thesis - tranhuucuong - kstn_dtvt_k52-final.pdf

`

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Sinh viên thực hiện:

Lớp:

TRẦN HỮU CƯƠNG

KSTN-ĐTVT-K52

Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM VĂN TIẾN

Hà Nội, 6-2012

`

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM


--------------------------------------------------

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

---------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: TRẦN HỮU CƯƠNG Số hiệu sinh viên: 20070387

Khoá: 52 Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện Tử

1. Đầu đề đồ án:

………………………………………………..………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………..………...

2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

……………………………………..……………………………………………..……..……………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………….

…..………………………..…………………………………………………………………………………….

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

………………………………………………………………………………………………………………..….……………

………………………………………………………………………………………………………………………..….……

………………………………………………………………………………………………………………………………

…..….……………………………………………………………………………………………

4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

………………………………………………………………………………………………………………………..….……

……………………………………………………………………………………………………………………..……….…

……………………………………………………………………………………………………….

5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM VĂN TIẾN

6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………

7. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………

Ngày tháng năm

Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

`

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO


---------------------------------------------------

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: TRẦN HỮU CƯƠNG Số hiệu sinh viên: 20070387

Ngành: Điện Tử Viễn Thông Khoá: 52

Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM VĂN TIẾN

Cán bộ phản biện: .......................................................................................................................................

1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

..................................................................................................... ..............................................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

......................................................................................................................................................... ..........................................

......................................................................................... ..........................................................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

......................................................................................................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:

......................................................................................................................................................................................... ..........

......................................................................................................................... ..........................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

............................................................................................................................................................................. ......................

............................................................................................................. ......................................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

............................................................................................................................. ......................................................................

................................................................................................................................................................. ..................................

................................................................................................. ..................................................................................................

..........................................................................

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

Đồ án tốt nghiệp

Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 5

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật

cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một

thế hệ mạng mới ra đời – mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network -

WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm

biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời

sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường sống, giao

thông...

Trong một tương lai không xa, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm biến

được tích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không

thể thiếu trong xã hội hiện đại nhàm mạng lại sự tiện nghi và những ứng dụng thiết

thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.

Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn không chỉ trong khoa học và

nghiên cứu mà còn trong những ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, việc thiết kế và triển

khai có hiệu quả mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với rất nhiều thử

thách do những đặc điểm riêng biệt của nó nhu các nút cảm biến bị giới hạn về phần

cứng, khả năng tính toán, mật độ dày đặc của các nút trong hệ thống...

Sau một thời gian làm việc rất cố gắng trên phòng Lab 411 Khoa Điện tử-

Viễn thông dưới sự hướng dẫn tận tình của TS.PHẠM VĂN TIẾN cùng sự hợp tác

chặt chẽ với các thành viên của nhóm nghiên cứu phát triển phòng Lab 411, em đã

hoàn thành đồ án với đề tài “THIẾT KẾ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY”.

Với những nỗ lực thật sự, đồ án của em đã đạt được một số kết quả nhất

định. Mặc dù vậy, do hạn chế về mặt thời gian nên em không tránh khỏi một số

thiếu sót cũng như một số nhiệm vụ chưa hoàn thành. Vì vậy, em rất mong nhận

được những ý kiến đóng góp của thầy Thầy giáo và bạn bè.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:



Thầy giáo TS.PHẠM VĂN TIẾN

Nhóm nghiên cứu và phát triển phòng Lab 411

Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Cùng toàn thể gia đình bạn bè đã hỗ trợ em trong quá trình nghiên cứu.

Sinh viên thực hiện

TRẦN HỮU CƯƠNG



TÓM TẮT ĐỒ ÁN

“Thiết kế giao thức tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây”

Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network – mạng bao gồm nhiều

nút cảm biến liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến) là một công nghệ mới có tiềm

năng sử dung rất lớn trong thực tế, đặc biệt đối với nhu cầu điều khiến và giám sát.

Đây cũng là một giải pháp rất phù hợp với việc giám sát và điều khiển trạm giao cắt

đường sắt - đường dân sinh bởi có độ tin cậy cao, kích thước các nút mạng nhỏ gọn,

cự ly thu phát khá xa, chi phí lắp đặt và vận hành nhỏ.

Các mạng cảm biến không dây luôn luôn phải đối mặt với những vấn đề tiêu

thụ năng lượng. Nếu không có chính sách kiểm soát thích hợp, bản tin dữ liệu có thể

được truyền qua các tuyến đường đã cạn kiệt năng lượng, nhanh chóng làm gián

đoạn kết nối mạng. Nếu một nút truyền dữ liệu ở một mức độ năng lượng quá cao,

nó không chỉ khiến năng lượng của mình cạn kiệt nhanh chóng, mà còn ảnh hưởng

nhiễu tới các các nút khác đang trao đổi bản tin trong mạng. Trong nghiên cứu này,

em giới thiệu một phương phát điều khiển năng lượng hợp tác, trong đó các nút của

các tuyến đường cùng điều chỉnh công suất phát của chúng thường xuyên theo thời

gian và sau khi tái định tuyến. Lựa chọn tuyến đường được thực hiện qua việc xem

xét các số liệu liên kết như cường độ tín hiệu, năng lượng còn lại, và xem xét tới

khả năng hết năng lượng trong tương lai. Đồng thời, để giữ cân bằng tiêu thụ năng

lượng trên toàn mạng, nhận thức năng lượng được tiến hành định kỳ. Truyền tải

điện năng của mỗi nút được thiết lập ở một mức độ đủ cao theo gợi ý của nút kế tiếp

trên tuyến.

Cụ thể nội dung đồ án bao gồm 5 chương :

Chương 1 : Mở đầu

Giới thiệu tổng quan về khái niệm, cấu trúc và ứng dụng của mạng cảm biến

không dây.

Chương 2 : Tổng quan mạng cảm biến không dây



Giới thiệu tổng quan về chuẩn ZigBee / IEEE802.15.4 và một số thiết bị thu

phát hỗ trợ chuẩn ZigBee.

Chương 3 : Chuẩn ZigBee/IEEE802.15.4

Trình bày chi tiết về những vấn đề liên quan như thiết bị thu phát, cảm biến,

động cơ điều khiển rào chắn.

Chương 4 : Thiết kế hệ thống

Trình bày chi tiết về nguyên lý hoạt động, sơ đồ khối của các thành phần

trong hệ thống cũng như phối hợp hoạt động giữa các thành phần đó.

Chương 5 : Mô phỏng, thí nghiệm và đánh giá kết quả



ABSTRACT

“An Energy-Efficient Protocol for wireless Sensor Networks”

Wireless sensor network is now considered as a great potential network that

can be applied to real world, especially in controlling and monitoring task. Since

monitoring and controlling electronic equipments at railway cross-point (such as

barrier) is now becoming popular in some developed countries, people start thinking

about deploying such wireless sensor network to manage these electronic

equipments automatically. As provided a high reliability, long range wireless

communication, small size and economic implementing cost, Wireless Sensor

Network promises to be a reasonable way to control and monitor railway systems.

Deployment of wireless sensor networks always faces the issue of energy

consumption. Without appropriate control policy, data messages might be routed

over already-exhausted routes, quickly disrupting network connectivity. If a node

transmits data at an excessively high power level, it not only depletes its own

energy budget wastefully, but also interferes in other parallel transmissions. In this

study, i introduce a cooperative power control strategy in which nodes of routes

jointly tune their transmit power regularly over time and upon re-routing. Route

selection is made considering link metrics that is a function of signal strength,

remaining energy, and path loss. At the same time, to keep balancing power

consumption among nodes extensively, energy-aware routes are re-initiated

periodically. Transmit power of each node is set at a level is just high enough under

the hint of its adjacent downstream node. Simulation outputs do support our

proposals in connectivity and throughput.

Keywords: WSN, routing, power control, link quality.

Content of Thesis includes 5 chapters:

Chapter 1 :



Overview of wireless sensor network and applications.

Chapter 2 : WSN Overview

Overview of ZigBee/IEEE802.15.4 Standard and IEEE 802.15.4™ Standard

Compliant RF Transceivers.

Chapter 3 : ZigBee/IEEE802.15.4 Standard

Presentation on issues of concern in design process such as tranceiver,

sensor, motor.

Chapter 4 : System Design

Propose design model of modules and cooperating mechanisms.

Chapter 5 : System Implementation and Results



MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

ABSTRACT 9

MỤC LỤC 11

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 17

CHƯƠNG 1. Mở đầu 20

1.1 Đặt vấn đề 20

1.2 Phạm vi nghiên cứu 20

1.3 Tiến trình nghiên cứu và triển khai 21

CHƯƠNG 2. Tổng quan mạng cảm biến không dây 23

2.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây 23

2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 24

2.2.1 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây 25

2.2.2 Hai đặc trưng của mạng cảm biến không dây 28

2.2.3 Cấu trúc nút cảm biến 30

2.3 Ứng dụng 34

2.3.1 Ứng dụng trong nông và lâm nghiệp 35

2.3.2 Ứng dụng trong y tế và chuẩn đoán từ xa 35

2.3.3 Ứng dụng trong quân đội 35

2.3.4 Ứng dụng trong gia đình 36

CHƯƠNG 3. Chuẩn ZigBee / IEEE 802.15.4 37

3.1 Khái quát về mạng WPAN 37

3.2 Khái niệm ZigBee 37



3.2.1 Các loại thiết bị trong mạng ZigBee 37

3.2.2 Cấu trúc mạng ZigBee 39

3.2.3 Cấu trúc phân lớp 41

3.2.4 Các thuật toán định tuyến 49

CHƯƠNG 4. Thiết kế hệ thống 61

4.1 Cơ sở lý thuyết 61

4.1.1 Tổng quan hệ thống 61

4.1.2 Điều khiển công suất phát 62

4.1.3 Định tuyến 66

4.2 Thiết kế mô phỏng 69

4.2.1 Lựa chon công cụ mô phỏng NS-2 69

4.2.2 Thiết kế các mô-đun trong mô phỏng NS-2 70

4.3 Thiết bị phần cứng 71

4.3.1 Thiết bị thu phát 71

4.3.2 Microchip Stack 72

4.3.3 Thiết kế mô-đun giám sát năng lượng nút mạng WSN 73

4.3.4 Thiết kế mô-đun điều khiển công suất 74

4.3.5 Thiết kế mô-đun định tuyến 76

CHƯƠNG 5. Mô phỏng, thí nghiệm và đánh giá kết quả 77

5.1 Quá trình cài đặt và thiết lập hoạt động cho hệ thống mô phỏng 77

5.1.1 Mô tả kịch bản 77

- Kịch bản 100 nút 77

5.1.2 Kết quả mô phỏng 78

- Kết luận 80

5.2 Triển khai thực tế 80

5.2.1 Kịch bản thí nghiệm 80

5.2.2 Kết quả thí nghiệm 81



KẾT LUẬN 87



DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌNH 1-1 TIẾN TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI 22

HÌNH 2-1 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 25

HÌNH 2-2 CẤU TRÚC PHẲNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN 28

HÌNH 2-3 CẤU TRÚC TẦNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN 29

HÌNH 2-4 CẤU TRÚC MẠNG PHÂN CẤP CHỨC NĂNG THEO LỚP 29

HÌNH 2-5 CẤU TẠO NÚT CẢM BIẾN 31

HÌNH 3-1 CẤU TRÚC MẠNG HÌNH SAO [4] 39

HÌNH 3-2 CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI [4] 40

HÌNH 3-3 CẤU TRÚC MẠNG HÌNH CÂY [4] 41

HÌNH 3-4 KIẾN TRÚC ZIGBEE STACK [8] 41

HÌNH 3-5 PHÂN BỐ KÊNH TRUYỀN [5] 42

HÌNH 3-6 MÔ HÌNH THAM CHIẾU LỚP VẬT LÝ 44

HÌNH 3-7 MÔ HÌNH THAM CHIẾU CỦA LỚP CON MAC 45

HÌNH 3-8 CẤU TRÚC LỚP MẠNG [6] 46

HÌNH 3-9 CẤU TRÚC LỚP ỨNG DỤNG [6] 48

HÌNH 3-10 ĐỊNH DẠNG TUYẾN ĐƯỜNG TRONG GIAO THỨC AODV 52

HÌNH 3-11 QUÁ TRÌNH CHỌN NÚT GỐC 54

HÌNH 3-12 THIẾT LẬP KẾT NỐI GIỮA CH VÀ NÚT THÀNH VIÊN 55

HÌNH 3-13 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NHÁNH NHIỀU BẬC 55

HÌNH 3-14 GÁN ĐỊA CHỈ NHÓM TRỰC TIẾP 57

HÌNH 3-15 GÁN ĐỊA CHỈ NHÓM QUA NÚT TRUNG GIAN 58

HÌNH 3-16 GÁN ĐỊA CHỈ NHÓM QUA NÚT GỐC 58

HÌNH 3-17 GÁN ĐỊA CHỈ NHÓM QUA NÚT GỐC VÀ NÚT TRUNG GIAN 59

HÌNH 3-18 MẠNG ĐA NHÁNH VÀ CÁC NÚT TRUNG GIAN 60

HÌNH 4-1 TƯƠNG TÁC XUYÊN TẦNG 61

HÌNH 4-2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 62

HÌNH 4-3 QUAN HỆ GIỮA MỨC CÔNG SUẤT PHÁT VÀ CHẤT LƯỢNG

LIÊN KẾT 64



HÌNH 4-4 MỐI QUAN HỆ GIỮA LQI VÀ CÔNG SUẤT PHÁT. 65

HÌNH 4-5 THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN 67

HÌNH 4-6 VÍ DỤ VỀ THAY ĐỔI BẢNG ĐỊNH TUYẾN 68

HÌNH 4-7 KIẾN TRÚC CỦA BỘ THU PHÁT MRF24J40 71

HÌNH 4-8 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ĐO ĐIỆN ÁP MỖI NODE 74

HÌNH 4-9 HÌNH MÔ TẢ CÁC BƯỚC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 75

HÌNH 5-1 KỊCH BẢN 100 NÚT 77

HÌNH 5-2 SO SÁNH TỈ LỆ GÓI ĐẾN 78

HÌNH 5-3 SO SÁNH THÔNG LƯỢNG 78

HÌNH 5-4 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI 79

HÌNH 5-5 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI ỨNG VỚI KỊCH BẢN 60 NÚT 79

HÌNH 5-6 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI ỨNG VỚI KỊCH BẢN 100 NÚT 80

HÌNH 5-8 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM 81



DANH MỤC BẢNG BIỂU

BẢNG 3-2 DẢI TẦN HOẠT ĐỘNG VÀ TỐC ĐỘ DỮ LIỆU 42

BẢNG 4-1 BẢNG CHỈNH SỬA CÁC CẤU TRÚC THUỘC LỚP ĐỊNH TUYẾN

TRONG MÃ NGUỒN 76

BẢNG 5-1 BẢNG MÔ TẢ KỊCH BẢN 77



THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

STT Thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt

1 WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không

dây

2 LR-WPAN Low Rate Wireless

Personal Area Network

Mạng cá nhân không

dây tốc độ thấp

3 SAP Offset – Quadrature

Phase – Shift Keying

Điều chế cầu phương

bù

4 O-QPSK Ultra High Frequency Siêu cao tần

5 RSSI / ED

Received Signal Strength

Indicator / Energy

Detection

Chỉ thị cường độ tín

hiệu thu

6 LQ Link Quality Chất lượng liên kết

7 CCA Clear Channel

Assessment Đánh giá kênh truyền

8 PSDU Physical Service Data

Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ

lớp vật lý

9 PPDU Physical Protocol Data

Unit

Đơn vị dữ liệu giao

thức lớp vật lý

10 PIB PAN Information Base Cơ sở dữ liệu mạng cá

nhân

11 PLME Physical Layer

Management Entity

Thực thể quản lý lớp

vật lý



12 CSMA - CA

Carrier Sense Multiple

Access – Collision

Avoidance

Đa truy cập cảm nhận

sóng mang tránh xung

đột

13 GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian bảo vệ

14 MSDU MAC Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

lớp MAC

15 MPDU MAC Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao

thức lớp MAC

16 MLME MAC Layer Management

Entity

Lớp con của lớp MAC,

chịu trách nhiệm cấp

phát băng thông, thiết

lập kết nối

17 MCPS MAC Common Part

Sublayer

Lớp con hội tụ theo

tính chất dịch vụ, chịu

trách nhiệm tiếp nhận,

phân loại và xử lý các

đơn vị dữ liệu từ lớp

cao hơn

18 SSCS Service- Specific

Convergence Sublayer


thức lớp mạng

19 NPDU Network Protocol Data

Unit


lớp mạng

20 NSDU Network Service Data

Unit


mạng

21 NLME Network Layer Thực thể dữ liệu lớp



Management Entity mạng

22 NLDE Network Layer Data

Entity Cơ sở dữ liệu lớp mạng

23 NIB Network Information

Base


thức lớp ứng dụng

24 APDU Application Protocol

Data Unit


lớp ứng dụng

25 ASDU Application Service Data

Unit

Thực thể dữ liệu lớp

con hỗ trợ ứng dụng

26 APSDE Application Support

Sublayer Data Entity



27 APSME

Application Support

Sublayer Management

Entity

Thực thể dữ liệu lớp


28 AIB Application support layer

Information Base

Cơ sở dữ liệu lớp con

hỗ trợ ứng dụng

29 APL Application Layer Lớp ứng dụng

30 ZDO ZigBee Device Object Đối tượng thiết bị

ZigBee



CHƯƠNG 1. Mở đầu

1.1 Đặt vấn đề

Với những tiến bộ gần đây về kỹ thuật và công nghệ WSN (mạng cảm biến

không dây) hiện nay, nó không chỉ đáp ứng cho các thiết bị thu thập thông tin thời

gian thực mà còn đáp ứng được các ứng dụng thời gian thực phức tạp. Vì vậy, WSN

có thể được triển khai trên các thiết bị truyển động. Mỗi nút mạng bao gồm một

hoặc nhiều thiết bị cảm biến, một bộ vi xử lý và một bộ phát sóng. Tất cả chúng đều

được cung cấp bởi một nguồn pin không đổi và hạn chế. Các nút mạng thu thập dữ

liệu từ môi trường mà họ giám sát và gửi chúng tới các nút khác hoặc về bộ điều

phối. Bộ điều phối nhận dữ liệu và đưa ra lệnh điều khiển thích hợp.

Những nỗ lực trong giới các nhà nghiên cứu đối với mạng WSN (mạng cảm

biến không dây) tập trung vào khéo dài tuổi thọ mạng tương ứng với năng lượng pin

hạn chế. Tuy nhiên, khi các ứng dụng thời gian thực triển khai dựa trên mạng cảm

biến không dây, cùng với kéo dài thời gian sống của mạng phải đáp ứng được các

yêu cầu về thời gian thực.

Để tiết kiệm năng lượng, hầu hết công việc tập trung vào thiết kế giao thức

truyền thông cho một nút mạng cảm biến không dây. Năng lượng dành vào việc

truyền phát vô tuyến chiếm một tỉ lệ lớn trong tổng năng lượng tiêu thụ. Chuẩn

IEEE 802.15.4 giải quyết việc tối ưu hóa năng lượng trong lớp vật lý (PHY) và lớp

điều khiển môi trường truy cập (MAC). Tiết kiệm năng lượng đạt được phần lớn

bởi khoảng thời gian ngủ trong siêu khung. Đối với phương phát này còn tồn đọng

nhiều mặt hạn chế đối với các ứng dụng thời gian thực. Vì vây, em mạnh dạn đề

xuất một các tiếp cận khác phát triển trên nền tảng chuẩn IEEE 802.15.4 có thể tối

ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho toàn mạng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu thời gian

thực của hệ thống.

1.2 Phạm vi nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, em giới thiệu một phương pháp tối ưu hóa năng



lượng dựa trên sự kết hợp giữa điều khiển công suất và chiến lược lựa chọn tuyến.

Tuyến được thiết lập một cách tự động bằng việc xem xét điều kiện kênh truyền. Cụ

thể, chi phí liên kết được tính toán như là một biểu thức phụ thuộc vào LQI (một hệ

số phản ánh chất lượng tín hiệu dọc theo liên kết), năng lượng còn lại của nút đó và

công suất phát cần thiết đối với gói tin dữ liệu. Đóng góp của em không dừng lại ở

lớp định tuyến, mà còn mô hình hóa sự hợp tác giữa định tuyến và điều khiển công

suất.

1.3 Tiến trình nghiên cứu và triển khai

Các bước tiến hành nghiên cứu và triển khai giao thức tiến kiệm năng lượng

cho hệ thống cảm biến không dây:

Bước 1. Khảo sát:

- Các giao thức tiến kiệm năng lượng cho hệ thống cảm biến không

dây trên thế giới.

- Công cụ mô phỏng hợp lý.

- Thiết bị testbet.

Bước 2. Làm thí nghiệm testbet và mô phỏng để mô hình hóa các quan

hệ rằng buộc giữa các thống số trong mạng từ đó mô hình hóa được

hệ thống và các phương trình phụ thuộc.

Bước 3. Mô phỏng kiểm chứng mô hình thiết kế.

- Kết quả xấu quay về bước 2.

- Kết quả tốt tiến hành tiếp bước 4.

Bước 4. Triển khai thiết kế trên testbed, khi mô phỏng cho kết quả tốt.

Bước 5. Thí nghiệm kiểm chứng kết quả testbet.

- Kết quả xấu quay về bước 6

- Kết quả tốt hoàn thành thiết kế.

Bước 6. Bắt đầu lại tại bước 2 với các số liệu mô phỏng có được từ thưc

nghiệm.



Khảo sát

Đo đạc các thông số qua mô phỏng và

testbet &Mô hình hóa hệ thống và các

phương trình phụ thuộc

Kết quả có tốt

không?

Mô phỏng kiểm chứng

mô hình thiết kế

Triển khai thiết kế trên

testbed

Thí nghiệm kiểm chứng

mô hình thiết kế

Kết quả có tốt

không?

Phân tích số liệu đầu vào từ

testbed làm đầu vào cho mô

phỏng

yes

yes

no

no

Hình 1-1 Tiến trình nghiên cứu và triển khai



CHƯƠNG 2. Tổng quan mạng cảm biến không

dây

2.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một mạng

bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp,

có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác

nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các thông số về môi trường,

hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát.

Các nút cảm biến là các sensor có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát dữ

liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kêch vô tuyến. Các thành phần của nút cảm

biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận

thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi tùy

thuộc vào từng ứng dụng.

Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi

trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa

học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, …để từ đó phân tích, xử lý và

đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu.

Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,

giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo

ranhững con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ

năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.

Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:

- Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop.

- Được triển khai với mật độ sensor lớn.

- Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc và fadinh và hư

hỏng ở các nút.



- Các nút trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý

và dung lượng nhớ.

- Mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.

- Vị trí các nút mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác

định trước. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức

tạp.

- Khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến: các nút cảm biến có gắn bộ

xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô tới đích thì chúng gửi dữ

liệu đã qua tính toán đơn giản.

2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không

dùng được cho mạng cảm biến không, vì một số lý do sau:

- Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều

lần trong mạng ad hoc.

- Các nút cảm biến dễ bị lỗi

- Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.

- Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyển thông kiểu quảng bá, trong

khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm.

- Các bút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ

nhớ.

- Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (Global

identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số

lượng lớn các nút cảm biến.

Chính vì các lý do trên, mà cấu trúc của mạng mới đòi hỏi phải:

- Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

- Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

- Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.

- Chia sẽ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.



2.2.1 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây

Các nút cảm biến được phân bố trong một trường sensor như hình 1.1. Mỗi

nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.

Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình

dưới. các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua

mạng Internet hoặc vệ tinh.

Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể

bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có

thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm

biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như

Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm

biến trong mạng.

Giám sát từ xaGiám sát từ xa

Robot (Actor)

Actor

Actor

Sensor

Sensor

Sensor

Sensor

Hình 2-1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng

lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc



biệt là năng lượng rất khắc khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với

mạng truyền thống. Sau đây, ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng

cảm biến như sau:

Khả năng chịu lỗi: một số các nút cảm biến có thể không 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 có thể hoạt động bình thường, duy trì những

chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.

Khả năng mở rộng: số lượng các nút cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng

dụng cụ thể, có khi lên đến hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng

mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.

Giá thành sản xuất: vì các mạng cảm biến bao gồm một cố lượng lớn các nút

cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của

toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khai sensor theo kiểu

truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút

cảm biến phải giữ ở mức thấp.

Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây.

Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm

việc với WSN.Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu

hình.Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời

gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn.Lúc này, mạng cần có khả

năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này.

Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các nút cảm

biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ,

tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động

không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…

Môi trường hoạt động: các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc

trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà

không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các

máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm.



Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các nút trong

mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện

quang học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới

để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này.

Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn

nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng hàng

chục feet của mỗi nút.Mật độ các nút lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm

biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định.

Sự tiêu thụ năng lượng: các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết

bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2 V).

Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được.

Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian

sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng vai trò kép vừa

khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra

những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức

lại mạng.Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan

trọng.

Bảo mật: các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trường

dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin và rất quan trọng. Các hoạt động

của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt độ và

ánh sáng của tòa nhà đó. Những thông tin này có thể được sử dụng để sắp xếp một

kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật các

thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên rất quan

trọng. không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu

truyền. Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng

dụng. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng

thông. Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó

ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian

sống mong đợi.



2.2.2 Hai đặc trưng của mạng cảm biến không dây

2.2.2.1 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architectute) (hình 1.4): tất cả các nút đều ngang

hàng vàđồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp vớisinkqua

multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng.

Hình 2-2 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến

Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ

tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng

cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách

này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần

số.

2.2.2.2 Cấu trúc tầng

Trong Cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5): các cụm được tạo ra

giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy

thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster

head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở

một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu

không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp



nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng

thực hiện phân phối dữ liệu.

Hình 2-3 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với

cấu trúc phẳng, vì một số lý do sau:

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các

tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các

phần cứng thống nhất. Mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện

tất cả các nhiệm vụ.

Cấp 0:

Cảm nhận

Cấp 1:

Tính toán

Cấp 2:

Phân phối

Hình 2-4 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp



- Mạng cấu trúc tầng có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần phải

tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu

cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong

khoảng thới gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối

thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng

phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm

tăng tuổi thọ của mạng.

- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu

cầu thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông. Với mạng cấu trúc phẳng,

khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0. Việc nghiên

cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một

cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở

cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Trong trường hợp này, dung

lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp

xác định là độc lập với nhau.

Tóm lại, khi dùng cấu trúc tầng thì việc tương thích giữa các chức năng trong

mạng có thể đạt được. Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích

về tìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.

2.2.3 Cấu trúc nút cảm biến

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản (xem hình 2-5):

Đơn vị cảm biến (sensing unit)

Đơn vị xử lý (processing unit)

Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

Bộ nguồn (power unit)

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng

như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)

và bộ phận di động (mobilizer).



Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến. Dựa trên những hiện

tượng quan sát được, tín hiệu tạo ra bởi sensor được đưa vào bộ xử lý.

Cảm biếnXử lý lưu

trữ

Bộ thu

phát

Bộ nguồn

Đơn vị cảm biến Đơn vị xử lý Đơn vị truyền dẫn

Hình 2-5 Cấu tạo nút cảm biến

Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết

định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định

sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.

Một trong các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.

Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng mặt

trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có

độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút

cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành

phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ, các nút cảm

biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng,

hoạt động ở mật độ cao, có giá thànhthấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự

biến đổi của môi trường… như trình bày cụ thể dưới đây:

Năng lượng: Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều

năm, các nút mạng cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp. Việc tiêu thụ năng lượng

thấp chỉ đạt được bằng cách kết hợp các thành phần cứng năng lượng thấp và chu

trình hoạt động ngắn. Trong thời gian hoạt dộng, truyền thông radio sẽ tiêu thụ một

phần năng lượng đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của nút mạng. Các

thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm hoạt động truyền nhận



radio. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng sự tính toán cục bộ để giảm

luồng dữ liệu nhận được từ cảm biến. Ví dụ, các sự kiện từ nhiều nút cảm biến có

thể được kết hợp cùng nhau thành một nhóm các nút trước khi truyền một kết quả

đơn lẻ qua mạng cảm nhận.

Tính mềm dẻo: Các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp

với các ngữ cảnh khác nhau. Mỗi một ứng dụng sẽ yêu cầu về thời gian sống, tốc độ

lấy mẫu, thời gian đáp ứng và xử lý nội mạng khác nhau. Một kiến trúc WSN cần

phải đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng. Thêm vào đó, vì lý do chi

phí mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể. Kiến

trúc cần đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Vì vậy, những thiết bị

nàyđòi hỏi một mứcđộ cao về tính modul của phần cứng và phần mềm trong khi vẫn

giữ được tính hiệu quả.

Sức mạnh: Để hỗ trợ cho các yêu cầu về thời gian sống, mỗi nút cần phải

càng mạnh càng tốt. Trong sự thực tế, hàng trăm nút mạng sẽ hoạt động trong nhiều

năm. Để đạt được điều này, hệ thống cần được xây dựng để vẫn có thể hoạt động

khi một nút bị lỗi. Modul hoá hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệ thống.

Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi chức

năng có thể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành mộtứng dụng hoàn

chỉnh. Để làmđiều này, các thành phần hệ thống phảiđộc lậpđến mức có thể và có

giao tiếp chặt chẽ,để ngăn chặn các tương tác không mong đợi. Để tăng sức mạnh

hệ thống khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có khả năng đối phó với nhiễu ngoài.

Các mạng thường cùng tồn tại cùng với các hệ thống không dây khác, chúng cần có

khả năng để thích nghi theo các hành động khác nhau. Nó cũng phải có khả năng

hoạt động trong môi trường đã có các thiết bị không dây khác hoạtđộng với một hay

nhiều tần số. Khả năng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu để đảm bảo một sự

triển khai thành công.

Bảo mật: Để đạt được mức độ bảo mật mà ứng dụng yêu cầu, các nút riêng

lẻ cần có khả năng thực hiện sự mã hoá phức tạp và thuật toán xác thực. Truyền dữ

liệu không dây rất dễ bị chặn. Chỉ có một cách bảo mật dữ liệu là mã hoá toàn bộ dữ



liệu truyền. CPU cần có khả năng tự thực hiện các thao tác mật mã. Để bảo mật toàn

bộ dữ liệu truyền, các nút cần tự bảo mật dữ liệu của chúng. Trong khi chúng không

có lượng lớn dữ liệu lưu bên trong, chúng sẽ phải lưu các khoá mã hoá được sử

dụng trên mạng. Nếu những khoá này bị lộ, tính bảo mật của mạng sẽ mất. Để có

được tính bảo mật tốt, cần phải rất khó để lấy được khoá mã hóa từ một nút.

Truyền thông: Một chỉ tiêu đánh giá cho bất kỳ WSN là tốc độ truyền, năng

lượng tiêu thụ và khoảng cách. Trong khi độ bao phủ của mạng không bị giới hạn

bởi khoảng cách truyền của các nút riêng biệt, khoảng cách truyền có một ảnh

hưởng quan trọng tới mật độ tối thiểu có thể chấp nhận được. Nếu các nút được đặt

rất xa nó không thể tạo được kết nối với mạng liên kết hoặc với một nút dự trữ để

có được độ tin cậy cao. Nếu khoảng cách truyền radio thoả mãn một mậtđộ nút cao,

các nút thêm vào sẽ làm tăng mậtđộ hệ thống tới một mức độ nào đó cho phép. Tốc

độ truyền cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của nút mạng. Tốc độ truyền cao

hơn làm cho khả năng lấy mẫu hiệu quả hơn và năng lượng tiêu thụ của mạng ít

hơn. Khi tốc độ tăng, việc truyền mất ít thời gian hơn và do đó đòi hỏi ít năng lượng

hơn. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ cũng thường làm tăng năng lượng tiêu thụ radio.

Mọi thứ trở nên bằng nhau, một tốc độ cao sẽ tăng hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên,

tăng tốc độ có ảnh hưởng lớn tới năng lượng tiêu thụ và yêu cầu tính toán của nút.

Tổng thể, lợi ích của việc tăng tốc độ có thể được bù lại bởi các yếu tố khác.

Tính toán:Hai việc tính toán cho nút mạng tập trung chủ yếu vào xử lý dữ

liệu nội mạng và quản lý các giao thức truyền thông không dây mức thấp. Có những

yêu cầu giới hạn về mặt thời gian thực đối với truyền thông và cảm biến. Khi dữ

liệu tới trên mạng, CPU cần điều khiển đồng thời radio và ghi lại/giải mã

(record/decode) dữ liệu tới. Tốc độ truyền cao hơn đòi hỏi tính toán nhanh hơn.

Điều tương tự cũng đúng đối với xử lý dữ liệu cảm biến. Các cảm biến tương tự có

thể phát ra hàng ngàn mẫu trong một giây. Các thao tác xử lý cảm biến nói chung

bao gồm lọc số, trung bình hoá, nhận biết ngưỡng, phân tích phổ, … Để tăng khả

năng xử lý cục bộ, các nút láng giềng có thể kết hợp dữ liệu với nhau trước khi

truyền đi trên mạng. Các kết quả từ nhiều nút mạng có thểđược tổng hợp cùng nhau.



Xử lý nội mạng này đòi hỏi thêm tài nguyên tính toán. Ngoài ra, ứng dụng xử lý dữ

liệu có thể tiêu thụ một lượng tính toán phụ thuộc vào các phép toán được thực hiện.

Đồng bộ thời gian: Để hỗ trợ sự tương quan thời gian đọc cảm biến và chu

trình hoạt động ngắn của ứng dụng thu thập thông tin, các nút cần duy trì đồng bộ

thời gian chính xác với các thành viên khác trong mạng. Các nút cần ngủ và thức

dậy cùng nhau để chúng có thể định kỳ truyền thông cho nhau. Các lỗi trong cơ chế

tính thời gian sẽ tạo nên sự không hiệu quả dẫn đến làm tăng chu trình làm việc và

làm giảm tuổi thọ của hệ thống mạng.

Kích thước và chi phí: Kích thước vật lý và giá thành của mỗi nút riêng lẻ có

ảnh hưởng tới sự dễ dàng và chi phí khi triển khai. Việc giảm giá thành trên mỗi nút

sẽ làm cho có khả năng mua thêm nhiều nút, triển khai một mạng thu thập với mật

độ cao hơn, và thu thập được nhiều dữ liệu hơn. Kích thước vật lý cũng ảnh hưởng

tới sự dễ dàng khi triển khai mạng. Các nút nhỏ hơn có thể được đặt ở nhiều vị trí

hơn và được sử dụng trong nhiều tình huống hơn. Trong tình huống theo dõi nút đối

tượng, các nút nhỏ hơn, rẻ hơn sẽ tăng khả năng theo dõi nhiều đối tượng hơn.

2.3 Ứng dụng

Mạng cảm biến được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và thường

phát huy hiệu quả cao trong các điều kiện:

- Môi trường khắc nghiệt, địa hình khó khăn (ví dụ: khu vực rừng núi,

vùng nhiễm phóng xạ…).

- Cần giám sát các giá trị biến đổi theo thời gian (nhiệt độ, độ ẩm trong

môi trường…).

- Khu vực rộng lớn (ví dụ: rừng, các tòa nhà….).

Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong nông, lâm nghiệp, trong quân

đội, sức khỏe gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.



2.3.1 Ứng dụng trong nông và lâm nghiệp

Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng

rộng lớn để đưa ra các cảnh báo kịp thời.

Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để

kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây…

Trong lâm nghiệp, các sensor được triển khai trên các cánh rừng để cảnh báo

cháy rừng.

Các sensor cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có thể giám sát sự di

chuyển của chúng.

2.3.2 Ứng dụng trong y tế và chuẩn đoán từ xa

Trong tương lai, các nút cảm ứng có thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở

dưới da và đo các thông số của máu để phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó

việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn. Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có

thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của

thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h. Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về

bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật. Các bác

sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị.

2.3.3 Ứng dụng trong quân đội

Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có

sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến

hoạt động của quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho

khái niệm mạng cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường.

Một vài ứng dụng trong quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng,

trang thiết bị, theo dõi chiến trường, do thám địa hình và lực lượng quân địch,.. để

từ đó đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường, do thám và phát hiện việc tấn

công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân một cách khá hiệu quả.



2.3.4 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đạt ở các phòng

để đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch

chuyển trong phòng và thông báo lại những thông tin này đến thiết bị báo động

trong trường hợp không có ai ở nhà.



CHƯƠNG 3. Chuẩn ZigBee / IEEE 802.15.4

3.1 Khái quát về mạng WPAN

WPAN là mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các công nghệ vô

tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các côngnghệ này

phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa

cứng, khóa USB,đồng hồ,...với điện thoại di động, máy tính. Các công nghệ trong

nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean...

3.2 Khái niệm ZigBee

Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn cótốc

độ truyền dữ liệu thấp. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên

3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz. Cái tên Zigbee được xuất phát từ

cách truyền thông tin của các con ong mật đó là kiểu “zig-zag” của loài ong “honey-

Bee”. Cái tên Zigbee cũng được ghép từ 2 từ này.

Với những đặc điểm chính:

- Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps

- Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng

- Thời gian sử dụng pin rất dài

- Cài đặt, bảo trì dễ dàng

- Độ tin cậy cao

- Có thể mở rộng đến 65000 nút

- Chi phí đầu tư thấp.

Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4 GHz(toàn cầu), 40 kbps ở dải tần 915

MHz (Mỹ ,Nhật) và 20kbps ở dải tần 868 MHz (Châu Âu).

3.2.1 Các loại thiết bị trong mạng ZigBee

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa hai loại thiết bị sau:



- Full-function devices (FFDs): là những thiết bị hỗ trợ đầy đủ các chức

năng theo chuẩn của IEEE 802.15.4 và có thể đảm nhận bất cứ vai trò

nào trong hệ thống. FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều

phối viên của toàn mạng WPAN, hay là điều phối viên của một mạng

con hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng, bổ sung bộ nhớ

và sức mạnh tính toán làm cho nó trở thành lý tưởng trong chức năng

router mạng hoặc nó có thể sử dụng trong các thiết bị mạng cạnh.

- Reduced-function devices (RFDs): là những thiết bị giới hạn một số

chức năng (chỉ giao tiếp được với FFDs, áp dụng cho các ứng dụng

đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu) với chi phí thấp hơn

và phức tạp hơn.

Một mạng tối thiểu phải có một thiết bị FFD, một FFD có thể làm việc với

nhiều RFD hay nhiều FFD trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.

Trong khi chuẩn ZigBee lại định nghĩa các loại thiết bị như sau:

- ZigBee Coordinator (ZC): là một loại thiết bị có chức năng khởi tạo

và duy trì kiến trúc mạng tổng thể, đồng thời nó điều khiển và giảm

sát, lưu trữ các thông tin về mạng. Vì vậy nó yêu cầu bộ nhớ và sức

mạnh tính toán lớn nhất. ZC có các vai trò như sau:

Khởi tạo một mạng.

Lựa chọn chỉ số nhận dạng cho mạng (PAN ID: Personal Area

Network Identifier).

Cho phép một thiết bị gia nhập hoặc rời khỏi mạng.

Thực thi tất cả các chức năng của một router.

- ZigBee Router (ZR): là một thiết bị thông minh có khả năng mở rộng

tầm bao phủ của mạng bằng cách định tuyến và cung cấp tuyến dự

phòng hoặc phục hồi những tuyến bị nghẽn, hoạt động như một

router trung gian, truyền dữ liệu giữa các thiết bị khác nhau. Nó có thể

kết nối với ZC, ZR và cả ZED. Một ZR có các vai trò như sau:

Định tuyến dữ liệu giữa các thiết bị ZigBee.



Cho phép một thiết bị gia nhập và rời khỏi mạng.

Quản lý các bản tin cho các con của nó là các thiết bị cuối (end

devices).

Thực thi tất cả các chức năng của một thiết bị cuối Zigbee.

- ZigBee End Device (ZED): là các nút cảm biến có các thông tin từ

môi trường. Nó có thể nhận dữ liệu nhưng không thể chuyển tiếp dữ

liệu, kết nối được với ZC và ZR nhưng không thể kết nối với nhau.

Nó có thể là FFD hoặc RFD.

3.2.2 Cấu trúc mạng ZigBee

Các nút mạng trong một mạng ZigBee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc

mạng hình sao (Star), lưới (Mesh), cấu trúc bó cụm hình cây (Tree). Sự đa dạng về

cấu trúc mạng này cho phép công nghệ ZigBee được ứng dụng một cách rộng rãi.

3.2.2.1 Mạng hình sao

Đối với loại mạng này một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một

thiết bị được lập trình để điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN. Sau khi

FFD được kích hoạt lần đầu nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một

bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá

nhân duy nhất gọi là PAN ID (PAN Identifier), chỉ số này là duy nhất mà không

được sử dụng bởi bất kỳ mạng nào khác trong phạm vi của nó.

Hình 3-1 Cấu trúc mạng hình sao [4]



3.2.2.2 Mạng lưới

Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất đây

là kết hợp của hai kiểu kiến trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc

mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kì thiết bị nào khác miễn là

thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ song của thiết bị A. Mạng hoạt động theo chế độ

ad-hoc cho phép chuyển tiếp nhiều chặng trung gian là các ZR, điều này đồng nghĩa

với việc phải có thuật toán định tuyến để tìm ra các đường đi tối ưu. Mạng này có

thể hoạt động trong một phạm vi rất rộng, tuy nhiên rất khó khăn để giảm thiểu

phức tạp trong việc liên kết điểm – điểm nào trong mạng, do đó khó có thể đảm bảo

thời gian truyền tối thiểu được.

Hình 3-2 Cấu trúc mạng lưới [4]

3.2.2.3 Mạng hình cây

Cấu trúc này là một cấu trúc đặc biệt của cấu trúc lưới trong đa số thiết bị là

FFD và một RFD có thể kết nối vào hình cây như một nút ròi rạc ở điểm cuối của

nhánh cây. Trong cấu hình này ZED có thể gia nhập hoặc là ZC hoặc là ZR.



Hình 3-3 Cấu trúc mạng hình cây [4]

3.2.3 Cấu trúc phân lớp

Hình 3-4 Kiến trúc ZigBee Stack [8]



3.2.3.1 Lớp vật lý

Lớp vật lý chịu trách nhiệm cung cấp các dịch vụ:

- Kích hoạt và dừng hoạt động của bộ thu phát.

- Phát hiện năng lượng trên kênh truyền (ED).

- Chỉ thị chất lượng kênh truyền (LQI) cho các gói tin nhận được.

- Đánh giá kênh truyền để phục vụ CSMA-CA.

- Chọn tần số kênh truyền.

- Truyền nhận dữ liệu.

Dải tần hoạt động và tốc độ dữ liệu:

Bảng 3-1 Dải tần hoạt động và tốc độ dữ liệu

Tần số

trung

tâm

(MHz)

Băng tần

(MHz)

Tham số trải phổ Tham số dữ liệu

Tốc độ

chip

(kchip/s)

Kỹ thuật

điều chế

Tốc độ

bit

Tốc độ

ký hiệu

Ký hiệu

868/915 868 - 868.6 300 BPSK 20 20 Nhị phân

902 - 928 600 BPSK 40 40 Nhị phân

2450 2400 - 2483.5 2000 O-QPSK 250 62.5 Hệ 16

Đánh số kênh truyền vật lý:

Hình 3-5 Phân bố kênh truyền [5]



- Tổng số 32 trang kênh (channel page), các trang kênh từ ba đến 31

chưa được sử dụng.

- Mỗi trang kênh chứa 27 kênh (16 kênh trong dải 2450MHz, 10 kênh

trong dải 915MHz, 1 kênh trong dải 868MHz).

Các đặc tả về thu phát vô tuyến:

- Công suất phát: bộ phát phải có công suất tối đa lớn hơn -3dbm. Các

thiết bị sẽ phát đi với công suất thấp hơn khi có thể để giảm ảnh

hưởng tới các thiết bị và hệ thống khác.

- Mức thu tối đa: là công suất em đa của tín hiệu có ích xuất hiện tại

đầu vào của bộ thu để đạt được tần suất lỗi gói chuẩn. Một thiết bị thu

phải có mức thu tối đa lớn hơn hoặc bằng -20dbm.

- Dò năng lượng (ED): ước lượng công suất tín hiệu nhận được trong

băng thông của kênh. Việc đo đạc này chủ yếu được sử dụng cho lớp

mạng như một phần của thuật toán chọn kênh.

- Đánh giá kênh truyền (CCA): có 3 phương pháp để thực hiện CCA

Kênh truyền được coi là bận nếu phát hiện năng lượng trên

kênh truyền vượt qua một ngưỡng cho trước.

Kênh truyền được coi là bận nếu phát hiện trên kênh truyền có

một tín hiệu sử dụng phương thức điều chế, trải phổ giống với

thiết bị đang sử dụng.

Kết hợp 2 phương thức trên.

Các đặc tả dịch vụ lớp vật lý : lớp vật lý theo chuẩn IEEE802.15.4 cung cấp

2 dịch vụ:

- Dịch vụ dữ liệu PHY: vận chuyển các đơn vị dữ liệu lớp MAC

(MPDUs) giữa các thực thể thuộc lớp MAC, truy nhập thông qua

điểm truy nhập dịch vụ PD-SAP.

- Dịch vụ quản lý PHY: vận chuyển các lệnh quản lý giữa MLME và

PLME, truy nhập thông qua điểm truy nhập dịch vụ PLME-SAP.



RF - SAP

PD - SAPPLME -

SAP

PHY

PIB

PLME

PHY layer

Hình 3-6 Mô hình tham chiếu lớp vật lý

3.2.3.2 Lớp MAC

Lớp con MAC xử lý tất cả những truy nhập tới kênh vật lý và chịu trách

nhiệmvới các công việc:

- Phát các bản tin báo hiệu mạng (network beacons) nếu thiết bị là một

coordinator.

- Đồng bộ các bản tin báo hiệu mạng.

- Hỗ trợ việc tham gia và rời mạng.

- Hỗ trợ bảo mật thiết bị.

- Sử dụng cơ chế CSMA-CA để truy nhập kênh truyền.

- Thực hiện và duy trì cơ chế khe thời gian đảm bảo (GTS).

- Cung cấp một liên kết tin cậy giữa các thực thể MAC.

Đặc tả dịch vụ:

- Lớp con MAC đóng vai trò như một giao diện giữa lớp con hội tụ dịch

vụ đặc biệt (SSCS) và lớp vật lý. Lớp con MAC chứa một thực thể

quản lý gọi là MLME. Thực thể này cung cấp các giao diện dịch vụ

mà qua đó các chức năng quản lý lớp có thể được gọi ra. Thực thể

quản lý MLME cũng chịu trách nhiệm trong việc duy trì một cơ sở dữ

liệu về các đối tượng quản lý gắn liền với lớp con MAC. Cơ sở dữ

liệu này được biết đến như là cơ sở thông tin mạng cá nhân của lớp

con MAC (MAC sublayer PIB).



MCPS - SAPMLME -

SAP

MAC

PIB

MLMEMAC

common part

sublayer

PD - SAP PLME - SAP

Hình 3-7 Mô hình tham chiếu của lớp con MAC

- Lớp con MAC cung cấp 2 dịch vụ, được cung cấp thông qua 2 điểm

truy cập dịch vụ:

Dịch vụ dữ liệu MAC, có thể truy nhập thông qua điểm truy

nhập dịch vụ dữ liệu MCPS (MCPS - SAP).

Dịch vụ quản lý MAC, có thể truy nhập thông qua điểm truy nhập dịch vụ

thực thể quản lý lớp con MAC (MLME - SAP).

3.2.3.3 Lớp mạng

Lớp mạng được yêu cầu cung cấp chức năng để đảm bảo sự hoạt động đúng

của lớp con MAC và để cung cấp một giao diện thiết bị phù hợp cho lớp ứng dụng.

Để giao tiếp với lớp ứng dụng, lớp mạng bao hàm hai thực thể dịch vụ cung cấp

chức năng cần thiết. Các thực thể dịch vụ này là dịch vụ dữ liệu và dịch vụ quản lý.

Thực thể dữ liệu lớp mạng (NLDE) cung cấp dịch vụ truyền nhận dữ liệu qua điểm

truy cập dịch vụ liên kết với nó (NLDE-SAP), và thực thể quản lý lớp mạng

(NLME) cung cấp dịch vụ quản lý qua điểm truy cập dịch vụ liên kết với nó

(NLME-SAP). Thực thể quản lí dùng thực thể dữ liệu để đạt một vài trong số các

tác vụ quản lý của nó và nó cũng duy trì một cơ cở dữ liệu các đối tượng quản lý.



Next Higher Layer Entity

MAC Sub-Layer Entity

NLDE

NLME

NLDE-SAP NLME-SAP

MCPS-SAP NLME-SAP

NWK

IB

Hình 3-8 Cấu trúc lớp mạng [6]

Thực thể dữ liệu cung cấp một dịch vụ dữ liệu cho phép một ứng dụng

truyền tải các đơn vị dữ liệu chuẩn (PDU) lớp ứng dụng giữa hai hay nhiều thiết bị.

Bản thân các thiết bị phải được đạt trên cùng một mạng. Thực thể dữ liệu cung cấp

các dịch vụ sau:

- Tạo ra đơn vị dữ liệu chuẩn lớp mạng (NPDU): thực thể dữ liệu lớp

mạng có khả năng tạo ra một NPDU từ một PDU của lớp con hỗ trợ

dịch vụ qua việc thêm vào các thông tin điều khiển.

- Định tuyến theo cấu hình cụ thể: thực thể dữ liệu có thể truyền một

NPDU tới một thiết bị thích hợp, thiết bị này là đích đến cuối của sự

truyền thông hoặc bước tiếp theo hướng đến đích đến cuối cùng trong

chuỗi truyền thông.

- Bảo mật: khả năng để bảo mật cả sự xác nhận và sự bảo mật của quá

trình truyền phát.

Thực thể quản lý cung cấp một dịch vụ quản lý cho phép một ứng dụng

tương tác với các lớp dưới. Thực thể quản lý cung cấp các dịch vụ như sau:

- Cấu hình một thiết bị mới: đây là khả năng để cấu hình một cách đầy

đủ thiết bị để vận hành đúng như được yêu cầu. Các lựa chọn cấu hình

bao gồm khởi tạo hoạt động của ZC hoặc gia nhập một mạng đã tồn

tại.

- Bắt đầu một mạng: là khả năng thiết lập một mạng mới.



- Gia nhập, gia nhập lại và rời khỏi một mạng: đây là khả năng để gia

nhập, gia nhập lại hoặc rời một mạng cũng như khả năng của ZC hoặc

ZR yêu cầu một thiết bị rời khỏi mạng.

- Đánh địa chỉ: đây là khả năng của ZC và ZR để gán các địa chỉ cho

các thiết bị gia nhập mạng.

- Khám phá hàng xóm: đây là khả năng để khám phá, ghi lại và báo cáo

thông tin thuộc về các hàng xóm 1 chặng của một thiết bị.

- Khám phá tuyến: đây là khả năng khám phá và lưu trữ các đường đi

qua mạng, nhờ đó các bản tin có thể được định tuyến một cách hiệu

quả.

- Điều khiển sự thu nhận: đây là khả năng với một thiết bị để điều khiển

khi bộ thu được kích hoạt và bao lâu, điều này cho phép đồng bộ lớp

con MAC hoặc thu nhận trực tiếp.

Định tuyến: đây là khả năng để sử dụng các cơ chế định tuyến khác nhau

như: unicast, multicast, broadcast.

3.2.3.4 Lớp ứng dụng

Lớp ứng dụng bao gồm 3 tầng con như sau như sau:

- Tầng con hỗ trợ ứng dụng (APS: application support sub-layer).

- Application Framework.

- ZDO (ZigBee Device Object).

3.2.3.4.1 Tầng con hỗ trợ ứng dụng

Tầng con hỗ trợ ứng dụng cung cấp giao diện giữa lớp mạng và lớp ứng

dụng thông qua một bộ các dịch vụ chung với việc sử dụng bởi cả đối tượng thiết bị

ZigBee (ZDO) và các đối tượng ứng dụng được định nghĩa bởi bởi nhà sản xuất.

Các loại dịch vụ này được đưa ra qua hai thực thể: dịch vụ dữ liệu và dịch vụ quản

lý. Thực thể dữ liệu tầng con hỗ trợ dịch vụ (APSDE) cung cấp dịch vụ truyền nhận

dữ liệu thông qua điểm truy cập dịch vụ (SAP) liên kết với nó, APSDE-SAP. Thực

thể quản lý tầng con hỗ trợ dịch vụ (APSME) cung cấp dịch vụ quản lý thông qua



điểm truy cập dịch (SAP) liên kết với nó, APSME-SAP, và duy trì một cơ sở dữ

liệu về các đối tượng được quản lý.

Thực thể dữ liệu sẽ cung cấp một dịch vụ dữ liệu cho lớp mạng và cả ZDO

và các đối tượng dữ liệu để cho phép truyền tại các đơn vị dữ liệu chuyển (PDU)

của lớp ứng dụng giữa hai hay nhiều thiết bị. Bản thân các thiết bị phải được đặt ở

trên cùng mạng. Thực thể dữ liệu cung cấp các dịch vụ sau:

- Tạo ra PDU mức ứng dụng: thực thể dữ liệu sẽ lấy một PDU lớp ứng

dụng và tạo ra một PDU của lớp con hỗ trợ dịch vụ bằng cách thêm

vào các thông tin điều khiển (PCI).

Next Higher Layer Entity

MAC Sub-Layer Entity

APSDE

APSME

APSDE-SAP APSDE-SAP

NLDE-SAP NLME-SAP

NWK

IB

Hình 3-9 Cấu trúc lớp ứng dụng [6]

- Kết hợp (Binding): một khi hai thiết bị được kết hợp với nhau, thực

thể dữ liệu có thể truyền một bản tin từ một thiết bị được kết hợp tới

thiết bị còn lại.

- Lọc địa chỉ nhóm: cung cấp khả năng lọc các bản tin được đánh địa

chỉ nhóm dựa vào tư cách thành viên nhóm.

- Truyền tải tin cậy: tăng độ tin cậy của các tương tác.

- Loại bỏ bản sao: các bản tin được tạo ra để truyền nhận sẽ không

được nhận hơn một lần.

- Phân mảnh: cho phép phân mảnh và tái lắp ghép các bản tin dài hơn

chiều dài tải (payload) của một khung lớp mạng đơn.



Thực thể quản lý cung cấp một dịch vụ để cho phép một ứng dụng tương tác

với các lớp dưới. Thực thể quản lý cũng cung cấp khả năng để kết hợp hai thiết bị

với nhau dựa vào các dịch vụ và nhu cầu của chúng. Dịch vụ này được gọi là dịch

vụ kết hợp (binding service), và thực thể quản lý có khả năng xây dựng và duy trì

một bảng để lưu trữ các thông tin này. Bên cạnh đó, thực thể quản lý cung cấp các

dịch vụ sau:

- Quản lý kết hợp: đây là khả năng để kết hợp hai thiết bị với nhau dựa

trên các dịch vụ và nhu cầu của chúng.

- Bảo mật: khả năng thiết lập các mối quan hệ đáng tin với các thiết bị

khác thông qua việc sử dụng các chìa khóa bảo mật.

- Quản lý nhóm: cung cấp khả năng khai báo một địa chỉ đơn được chia

sẻ bởi nhiều thiết bị, để thêm các thiết bị vào nhóm, và để loại bỏ một

các thiết bị ra khỏi nhóm.

3.2.3.4.2 Tầng Application Framework

Chức năng của tầng này là:

- Dò tìm xem có nút hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động trong vùng

phủ sóng của thiết bị đang hoạt động hay không.

Duy trì kết nối và chuyển tiếp thông tin giữa các nút mạng.

3.2.4 Các thuật toán định tuyến

Trong ZigBee/ IEEE 802.15.4 sử dụng thuật toán chọn đường có phân cấp

nhờ xét các phương án tối ưu. Khởi điểm của thuật toán định tuyến này chính là

thuật toán miền công cộng đã được nghiên cứu rất kỹ có tên là AODV (Ad hoc On

Demand Distance Vector) dùng cho những mạng có tính chất tự tổ chức và thuật

toán hình cây của Motorola.

3.2.4.1 Thuật toán AODV

AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) đơn thuẩn chỉ là thuật toán

tìm đường theo yêu cầu trong mạng ad hoc (một mạng tự tổ chức). Có thể hiểu như



sau, những nút trong mạng khi mà không nằm trong tuyến đường truyền tin thì

không duy trì thông tin nào về tuyến đường truyền và cũng không tham gia vào quá

trình định tuyến theo chu kỳ. Nói kỹ hơn nữa, một nút mạng không có chức năng tự

định tuyến và lưu trữ tuyến đường tới một số nút khác cho đến khi cả hai nút mạng

trên liên lạc với nhau, trừ trường hợp những nút mạng cũ đề nghị dịch vụ như là

một trạm chuyển tiếp để giữ liên lạc giữa những nút mạng khác.

Mục đích đầu tiên của thuật toán là chỉ phát quảng bá các gói tin dò đường

khi cần thiết hoặc khi có yêu cầu, việc làm này để phân biệt giữa việc quản lý liên

lạc cục bộ với việc bảo quản giao thức liên lạc chung và để phát quảng bá thông tin

về sự thay đổi trong liên kết cục bộ tới những nút di động lân cận (là những nút cần

thông tin để cập nhật). Khi một nút nguồn cần để kết nối tới một nút khác, mà nút

nguồn không chứa thông tin về tuyến đường tới nút đó, như vậy một quá trình tìm

đường được thiết lập.

Để thiết lập quá trình tìm đường này thì mỗi nút mạng đều lưu hai bộ đếm

độc lập: sequence number và broadcast id. Để bắt đầu quá trình tìm đường, nút

nguồn sẽ khởi tạo một gói tin tìm đường (RREQ) và phát quảng bá gói tin này tới

tất cả các nút mạng lân cận, gói tin RREQ này sẽ chứa các thông tin về địa chỉ

nguồn (source address), số chuỗi (source sequence number), số id quảng quá

(broadcast id), địa chỉ đích (dest address), số chuỗi đích (destination sequence

number), số đếm bước truyền (hop count).

Bởi mỗi khi nút mạng nguồn phát ra một gói tin tìm đường mới thì chỉ số id

quảng bá sẽ tăng lên một đơn vị, nên trong mỗi gói tin RREQ thì cặp địa chỉ nguồn

và chỉ số id quảng bá luôn luôn là duy nhất. Khi nút mạng trung gian nhận được

một gói tin RREQ mới, nó sẽ đem so sánh địa chỉ nguồn và chỉ số id quảng bá với

gói tin RREQ trước đó, nếu giống nhau thì nút mạng trung gian này sẽ tự động xóa

RREQ dư thừa này và dừng việc phát gói tin này lại. Nhưng nếu so sánh thấy khác

nhau thì nút mạng này sẽ tự động tăng số đếm bước truyền (hop count) lên và tiếp

tục phát quảng bá gói tin RREQ này tới các nút lân cận để tiếp tục quá trình tìm

đường. Trong mỗi một nút mạng đều lưu trữ các thông tin về địa chỉ IP đích, địa



chỉ IP nguồn, chỉ số id quảng bá, số chuỗi nút nguồn và thời gian hạn đinh cho phép

gói tin mang thông tin xác nhận được gửi trở lại nơi phát. Khi gói tin RREQ được

truyền trên mạng từ nguồn tới đích, nó sẽ tự động thiết lập đường ngược lại từ các

nút mạng này quay trở lại nút nguồn. Để thiết lập tuyến đường ngược chiều, mỗi nút

phải lưu giữ địa chỉ của nút bên cạnh mà nó sao chép được trong gói tin RREQ đầu

tiên. Tuyến đường ngược chiều được lưu trữ trong thời gian tối thiểu để gói tin

RREQ này vượt qua mạng để trở về nơi xuất phát ban đầu.

Khi RREQ tới một nút nào đấy mà có thể có thể nút mạng này là đích đến

của nó, hoặc nút này nằm trên tuyến đường truyền từ nguồn tới đích, nút nhận tin

này đầu tiên sẽ kiểm tra xem gói tin RREQ vừa nhận qua kết nối hai chiều. Nếu nút

mạng này chưa phait là nút mạng đích nhưng có lưu giữu tuyến đường tới nút đích,

khi đó nó sẽ quyết định xem tuyến đường này có chính xác không bằng cách so

sánh số chuỗi nguồn chứa bên trong gói tin RREQ này tói số chuỗi nguồn trong

bảng định tuyến của nút mạng đó. Nếu số chuỗi đích của RREQ lớn hơn số chuỗi

đích trong các nút trung gian, thì nút trung gian đó không nằm trên tuyến đường

truyền ứng với gói tin RREQ này.

Nếu tuyến đường này có số chuỗi đích lớn hơn hoặc bằng với số chuỗi đích

trong RREQ nhưng có số bước truyền nhỏ hơn, thì nó có thể phát một gói tin RREP

(route reply packet) trở lại nút mạng đã phát RREQ cho nó. Một gói tin RREP gồm

có các trường thông tin sau: trường địa chỉ nguồn, trường địa chỉ đích, số chuỗi

đích, số đếm bước truyền và thời gian sống. Khi mà gói tin RREP quay trở lại được

nút nguồn, các nút dọc theo tuyến đường của RREP sẽ thiết lập con trỏ hướng tới

nút mạng RREP vừa đến, cập nhật thông tin timeout (với timeout là khoảng thời

gian mà một nút không còn hoạt động nữa và nằm trong trạng thái chờ) của nó cho

bảng định tuyến đường tới nguồn và đích, đồng thời sao lưu lại số chuỗi đích cuối

của nút đích cần tới.

Những nút mạng nằm dọc theo tuyến đường xác định bởi RREP sẽ chết sau

khi hết thời gian yêu cầu định tuyến và con trỏ đảo bị xóa khi chúng không còn nằm



trên tuyến đường từ nguồn tới đích. Thời gian chết này phụ thuộc vào kích cỡ của

mạng.

N1

N4

N2

N5

N6

N7

N8

N3N9

Nguồn

Đích

N1

N1

N1

N1+N2

N1+N4

N1+N5

N1+N5+

N6

N1+N4+

N7

N1+N4+N7+

N8

N1+N2+N

3

Đích

N1

N4

N2

N5

N6

N7

N8

N3N9

Nguồn

N1+N2+N3+N

9

N1+N2+N3+N

9

N1+N2+N3+N

9

Hình 3-10 Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV

Nút nguồn có thể phát dữ liệu ngay khi nó nhận được gói tin RREP đầu tiên,

đồng thời cũng cập nhật thông tin về tuyến đường nếu phát hiện ra tuyến đường tối

ưu hơn. Mỗi bảng định tuyến gồm các trường thông tin sau: trường thông tin về

đích đến, bước truyền kế tiếp, số bước truyền, số chuỗi đích, nút lân cận tích cực

thuộc tuyến đường, thời gian chết cho nhập dữ liệu vào bảng định tuyến. Để duy trì

đường truyền, mỗi nút mạng luôn phải có địa chỉ của nút mạng tích cực lân cận

(một nút mạng được coi là tích cực nếu nó có chức năng khởi phát hoặc chuyển tiếp

tối thiểu một gói tin đến đích trong thời gian cho phép). Khi mà bước truyền kế tiếp

nằm trong tuyến đường từ nguồn tới đích này không thực hiện được (tức là thông

tin yêu cầu không được nhận trong một khoảng thời gian nào đó, thông tin yêu cầu

này đảm bảo rằng chỉ có những nút mạng nào liên lạc hai chiều mới được coi nút

mạng lân cận). Quá trình này cứ tiếp diễn đến khi tất cả các nút nguồn tích cực được

thông báo. Nhờ vào việc nhận những thông báo về gián đoạn đường truyền, mà các

nút nguồn có thể khởi động lại quá trình tìm đường nếu chúng vẫn cần một tuyến

đường tới đích cũ. Nếu nốt nguồn lựa chọn việc xây dựng lại tuyến đường mới từ

nguồn tới đích, nó cần phải phân phát một gói tin RREQ mới với số chuỗi đích mới

lớn hơn số chuỗi đích cũ.



3.2.4.2 Thuật toán hình cây

Giao thức hình cây là giao thức của tầng mạng và tầng liên kết dữ liệu, giao

thức này sử dụng gói tin “trạng thái kết nối” để định dạng một mạng hình cây đơn,

cũng như một mạng hình cây mở rộng. Loại mạng này cơ bản là một loại mạng có

tính chất tự tổ chức và tự hỗ trợ để hạn chế lỗi mạng đến một mức độ lỗi cho phép,

đặc biệt hơn do đây là một loại mạng có tính chất tự tổ chức nên nó cũng có thể tự

sửa chữa khi gặp sự cố ở một nút mạng nào đó. Các nút mạng chọn một nút làm gốc

cây và tạo ra các nhánh cây một cách tự do. Sau đó, các nhánh cây tự phát triển kết

nối tới những nhánh cây khác nhờ vào thiết bị gốc.

3.2.4.2.1 Thuật toán hình cây đơn nhánh

Quá trình hình thành nhánh cây bắt đầu bằng việc chọn gốc cây. Sau khi một

nút gốc được chọn, nó sẽ mở rộng kết nối với các nút khác để tạo ra một nhóm.

Sau khi một nút được kích hoạt, nó sẽ dò tìm bản tin HELLO từ các nút khác

(bản tin HELLO tương tự như beacon trong tầng MAC của chuẩn IEEE 802.15.4).

Nếu trong một thời gian nhất định nào đó, nó không nhận được bất kỳ một bản tin

HELLO nào, thì nút này sẽ tự trở thành nút gốc và lại gửi bản tin HELLO tới các

nút lân cận. Nút gốc mới này sẽ chờ gói tin yêu cầu kết nối từ các nút lân cận trong

một khoảng thời gian nào đó, nếu nó vẫn không nhận được bất kỳ yêu cầu kết nối

nào từ các nút lân cận thì nó sẽ trở lại thành một nút bình thường và lại tiếp tục dò

tìm bản tin HELLO. Nút gốc cũng có thể được chọn lựa dựa trên tham số của mỗi

nút mạng (ví dụ như phạm vi truyền, công suất, vị trí, khả năng tính toán).



Nốt A Nốt B

Quá trình kích hoạt và dò

tìm

HELLO_MESSAGE

Quá trình kích hoạt và dò

tìm

HELLO_MESSAGEChuyển thành nút gốc

(CH_cluster head)HELLO_MESSAGE

Yêu cầu kết nối

Quá trình thiết lập kết nối

Hình 3-11 Quá trình chọn nút gốc

Sau khi trở thành nút gốc, nó sẽ phát quảng bá gói tin HELLO_MESSAGE

theo chu lỳ, gói tin HELLO_MESSAGE này gồm một địa chỉ MAC và địa chỉ ID

của nút gốc. Những nút mạng nhận được gói tin này sẽ gửi trả lời lại bằng gói tin

yêu cầu kết nối (REQ) tới nút gốc (nơi vừa phát đi). Khi nút gốc nhận được gói tin

yêu cầu kết nối, nó sẽ ngay lập tức gửi trả lại gói tin vừa đưu ra yêu cầu bằng một

gói tin khác CONNECTION_RESPONE, gói tin này chứa địa chỉ ID cho nút thành

viên (nút B), địa chỉ ID này do nút gốc quy đinh. Để xác nhận thông tin thì nút

thành viên B này sẽ gửi lại nút gốc gói tin Ack.

Nếu tất cả các nút đều ở trong phạm vi phủ song của nút gốc thì kiến trúc

mạng là kiến trúc hình sao, tất cả các nút thành viên sẽ liên lạc trực tiếp với nút gốc

qua một chặng truyền (onehop). Một nhánh có thể phát triển thành cấu trúc mạng

liên lạc qua nhiều chặng truyền (multihop).



Nốt BNốt A(CH) (Nốt thành viên)

HELLO_MESSAGE

Yêu cầu kết nối (REQ)

Đáp ứng kết nối (RES)

ACK

Thiết lập kết nốiCoi nốt A là

nốt gốc

Coi nốt B là

nốt gốc

Hình 3-12 Thiết lập kết nối giữa CH và nút thành viên

Nốt A

(CH)

Nốt B

(Nút thành viên)

Coi nút C là “con” của

nút B

HELLO_MESSAGE

Yêu cầu NID

Đáp ứng NID

ACK

Coi nút C là “con”

của nút B

Nốt C

(Nút thành viên)

HELLO_MESSAGE

Yêu cầu kết nối (REQ)

Đáp ứng kết nối (RES)

ACK

Coi nút B nút gốc

Hình thành kết nối

Hình 3-13 Quá trình hình thành nhánh nhiều bậc

Tất nhiên nút gốc chỉ có thể quản lý được một số hữu hạn các nút và các

nhánh của mạng cũng chỉ có thể vươn tới những khoảng cách hạn chế… chính vì

thế mà có lúc nút mạng cũng cần phải từ chối kết nối của những nút mới. Việc từ

chối này được thực hiện nhờ vào việc chỉ định một ID đặc biệt cho nút này. Bảng

danh sách các nút lân cận và tuyến luôn luôn được cập nhật mới thông qua gói tin



HELLO_MESSAGE. Trong một thời gian nhất định, nếu vì một lý do nào đó mà

một nút không được cập nhật các thông tin trên thì nó sẽ bị loại bỏ.

Tất nhiên trong một mạng có tính chất tự do, tự tổ chức như loại mạng này

thì không thể tránh khỏi việc một số nút mạng thuộc nhánh này lại nhận được gói

tin HELLO_MESSAGE của nhánh khác. Vậy trong trường hợp này, nút mạng này

sẽ tự động thêm địa chỉ ID của nhánh mới này (CID) vào danh sách các nút lân cận

và gửi nó tới nút gốc (CH) thông qua gói tin báo cáo tình trạng đường truyền, để từ

đó nút gốc (CH) có thể biết được nhánh mạng nào tranh chấp để xử lý.

Bản tin báo cáo tình trạng kết nối cũng chứa danh sách ID nút lân cận của

nút đó, điều này giúp cho nút gốc biết được trọn vẹn cấu trúc mạng để có thể đưa ra

cấu trúc tối ưu. Khi cấu trúc mạng cần thay đổi, nút gốc (CH) sẽ phát đi cập nhật tới

các nút thành viên. Nút thành viên nào nhận được bản tin cập nhật này lập tức thay

đổi các thông tin về nút gốc như trong bản tin này, đồng thời cũng tiếp tục gửi đến

các nút ở cấp thấp hơn trong nhánh cây tại thời điểm đó.

Khi một nút thành viên có vấn đề, không thể kết nối được thì nút gốc phải

định dạng lại tuyến đường. Thông qua bản tin báo cáo tình trạng đường truyền được

gửi theo chu kỳ thì nút gốc có thể biết được vấn đề của nút mạng đó. Nhưng khi nút

gốc gặp phải vấn để trong liên lạc thì việc phát bản tin HELLO_MESSAGE theo

chu kỳ sẽ bị gián đoạn, khi đó các nút thành viên sẽ mất đi nút gốc và nhánh đó sẽ

phải tự định tuyến từ đầu theo cách tương tự như quá trình định dạng nhánh cây.

3.2.4.2.2 Thuật toán hình cây đa nhánh

Để tạo định dạng lên loại mạng này thì cần phải sử dụng thiết bị gốc (DD).

Thiết bị này có trách nhiệm gán địa chỉ ID nhóm (địa chỉ này là duy nhất) cho các

nút gốc (CH). Địa chỉ ID nhóm này kết hợp với địa chỉ ID nút (là địa chỉ NID mà

nút gốc gán cho các nút thành viên trong nhánh của mình) tạo ra địa chỉ logic và

được sử dụng trong các gói tin tìm đường. Một vai trò quan trọng nữa của thiết bị

gốc DD là tính toán quãng đường ngắn nhất từ nhánh mạng tới DD và thông báo nó

tới tất cả các nút mạng.



Khi thiết bị gốc DD tham gia vào mạng, nó sẽ hoạt động như một nút gốc

của nhánh số 0 (CID 0) và bắt đầu phát quảng bá HELLO_MESSAGE tới các nút

lân cận. Nếu một nút gốc (CH) nhận được bản tin này, nó sẽ gửi bản tin yêu cầu kết

nối tới DD để tham gia vào CID 0, sau đó nút gốc này sẽ yêu cầu DD gán cho nó

một ID nhánh (CID). Như vậy thì nút gốc này có hai địa chỉ logic, một là thành viên

của CID 0, thứ hai là địa chỉ của nút gốc. Khi nút gốc tạo ra một nhánh mới, (một

CID mới), nó sẽ thông báo đến các nút thành viên của nó bằng bản tin

HELLO_MESSAGE.

Khi một thành viên nhận được bản tin HELLO_MESSAGE từ thiết bị DD,

nó sẽ thêm địa chỉ ID của CID 0 vào danh sách thành viên rồi thông báo cho nút

gốc. Nút gốc được thông báo này sẽ chọn nút thành viên này như là một nút trung

gian giữa nó với nút gốc của nó, rồi gửi bản tin yêu cầu kết nối mạng tới các nút

thành viên để thiets lập kết nối với thiết bị DD. Nút trung gian này yêu cầu một kết

nối và tham gia vào thành viên của nhóm số 0. Sau đó, nó sẽ gửi bản tin yêu cầu

CID tới thiết bị DD. Đến khi nhận được đáp ứng CID, nút trung gian này gửi bản tin

đáp ứng liên kết mạng này tới nút CH, bản tin này chứa các thông tin về địa chỉ ID

nhánh mới cho nút gốc CH. Sau khi nút gốc có được CID mới, thì cách thành viên

trong thành viên trong nhánh của nút gốc cũng sẽ nhận được thông qua

HELLO_MESSAGE.

DD CH

HELLO_MESSAGE


Đáp ứng kết nối

ACK

Yêu cầu CID

Đáp ứng CID

HELLO_MESSAGE

DD

CH

(CID 0)

Nhánh số 0

Nút trung gian

Hình 3-14 Gán địa chỉ nhóm trực tiếp



Nút trung gian

HELLO_MESSAGE



ACK

CH

Thông báo danh

sách đính kèm CID0

Yêu cầu kết nối mạng

Đáp ứng kết nối mạng

HELLO_MESSAGE

Yêu cầu CID

Đáp ứng CID

HELLO_MESSAGE

DD

CH

Nút trung gianNhánh số 0

Hình 3-15 Gán địa chỉ nhóm qua nút trung gian

DDCH1

Được gán CID



ACK

HELLO_MESSAGE

Yêu cầu CID

Đáp ứng CID

CH2

HELLO_MESSAGE

DD

Nút trung gian

CH2

CH1

Hình 3-16 Gán địa chỉ nhóm qua nút gốc



CH1 Nút trung gian

HELLO_MESSAGE



ACK

Thông báo danh

sách đính kèm CID0

Yêu cầu kết nối mạng

Đáp ứng kết nối mạng

HELLO_MESSAGE

Yêu cầu CID

Đáp ứng CID

HELLO_MESSAGE

CH2

CH2

CH1

Nút trung gian

DD

Hình 3-17 Gán địa chỉ nhóm qua nút gốc và nút trung gian

Trong mạng này thì việc tự tổ chức mạng là một tính chất khá mạnh mẽ và

mêm dẻo. Cứ nhánh mạng liền trước sẽ có nhiệm vụ gán CID cho nhánh mạng sau.

Mỗi một nút thành viên của nhánh phải ghi lại thông tin về nhánh gốc và các

nhánh con của nó, hoặc cả ID của nút trung gian nếu có. Thiết bị gốc phải có trách

nhiệm lưu giữ toàn bộ thông tin về cấu trúc cây mạng của các nhánh.

Cũng giống như các nút thành viên của nhánh thì các nút gốc CH cũng là

thành viên của thiết bị gốc và như vậy chúng cũng phải gửi định kỳ bản tin thông

báo tình trạng đường truyền đến DD. Để thực hiện thì nút gốc phải gửi định kỳ bản

tin thông báo tình trạng đường truyền trong mạng tới DD, bản tin này chứa danh

sách CID lân cận. DD sau khi xử lý thông tin sẽ tính toán, chọn lựa ra đường truyền

tối ưu nhất rồi thông báo định kỳ các nhánh của nó thông qua bản tin cập nhật.

Như trên ta có thể thấy vai trò của thiết bị gốc này là rất quan trọng, chính vì

thế luôn cần có những thiết bị gốc dự phòng (BDD) sẵn sàng thay thế thiết bị chính

khi gặp sự cố. Các nút trung gian nhận được một gói tin, nó sẽ kiểm tra địa chỉ đích

của nó nếu địa chỉ đích nằm trong nhánh này hoặc là chuyển tiếp tới nốt trung gian

tiếp theo của nhánh liền kề nếu địa chỉ đích không nằm trong nhánh của nó.



CH2

CH1

Nút trung gian

CH3CH4

DD/CH0

Nút trung gian

Hình 3-18 Mạng đa nhánh và các nút trung gian

Chỉ duy nhất thiết bị gốc mới có thể bản tin tới tất cả các nút trong mạng, bản

tin này được chuyển dọc theo tuyến đường của các nhánh. Các nút trung gian thì

chuyển tiếp các gói tin quảng bá từ nhánh gốc đến các nhánh con.



CHƯƠNG 4. Thiết kế hệ thống

4.1 Cơ sở lý thuyết

4.1.1 Tổng quan hệ thống

4.1.1.1 Tông quan về mô hình điều khiển của hệ thống

Phần này miêu tả khải quát kiến trúc hệ thống. Hình 4-1 miêu tả thiết kế hợp tác

xuyên tầng mà em đề xuất. Ở tầng vật lý, nơi nhận gói dữ liệu, sẽ tính toán thông số

LQI sau đó thông báo cho lớp trên. Cùng thời gian đó, tầng này cũng chỉ ra công

suất phát và năng lượng còn lại để phục vụ cho chức năng định tuyến. Dựa trên

thông kê, chi phí liên kết được ước tính ở nút đó, cung cấp đầu vào cho tính toán

định tuyến. Điều này cũng có nghĩa rằng định tuyến được xác định theo cách đánh

giá phụ thuộc vào chất lượng liên kết, năng lượng còn lại của nguồn và cả công suất

phát tại nút đó cho tuyến.

Như chỉ ra trong hình 4-1, một khi tuyến được xác định, nút trung gian sẽ hợp

tác trong việc thiết lập mức công suất phát phù hợp nhất. Công suất phát nên đủ lớn

để nút nhận có thể giải điều chế thành công. Mặt khác, công suất này cũng thấp nhất

có thể để tiết kiệm năng lượng và giảm nhiễu đối với các nút khác.

PHY

Link Control

Routing

LQ

I, T

x p

ow

er,

rem

ain

ing

en

erg

y

po

we

r re-

se

tting

Hình 4-1 Tương tác xuyên tầng



4.1.2 Điều khiển công suất phát

4.1.2.1 Model

Như được chỉ ra trong hình 4-2, có sự tương tác lẫn nhau giữa định tuyến và

chức năng thiết lập công suất. Trong phần này, em sẽ miêu tả mối làm thế nào để

thiết lập mức năng lượng dưới sự hỗ trợ của giao thức định tuyến và mô hình điều

khiển công suất mà em đề xuất.

RadioReceiver

RadioTransmitter

Adjust

Transmission

Power

RadioReciever

-LQI

Link Quality Threshold

Send Reply or Hello message

To Update Transmission Power Level for forward node

Node A NextHop B

Send Request or Hello message

with Default Transmission Power Level

Update Route

Table

Hình 4-2 Tổng quan về mô hình điều khiển công suất

4.1.2.2 Ngưỡng chất lượng liên kết

LQI (link quality index) liên quan đến hoạt động của kênh vô tuyến thông

giữa một cặp nút. PRR (packet reception ratio) là một thước đo trực tiếp cho chất

lượng đường truyền. Tuy nhiên, giá trí PRR có thể thu thập được theo cách thống kê

trong thời gian dài. Thí nghiệm của em chỉ ra rằng cả LQI và RSSI đều có thể được

sử dụng hiệu quả như là thước đo chất lượng liên kết để điều khiển công suất. Tất

cả kết quả thí nghiệm cho thấy cả RSSI và LQI có mối quan hệ mật thiết với PRR.

Có môt mức ngưỡng để đạt được giá trị PRR mong muốn. Tuy nhiên, những các

mức ngưỡng đó là có chút khác nhau trong môi trường khác nhau.



4.1.2.3 Mối quan hệ giữa mức công suất phát và LQI/RSSI

Sự bất thường của sóng vô tuyến dẫn đến sự thay đổi về độ mạnh tín hiệu

theo nhiều hướng khác nhau, nhưng độ mạnh tín hiệu ở bất cứ điểm trong dải phủ

sóng có mối tương quan với công suất phát trong khoảng thời gian ngắn.

Trong các thí nghiệm ngắn, mối tương quan giữa công suất phát và

RSSI/LQI ở một cặp nút với khoảng cách nhất định là thường đơn điệu và liên tục.

Hình 3-4 miêu tả sự phụ thuộc tuyến tính của LQI vào công suất phát.

Tuy nhiên, gía trị RSSI/LQI biến động trong dải nhỏ ở bất cứ mức năng

lượng truyền cố định. Vì vậy, mối quan hệ giữa công suất phát và RSSI/LQI là

không xác định.

Có ba lí do cho sự biến động về chỉ số RSSI và LQI theo đường cong. Thứ

nhất, fading gây ra sự thay đổi độ mạch tín hiệu ở bất cứ khoảng cách đặc biệt. Thứ

hai, nhiễu nền tác động nghiêm trọng đến chất lượng kênh khi tín hiệu sóng vô

tuyến là không đủ mạnh hơn tín hiệu nhiễu. Thứ ba, phần cứng không cung cấp

chức năng ổn đinh.

Do thay đổi là nhỏ, mối quan hệ này có thể được lấy gần đúng bởi một

đường tuyến tính. Mối quan hệ giữa RSSI và công suất phát là xấp xỉ tuyến tính, và

mối quan hệ giữa LQI và công suất phát cũng là xấp xỉ tuyến tính trong một dải.

Chúng ta có thể xem rằng cả hai RSSI và LQI là tương đối ổn định khi các giá trị là

không nhỏ. Tất cả các điểm với các khoảng tin cậy lớn hơn một tương ứng với các

điểm chất lượng thấp, và giá trị RSSI/LQI, cái có hầu hết các biến động, là dưới

mức ngưỡng chất lượng đường truyền. Do em chỉ quan tâm đến các giá trị

RSSI/LQI lấy mẫu ở trên hoặc bằng ngưỡng chất lượng đường truyền tốt, nó là khả

thi khi sử dụng đường tuyến tính để gần đúng mối quan hệ này. Đường tuyến tính

được xây dựng dựa trên các mẫu của RSSI/LQI. Đường cong đó gần như đại diện

cho mối quan hệ giữa RSSI/LQI và điều khiển công suất. Mối quan hệ này chịu ảnh

hưởng của môi trường, và mối tương quan này thay đổi theo thời gian. Cả dạng và

mức độ phụ thuộc vào môi trường. Sự tương quan này cũng tự động biến động khi



môi trường xung quanh thay đổi. Biến động là liên tục, và tốc độ thay đổi phụ thuộc

vào nhiều yếu tố, trong đó mức độ thay đổi của môi trường là một nhân tố chính.

Hình 4-3 Quan hệ giữa mức công suất phát và chất lượng liên kết

4.1.2.4 Mô hình tiên đoán công suất phát

Mục tiêu thiết kế là để thiết lập các mô hình phản ánh mối tương quan giữa

công suất phát và chất lượng đường truyền giữa bên gửi và bên nhận. Dựa trên

nghiên cứu thực nghiệm và phân tích trong phần trước, em xây dựng một mô hình

tiên đoán để mô tả mối quan hệ giữa công suất phát và chất lượng liên kết. Do

không có mô hình đơn nào có thể nắm bắt chính xác hành vi của mỗi mạng, hoặc

thậm chí mỗi nút, chúng ta sẽ thiết lập các mô hình cặp, phản ánh tác động tại chỗ

trên các liên kết riêng. Dựa trên các mô hình này, chúng ta có thể tiên đoán mức

công suất phát chính xác mà có thể đạt tới ngưỡng chất lượng liên kết.

Ý tương của mô hình này tiên đoán nay là sử dụng một hàm để tính gần đúng

sự phân bố các giá trị RSSI/LQI ở các mức công suất phát khác nhau, và để thích

ứng với các sự thay đổi của của môi trường bằng cách thay đổi hàm tiên đoán theo

thời gian. Hàm này được xây dựng từ các cặp mẫu mức công suất phát và RSSI/LQI

tương ứng. Để có được các mẫu này, tất cả các nút sử dụng các bản tin điều khiển

tại lớp định tuyến để đo đạc và quản bá thông tin về RSSI/LQI của liên kết.

0

50

100

150

200

250

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

LQ

I

Transmission Power Level Index

Transmission Power vs. LQI

LQI



Ploss +Prthr Ptdes Ptpre

LQIthr + a

LQIpre

LQI

Pt

o

Hình 4-4 Mối quan hệ giữa LQI và công suất phát.

Hình 4-4 chỉ ra mối quan hệ giữa công suất phát mong muốn và giá trị đo

được hiện tại của công suât phát với LQI. Chỉ số pre và des liên quan đến mức giá

trị thực tế qua quá trình truyền nhận và mức giá trị thích hợp mong muốn sau khi

hiệu chỉnh. Ploss là giá trị suy hao tự do của liên kết. Liên kết được tối ưu hóa nếu nó

hoạt động ở điểm O.

Từ hình 4-4 ta có thể suy ra:

(4.1)

Thiết lập công suất truyền thích hợp cho nút gửi được xác định đệ quy dựa

trên mức năng lượng hiện tại như sau:

( ) (4.2)

Tại thời điểm khởi tạo diễn ra, giá trị LQIpre và Ptpre

( ) (4.3)

Sau phương trình (4.3), Ptdes được xác định, nút sẽ tính toán Metric của link sẽ

được trình bầy trong phần sau.



4.1.2.5 Thiết lập công suất

Do điều khiển công suất chỉ được áp dung đối với các bản tin dữ liệu vì vậy

đối với các bản tin điều khiển như ACK messages, Route messages, MAC messages

luôn được phát với mức công suất ấn định.

Đối với các bản tin dữ liệu được phát với công suất tính được qua mô hình

điều khiển công suất. Việc xác định công suất phát thích hợp cho một nút được xác

lập trong quá trình định tuyến và được mô tả dưới đây.

Request message được phát với mức công suất phát ấn định (Default

Transmission Power Level) thì phía bên nhận sẽ nhận được chỉ số chất lượng

đường truyền (LQIdefault) tương ứng.

Nút nhận được bản tin Request Message sử dụng mô hình tiên đoán mức

công suất phát thích hợp đã được miêu tả chi tiết trong mục 4.1.2.4 để tính

được mức công suất phát thích hợp LPdesired mà nút gửi bản tin cần phải phát.

Giá trị LPdesired được lưu vào bẳng định tuyến.

Khi nút đích gửi trả lại môt Reply message để xác định tuyến thì ta sẽ đính

kèm thông tin LPdesired, đã tính được trước đó mà nó được lưu trong bảng

định tuyến, đến nút trước đó để cập nhật công suất phát cần thiết đối với bản

dữ liệu ở liên kết đó.

4.1.3 Định tuyến

4.1.3.1 Mô hình

Với tiêu chí đưa ra một thuật toán định tuyến mới chúng em đã cố gắng thực

hiện trên giao thức AODV. Giao thức định tuyến AODV ban đầu thuật toán định

tuyến dựa vào duy nhất thông tin về khoảng cách, em đã đưa ra thuật toán định

tuyến của mình là dựa vào các thông số LQI, năng lượng còn lại, công suất phát cho

liên kết đó đối với gói dữ liệu. Cũng bởi chất lượng đường truyền và mục tiêu tiết

kiệm năng lượng, khả năng duy trì kết nối luôn phụ thuộc vào ba yếu tố đó nên về

mặt lý thuyết thuật toán được đưa ra khá hợp lý. Thông qua các kiến thức về mặt

toán học chúng em đã đưa ra thuật toán định tuyến như hình 4-5.



Best route

LQI of Link

Remaining Energy of

The Forwarding

Node

Transmission Power

Level

Best metric

Determine α,Β,γ Coefficients and

Transmission Power Level for

Forward Node

Determine routing

metric

yes

no

Hình 4-5 Thuật toán định tuyến

4.1.3.2 Metrics

Trong khả năng phán đoán, em giới thiệu cách tính chi phí liên kết như đã trình

bày theo phương trình sau:

( ) ( ) (

)

(4.4)

Trong đó:

LQIth: Ngưỡng chỉ số chất lượng liên kết.

LQIlink: Chỉ số chất lượng liên kết truy đo được từ bản tin Request.

LPsent: Mức năng lượng còn lại của một nút tại thời điểm xét.

Ptdesired: Mức công suất phát tính được qua mô hình điều khiển công suất.

Hệ số α, β, γ là các hệ số điều khiển phụ thuộc vào LQIlink, LPsent, ptsent. Các

hệ số đặc trưng cho từng liên kết tại một nút riếng theo thời gian.

Đặc điểm của các hệ số:

α là nó tỉ lệ nghịch với LQIlink vì vậy ta gán α =

Kien Vu Trung

Highlight



β là thông số tỉ lệ nghịch với năng lượng còn lai của forward node để đặc

trưng cho độ tin cậy của đường truyền phụ thuộc vào khả năng sống của

nó. Vì vậy nó được gán:

{

γ là thông số đánh giá mức độ tiêu thụ năng lượng thực của bản tin sau

khi hiệu chỉnh công suất. Trong thiết kế của em γ =1.

4.1.3.3 Thay đổi trong bảng đinh tuyến

Node 2Node 4

Node 1

Node 3

Node 5

rt_dst rt_nexthop rt_link_cost rt_pt_fw rt_pt_

5 2 12.455 default 5

Routing table in Node 1

Hình 4-6 Ví dụ về thay đổi bảng định tuyến

Trong mô hình đề xuất của em, quá trình thiết lập tuyến được thiết lập cùng

lúc với việc thiết lập công suất phát cho các nút mạng trên tuyến. Vì vậy ngoài việc

thêm vào bảng đinh tuyến thông số chi phí tuyến (rt_pathcost), ta còn thêm vào.

thông số công suất phát thích hợp cho forward node (rt_pt_fw) và công suất phát

của chính nó tới next hop (rt_pt_).

Giải thích các thông số thêm vào:



rt_pathcost: lưu trữ Metrics của liên kết giữa forward và chính nó. Nó được

dùng để cập nhật tuyến khi phát hiện một liên kết khác có chi phí thấp hơn.

rt_pt_fw: Thông số này lưu lại công suất phù hợp mà forward node cần phát

mà nó được sau khi qua mô hình điều khiển công suất.

rt_pt_: Thông số này lưu lại công suất nó lên phát tới next hop. Nó được gán

bằng giá trị rt_pt_fw của nexthop sau khi nhận được bản tin reply message.

4.2 Thiết kế mô phỏng

4.2.1 Lựa chon công cụ mô phỏng NS-2

Khi nghiên cứu và đề ra một giao thức mới, việc mô phỏng lại hệ thống là rất

cần thiết để phục vụ cho các phát triển sau này. Khác với triển khai thực tế khi qui

mô phòng thí nghiệm thường chỉ cho phép testbed với số lượng thiết bị nhỏ, qui mô

thí nghiệm vừa đủ để kiểm thử các chức năng, mô phỏng cho phép thực hiện thí

nghiệm với qui mô lớn hơn, từ đó đưa ra các đánh giá tương đối chính xác về chất

lượng sản phẩm. Ngoài ra, mô phỏng còn giúp việc kế thừa sản phẩm và nghiên cứu

phát triển dễ dàng hơn, Đặc biệt khi nghiên cứu mạng giao thông, với đặc thù số

phương tiện (nodes) tham gia mạng là rất nhiều thì việc mô phỏng càng trở nên cần

thiết.

NS thực thi các giao thức mạng như Giao thức điều khiển truyền tải (TCP) và

Giao thức gói người dùng (UDP); các dịch vụ nguồn lưu lượng như Giao thức

truyền tập tin (FTP), Telnet, Web, Tốc độ bit cố định (CBR) và Tốc độ bit thay đổi

(VBR) ; các kỹ thuật quản lý hàng đợi như Vào trước Ra trước (Drop Tail), Dò sớm

ngẫu nhiễn (RED) và CBQ; các thuật toán định tuyến như Dijkstra… Mô phỏng

NS2 cho các mô hình mạng đều rất mạnh đây là lý do chúng em lựa chọn chương

trình mô phỏng này để thực hiện.



4.2.2 Thiết kế các mô-đun trong mô phỏng NS-2

4.2.2.1 Thiết kế mô-đun giám sát năng lượng nút mạng WSN

Để hỗ trợ mô phỏng các giao thức xét đến hiệu quả năng lượng, mô hình

năng lượng trong ns-2 đã được phát triển rất hoàn thiện và chính xác bởi cộng đồng

khoa học trên thế giới. Tuy nhiên, mô hình này chỉ đúng khi công suất phát là

không đổi khi cùng trạng thái. Ngược lại, giao thức mà em đề xuất có sự kết hợp

chặt chẽ giữa điều khiển công suất với định tuyến và quá trình cập nhật lại năng

lượng được tiến hành thường xuyên, vì thế ở cùng một trạng thái công suất phát là

thay đổi theo thời gian. Do đó, giao thức mới yêu cầu phải được thiết kế lại để có

thể giám sát được chính xác năng lượng tiêu thụ của nút mạng và toàn mạng.

Những thay đổi lớn đã được thực hiện tại lớp vật lý (ns-2/mac/wireless-

phy.{h,cc}) and the energy model (ns-2/mobile/energy-model.{h,cc}). Lơp vật lý có

toàn quyền kiểm soát trạng thái sóng, và cung cấp giao diện hỗ trợ nhiều mức công

suất phát khác nhau. Nó cũng theo dõi tiêu thụ năng lượng vô tuyến ở tất cả các lần.

Bất cứ khi nào trạng thái sóng vô tuyến thay đổi, nó cập nhật mô hình năng lượng

để trừ đi một lượng thích hợp cho trạng thái trước đó.

4.2.2.2 Thiết kế mô-đun điều khiển công suất và định tuyến

Những thay đổi lớn đã được thực hiện tại lớp vật lý (ns-2/wpan/

p802_15_4phy.{h,cc}) và lớp định tuyến (ns-2/aodv/*.{h,cc}). Lớp vật lý cung cấp

các thông tin về chất lượng đường truyền, tình trang năng lượng của nút đó và tiếp

yêu cầu chuyển công suất phát đối với gói dữ liệu. Trên lớp định tuyến triển khai

các hàm để tính toán chính xác công suất phát cần thiết cho liên kết trong quá trình

thiết lập tuyến cùng với tính toán chi phí để chọn tuyến. Quá trình cập nhật tuyến và

công suất phát được thực hiện thông qua bản tin hello.

Các thay đổi chính trong mã nguồn gồm có: Tính toán công suất phát thích

hợp, tính toán chi phí liên kết để chọn tuyến, tạo bộ định thời để tự động tái định

Kien Vu Trung

Highlight

Kien Vu Trung

Highlight

Kien Vu Trung

Highlight



tuyến, tạo bộ định thời chờ các bản tin request để chọn tuyến tốt nhất, thay đổi bảng

định tuyến cũng như định dạng các bản tin xác định tuyến gồm request và reply, xây

dựng mô hình cập nhật công suất phát cho liên kết.

4.3 Thiết bị phần cứng

4.3.1 Thiết bị thu phát

Để có thể sử dụng được các thiết bị thu phát, chúng ta cần xây dựng hệ thống

các mạch ngoại vi và anten ngoài phức tạp do đó thường sử dụng các modul tích

hợp sẵn cả thiết bị thu phát và ngoại vi cũng như anten. Trong đề tài lần này, em

quyết định sử dụng bộ thu phát MRF24J40 của Microchip(cụ thể là modul thu phát

MRF24J40MA và MRF24J40MB).

Hình 4-7 Kiến trúc của bộ thu phát MRF24J40

Các tính năng về thu phát vô tuyến:

- Hoạt động ở băng tần ISM 2.405GHz÷2.48GHz( băng tần dành cho

công nghiệp, y tế và khoa học).



- Tốc độ dữ liệu: 250kbps (theo chuẩn IEEE802.15.4) và 625kbps(theo

chế độ Turbo).

- Độ nhạy thu: -95dbm.

- Công suất phát:

- Tối đa: 0dbm.

- Dải điều chỉnh: 36db.

- Tích hợp chuyển mạch thu phát.

- Tích hợp VCO, PLL và bộ tổng hợp tần số.

- Tích hợp ADC cho khối xác định cường độ tín hiệu(RSSI).

- Tích hợp DAC cho khối điều chế I/Q.

Các tính năng hỗ trợ lớp MAC:

- Hỗ trợ cơ chế đa truy cập CSMA-CA bằng phần cứng.

- Tự động phản hồi và kiểm tra lỗi trong bản tin thu được.

- Hỗ trợ tất cả các chế độ đánh giá kênh truyền theo IEEE802.15.4 và

đo mức năng lượng(ED).

- Hỗ trợ bảo mật.

- Hỗ trợ mã hóa và giải mã cho lớp MAC và các lớp cao hơn.

Các tính năng khác:

- Giao diện điều khiển: SPI.

- Tích hợp mạch dao động thạch anh 32.768KHz và 20MHz.

- Dải điện áp hoạt động: 2.4V÷3.6V.

- Dòng tiêu thụ điển hình:

Chế độ thu: 19mA.

Chế độ phát: 23mA.

Chế độ ngủ: 2µA.

4.3.2 Microchip Stack

Firmware của MRF24J40 chỉ hỗ trợ các tác vụ lớp vật lý và lớp MAC, do đó

để xây dựng các ứng dụng sử dụng MRF24J40 theo chuẩn ZigBee trước tiên cần



xây dựng thư viện mã nguồn lớp mạng, lớp con hỗ trợ ứng dụng tuân theo đặc tả

chuẩn ZigBee của tổ chức ZigBee Alliance. Đây là một công việc không hề đơn

giản và cần rất nhiều thời gian. Để giúp những người sử dụng các bộ thu phát mà

Microchip cung cấp có thể nhanh chóng xây dựng ứng dụng, công ty này đã xây

dựng một thư viện mã nguồn của lớp mạng và lớp con ứng dụng tuân theo đặc tả

chuẩn ZigBee của tổ chức ZigBee Alliance. Tuy nhiên bộ thư viện này chỉ hỗ trợ

cho các dòng vi điều khiển PIC18 và PIC24 của Microchip. Bản miễn phí của thư

viện này có thể tải về từ trang chủ của Microchip(http://www.microchip.com).

Với đề tài này, em sử dụng bộ thư viện của Microchip (“Microchip ZigBee-

2006 Residential Stack Protocol” phiên bản 2.0 – 2.6).

4.3.3 Thiết kế mô-đun giám sát năng lượng nút mạng WSN

a. Yêu cầu:

- Đo được mức năng lượng còn lại của node mạng tại một thời điểm

bất kỳ

- Gửi tin thông báo khi node mạng không còn đủ năng lượng để duy

trì hoạt động pin

- Chuẩn hóa mức năng lượng còn lại của node thành một số nguyên

8 bits(Kiểu BYTE) để sử dụng trong định tuyến (Giải thuật định

tuyến mới cần sử dụng thông số này)

b. Thiết kế:

- Sử dụng khối ADC đo mức năng lượng (điện áp pin) còn lại trong

mỗi node mạng.

Phần cứng:

- Yêu cầu một điện áp cố định để so sánh với điện áp nguồn, từ đó

tính điện áp nguồn bằng khối ADCSử dụng IC ổn áp LM317

cho điện áp ra cố định 1.25V

(Phần này em đã ghép mạch đo vào các node mạng sử dụng pin)

Nguyên lý:

http://www.microchip.com/



- Kết quả đo (10 bits ) lưu trong 2 thanh ghi kết quả của khối ADC:

Giả sử có giá trị X

- Công thức: Vin/1.25 = 1024/X

Trong đó:

Vin: điện áp pin (cần giám sát)

X: Giá trị thanh ghi kết quả của khối ADC

1.25V: Điện áp so sánh ổn định Lấy từ output của IC

LM317

1024: Giá trị lớn nhất của bộ ADC 10 bits

Thuật toán:

Ngắt TimerBật TimerBật ADC,

tắt timerNgắt ADC

Đọc kết quả,

ngăt ADC

Hình 4-8 Sơ đồ thuật toán đo điện áp mỗi node

4.3.4 Thiết kế mô-đun điều khiển công suất

Điều chỉnh công suât sử dụng Firmware của MRF24J40 được chia thành ba

cách điểu chỉnh:

- Điều chỉnh trong khoảng rộng có 4 mức điều chỉnh với bước điều

chỉnh là 10dB.

- Điều chỉnh trong khoảng hẹp có 8 mức điều chỉnh với bước điều

chỉnh là 1.25dB.

- Kết hợp cả hai phương pháp trên ta có 32 mức thay đổi



Hình 4-9 Hình mô tả các bước điều khiển công suất

Ta xây dựng các hàm sau:

- Hàm cấu hình thay đổi công suất phát cho gói phát.

void PHYSetOutputPower( BYTE power){…}

- Hàm quy đổi từ đơn vị dB sang một số nguyên trong khoảng 0-255

biểu diễn mức công suất phát.

BYTE find__(float a) {…}

- Hàm quy đổi đơn vị biểu diễn từ mức công suất phát sang đơn vị

dB.

float check(BYTE p) {…}

- Hàm tính giá trị công suất phát cần thiết cho ban đầu.

BYTE PA_LEVEL_CONTROL(BYTE pt, BYTE lqi, BYTE

lqi_threshold, BYTE offset) { …}

Các hàm được tích hợp trong các phai sau của mã nguồn

- zPHY_MRF24J40 (.h &.c)

- zMAC_MRF24J40 (.h & .c)

- zNVM (.h & .c)



4.3.5 Thiết kế mô-đun định tuyến

Như đã trình bầy lý thuyết phần trước đó, để triển khai giao thức mới ta phải

chỉnh sửa lại cấu trúc các bản tin định tuyến và bảng định tuyến như trong bảng sau.

Bảng 4-1 Bảng chỉnh sửa các cấu trúc thuộc lớp định tuyến trong mã nguồn

Tên cấu trúc Nội dung thêm vào

_ROUTE_DISCOVERY_ENTRY - BYTE forwardpathCost[4];

- BYTE residualpathCost[4];

- BYTE indexforwardPt;

- BYTE indexresidualPt;

_ROUTE_REPLY_COMMAND - BYTE indexPt;

- BYTE pathCost[4];

_ROUTE_REQUEST_COMMAND - BYTE pathCost[4];

- BYTE indexPt;

Xây dựng các hàm sau:

- Để truyền đi một số tính toán kiểu float ta phải đổi kiểu đó về dạng

lưu dữ dưới dạng mảng kiểu 4 byte, và ngược lại.

void Pack(float f, BYTE *p){...}

float unPack(BYTE *p){...}

- Hàm hiển thị một kiểu float qua UART để kiểm tra thuật toán

void printfloat(float f) {...}

- Hàm tính chi phí liên kết

void getmetrics(BYTE *pathcose,BYTE Ptsent,BYTE Ptdes,

BYTE LQIhear, BYTE gama) {...}

Các hàm được tích hợp trong các phai sau của mã nguồn:

- zNVM (.h & .c)



CHƯƠNG 5. Mô phỏng, thí nghiệm và đánh giá

kết quả

5.1 Quá trình cài đặt và thiết lập hoạt động cho hệ thống mô phỏng

5.1.1 Mô tả kịch bản

Bảng 5-1 Bảng mô tả kịch bản

Parameter Value

Tool NS2

MAC Protocol 802.15.4

Routing Protocol AODV

Traffic Type CBR, FTP

Packet Size 70KB(CBR), 60KB(FTP)

Rate 250Kbps

Number of nodes 50,60,70,80,90,100,120 nodes

- Kịch bản 100 nút

Hình 5-1 kịch bản 100 nút



5.1.2 Kết quả mô phỏng

- Tỉ lệ gói đến

Hình 5-2 So sánh tỉ lệ gói đến

Nhận xét: Giao thức được tích hợp thuật toán mới vượt trội hơn về tỉ lệ gói

đến hơn so với gioa thức gốc.

- Data throughput

Hình 5-3 So sánh thông lượng

Nhận xét: Giao thức được tích hợp thuật toán mới vượt trội hơn về thông

lượng hơn so với gioa thức gốc.

0.0%

10.0%

20.0%

30.0%

40.0%

50.0%

60.0%

70.0%

80.0%

90.0%

100.0%

50 60 70 80 90 100 120 140

del

iver

y r

ate

number of nodes

Original

ACPCaR

0

1

2

3

4

5

6

7

8

50 60 70 80 90 100 120 140

thro

ugh

pu

t (K

bp

s)

number of nodes

Original

ACPCaR



- Lengthening Connectivity

Hình 5-4 So sánh độ dài kết nối

Nhận xét: Các liên kết của giao thức được tích hợp thuật toán mới có thời

gian sống lâu hơn so với gioa thức gốc.

- Percentage of energy

Hình 5-5 So sánh độ dài kết nối ứng với kịch bản 60 nút

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

50 60 70 80 90 100 120 140

Len

gth

enin

g C

on

nec

tivi

ty (

s)

number of nodes

Original

ACPCaR(a=15)

ACPCaR(a=0)

0.0%

10.0%

20.0%

30.0%

40.0%

50.0%

60.0%

70.0%

80.0%

90.0%

100.0%

30 40 50 60 70 80 90

per

cen

tage

of

en

ergy

time (s)

60 nodes

Original

ACPCaR



Hình 5-6 So sánh độ dài kết nối ứng với kịch bản 100 nút

Nhận xét: Qua ba hình 5-5, 5-6 mô tả sự tiêu thụ của toàn mạng theo thời

gian, giao thức được cải tiến cho kết quả tốt hơn đối với giao thức gốc.

- Kết luận

Qua kết quả mô phỏng là các đồ thị như trên bước đầu ta thấy giao thức mới

cho kết quả rất tốt, điều này chứng tỏ giao thức mới mà em đề xuất là hiệu quả.

Giao thức mới không chỉ giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ cho các nút cảm biến

mà còn đảm bảo chất lượng mạng.

5.2 Triển khai thực tế

5.2.1 Kịch bản thí nghiệm

- Các kịch bản thí nghiệm

- Topology:

Coodinator 0000 ------ route 0001 ------ route 0002

0.0%

10.0%

20.0%

30.0%

40.0%

50.0%

60.0%

70.0%

80.0%

90.0%

100.0%

30 40 50 60 70 80 90

per

cen

tag

e o

f e

ner

gy

time (s)

100 nodes

Original

ACPCaR



Node 0000 Node 0001 Node 0002

Hình 5-7 Sơ đồ thí nghiệm

- Các kịch bản định tuyến

Nút có địa chỉ “0000” yêu cầu định tuyến đến nút có địa chỉ “0002”.




- Thành phần thiết bị

Nút mạng sensor sử dụng MRF24J40MB

Ba bộ mach nạp PICkit 2

Ba laptop

5.2.2 Kết quả thí nghiệm

- Bảng kết quả thí nghiệm

Nút 0001 - laptop “Trần Hữu Cương” Nút 0000 – laptop “Dương Trọng Thắng”

*Gia nhập mạng

ZigBee Router3

Transceiver-MRF24J40

*Gia nhập Mạng

MicroChip ZigBee2006(TM) Stack v2.0-2.6.0a

Coordinator



Trying to join network as a new device...

Network(s) found. Trying to join Join successful!

address network:0001

Router Started! Enabling joins...

Joining permitted.

Message sent successfully.

Node 0002 With MAC Address

0000000100000004 just joined.

Transceiver-MRF24J40

Trying to start network...

PAN 1AAA started successfully.

Current Channel: 0x0F

Joining permitted.

Node 0001 With MAC Address

0000000100000003 just joined.

9

*Kịch bản 1 0000 request 0002

nhan ban tin request tu node0000

hopcount:=01

Er =0,0307692313

LQI =37

Ee =0,3819141578

Piei =0,6862745285

EL=0,001701239388

*Kịch Bản 1 0000 request 0002

Khoi tao lastEr_ = 1,000000000

Khoi tao lastEe_ = 0,0000000000

Khoi tao Piei_ = 0,6862745285

Route Reply from Node 0002

ban tin Reply

gia tri hopcount:=01

1,000000000

gia tri Er =1,000000000

gia tri Ee =0,1000000000

gia tri Piei =0,6862745285

gia tri=6,862745285..Route Reply Successful...


ban tin Reply


1,000000000

gia tri Er =0,8633333206



Dest Next Hop Status

0002 | 1867 | ROUTE_ACTIVE

FFFF | 1867 | ROUTE_INACTIVE



gia tri Ee =0,1157897114

gia tri Piei =0,6862745285




FFFF | D858 | ROUTE_INACTIVE





hopcount:=01

Er =0,0676923084

LQI =3D

Ee =0,3611865282

Piei =0,6862745285

EL=0,0087065277


hopcount:=02

Er =0,0799999952

LQI =FF

Ee =0,4545088291

Piei =0,6862745285

EL=0,0603970241




Khoi tao Piei_ = 0,6862745285


ban tin Reply


1,000000000

gia tri Er =1,000000000

gia tri Ee =0,1000000000

gia tri Piei =0,6862745285



ban tin Reply


2,000000000




hopcount:=02

Er =0,0799999952

LQI =D7

Ee =0,4545088291

Piei =0,6862745285

EL=0,0603970241


hopcount:=02

Er =0,0799999952

LQI =F9

Ee =0,4545088291

Piei =0,6862745285

EL=0,0603970241


hopcount:=02

Er =0,0799999952

LQI =F7

Ee =0,4545088291

Piei =0,6862745285

EL=0,060397024188






gia tri Er =1,000000000

gia tri Ee =0,2000000000

gia tri Piei =0,6862745285












Khoi tao Piei_ = 0,6862745285


ban tin Reply


2,000000000

gia tri Er =0,0000000000

gia tri Ee =0,5000000000

gia tri Piei =0,6862745285


*Kịch bản 3: node 0001 request 0000


hopcount:=01

Er =0,0000000000

LQI =1C

Ee =0,4000000000

Piei =0,6862745285

EL=0,0000000000


hopcount:=02

Er =1,000000000

LQI =5C

Ee =0,2000000000

Piei =0,6862745285

EL=1,715686321


hopcount:=02

Er =1,000000000

LQI =59

Ee =0,2000000000

Piei =0,6862745285

EL=1,715686321


hopcount:=02








Er =1,000000000

LQI =5F

Ee =0,2000000000

Piei =0,6862745285

EL=1,715686321


hopcount:=02

Er =1,000000000

LQI =5A

Ee =0,2000000000

Piei =0,6862745285

EL=1,7156863218




0000 | D858 | ROUTE_ACTIVE


- Kết luận

Các kết quả thu được từ mô phỏng đã chứng minh hiệu quả của thuật toán,

với kết quả đó em đã mạnh dạn tích hợp lên hệ thông thực và đã đạt được một số

kết quả nhất định. Thuật toán định tuyến mơi kết hợp với điều khiển công suất mà

em đề xuất là hoàn toàn có khả thi khi triển khai thực tế và không hề gặp khó khăn

với công nghệ hiện tại. Tiếp theo sẽ là phần tổng kết toàn bộ đồ án và các hướng

nghiên cứu tiếp theo.



KẾT LUẬN

Kết luận chung :

Đồ án này đã thực hiện Nghiên cứu và phát triển giao thức mạng tối ưu hóa

năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Trong mô hình mạng WSN là mô hình

mạng phân tán kết nối dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4. Điểm nổi bật nhất mà đồ án

đưa ra là một giao thức định tuyến mới có sự kết hợp chặt chẽ với điều khiển công

suất. Giao thức này sử dụng các thông tin về chất lượng đường truyền cũng như tình

trạng năng lượng hiện tại của nút để quyết định cho việc chọn tuyến cũng như là

chọn mức công suất phát phù hợp để giải quyết vấn đề tối ưu hóa năng lượng cho

toàn mạng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về chất lượng. Để kiểm tra giao thức mới,

đồ án đã thể hiện các kết quả thu được qua mô phỏng và các thí nghiệm thực tế. Các

kết quả đưa ra chứng tỏ thuật toán định tuyến mới rất khả quan vì chiếm được ưu

thế so với giao thức gốc. Từ mô phỏng đến triển khai thực tế còn khá nhiều vấn đề,

đồ án cũng trình bày các thiết kế mới trong mã nguồn để triển khai giao thức mới.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

Do vẫn còn một số vấn đề tồn tại, hướng phát triển tiếp theo của đồ án thực

hiện các mục tiêu sau đây:

- Trên triển khai thực tế, em mới dừng lại là chứng minh thuật toán có

thể tích hợp được trên hệ thông hiện tại nhưng lại chưa đưa ra kết quả

kiểm chứng hiệu quả của giao thức mới.

- Giao thức này tập trung giải quyết việc tối ưu hóa năng lượng trong

thời gian các nút mạng có trao đổi dữ liệu. Nếu xet trên toàn miền thời

gian thì năng lượng phần lớn để duy trì nút mạng hoạt động ở trạng

thái không trảo đổi dữ liệu quan trọng. Vì vậy, cần phải nghiên cách

thức tiết kiêm năng lượng cho nút mạng khi nó không làm việc mà

vẫn đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.

- Triển khai giao thức đó trên nhiều giao thức định tuyến khác nhau.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tien Pham Van, Tien Dung Nguyen, Tuan Do Trong, Thanh Loan Nguyen,

Quyet Vu Khac, “A Service-Oriented Design for Controlling Multimedia Sessions

over Stand-alone MANETs,“ IEEE 2010 First International Workshop on

Engineering Mobile Service Oriented Systems (IEEE EMSOS), in conjunction with

the 7th IEEE 2010 International Conference on Services Computing (IEEE SCC

2010), Miami, Florida, USA, July 2010.

[2] Shan Lin, Jingbin Zhang, Gang Zhou, Lin Gu, Tian He, and John A.

Stankovic, “ATPC: Adaptive Transmission Power Control for Wireless Sensor

Networks” SenSys’06, November 1–3, 2006, Boulder, Colorado, USA. Copyright

2006 ACM 1-59593-343-3/06/0011 ...$5.00.

[3] Tien Dung Nguyen, Tien Pham Van, and Cuong Tran Huu, "Load and

Location-aware Routing over Vehicular Ad hoc Networks", the 6th International

Conference on Ubiquitous Information Management and Communication (ICUIMC

2012), Kuala Lumpur, Malaysia, Feb, 2012 (accepted paper).

[4] Shinya Takizawa, Nobuyoshi Komuro, Shiro Sakata, "Routing control

scheme prolonging network lifetime in a 6LoWPAN WSN with Power-supplied and

battery-powered nodes", the 2012 IEEE Consumer Communications and

Networking Conference (CCNC), Las Vegas, NV, USA, January 14-17, 2012.

[5] Boughanmi N., Song Y.Q., “A New Routing Metric for Satisfying Both

Energy and Delay Constraints in Wireless Sensor Networks”, The Journal of Signal

Processing Systems for Signal, Image, and Video Technology, Springer, Volume

51, Number 2, pp. 137-143, may 2008.

[6] S. Lin, J. Zhang, G. Zhou, L. Gu, T. He and J. A. Stankovic, “ATPC:

Adaptive Transmission Power Control for Wireless Sensor Networks,” Proceedings

of 4th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys’06),

Boulder, November 2006, pp. 223-236.



[7] Sandra Sendra, Jaime Lloret, Miguel García and José F. Toledo, "Power

saving and energy optimization techniques for Wireless Sensor Networks,"

Academy Publisher Journal of Communications, vol. 6, no. 6, Sept 2011.

[8] Mohammad Abdul Azim, M. Rubaiyat Kibria, Abbas Jamalipour,

"Designing an Application-Aware Routing Protocol for Wireless Sensor Networks",

IEEE GLOBECOM 2008.

[9] Kouakou Jean Marc Attoungble, Kazunori Okada, Keiichi Kanai, Yoshikuni

Onozato, "Greedy Routing for Maximum Lifetime in Wireless Sensor Networks",

the IEEE 20th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio

Communications, PIMRC 2009, 13-16 September 2009.

[10] Michele Rondinone, Junaid Ansari, Janne Riihijärvi, Petri Mähönen,

"Designing a reliable and stable link quality metric for wireless sensor networks",

proceedings of the workshop on Real-world wireless sensor networks, 2008.

[11] MRF24J4MB datasheet, Microchip Technology Inc. Available :

http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en542228

[12] Derrick P. Lattibeaudiere, ZigBee2006 Application Note AN1232A,

Microchip Technology Inc. Available :

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1

824&appnote=en537767

[13] IEEE Std 802.15.4™-2006 (Revision of IEEE Std 802.15.4-2003): Wireless

Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-

Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), The Institute of Electrical and

Electronics Engineers, Inc. Available :

http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf

[14] ZigBee Alliance, ZigBee Specification, ZigBee Standards Organization,

2008.

[15] MRF24J40 datasheet, Microchip Technology Inc. Available :



http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en537767

http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en537767

http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf


thesis - tranhuucuong - kstn_dtvt_k52-final.pdf

Documents