TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
NĂM 2020

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY
NHẬP ÁP DỤNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY

Sinh viên thực hiện


`

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
NĂM 2020

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY
NHẬP ÁP DỤNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY

Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU.................................................................3
DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT.......................................................................4

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI...........................................5
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.....................9
1.1. Định nghĩa:.........................................................................................................9
1.2. Cấu trúc của WSN:.............................................................................................9
1.2.1. Vi điều khiển................................................................................................9
1.2.2. Sensor..........................................................................................................9
1.2.3 Bộ phát radio...............................................................................................10
1.3 Chức năng các thành phần của mạng cảm biến..................................................13
1.3.1. Thành phần mạng cảm biến.......................................................................13
1.3.2. Cấu trúc và chức năng nút mạng cảm biến.................................................16
1.4: Những yêu cầu cho mạng cảm biến..................................................................17
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ÁP DỤNG TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..........................................................................19
2.1. Giới thiệu..........................................................................................................19
2.2. Sensor-MAC (S-MAC).....................................................................................22
2.3 Timeout-MAC (T-MAC)....................................................................................25
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP CHO WSN DỰA
TRÊN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN................................................................................28
3.1. Tổng quan chung về đồng bộ trong mạng cảm biến..........................................28
3.1.1

Đồng bộ hố mạng khơng dây.................................................................29

3.2. Mơ hình hoạt động điều khiển truy nhập trong mạng WSN đồng bộ thời
gian.......................................................................................................................... 36
3.2.1 Mô hình kết nối mạng cảm biến khơng dây ở dải tần 2.4GHz..............36
3.2.2 Nút mạng cảm biến.....................................................................................39
3.2.3 Mơ hình điều khiển truy nhập và kết nối mạng dựa trên đồng bộ thời gian 41
KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................46


1


TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................47

2


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BI
Y
Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến khơng dây................................................................ 9
Hình 1.2 Phân bố node cảm biến trong trường hợp cảm biến...................................... 10
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.............................................................. 12
Hình 1.4 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây thơng thường........................................ 14
Hình 1.5 Cấu trúc kết nối và chức năng của các thành phần trong WSN.....................15
Hình 1.6 Cấu trúc chung của nút mạng cảm biến không dây....................................... 16
Bảng 2.1 Phân loại giao thức kiểm sốt truy cập trung bình........................................ 20
Hình 2.2 Giao thức cảm biến MAC............................................................................. 22
Hình 2.3 Chu kì ngủ và hoạt động của S-MAC và T-MAC......................................... 23
Hình 2.4 Tiêu thụ năng lượng so với thời gian đến nơi để truyền thông hội tụ............25
Hình 2.5 Ảnh hưởng của sự thay đổi thời gian TA đến tỷ lệ phân phối và mức tiêu thụ
năng lượng................................................................................................................... 26
Hình 3.1 Các thành phần trì hỗn gói.......................................................................... 30
Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động của phương pháp......................................................... 34
Hình 3.4 Các khoảng thời gian trong một chu kỳ truyền thơng................................... 35
Hình 3.5 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây ở dải tần 2,4GHz.................................. 38
Hình 3.6 Cấu trúc nút mạng cảm biến......................................................................... 40

3



DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
WSN
CPU
MAC

Từ đầy đủ
Wireless Sensor Network
Central Processing Unit
Media Access Control

Tiếng Việt
Mạng cảm biến không dây
Bộ xử lý trung tâm
Điều khiển truy nhập môi

Analog to Digital Converter
Time division multiple access

trường
Bộ chuyển đổi tương tự ra số
Đa truy nhập phân chia theo

ACK
ROM
RAM
CSMA


Acknowledgement
Read Only Memory
Random Access Memory
Carrier sense multiple access

thời gian
Báo nhận
Bộ nhớ chỉ đọc
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
Đa truy nhập cảm nhận sóng

CSMA/CA

mang
Carrier-sense multiple access Đa truy cập cảm nhận sóng

TA
FRTS
RBS
TPSN

with collision avoidance
Adaptive Timeout
Future request to send
Radio Base Station
Time Synchronization

mang với tránh va chạm
Thời gian chờ thích ứng
u cầu gửi trong tương lai

Trạm gốc vơ tuyến
in Đồng bộ hoá thời gian trong

GPS
CRC

Wireless Networks
Global Positioning System
Cyclic Redundancy Check

mạng khơng dây
Hệ thống Định vị Tồn cầu
Mã vịng

ADC
TDMA

4


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho mạng
cảm biến không dây
- Sinh viên thực hiện:

2. Mục tiêu đề tài:

- Phân tích đánh giá được một số phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho
mạng cảm biến không dây
- Nghiên cứu và thử nghiệm phương pháp điều khiển truy nhập nhằm nâng cao
khả năng kết nối trong một mạng cảm biến khơng dây mật độ cao.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Xây dựng, thử nghiệm chức năng hệ thống mạng cảm biến không dây tầm gần,
hoạt động ở dải tần 2,4GHz, cho phép thu thập thông tin cảm biến (nhiệt độ, độ
ẩm môi trường).
- Hệ thống mạng cảm biến có thể triển khai với mật độ cao, đáp ứng được việc
chuyển tải thông tin trong và qua mạng, có thể áp dụng trong một vùng khơng
gian rộng.
- Phát triển cơ chế, chức năng đồng bộ hòa thời gian cho các thành phần trong
mạng, qua đó cho phép thực thi cơ chế điều khiển truy nhập theo khe thời gian,
tăng hiệu quả truy nhập và kết nối trong mạng.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Nội dung báo cáo
- Hệ thống mạng cảm biến thử nghiệm với 4 nút mạng, bao gồm thiết bị nút
mạng và phần mềm chức năng
5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc
phòng và khả năng áp dụng của đề tài:
- Hệ thống mạng cảm biến được xây dựng, thử nghiệm trong đề tài có áp dụng
cho nhiều ứng dụng trong thực tế: như giám sát, quan trắc các thông tin của môi
trường, điều khiển thiết bị từ xa,…
- Hệ thống mạng và chức năng có thể được mở rộng nghiên cứu trong các phịng
thí nghiệm.
6. Cơng bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Không

5



Ngày
tháng
năm 2020
Sinh viên chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên
thực hiện đề tài:
……………………………………………………………………………………….....
……………………………………………………………………………………….....
……………………………………………………………………………………….....
……………………………………………………………………………………….....
……………………………………………………………………………………….....
……………………………………………………………………………………….....
……………………………………………………………………………………….....

Ngày
2020
Xác nhận của trường đại học
(ký tên và đóng dấu)

tháng

Người hướng dẫn
(ký, họ và tên)

6

năm



MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài:

Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây đã trở nên rất quan trọng
trong đời sống hàng ngày. Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trong quân đội,
giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như:
Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngơi nhà thơng minh hay điều khiển
giao thông. Với sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, cơng nghệ mạch tích
hợp, cơng nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu đã tạo ra những thiết bị cảm biến rất
nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khả năng ứng dụng của mạng
cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây là một cơng nghệ mới, đã được các nước có nền khoa
học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng rãi và đã thu được nhiều thành tựu.
Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ này chỉ đang được nghiên cứu và triển khai
trong những lĩnh vực và quy mô nhỏ, song với những ưu điểm và khả năng
tương thích cao nên trong tương lai, công nghệ mạng cảm biến không dây sẽ
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống.
2. Lý do chọn đề tài, mục tiêu đề tài
Lý do chọn đề tài: Tìm hiểu và đánh giá phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng
cho mạng cảm biến khơng dây.
Mục tiêu đề tài:
- Phân tích đánh giá được một số phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho mạng
cảm biến không dây
- Nghiên cứu và thử nghiệm phương pháp điều khiển truy nhập nhằm nâng cao khả
năng kết nối trong một mạng cảm biến khơng dây mật độ cao.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu các cơ sở lý thuyết dựa trên các tài liệu đã được công bố trên mạng Internet,
sách tham khảo
- Sử dụng cơng cụ mã nguồn mở, miễn phí để xây dựng, phát triển hệ thống thí nghiệm

- Đánh giá kết quả
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là hệ thống mạng cảm biến không dây tầm gần, mật độ cao,
khơng địi hỏi cao về tốc độ truyền dữ liệu, và mức tiêu hao năng lượng.
- Phạm vi nghiên cứu: mơ hình, hệ thống mạng cảm biến không dây thử nghiệm.

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Định nghĩa:
Mạng cảm biến khơng dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các
node với nhau bằng kết nối sóng vơ tuyến, trong đó các node mạng thường là
các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, đựợc phân
bố một cách khơng có hệ thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng
lượng hạn chế và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô
nhiễm, nhiệt độ cao…).

Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến khơng dây.

1.2. Cấu trúc của WSN:
Node cảm biến. Một node cảm biến được cấu tạo bởi 3 thành phần cơ bản sau:
Vi điều khiển, Sensor, bộ phát radio. Ngồi ra cịn có các cổng kết nối máy tính.
1.2.1. Vi điều khiển
Bao gồm: CPU; bộ nhớ ROM, RAM; bộ phận chuyển đổi tín hiệu tương tự
thành tín hiệu số và ngược lại.
1.2.2. Sensor
Chức năng: cảm nhận thế giới bên ngồi, sau đó chuyển dữ liệu qua bộ phận
chuyển đổi để xử lý.


8


1.2.3 Bộ phát radio
Node cảm biến là thành phần quan trọng nhất trong WSN, do vậy việc thiết kế
các node cảm biến sao cho có thể tiết kiệm được tối đa nguồn năng lượng là vấn
đề quan trọng hàng đầu.
Mạng cảm nhận

Hình 1.2 Phân bố node cảm biến trong trường hợp cảm
biến

Hình 1.2 chúng ta thấy, mạng cảm nhận bao gồm rất nhiều các node cảm biến
được phân bố trong một trường cảm biến. Các node này có khả năng thu thập dữ
liệu thực tế, sau đó chọn đường (theo phương pháp đa bước nhảy ) để chuyển
những dữ liệu này về node gốc. Node gốc liên lạc với node quản lý nhiệm vụ
thông qua Internet hoặc vệ tinh. Việc thiết kế mạng cảm nhận như trong mơ hình
1.2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
 Khả năng chịu lỗi: Một số các node cảm biến có khả năng khơng
hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc
do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc
mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó
ngay cả khi một số node mạng không hoạt động.
 Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các
node cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn node,
phụ thuộc vào từng ứng dụng mà con số này có thể vượt quá hàng

9



trăm nghìn node. Do cấu trúc mạng có khả năng mở rộng để phù
hợp với từng ứng dụng cụ thể.
 Giá thành sản xuất: Vì mạng cảm nhận bao gồm một số lượng lớn
các node cảm biến nên chi phí mỗi node là rất quan trọng trong việc
điều chỉnh chi phí mạng. Do vậy chi phí ở mỗi node cảm biến phải
giữ ở mức thấp.
 Tích hợp phần cứng: Vì số lượng node cảm biến trong mạng là
nhiều nên node cảm biến cần phải có các rằng buộc phần cứng sau:
Kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, chi phí sản xuất ít, thích hợp
với mơi trường, có khả năng tự cấu hình và hoạt động khơng cần
giám sát.
 Mơi trường hoạt động: Các node cảm biến thường khá dày đặc và
phân bố trực tiếp trong môi trường (kể cả môi trường ô nhiễm, độc
hại hay dưới nuớc…). Node cảm biến phải thích ứng với nhiều loại
mơi trường và sự thay đổi của môi trường.
 Các phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm nhận, các node được kết
nối với nhau trong mơi trường khơng dây, mơi trường truyền dẫn có
thể là sóng vơ tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang
học. Để thiêt lập được sự hoạt động thống nhất chung cho các mạng
này thì các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên
tồn thế giới.
 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: Mỗi node cảm biến được trang bị nguồn
năng lượng giới hạn. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn
năng lượng là khơng thê thực hiện được. Vì vậy thời gian sống của
mạng phụ thuộc vào thời gian sống của node cảm biến, thời gian
sống của node cảm biến lại phụ thuộc vào thời gian sống của pin.
Do vậy, hiện nay các nhà khoa học đang nỗ lực tìm ra các giải thuật
và giao thức thiết kế cho các node mạng nhằm tiết kiệm nguồn

năng lượng hạn chế này.
 Kiến trúc giao thức mạng cảm nhận:

10


Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.

Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm nhận được trình bày trong hình 1.3.
Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản
lý này làm cho các node có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất,
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, điếu chế và mã hố tín hiệu.
 Lớp liên kết số liệu: Có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện
các khung dữ liệu, cách truy cập đƣờng truyền và điều khiển lỗi. Vì
mơi trường có tạp âm và các node cảm biến có thể di động, giao
thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xết đến vấn đề
cơng suất và phải có khả năng tối ưu hố việc va cham với thơng tin
quảng bá của các node lân cận.
 Lớp mạng: Quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp
bởi lớp truyền tải.
 Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nêứu ứng dụng mạng cảm
nhận yêu cầu. Lớp truyền tải chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch
được truy cập thơng qua mạng Internet và các mạng bên ngồi
khác.

11



 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.
 Mặt phẳng quản lý công suất: Điều khiển việc sử dụng cơng suất
của node cảm biến. Ví dụ:
 Node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nó nhận một bản tin để
tránh tạo ra các bản tin giống nhau.
 Khi mức cơng suất của node cảm biến thấp, nó sẽ phát quảng bá
sang các node cảm biến bên cạnh thơng báo rằng mức năng
lượng của nó thấp và nó khơng thể tham gia vào q trình định
tuyến. Cơng suất còn lại được giành cho nhiệm vụ cảm biến.
 Mặt phẳng quản lý di chuyển: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự
chuyển động của các node. Từ đó có thể xác định xem ai là hàng
xóm của mình.
 Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp
nhiệm vụ cảm biến giữa các node trong vùng đó đều thực hiện
nhiệm vụ cảm biến tai cùng một thời điểm.
1.3 Chức năng các thành phần của mạng cảm biến
1.3.1. Thành phần mạng cảm biến
Một mạng cảm biến không dây (WSN) cơ bản bao gồm bốn phần, mơ tả trong
hình 1.4
 Các nút cảm biến được phân bố theo mơ hình tập trung hay phân bố rải
rác
 Mạng lưới liên kết giữa các nút cảm biến (hữu tuyến hay vô tuyến)
 Điểm tâm trung tập hợp dữ liệu (Clustering)
 Bộ phận xử lí dữ liệu trung tâm

12



Hình 1.4 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây thơng
thường

WSN thường gồm nhiều nút cảm biến, là những thiết bị sử dụng rất ít năng
lượng pin. Những thiết bị này thực hiện 3 nhiệm vụ cơ bản:
 Lấy mẫu một đại lượng vật lý từ môi trường xung quanh
 Xử lý (và có thể lưu trữ) dữ liệu thu thập được
 Vận chuyển chúng qua môi trường vô tuyến đến điểm thu thập dữ liệu
được gọi là “sink” hoặc “trạm gốc”
Các mạng cảm biến không dây nhất thường sử dụng kỹ thuật phân cụm để sử
dụng năng lượng hiệu quả, kéo dài thời gian sống cho mạng, đươc mô tả trong
hình 1.5. Việc tập hợp các nút cảm biến thành các cụm cũng hỗ trợ mở rộng
mạng cảm biến.
Khác với nút cảm biến thường, các nút chủ cụm (CH) chỉ có chức năng quản lý
kết nối, chuyển tiếp thơng tin trong mạng. Mỗi nút chủ cụm có nhiệm vụ quản lý
kết nối trong một cum, có thể hiểu là một mạng con. Mỗi một cụm, các nút
mạng được thiết lập một quy tắc kết nối logic riêng, chỉ với các nút trong một
cụm mà không kết nối với các nút khác ngồi cụm. Các nút mạng trong cụm chỉ
có thể truyền thơng tin ra ngồi hoặc nhận thơng tin từ ngồi thơng nút chủ cụm.
Các nút chủ cụm có thể kết nối với nhau và kết nối với nút thu nhận dữ liệu tập
trung (sink) hay nút mạng gốc (trạm gốc).

13


Hình 1.5 Cấu trúc kết nối và chức năng của các thành phần
trong WSN

Ưu điểm của phân cụm trong mạng cảm biến khơng dây
 Phân cụm làm giảm kích thước của bảng định tuyến được lưu trữ tại

các nút riêng bằng cách định vị các tuyến đường được thiết lập trong
các cụm.
 Phân cụm có thể tiết kiệm băng thơng giao tiếp vì nó giới hạn phạm vi
của các tương tác liên cụm tới các nút chủ (CH) và tránh trao đổi dư
thừa của các thông điệp giữa các nút.
 CH có thể kéo dài tuổi thọ pin của các cảm biến cấp dưới và tuổi thọ
mạng bằng cách thực hiện các chiến lược quản lý tối ưu.
 Phân cụm cắt giảm chi phí bảo trì trên topo mạng. Bộ cảm biến sẽ chỉ
quan tâm đến việc kết nối tới các CH của nó.
 CH có thể thực hiện tập hợp dữ liệu trong cụm và giảm số lượng các
gói tin dư thừa.
 CH có thể làm giảm tỷ lệ tiêu thụ năng lượng bằng cách lên lịch hoạt
động trong cụm.
Trong cấu trúc mạng WSN, nút thu nhận dữ liệu (Sink), khơng có chức năng
quản lý kết nối như nút chủ cụm, đồng thời cũng khơng có những chức năng như

14


nút mạng cảm biến thơng thường, mà chỉ có nhiệm vụ thu nhận, tập hợp thông
tin được gửi từ các nút mạng cảm biến để chuyển tiếp lên chương trình hoặc hệ
thống quản lý mạng. Thông thường nút Sink được kết nối với máy tính, để gửi
dữ liệu lên chương trình quản lý mạng chạy trên máy tính này. Trong một số cấu
trúc khác, nút Sink có thể được kết nối với các mạng ngoài như mạng Internet,
để gửi dữ liệu từ mạng WSN ra mạng ngoài, như mạng internet, tới các máy chủ
từ xa.
1.3.2. Cấu trúc và chức năng nút mạng cảm biến
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ
thu phát không dây và nguồn điện. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến cịn
có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và

thiết bị di động. Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình
1.6.

Hình 1.6 Cấu trúc chung của nút mạng cảm biến không
dây

Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và
bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu
đo, sau đó được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được
đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thơng
tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực
hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng
kết nối khơng dây, có thể là vơ tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Bộ
nguồn, có thể là pin hoặc ắcquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và
15


không thay thế được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ
nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví dụ như các tấm pin mặt
trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút
cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng
cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ
được phân công.
1.4. Những yêu cầu cho mạng cảm biến
Đặc điểm hiệu quả năng lượng của giao thức MAC:
 Hiệu quả năng lượng - Vì WSN có các nút cảm biến liên kết với pin,
chúng không thể sử dụng năng lượng của chúng để truyền và nhận nhiều
gói điều khiển. Do đó, giao thức MAC phải được thiết kế sao cho nó tạo

ra năng lượng hiệu quả để hỗ trợ tuổi thọ mạng.
 Khả năng mở rộng và khả năng thích ứng - Giao thức WSN có thể thích
ứng với các thay đổi về kích thước mạng, mật độ nút và cấu trúc liên kết
do một số nút có thể ngừng hoạt động do hao pin hoặc lỗi liên kết hoặc
bất kỳ vấn đề môi trường nào khác.
 Độ trễ - Độ trễ cho tốc độ mạng. Trong xử lý dữ liệu mạng, một số loại độ
trễ thường là nhạy cảm. Trong một mạng, thời gian trễ nhỏ được coi là kết
nối mạng có độ trễ thấp. Trong khi đó trải nghiệm kết nối có độ trễ cao từ
độ trễ dài.
 Thơng lượng - Lượng dữ liệu có thể lưu chuyển trong mạng liên quan đến
thông lượng mạng. Thông lượng của hệ thống nên cao.
 Sử dụng băng thông - Tốc độ dữ liệu trong mạng được gọi là băng thơng.
Chúng tơi có thể giới hạn tốc độ của một mạng chỉ bằng băng thông
mạng. Mạng nên hỗ trợ sử dụng băng thông cao hơn.
 Sự công bằng giữa các nút cảm biến - Phân phối tài nguyên công bằng
trong mạng được xác định bởi tính cơng bằng. Đây là một đặc điểm quan
trọng để lấy tài nguyên cho sự kết hợp giữa các nút trong mạng như lựa
chọn đầu clus-ter trong một cụm.
Nguyên nhân suy giảm năng lượng

16


 Va chạm - Khi có nhiều hơn một gói được nhận bởi một nút cảm biến
cùng lúc thì các gói bị hỏng trong q trình truyền và cần phải loại bỏ việc
truyền lại gói. Kết quả này gây lãng phí tài ngun năng lượng.
 Over Overinging - Có nghĩa là nút lắng nghe các gói định đến một số nút
khác nhưng khơng được gửi đến nó.
 Chi phí điều khiển gói - Tín hiệu RTS và CTS được sử dụng làm gói điều
khiển cũng tiêu thụ năng lượng vì vậy nên sử dụng số lượng gói điều

khiển tối thiểu để truyền dữ liệu.
 Nghe nhàn rỗi - Điều này xảy ra khi một nút liên tục lắng nghe kênh để
kiểm tra tính khả dụng của kênh và hiện tượng này tiêu tốn một lượng
năng lượng đáng kể, thậm chí còn lớn hơn tổng năng lượng tiêu thụ trong
việc truyền / nhận gói dữ liệu trong một thời kỳ lớn.
 Quá phát - Điều này được gây ra bởi việc truyền mes-sage khi nút đích
chưa sẵn sàng hoặc tốc độ gửi cao hơn tốc độ nhận.

17


CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ÁP DỤNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
2.1. Giới thiệu
'Mạng cảm biến khơng dây' (WSN) có thể được mơ tả như một mạng cảm biến
giao tiếp với nhau không dây. Những cảm biến này có thể được cài đặt trong
một mơi trường khơng giám sát với khả năng tính tốn và cảm biến hạn chế. Do
đó, chúng cần phải có khả năng chịu lỗi và đáng tin cậy để yêu cầu bảo trì ít
hơn. Do các cảm biến thường được triển khai trong các ứng dụng từ xa như
giám sát cháy rừng và theo dõi sức khỏe cấu trúc, nên pin có thể được thay thế
thường xuyên do không thể tiếp cận được các nút cảm biến. Để kéo dài tuổi thọ
mạng, chi tiêu năng lượng nên tối thiểu. Bảo tồn năng lượng có thể được thực
hiện bằng cách sử dụng lập trình macro hiệu quả của WSN. Một cách tiếp cận
khác là thiết kế các giao thức MAC hiệu quả năng lượng. Các giao thức MAC
khác nhau đã được thiết kế để giải quyết vấn đề này.
Theo khảo sát trên Mạng cảm biến khơng dây, các nguồn lãng phí năng lượng
chính khi giao tiếp truy cập trung bình là:
 Xung đột - địi hỏi phải truyền lại các gói bị va chạm
 Nghe lỏm - trong đó một nút nhận được thơng báo có nghĩa là cho một
nút khác

 Kiểm sốt gói dữ liệu - nơi tiêu thụ năng lượng để trao đổi các gói điều
khiển được sử dụng để truyền dữ liệu điều khiển
 Nghe nhàn rỗi - có nghĩa là nút đó đang nghe kênh nhàn rỗi và sau đó
phát ra quá mức bằng cách gửi các gói khi nút đích chưa Sẵn sàng.

18


Trong số tất cả các lý do được đề cập ở trên lắng nghe nhàn rỗi là một nguyên
nhân chính gây lãng phí năng lượng. Vì vậy, điều quan trọng là thiết kế một giao
thức MAC phù hợp có thể giảm hoặc ngăn ngừa lãng phí năng lượng trên. Có
bốn kỹ thuật để tránh nghe nhàn rỗi - lập lịch ngủ tĩnh, lập lịch ngủ động, lấy
mẫu mở đầu và lập lịch ngoại tuyến. Dựa trên các kỹ thuật này, nhiều giao thức
MAC dựa trên CSMA, TDMA, tối ưu hóa lai và đa lớp đã được giới thiệu.
Chúng tôi phân loại tất cả các giao thức MAC nổi tiếng cho các WSN trong
Bảng 1.

Hình 2.7 Phân loại giao thức kiểm sốt truy cập trung bình

Các giao thức MAC hoạt động khác nhau trong các kịch bản mạng khác nhau
liên quan đến tiêu thụ năng lượng và thơng lượng. Vì vậy, cần có một nghiên
cứu so sánh hiệu quả của các giao thức này. Trong công việc này, chúng tôi đánh
giá các giao thức MAC dựa trên CSMA.
WSN ENERGY EFFICIENT MAC PROTOCOL
 Cảm biến-MAC (S-MAC)
 S-MAC được dựa trên chuẩn 802.11. Chức năng của S-MAC là tiết
kiệm năng lượng. Trong S-MAC, chúng tôi chia thời gian thành các
khung. Giao thức S-MAC tuân theo phương pháp ngủ định kỳ - lịch
trình nghe.
 S- MAC có hai giai đoạn, giai đoạn ngủ và giai đoạn thức dậy. Các nút

lân cận thiết lập một lịch trình ngủ chung từ cụm ảo. Khi hai nút lân
cận hiện diện trong hai cụm ảo khác nhau, chúng sẽ thức dậy trong
khoảng thời gian nghe của hai cụm này, điều này dẫn đến việc tiêu thụ
nhiều năng lượng hơn bằng cách nghe và nghe lỏm.
 Timeout-MAC (T-MAC)
 Kết quả xấu của giao thức S-MAC được cải thiện bởi T-MAC .Nó làm
giảm mức tiêu thụ năng lượng khi nghe nhàn rỗi. Nó sử dụng khái

19


niệm về chu kỳ nhiệm vụ thích ứng trong đó các thơng điệp được
truyền trong các cụm có độ dài khác nhau và các cụm có độ dài được
xác định một cách linh hoạt.
 Giao thức S-MAC, trong khung thời gian của chúng có hai loại thời
gian là thời gian hoạt động và thời gian ngủ. Trong một khoảng thời
gian cụ thể Ta nếu khơng có hoạt động nào xảy ra hơn thời gian hoạt
động kết thúc. Khung thời gian Ta đại diện cho thời gian nghe nhỏ
nhất.
 MAC dải cực rộng (U-MAC)
U-Mac được sử dụng để giảm mức tiêu thụ năng lượng cho mạng cảm
biến khơng dây. Nó sử dụng khái niệm về giao thức SMAC theo đó có
ba cải tiến trong giao thức này. Ví dụ ngủ chọn lọc sau khi phát sóng,
các chu kỳ nhiệm vụ khác nhau và điều chỉnh dựa trên việc sử dụng
chu kỳ nhiệm vụ.
 MAC dựa trên TDMA
 Các phương thức TDMA dựa trên lập lịch trong đó sơ đồ khơng va
chạm vốn có được sử dụng để truyền hoặc nhận thơng điệp dữ liệu đến
từng nút nhưng so với MAC dựa trên tranh chấp, các khe thời gian
được gán duy nhất.

 TDMA có một lợi thế quan trọng là tránh xung đột giữa các nút liền
kề. Do va chạm này được tránh, do đó, lãng phí năng lượng do va
chạm được giảm. TDMA cũng có thể giải quyết vấn đề của thiết bị đầu
cuối ẩn mà không cần sử dụng thêm thơng điệp dữ liệu bổ sung vì
trong các nút lân cận TDMA truyền ở các khe thời gian khác nhau.
 SPARE MAC
Giao thức này được sử dụng để khuếch tán dữ liệu trong WSN. Bằng
cách hạn chế các lý do nghe lỏm và lắng nghe SPARE MAC được sử
dụng để bảo tồn năng lượng. Giải pháp lập lịch phân tán được thực
hiện để thực hiện điều này, trong đó chúng tôi chỉ định mỗi nút cảm
biến cho một khe thời gian cụ thể. Giao thức này làm giảm vấn đề va
chạm và nghe nhàn rỗi.
 A-MAC
 Nó được đề xuất cho các dịch vụ truyền dẫn không nghe lén, không va
chạm và ít nghe hơn. Điều này được sử dụng trong các ứng dụng như

20


giám sát và giám sát dài hạn. A-MAC dựa trên khái niệm trong đó khi
người nhận muốn nhận các nút gói được thơng báo trước.
 Khi các nút muốn nhận hoặc gửi các gói, chúng được kích hoạt và
trong thời gian khác, chúng chuyển sang chế độ ngủ. Theo phương
pháp này, sự lãng phí năng lượng khơng thể thấy được khi nghe và
nghe lỏm. Nó cũng tăng cường khả năng tiếp cận của kênh không dây.
 MAC-CROSS
Giao thức này cải thiện hiệu quả năng lượng bằng cách kết hợp các đặc
tính của lớp MAC và lớp định tuyến. Ở lớp mạng để tối đa hóa thời
lượng ngủ của mỗi nút chúng ta sử dụng, định tuyến thông tin. Chúng
tôi khai thác các tương tác trực tiếp giữa lớp ứng dụng và các lớp

MAC / Vật lý.
2.2. Sensor-MAC (S-MAC)

Hình 2.8 Giao thức cảm biến MAC

21


Sensor-MAC (SMAC) là một giao thức dựa trên tranh chấp, điều chỉnh thời gian
ngủ trong mạng cảm biến để tiết kiệm năng lượng và cải thiện tuổi thọ mạng.
Giao thức này đại diện cho đường cơ sở của các thiết kế giao thức WSN MAC
hướng đến giấc ngủ, tiết kiệm năng lượng. Trong số bốn kỹ thuật để tránh nghe
không tải: lập lịch ngủ tĩnh, lập lịch ngủ động, lấy mẫu mở đầu và lập lịch ngoại
tuyến, SMAC áp dụng lập lịch ngủ tĩnh để bảo toàn năng lượng. SMAC chia
thời gian thành các khung. Mỗi khung được chia thành thời gian hoạt động và
thời gian ngủ như trong Hình 2.3. Trong thời gian hoạt động, máy thu-phát được
bật và nó bị tắt trong thời gian ngủ. Thời gian hoạt động được chia thành thời
gian đồng bộ hóa thời gian và thời gian truyền dữ liệu.

Hình 2.9 Chu kì ngủ và hoạt động của S-MAC và T-MAC

22


Đồng bộ hóa thời gian là cần thiết để người nhận vẫn tỉnh táo khi người gửi gửi
tin nhắn. Trong Thời gian đồng bộ hóa thời gian, bước đầu tiên trong việc thiết
lập lịch trình ngủ cho một nút là lắng nghe gói SYNC từ hàng xóm. Gói SYNC
chứa lịch trình ngủ và cho biết rằng người gửi sẽ đi ngủ sau vài giây. Khi nút
nhận được lịch ngủ của hàng xóm, nó sẽ thơng qua lịch trình đó và truyền lại
lịch biểu cho các nút lân cận khác chấp nhận. Nếu một nút khơng nhận được gói

SYNC trong khoảng thời gian chờ được quyết định trước, nút sẽ đặt và phát lịch
biểu của chính nó. Các nút biên (các nút giữa hai lịch hoạt động) có thể nhận hai
lịch khác nhau từ các nút khác nhau. Họ có thể chấp nhận cả hai hoặc một trong
các lịch trình. Chúng tôi đã triển khai SMAC nơi các nút biên theo cả hai lịch
trình. Do cơ chế này, mạng được chia thành nhiều cụm ảo, mỗi cụm được bao
quanh bởi các nút biên. Mỗi nút trong một cụm theo cùng một lịch trình ngủ,
trong khi các nút biên theo lịch của cả các cụm lân cận. Do đó, các nút biên vẫn
cịn thức trong một thời gian lớn hơn, do đó làm tăng mức tiêu thụ năng lượng.
Tuy nhiên, trong mỗi nút biên chu kỳ và các cụm ảo liên tục thay đổi. Vì vậy,
phân cụm ảo khơng ảnh hưởng đến toàn bộ thời gian mạng.

23