Một phương pháp giải quyết bài toán năng lƣợng ở lớp vật lý chính là tìm giải pháp dung hòa giữa năng lƣợng truyền sóng cần thiết và độ phức tạp của giải thuật xử lý tín hiệu.
Đối với khoảng cách truyền sóng ngắn (1m đến 10m), và môi trường truyền sóng đơn giản (đường truyền trực tiếp) thì năng lượng thiết bị Etb > Etr. Tuy nhiên khi gấp đôi khoảng cách truyền sóng thì năng lƣợng suy giảm từ 4 đến 16 lần (tùy môi trường cụ thể, và fading kênh truyền cũng trở nên phức tạp hơn nhiều), do vậy đối vớ khoãng cách truyền sóng cáng lớn, Etr chiếm tỷ trọng càng lớn.
28
2.2.2.1 Giải pháp tiết kiếm ă ƣợng tại phần cứng
Nhằm duy trì thời hoạt động của một node mạng, giải pháp đƣa ra đơn giản nhất là phương thức thiết kế phần cứng tiết kiệm năng lượng bằng cách: Tăng công suất nguồn nuôi, sử dụng năng lƣợng tự nhiên... [1]
Bên cạnh đó việt thiết kế phần cứng hiệu quả sẽ giảm tiêu hao năng lƣợng của toàn hệ thống.
2.2.2.2 Giải pháp tiết kiệm ă ƣợng bằ ƣơ ức truyền tin:
Trong mạng adhoc nói chung và mạng cảm biến nói riêng, đường đi nối giữa các node trong mạng sẽ thay đổi theo thời gian (do node di chuyển, do chất lƣợng kênh truyền thay đổi theo thời tiết, do node hết năng lƣợng). Ngoài ra nếu một node mà năng lƣợng của nó thấp hơn một mức nào đó thì node mạng đó có thể sẽ không tham gia vào việc chuyển tiếp thông tin từ node này sang node khác. Có những thuật toán nhằm tìm những đường đi mà sao cho tổng năng lƣợng tiêu tốn là thấp nhất hoặc tỉ lệ giữa lƣợng thông tin truyền đi truyền và năng lƣợng tiêu thụ là cao nhất... Ngoài ra một node có thể chuyển sang chế độ sleep để tiết kiệm năng lƣợng, sau đó wake-up để nhận và gửi thông tin đi.
Mặt khác, đối với mạng cảm biến không dây thì vấn đề tiêu tốn năng lượng thường chủ yếu dùng vào việc sử dụng bộ thu phát vô tuyến RF. Vì vậy cơ chế quản lý điều khiển bộ thu phát RF vô cùng quan trọng. Nếu không cần thiết, node mạng có thể đi vào trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lƣợng. Nhƣng khi truyền bị xung đột, dữ liệu truyền bị mất, quá trình truyền thất bại, năng lƣợng tiêu tốn không nhỏ. Để quá trình này hiệu quả và tiết kiệm năng lƣợng nhất nên sử dụng hai phương pháp truy cập kênh trong mạng báo hiệu và không báo hiệu.
2.2.3 Giao thức trong mạng cảm biến không dây
Giao thức là cách quản lý các chế độ hoạt động, truyền dữ liệu của các node sao cho việc tiêu hao năng lƣợng là ít nhất mà một mạng cảm biến vẫn
29
đảm bảo độ tin cậy. Tuỳ vào mục đích sử dụng của mạng cảm biến mà người ta sử dụng các giao thức khác nhau.
Trong các loại giao thức đó thì hai giao thức quan trọng nhất là:
- Giao thức đồng bộ theo thời gian.
- Giao thức theo vị trí. [1, 6, 7]
2.2.3.1 Đồng bộ theo thời gian
- Mạng cảm biến cần liên kết với thế giới thực để biết khi nào một hiện tƣợng xảy ra.
- Dịch vụ cơ bản chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu. Do đó cần đồng bộ giữa các node để có thể tích hợp dữ liệu truyền đến nút gốc của mạng.
- Một vài giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian: Quản lý cấu hình mạng.
- Các node cảm biến thường nhỏ, giá thành thấp nên bộ dao động thường không chính xác, hơn nữa chúng bị giới hạn về năng lượng nên thường có chế độ sleep để tiết kiệm năng lƣợng.
Các node có thể đo thời gian bằng cách dùng các xung đồng hồ cục bộ lấy từ các bộ dao động. Bởi vì các pha ngẫu nhiên làm dịch chuyển và làm trôi tốc độ của bộ dao động, do vậy thời gian cục bộ của các node sẽ bắt đầu sai khác đi làm cho mạng mất đi sự đồng bộ. Do vậy việc đồng bộ thời gian có vai trò rất quan trọng trong hoạt động của mạng cảm biến.
Đồng bộ thời gian là phương thức các thực thể riêng biệt trong một nhóm đồng bộ xung đồng hồ của chúng hoặc đồng bộ với thời gian toàn cầu phối hợp.
Phương pháp cơ bản để đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến là cộng tác giữa các node trong toàn mạng. Thiết lập mối liên hệ cặp dây (pair-wise) giữa các node trong mạng sau đó mở rộng ra toàn mạng.
30
Có hai cách thiết lập sự cộng tác giữa hai node trong mạng đó là:
+ Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận: Yêu cầu liên kết hai chiều giữa hai node lân cận.
Hình 2.6-Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận.
+ Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận: Yêu cầu nhiều node nhận của các gói có nhãn thời gian nhƣ nhau đồng bộ với nhau mà không yêu cầu đồng bộ với bên gửi.
Hình 2.7-Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận.
2.2.3.2 Đồng bộ theo vị trí
Trong nhiều trường hợp việc xác định vị trí trong thế giới tự nhiên của các node trong mạng cảm biến là rất cần thiết, nó có ý nghĩa hoặc là mục đích của mạng cảm biến. Ví dụ: Như trong ứng dụng quan sát môi trường và khí tư- ợng học, dữ liệu sẽ không còn có ý nghĩa nếu nhƣ không đƣợc đánh dấu thời gian và vị trí [9,10]. Đồng bộ theo vị trí có hai loại cơ bản là:
31 + Đồng bộ dựa vào mốc có sẵn:
Phương pháp này giả sử như sau: Có một vài con cảm biến đã biết vị trí.
Những node này sẽ gửi tín hiệu mốc (dẫn đường) theo chu kỳ. Các node khác sẽ đo tín hiệu này, sử dụng phép đo tam giác, trễ để đánh giá vị trí. RSSI (Receiver Signal Strength Indicator) được dùng để xác định sự tương quan tín hiệu với khoảng cách.
Tuy nhiên phương pháp này chỉ phù hợp với tín hiệu RF, và rất nhạy cảm với vật cản, nhiễu đa đường, ảnh hưởng của môi trường... Hơn nữa tín hiệu RF phải có phạm vi tốt: Khoảng vài chục mét. Ngoài ra người ta còn sử dụng RF và sóng siêu âm: Node mốc truyền tín hiệu RF và một sóng siêu âm tới bộ thu.
Thời gian đến khác nhau giữa hai tín hiệu đợc sử dụng để đo khoảng cách.
Phạm vi lên tới 3 m, độ chính xác 2cm.
+ Đồng bộ theo vị trí tương đối
Mặc dù các giao thức định vị dựa trên vật mốc rất hiệu quả đối với một số ứng dụng nào đó, một số mạng cảm ứng khác có thể đƣợc triển khai ở vùng mà không thể bị ảnh hưởng bởi vật mốc hoặc GPS, lúc đó chúng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường hay là do sai số khi điều khiển. Để khắc phục những khó khăn này, các thông tin vùng được đặt theo từng bước truyền từ nguồn cho đến gốc. Để thu đƣợc các thông tin vùng chính xác, các node cảm ứng phải kết hợp để hỗ trợ cho nhau. Hơn nữa, năng lƣợng có thể đƣợc dự trữ thêm bằng việc cho phép các node cảm ứng dò theo vị trí của các node lân cận.
Để tăng độ chính xác của việc ƣớc lƣợng vị trí, gốc có thể yêu cầu tất cả các node dọc theo đờng từ nguồn phải lọc từng phần để tăng số lƣợng vật mẫu. Quá trình tác động cục bộ này không yêu cầu bất kì một vật mốc nào. Hơn nữa, phần xử lý trung tâm không cần phải quyết định vị trí của các nguồn.