Phân Loại Các Giao Thức Định Tuyến Cho Mạng Cảm Biến Không Dây.

Tại Hoa Kỳ, IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-928MHz. Tại châu Âu,

802.15.4 sử dụng băng tần 868- 868.8MHz. Phần còn lại của thế giới, 802.15.4 sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz.

IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi băng tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1.3. Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz.

Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là 5MHz.

IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả các kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).

Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 97 trang tài liệu này.

Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s.

Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh

802.11. Bởi vì 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng

802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.3 cho thấy sự chồng lấn giữa 802.15.4 và 802.11. Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, thì có 2 kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng 802.11. Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian.

Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11.

1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu

Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.

Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền.

1.3.3. Lớp mạng

Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp mạng đóng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không dây.

1.3.4. Lớp truyền tải

Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.

1.3.5. Lớp ứng dụng

Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Các nghiên cứu dựa trên tầng này để phát triển ứng dụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu cho toàn bộ hệ thống trong tầng ứng dụng của WSN.

1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN

Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ. Hình 1.4 trình bày một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này.

Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây.

Bên cạnh những thuật toán định tuyến trên, thì hiện nay người ta sử dụng chuẩn Zigbee để thực hiện việc thiết lập môi trường truyền thông không dây trong mạng cảm biến. Chuẩn Zigbee là chuẩn được dùng phổ biến bởi ưu điểm như tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp [9]. Chuẩn Zigbee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có

thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc vào môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu).

Mô hình mạng Zigbee hỗ trợ ba loại mô hình chính đó là mạng sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới. Tùy theo, mô hình mà nút cảm biến được phân chia theo mức độ khác nhau như ZC, ZR và ED. Cơ chế định tuyến của chuẩn Zigbee cũng được thiết kế ở tầng mạng với kỹ thuật định tuyến như AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), thuật toán hình cây… Trong chương 2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn một số kỹ thuật định tuyến tiêu biểu.

1.5. Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của từng nút trong mạng nhằm kéo dài thời gian sống của mạng. Vì vậy, thiết kế cấu trúc và kiến trúc mạng cảm biến không dây cần phải quan tâm đến các yếu tố sau:

- Giao tiếp không dây đa chặng: Giao tiếp không dây có nhiều hạn chế như nhiễu môi trường, gặp vật cản,… hoặc nút thu và phát cách xa nhau nên cần nút trung gian chuyển tiếp nhằm giảm công suất phát, tiết kiệm năng lượng. Do đó, việc đa chặng trong mạng cảm biến không dây là cần thiết trong quá trình thiết kế và xây dựng mạng cảm biến không dây.

- Sử dụng hiệu quả năng lượng: điều này sẽ giúp trong việc hỗ trợ kéo dài thời gian sống của mạng.

- Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: cần có kết hợp giữa các dữ liệu của một hay nhiều nút để chuyển tới được nút gốc từ đó tiết kiệm được băng thông, năng lượng.

Hiện nay, cấu trúc mạng cảm biến không dây được chia thành các cấu trúc như sau:

- Cấu trúc phẳng: Trong cấu trúc này, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất, trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với trạm gốc thông qua truyền thông đa chặng, sử dụng các nút trung gian làm bộ tiếp sóng.

- Cấu trúc phân cấp: trong cấu trúc này thì phân thành các cụm, mỗi cụm có nút chủ cụm. Các nút trong cụm thu thập số liệu rồi gửi đơn chặng hay đa chặng tới nút chủ cụm. Do đó, cấu trúc này tạo thành hệ thống cấp bậc mà mỗi nút có mức độ cấp bậc khác nhau, từ đó có các nhiệm vụ đã được xác định trước. Tức là chức năng sẽ được phân cấp như thực hiện việc thu thập số liệu, tín toán số liệu, hoặc phân phối số liệu…

Theo các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây thì mạng cảm biến không dây theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn so với dạng cấu trúc phẳng bởi những lý do sau:

+ Cấu trúc phân cấp giảm được chi phí mạng cảm biến không dây bằng việc xác định được tài nguyên của mỗi nút trong quá trình thiết kế, đảm bảo được tối ưu và hiệu quả nhất. Điều này giúp cho giảm chi phí, tránh được lãng phí cho toàn mạng.

+ Thời gian sống của cấu trúc phân cấp cao hơn so với cấu trúc phẳng. Bởi vì, khi thực hiện tính toán sẽ được đơn vị xử lý phân cấp thực hiện, với tài nguyên đảm bảo nên thực hiện tính toán nhanh hơn và hiệu quả hơn. Các nút thực hiện việc thu thập cần ít tài nguyên, ít tiêu thụ năng lượng và chỉ xử lý các yêu cầu tối thiểu. Điều này giúp toàn mạng có được hiệu năng tốt nhất.

1.6. Một số thách thức cần giải quyết cho giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây hiện nay

Với các đặc điểm của mạng cảm biến không dây đã làm cho việc phát triển mô hình định tuyến cho các mạng này gặp nhiều khó khăn và thách thức trong quá trình nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống mạng cảm biến không dây. Dưới đây là một số thách thức cần phải giải quyết khi nghiên cứu và phát triển giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây:

Thời gian sống dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể kéo dài từ 1 đến 10 năm tùy thuộc vào từng ứng dụng. Nguồn năng lượng được tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin. Các nút cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ nên nguồn năng lượng của chúng cũng bị hạn chế. Điều này dẫn đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm biến. Trong cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây, bộ thu phát vô tuyến là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất. Do đó, giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian sống của toàn mạng. Ngoài ra, mỗi nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai chức năng đó là: Chức năng khởi tạo dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu. Một số nút bị ngừng hoạt động có thể gây ra những thay đổi về cấu trúc liên kết mạng và có thể cần phải tổ chức lại mạng. Để giảm năng lượng tiêu thụ thì các thuật toán định tuyến được đề xuất cho mạng cảm biến không dây sử dụng chiến thuật định tuyến hiệu quả về năng lượng với một số cách tiếp cận khác nhau như các phương thức phân nhóm, phân công vai trò riêng cho các nút trong mạng, tập hợp dữ liệu.

Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng lớn bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. Việc định tuyến trong các trường hợp này gặp nhiều khó khăn bởi vì các nút cảm biến có khả năng xử lý và bộ nhớ lưu trữ rất hạn chế.

Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn chế nhiều đến các giao thức định tuyến. Do đó, các thuật toán định tuyến đơn giản, gọn nhẹ cần phải được nghiên cứu và phát triển cho các mạng cảm biến không dây. Thách thức này có thể được giải quyết với một chi phí thấp bằng cách sử dụng một số nút cảm biến có khả năng lưu trữ lớn hơn và tốc độ tính toán nhanh hơn. Những mạng không đồng nhất như vậy cần phải được xem xét đến khi thiết kế giao thức định tuyến.

Các nút không đồng nhất cần phải được tính đến khi thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Có hai nguyên nhân chính dẫn đến việc các nút trong mạng không đồng nhất. Thứ nhất là hoàn toàn có thể tăng được hiệu năng của mạng thông qua việc triển khai một số nút mạng có năng lượng, có khả năng lưu trữ và tính toán tốt hơn các nút còn lại trong mạng. Các nút này đóng vai trò là các nút chủ cụm để chuyển tiếp lưu lượng của các nút khác đến nút gốc. Thứ hai là sự khác biệt giữa các nút cảm biến có thể phát sinh trong quá trình hoạt động của mạng. Một số nút cảm biến có thể phải thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn dẫn đến việc chúng bị hết năng lượng nhanh hơn các nút khác. Do đó, giao thức định tuyến cần phải tránh việc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút mạng có trạng thái nguồn năng lượng còn lại ở mức thấp để bù lại sự không đồng đều về năng lượng giữa các nút trong mạng.

Sự triển khai các nút mạng trong mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào ứng dụng. Quá trình triển khai các nút cảm biến có thể là ngẫu nhiên hoặc cũng có thể được xác định trước vị trí của từng nút trong mạng. Trong trường hợp triển khai ngẫu nhiên, các nút cảm biến bị phân tán ngẫu nhiên và các tuyến đường cần phải được xác định theo cách phân tán. Trong trường hợp còn lại, các nút cảm biến được triển khai thủ công và các bản tin có thể được chuyển tiếp thông qua các tuyến đường đã được xác định trước. Trong trường hợp mạng có kích thước lớn thì việc xác định tuyến đường sẽ được phân cấp.

Khả năng chịu lỗi cũng cần phải được quan tâm khi định tuyến các bản tin. Tuy nhiên, khi một nút bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các hoạt động chung của mạng. Các thuật toán định tuyến cần phải có các tuyến đường dự phòng hoặc xây dựng kịp thời một tuyến đường khác trong trường hợp liên kết mạng bị lỗi.

Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của mạng. Các nút cảm biến có thể thay đổi công suất phát để tăng phạm vi truyền nhưng cùng với đó là sự tiêu hao nhiều hơn về nguồn năng lượng. Việc gửi các bản tin với công suất phát hạn chế, qua một khoảng cách ngắn có thể kéo dài thời gian sống của một nút mạng nhưng cũng làm tăng trễ truyền bản tin. Ngược lại, khi phạm vi truyền thông được mở rộng thì tổng năng lượng được sử dụng cho việc xử lý các bản tin tại các nút trung gian sẽ giảm nhưng nhiễu trong mạng cũng có thể xuất hiện nhiều hơn.

Chất lượng dịch vụ (QoS) đặc trưng cho các yêu cầu dịch vụ cần được đáp ứng khi vận chuyển một luồng bản tin từ nguồn đến đích. Tuy nhiên, những yêu cầu ràng buộc về chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây có thể rất khác so với các mạng truyền thống. Các tham số chất lượng dịch vụ trong các mạng truyền thống có thể chưa đủ để mô tả chúng. Ngoài các tham số cơ bản như độ trễ thì còn có một số tham số khác như: Lỗi phân loại sự kiện (các sự kiện không chỉ được phát hiện mà còn được phân loại và xác suất lỗi phân loại sự kiện cần phải thấp), trễ phát hiện sự kiện (là độ trễ được tính từ thời điểm phát hiện một sự kiện và thời điểm gửi thông báo đến nút gốc), độ chính xác của việc bám mục tiêu (trong trường hợp ứng dụng bám mục tiêu thì vị trí của đối tượng cần phải được thông báo gần với vị trí của đối tượng trong thế giới thực nhất có thể).