ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Quang Hưng

Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI - 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Quang Hưng

Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Vương Đạo Vy Cán bộ đồng hướng dẫn:

HÀ NỘI - 2008

TÓM TẮT NỘI DUNG

Mạng LAN không dây là mạng trong đó các trạm được kết nối với nhau bằng sóng radio hoặc hồng ngoại. WLAN hoạt động trên cơ sở tiêu chuẩn của IEEE 802.11 trong dải tần ISM. WLAN sử dụng sóng radio với các tín hiệu được điều chế theo kỹ thuật trải phổ. Hoạt động của WLAN bao gồm 2 quá trình: Kiểm tra lớp vật lý (PHY) và điều khiển thâm nhập môi trường MAC, hoạt động trong giao thức CSMA/CA. Mạng WLAN cung cấp 2 chế độ cấu hình là Ad-hoc và Infrastructure, hỗ trợ đơn ô và đa ô với tính năng di động.

Mạng cảm nhận không dây WSN cũng là mạng hoạt động với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Cấu hình cho mạng WSN cũng tương tự như WLAN nhưng phức tạp hơn WLAN vì số lượng các node cũng như phạm vi hoạt động là khá lớn. Các dạng cấu hình trong mạng WSN còn phải đáp ứng được các hàm kết nối của từng dạng để đảm bảo mạng hoạt động. Thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường trong WSN cũng có phần giống với WLAN tuy nhiên do yêu cầu về tiết kiệm năng lượng tối đa của các node, WSN đưa ra các giải pháp để giải quyết việc tiết kiệm năng lượng bằng các chế độ lập lịch thức, ngủ cho mỗi quá trình truyền và nhận dữ liệu của mỗi node.

MỤC LỤC

PHẦN 1 MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WLAN)

Chương 1. Tổng quan về WLAN 1.1. Giới thiệu chung……………………………………………………...….2 1.2. Lợi ích và ứng dụng của WLAN………………...………………............2 1.3. WLAN trên cơ sở radio……………………………………………...…..3

1.3.1 Dải ISM…………………………………………………………...……..3 1.3.2 Điều biến dải hẹp………………………………………………...………4 1.3.3 Điều biến trải phổ……………………………………………...………...4 1.3.3.1Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)…………..…………………...……..…5 1.3.3.2Trải phổ nhảy tần (FHSS)………………………………..…...……...….6

1.4 WLAN trên cơ sở hồng ngoại…………………………………...………7 1.4.1 Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán………...………8 1.4.2 Kỹ thuật hồng ngoại điểm-điểm………………………………...……….8 1.4.2.1Kết nối hồng ngoại điểm-chùm…………..………………………......….8 1.4.2.2Hệ thống LAN hồng ngoại điểm-điểm………………………………….9

1.5 Chế độ hoạt động Ad-hoc và Infrastructure………………………..........9 1.5.1 Chế độ Infrastructure…………………………………………………….9 1.5.2 Chế độ Ad-hoc………………………………………………………….10

1.6 Cấu hình đơn ô, đa ô trong WLAN……………………………...……..11 1.6.1 Đơn ô (single cell WLAN)...………………………………………...…11 1.6.2 Liên kết đơn ô……………………………………………………..........11 1.6.3 Đa ô……………..…………………………………………………..….11 1.6.4 Chồng lấp các ô……………………………………………...…………12

1.7 Ưu nhược điểm của LAN không dây…………………..………………12 1.7.1 Ưu điểm………………………………………………...………………12 1.7.2 Nhược điểm………………………………………………...…………..13

Chương 2. Các chuẩn và thiết bị của WLAN 2.1 Chuẩn IEEE 802.11……………………………………………...…......13

2.1.1 Lớp vật lý của IEEE 802.11………………………………...………….14 2.1.1.1 Phân lớp hồng ngoại…….…………………….……...………………14 2.1.1.2 Phân lớp FHSS………………………………..…………..………….14

5

2.1.1.3 Phân lớp DSSS……………………………………………...………15 2.1.2 Lớp MAC của IEEE 802.11………………………………………...….15 2.1.2.1 Cơ chế CSMA……………..……...………………………………….16 2.1.2.2 Cơ chế RTS/CTS…….………………...…………………………….16 2.1.2.3 Khung dữ liệu MAC trong 802.11…………..………………..……...17 2.2 Giao thức mạng không dây……………………..……………………...17 2.3 Kiến trúc mạng không dây…………………………..…………………19 2.4 Phân bố địa chỉ IP…………………...………………………………….20 2.5 Thiết bị cho WLAN……………………...……………………………..21 2.5.1 Wireless Adaptor……………………………...………………………..21 2.5.2 Anten……………………………………………...…………………....23 2.5.2.1 Đặc điểm chung của anten………………..………...………………..23 2.5.2.2 Một số loại anten………..……………………………..…………….24 2.5.3 Điểm truy cập (AP)………………………………………….………...25

PHẦN 2 MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN)

Chương 1. Tổng quan về mạng cảm nhận không dây 1.1 Khái quát………………………………………………………….……27 1.2 Các thiết bị mạng cảm biến không dây………………………………...28

1.2.1 Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp…………….…………………………29 1.2.2 Bộ nhớ và lưu trữ…………………………….…....……………………29 1.2.3 Máy thu phát bức xạ (radio)……………………………………………29 1.2.4 Cảm biến………………….…………………………………………….29 1.2.5 Hệ thống định vị địa lý…………………………………………………30 1.2.6 Nguồn năng lượng………………………………………………...........30

1.3 Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây……………………………..31 1.3.1 Quan sát môi trường sinh thái……………………………………...…..31 1.3.2 Theo dõi trong quân sự và tìm kiếm mục tiêu………………………….31

1.3.3 Quan sát địa chấn và cấu trúc……………………………………..........31 1.3.4 Công nghiệp và thương mại mạng cảm nhận……………………..........32 1.4 Thách thức thiết kế chính…………………………...………………….32 1.4.1 Thời gian sống mở rộng………………………………..………………33 1.4.2 Đáp ứng……………………………………………………...…………33 1.4.3 Sức mạnh……………………………………………………………….33

6

1.4.4 Bổ trợ…………………………………………………………………...33 1.4.5 Mở rộng phạm vi……………………………………………………….34 1.4.6 Tính không đồng nhất………...………………………………………...34 1.4.7 Tự cấu hình………………………...…………………………………...34 1.4.8 Tự đánh giá và thích nghi……………...……………………………….35 1.4.9 Thiết kế hệ thống…………………………...…………………………..35 1.4.10 An ninh và bảo mật……………………………..………..…………...35 Chương 2. Triển khai mạng 2.1 Tổng quan…………………………………………...………………….36 2.2 Triển khai có cấu trúc hay triển khai ngẫu nhiên………...…………….37 2.3 Topo mạng…………………………………………….……..…………38

2.3.1 Single hop dạng sao………………………………….………..………..39 2.3.2 Multi hop dạng lưới và ô……………………………….………..……..39 2.3.3 Cụm (cluster) phân cấp 2 tầng………………..………….……………..39

2.4 Kết nối trong dạng sơ đồ ngẫu nhiên……………..……….……………39 2.4.1 Kết nối trong G(n,R)…………………………………..….…………….41 2.4.2 Tính đơn điệu của G(n,R)………………………………...…………….42 2.4.3 Kết nối trong G(n,K)………………………………………...…………42 2.4.4 Kết nối và truyền tin trong G(n,p,R)……………………………...……43 2.5 Kết nối sử dụng điều khiển năng lượng……………………………..….43 2.5.1 Năng lượng nhỏ nhất để kết nối cấu trúc mạng…………..…...….…….44 2.5.2 Cài đặt năng lượng chung nhỏ nhất…………………………..………...45 2.5.3 Làm giảm tối thiểu năng lượng cực đại…………………………..…….46 2.5.4 Topo điều khiển dạng hình nón………………………………………...46 2.5.5 Cấu trúc trình duyệt mở rộng theo hình cây cục bộ nhỏ nhất...………...47 Chương 3. Đa truy cập và chế độ ngủ 3.1 Tổng quan………………………………………………………………48 3.2 Giao thức MAC truyền thống…………………………………………..48

3.2.1 Aloha và CSMA………………………………………………………..48 3.2.2 Vấn đề node ẩn node hiện……………...………………………………49 3.2.3 Đa truy cập tránh xung đột MACA và đặc tả 802.11…………………..50 3.2.4 IEEE 802.15.4 MAC……………...……………………………………54 3.3 Năng lượng hiệu quả trong giao thức MAC…..……………………….55 3.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11…………..…………………...55 3.3.2 Năng lượng cần cho đa truy cập và báo hiệu…………..………………55

7

3.3.3 Tối thiểu hoá chi trả năng lượng tiếp nhận rảnh rỗi………..……….….55 3.4 Kỹ thuật ngủ không đồng bộ…………………………………..….……56 3.4.1 Bức xạ thức dậy thứ 2……………………………………………...…..56 3.4.2 Lắng nghe năng lượng thấp / lấy mẫu đầu khung truyền……...………56 3.4.3 WiseMAC……………………………………………………………...57 3.4.4 Truyền/nhận- bắt đầu chu kỳ tiếp nhận………………………..………57 3.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ…………………………………………………..58 3.5.1 Cảm ứng MAC (S-MAC)……………………………………………...58 3.5.2 MAC thời gian chờ (T-MAC)………………………………………….59 3.5.3 MAC hội tụ dữ liệu (D-MAC)…………………………………………60 3.5.4 Lập lịch ngủ có thời gian trễ hiệu quả………………………………….61

3.5.5 Lịch ngủ không đồng bộ…………………………………………..........61

CHỮ VIẾT TẮT

ACK :Acknowledge AP :Access Point BPP :Base Band Processor CAP :Contention Access Period CBTC :Cone-Based Topology Control CFP :Collision-Free Period COWPOW :Minimum Common Power Setting CSMA/CA :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance CSMA/CD :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection CTS :Clear To Send D-MAC :Data-gathering MAC DCF :Distributed Coordination Function DESS :Delay Efficient Sleep Scheduling DIFS :Distributed Inter-Frame Spacing DSSS :Direct Sequence Spread Spectrum FHSS :Frequency Hopping Spread Spectrum FCC :Federal Communication Commission FRTS :Future Request To Send GPS :Global Positioning System GTS :Guaranteed Time Slot IEEE :Institute of Electrical and Electronic Engineering LWIM :Low-Power Wireless Integrated Microsensor

9

LAN :Local Area Network LMST :Local Minimum Spanning Tree Construction LR-WPAN :Low-Rate Wireless Personal Area Networks MECN :Minimum Energy Connected Network Construction NAV :Network Allocation Vector NIC :Network Interface Card OSI :Open System Interconnection PAMAS :Power Aware Medium Access with Signaling PCMCIA :Personal Computer Memory Card International Association PCF :Point Coordination Function PHY :Physical RICER :Receiver Initiated Cycle Reception RTS :Request To Send S-MAC :Sensor MAC T-MAC :Timeout MAC TICER :Transmitter Initiated Cycle Reception WEP :Wired Equivalent Privacy WINS :Wireless Integrated Networked Sensors WLAN :Wireless Local Area Network WSN :Wireless Sensor Network

1

MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ theo từng ngày, nhu cầu sử dụng các hệ thống thông tin ngày càng cao. Do vậy đòi hỏi kỹ thuật thu thập, xử lý và truyền dữ liệu chính xác và nhanh chóng. Để đáp ứng được nhu cầu đó, điều bắt buộc là phải phát triển một hệ thống truyền thông không dây kết hợp với sự đa dạng hoá các loại hình dịch vụ. WLAN chính là một giải pháp chọn lựa bởi khả năng linh động trong kết nối của nó.

Bên cạnh nhu cầu giao tiếp các thiết bị không dây, một nhu cầu ngày càng được đòi hỏi lớn hơn là nhu cầu về cảm biến, giám sát, theo dõi điều khiển thông minh. Đặc biệt trong các lĩnh vực quân sự (kích hoạt thiết bị, điều khiển tự động các thiết bị robot), y tế (định vị, theo dõi tình trạng sức khoẻ bệnh nhân và báo động khẩn cấp tự động), môi trường (giám sát lũ lụt, thiên tai…) và một vài lĩnh vực về đời sống khác (nhà thông minh, điều khiển giao thông tự động tránh ùn tắc…). Để giải quyết nhu cầu này, người ta phát triển hệ thống mạng cảm nhận không dây (WSN). WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, hay giữa các thiết bị thông minh với con người hoặc các hệ thống viễn thông khác.

Cùng với những ưu điểm mà WSN mang lại, còn những mặt hạn chế khả năng hoạt động của mạng. Đó chính là: mạng WSN có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node bằng sóng vô tuyến trong đó các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền, có số lượng lớn và phân bố khá rộng. Lưu lượng dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục, thông thường thời gian 1 node mạng ở trạng thái nghỉ lớn hơn trạng thái hoạt động rất nhiều, do vậy cần có giải pháp tiết kiệm năng lượng tối đa. Không những vậy, các node mạng của WSN đôi khi còn phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, được bố trí ngẫu nhiên nên có thể di chuyển làm thay đổi cấu hình mạng. Vì vậy đòi hỏi các node mạng còn có khả năng tự động cấu hình và thích nghi. Cuối cùng là những khó khăn về vấn đề bảo mật và an ninh bởi khả năng hoạt động tự động của các node mạng.

Khoá luận này, bên cạnh việc nêu lên đặc điểm cấu hình và hoạt động của WLAN, tập trung chính vào đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường của mạng WSN. Với kiến thức còn hạn hẹp, thời gian nghiên cứu không dài và tài liệu tham khảo có chưa nhiều, do vậy khoá luận không tránh khỏi những sai sót. Vậy kính mong các thầy cùng các bạn sinh viên quan tâm chia sẻ đóng góp ý kiến để khoá luận được hoàn thiện.

Em xin chân thành cám ơn!

2

PHẦN 1

MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WIRELESS LAN HAY WLAN)

Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ WLAN

1.1 . Giới thiệu chung

Mạng LAN không dây về cơ bản giống với mạng LAN có dây. Tuy nhiên, trong khi mạng LAN có dây có lưu lượng mạng của các kênh thông qua dây cáp đồng trục hoặc cáp quang thì WLAN sử dụng dải tần số radio để gửi lưu lượng truyền thông trong không gian. Mạng WLAN cũng có thể sử dụng tia hồng ngoại nhưng với những giới hạn khoảng cách ngắn.

Mạng LAN không dây có thể dùng cho máy tính xách tay hoặc máy để bàn, hoặc PDA để truy cập nội hạt mà không phải kết nối bằng dây. Do vậy, WLAN thường được cài đặt trong những vùng khó lắp đặt hoặc những nơi có nhiều người sử dụng máy tính xách tay hay PDA di động.

Mỗi điểm truy cập có một máy phát và một máy thu, một anten và một bộ phận hoạt động như Bridge (cầu). Một điểm truy cập có thể phục vụ một số người sử dụng, nhưng khi có nhiều người cùng kết nối, liên kết trở nên chậm. Người dùng có “bộ tiếp hợp không dây” bên trong máy tính có thể truy cập bất cứ ở đâu trong phạm vi hoạt động kể từ điểm truy cập, vì tín hiệu radio không dây có thể xuyên qua hầu hết tường hay sàn nhà. Ngoài khoảng cách ra, tốc độ truyền dữ liệu còn phụ thuộc cả vào các vật cản trên đường đi của tín hiệu. Độ rộng tần số trong chuẩn 802.11 qui định ở tốc độ cao truyền gần hơn.

Nếu dùng mô hình Ad hoc, một số trạm làm việc bị che khuất so với các trạm khác sẽ mất khoảng 40% hiệu suất mạng. Nếu dùng mô hình điểm giao dịch thì chỉ cần thấy nhau giữa điểm giao dịch và từng trạm làm việc, tránh được vấn đề trên.

1.2 . Tiện ích và ứng dụng của WLAN

Với WLAN, người sử dụng có thể truy cập những thông tin dùng chung và người quản trị mạng có thể thiết lập hoặc mở rộng mạng mà không phải lắp đặt thêm thiết bị hoặc di chuyển đường dây. Hệ thống WLAN di động cung cấp cho người dùng truy

3

cập thông tin với thời gian thực ở bất cứ nơi đâu trong phạm vi hoạt động. Sự di động hỗ trợ một cách hiệu quả các dịch vụ mà mạng có dây không thể làm được. Việc cài đặt và thiết lập một hệ thống WLAN không cần đến các đường cáp, đầu tư ban đầu cho phần cứng WLAN có thể cao hơn của LAN, nhưng chi phí cho cài đặt và thời gian tồn tại có thể thấp hơn một cách đáng kể.

WLAN có 2 ứng dụng chủ yếu:

- Kết nối giữa các toà nhà

- Kết nối mạng không dây và có dây (wireless – wire)

Tất cả WLAN hoạt động trên dải tần số không đăng ký ở gần tốc độ mạng Ethernet (100Mbps) sử dụng giao thức sóng mạng radio hoặc hồng ngoại.

Phần lớn các thiết bị này đều có thể truyền thông tin trên 1000 feet giữa các máy tính trên môi trường hoạt động và chi phí sử dụng trong phạm vi từ 150$ - 800$.

1.3 . WLAN trên cơ sở Radio

Sự thuận lợi của sóng radio trong kết nối là chúng truyền qua tường và các vật cản khác mà suy giảm yếu. Thậm chí, qua nhiều bức tường tách rời người sử dụng và server hoặc cầu không dây, mạng vẫn có thể duy trì kết nối. Tuy nhiên, khi có nhiều thiết bị như trong y học, công nghiệp cùng hoạt động với một tần số radio theo WLAN sẽ gây ra tạp nhiễu. Vì vậy, người ta đã đưa ra luật và phương pháp để giải quyết vấn đề này.

- Dải ISM

- WLAN dải hẹp

- WLAN dải rộng

1.3.1 . Dải ISM

FCC (Federal Communications Commission) cho phép các sản phẩm mạng không dây hoạt động trong dải công nghiệp, khoa học và y học (Industrial, Scientific, Medical – ISM). FCC cho phép người sử dụng thực hiện các sản phẩm thoả mãn những yêu cầu, ví dụ hoạt động với máy phát 1W công suất đầu ra.

Điều này càng có lợi khi di chuyển thường xuyên, vì khi đó có thể tránh được giấy tờ phức tạp vì đăng ký lại sản phẩm ở vị trí mới. Ngoài ra, còn nhiều dải tần số cao hơn, hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao hơn.

4

Dải tần số ISM 2.4 GHz là dải không đăng ký có hiệu lực ở mọi nơi. Nhưng các nhà sản xuất phát triển các sản phẩm trong dải 902 MHz vì cho rằng dải này tiết kiệm hơn.

1.3.2 . Điều biến dải hẹp

Những hệ thống radio như TV sóng radio FM và AM sử dụng điều biến dải hẹp. Những hệ thống này tập trung tất cả các công suất phát sóng trong một dải hẹp tần số, tạo ra hiệu quả sử dụng phổ radio. Khi hệ thống khác sử dụng cùng tần số, sẽ gây ra rất nhiều nhiễu làm hỏng nhiều tín hiệu. Để tránh nhiễu, FCC yêu cầu người sử dụng hệ thống dải hẹp đạt được toạ độ hoạt động chính xác của sóng radio. Những sản phẩm dải hẹp có nhiều ưu điểm vì hoạt động không có nhiễu. Nếu nhiễu xảy ra, FCC sẽ giải quyết vấn đề đó. Điều này làm cho điều chế dải hẹp tốt với những kết nối kéo dài vượt kích thước địa lý của vùng trung tâm.

1.3.3 . Điều biến trải phổ

Điều biến trải phổ có rất nhiều tính năng, quan trọng nhất là:

- Chống lại nhiễu vô tình hay cố ý, đây là một tính năng quan trọng cho thông tin ở vùng bị tắc nghẽn như ở các thành phố.

- Có khả năng loại trừ hay giảm bớt ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tia gây trở ngại rất lớn trong thông tin đô thị.

- Có khả năng dùng chung ba lĩnh vực: công nghiệp, khoa học và y học (dải ISM) với công suất đến 1W ở các băng tần sau: 902-928 MHz, 2.4-2.4835 GHz và 5.725-5.85 GHz (theo tiêu chuẩn FCC).

- Nhờ sử dụng các mã trải phổ giả ngẫu nhiên nên khó bắt trộm tín hiệu.

Ở các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế càng tốn ít độ rộng băng tần càng tốt. Ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi có một người sử dụng băng tần SS (Spread Spectrum) sẽ không hiệu quả, tuy nhiên ở môi trường nhiều người sử dụng, họ có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống trở nên có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ.

Trải phổ là gì? Điều chế trải phổ là trải công suất tín hiệu trên một dải rộng tần số. Điều này trái với yêu cầu duy trì thông tần số, nhưng quá trình trải tạo nhiều tín hiệu dữ liệu bị ảnh hưởng của tạp nhiễu điện so với kỹ thuật điều chế radio thường. Sự

5

truyền và tạp nhiễu điện khác dải thông hẹp, sẽ chỉ nhiễu với phần nhỏ của tín hiệu trải phổ, kết quả là ít nhiễu hơn và ít lỗi hơn khi thu tín hiệu dải điều chế. Sự điều biến trải phổ sử dụng một trong hai phương pháp để trải tín hiệu trên vùng rộng: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) và trải phổ nhảy tần (FHSS).

1.3.3.1 . Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Trải phổ chuỗi trực tiếp kết hợp tín hiệu dữ liệu ở trạm gửi đi với dữ liệu có tốc độ bit tuần tự cao hơn, có liên quan tới mã chip (cũng được xem là hệ số xử lý processing gain). Tín hiệu dữ liệu được chồng lên sóng mạng. Trong thời gian này, một sự lan truyền hoặc một mã chip được sử dụng để tạo ra các bit dư thừa được truyền. Do đó tín hiệu xuất hiện ở dưới công suất dải băng nhiễu tới máy thu không định hướng. Mã chip được áp dụng tới từng bit của dữ liệu. Một trong những lợi thế của việc sử dụng mã lan truyền là một hoặc cao hơn một bit trong chip bị lỗi trong thời gian truyền, kỹ thuật này được áp dụng cho sóng radio để khôi phục dữ liệu gốc mà không cần sự truyền lại. Tỷ lệ dữ liệu trên bề rộng của mã lan truyền được gọi là độ tăng ích xử lý. Hệ số xử lý cao tăng tính chống nhiễu của tín hiệu. Hệ số xử lý nhỏ nhất theo FCC là 10, và hầu hết các sản phẩm hoạt động trên 20.

Với DSSS, luồng dữ liệu gốc được nhân lên bởi việc trải “mã chip”. Quá trình này bị phá vỡ mỗi bit dữ liệu trong nhiễu “dãy bit” hoặc chip được đại diện là 0 hoặc 1 trong một mẫu thiết lập và truyền các chip này trên dải tần số rộng hơn so với dải thông thường của luồng dữ liệu. Khi đó máy thu “ có cùng khoá mã chip” sẽ thu được dải truyền của chip. Quá trình ngược lại thông qua việc “ giải mã” và tập hợp lại luồng dữ liệu gốc. Thay cho việc sử dụng tín hiệu riêng lẻ của thời gian bất kỳ qui định cho quá trình truyền ( giống như một quá trình truyền thông radio thông thường), tín hiệu hẹp mà luồng dữ liệu sẽ “nhảy qua” (giống FHSS). Luồng dữ liệu trong hệ thống DSSS được gửi trong phạm vi rộng trong dải. Khi trình tự chip lớn hơn sẽ có dải truyền rộng hơn trên tín hiệu gốc được trải ra.

Bảo mật

Quá trình trải rộng tín hiệu trên dải truyền trực tiếp có lợi cho vấn đề bảo mật. Việc ứng dụng của mã chip không chỉ trải luồng bit gốc, mà còn tạo nên dãy tuần tự mã hoá. Điều này đảm bảo độ an toàn lớn hơn. “Người xâm phạm” trước tiên phải thiết lập phạm vi tần số được sử dụng cho quá trình truyền, và sau đó thiết lập mã chip được sử dụng để trải dữ liệu để “giải mã” luồng dữ liệu gốc. Với DSSS, biên độ phát là nhỏ để trong thực tế nó được xem giống như tạp nhiễu trong phổ radio.

6

Ứng dụng của mã chip tạo nên tín hiệu có độ rộng khoảng chừng 11MHz. Việc sử dụng dải rộng trong kỹ thuật trải phổ cung cấp phạm vi miễn dịch với nhiễu. Các nguồn nhiễu sẽ chỉ gây nhiễu một phần nhỏ của tín hiệu. Nếu điều đó xảy ra, tín hiệu gốc có thể được thu lại nhờ hệ thống mã hoá.

Sự thay đổi tỷ lệ

Hệ thống DSSS sử dụng cực đại là 11 kênh. Trong đó có 3 kênh không chồng lấp lên nhau: 1, 6, 11. Sự liên quan này có nghĩa là sự thực hiện có thể chỉ có 3 kênh. Các Acess Point chồng lấp trong vùng bao phủ qui đinh.

1.3.3.2 Trải phổ nhảy tần (FHSS)

FHSS tương tự sự truyền radio FM, được mang bởi dải hẹp mà có thể thay đổi tần số. Tiêu chuẩn 802.11 cung cấp 22 mẫu nhảy và dịch tần số trong dải 2.4 GHz ISM. Mỗi kênh là 1 MHz và tín hiệu phải dịch tần số hoặc nhảy ở tốc độ nhảy cố định.

FH là quá trình bằng cách phát thu sóng radio trên một tần số với chu kỳ ngắn của thời gian (được gọi là thời gian tồn tại) và khi đó sẽ thay đổi hoặc nhảy đến tần số khác. Kỹ thuật FHSS tạo ra trong dải ISM là 78 kênh độc lập. Mỗi một phần mười của giây, tín hiệu lại truyền từ một tần số này sang một tần số khác. Sự lựa chọn các kênh dựa trên cơ sở thuật toán bước nhảy giả ngẫu nhiên.

FHSS làm việc giống như tên ngụ ý của nó. Nó mang tín hiệu dữ liệu để điều chế với tín hiệu sóng mang mà nhảy từ tần số này sang tần số khác giống như một hàm của thời gian trên một dải tần số rộng. Ví dụ như nhảy qua tần số sóng mang trên dải 2.4 GHz giữa 2.4 GHz và 2.483 GHz. Mã nhảy quyết định tần số radio sẽ truyền theo thứ tự. Để thu được tín hiệu một cách chính xác, máy thu phải đặt cùng một mã nhảy và “nghe” tín hiệu đến thời gian thích hợp và tần số chính xác. Qui tắc FCC yêu cầu các nhà sản xuất sử dụng tần số 75 hoặc hơn cho mỗi kênh truyền với thời gian dừng đều đặn lớn nhất (thời gian ở từng tần số riêng) là 40ms. Nếu sóng radio bắt gặp nhiễu trên tần số nào đó, nó sẽ truyền lại tín hiệu ở bước nhảy tiếp theo trên một tần số khác.

Kỹ thuật nhảy tần giảm bớt nhiễu bởi vì sự truyền từ hệ thống dải hẹp sẽ làm ảnh hưởng tới tín hiệu trải phổ khi nó sử dụng tần số của tín hiệu dải hẹp. Do đó, toàn bộ nhiễu sẽ thấp, dẫn tới có ít hoặc không có bit lỗi.

Sự hoạt động của sóng radio có thể sử dụng trong cùng dải tần số và không bị nhiễu, chúng sử dụng từng mẫu nhảy khác nhau. Trong khi một sóng radio đang truyền ở cùng một thời gian được xem như một vùng quan sát trực giao. Một số nhà cung cấp cho phép người dùng lựa chọn kênh (mã nhảy riêng biệt) để sóng radio hoạt động trên

7

đó, tất cả người sử dụng trong cùng một mạng cục bộ phải sử dụng cùng mã. Điều này đem đến khả năng cho Wlan hoạt động lẫn nhau trong cùng một dải tần số mà không nhiễu, miễn là gán chúng vào miền quan sát trực giao với mã lan truyền. Yêu cầu FCC cho tần số truyền khác nhau cho phép sóng radio nhảy tần số để có kênh không nhiễu.

Giải pháp FH giảm độ nhạy với nhiễu từ các bộ phát radio khác và nguồn tạp nhiễu trong dải 2.4 GHz, bởi vì tần số phát là dịch chuyển cố định từ dải 1 MHz đến tần số tiếp theo. Nhiễu chỉ được xem như một phần nhỏ trong toàn bộ thông lượng trong một môi trường có nhiều nhiễu.

Bảo mật

Giải pháp có độ an toàn cao, và là giải pháp tốt cho các ứng dụng trong quân đội và qui định bắt buộc. Sự thay đổi tự nhiên cố định của những hệ thống này làm cho rất khó để ngăn chặn hoặc tắc nghẽn. Để ngăn chặn tín hiệu, người xâm nhập vào phải biết được cả quá trình truyền tần số hiện hành và mẫu nhảy để bức chế tần số tiếp theo mà hệ thống sẽ nhảy qua. Thông tin giống nhau phải được nhận biết bởi một người nào đó bị tắc nghẽn khi truyền, trừ khi tắc nghẽn trong toàn bộ dải 2.4 GHz.

1.4 . WLAN trên cơ sở ánh sáng hồng ngoại

Ánh sáng hồng ngoại là một trong những cách thức sử dụng sóng radio cho sự liên kết WLAN. Bước sóng của ánh sáng hồng ngoại trong dải từ 0.75 đến 1.000 µm, là dải dài hơn ( tần số thấp hơn) quang phổ màu nhưng ngắn hơn ( tần số cao hơn) sóng radio. Dưới mọi trạng thái của ánh sáng, ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy được bằng mắt thường. Sản phẩm WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại hoạt động quanh bước sóng 820nm vì không trung xuất hiện tắt dần ít nhất tại điểm ở trong phổ hồng ngoại.

So với sóng radio, ánh sáng hồng ngoại cho sự an toàn và tín hiệu mức độ cao hơn. Nhưng LAN này đảm bảo vì ánh sáng hồng ngoại không truyền qua các vật chắn sáng như tường, bảo vệ tín hiệu dữ liệu bao gồm ở trong phòng hoặc toà nhà. Hơn nữa nguồn tạp nhiễu thông thường như lò vi sóng và máy phát radio sẽ không nhiễu với tín hiệu ánh sáng hồng ngoại. Về mặt hiệu suất ánh sáng hồng ngoại không thích hợp cho các ứng dụng di động bằng việc sử dụng sóng radio bởi vì mức độ bao phủ của nó có giới hạn.

WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại bao gồm 2 thành phần chính là card điều hợp hoặc khối điều hợp và bộ chuyển đổi. Card điều hợp cắm vào PC hoặc máy in thông qua khe ISA hoặc PCMCIA ( hoặc kết nối với cổng song song). Bộ chuyển đổi, giống

8

như anten với WLAN trên cơ sở radio, gắn liền với các phần của tường hoặc phòng làm việc. Card điều hợp điều khiển các giao thức cần cho sự hoạt động trong môi trường trung gian, và bộ chuyển đổi phát thu tín hiệu ánh sáng hồng ngoại.

Có 2 loại WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại:

- Khuếch tán

- Điểm điểm

1.4.1 . Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán

Sử dụng thiết bị hồng ngoại khuếch tán cho điều khiển TV từ xa cho phép bạn điều khiển TV từ một khoảng cách mà không sử dụng dây (remote control). Khi bạn ấn nút từ xa, tương ứng với mã điều biến tín hiệu ánh sáng hồng ngoại được truyền tới TV. TV thu mã và thực hiện chức năng chuyển đổi thích hợp. Điều này khá đơn giản nhưng WLAN trên cơ sở hồng ngoại không phức tạp hơn. Sự khác nhau chủ yếu là vì WLAN sử dụng ánh sáng hồng ngoại ở mức nguồn cao hơn không đáng kể và sử dụng giao thức hệ thống truyền thông để truyền tải dữ liệu.

Khi sử dụng ánh sáng hồng ngoại trong Wlan, độ cao tối đa có thể là điểm phản xạ. Kỹ thuật này sử dụng giao thức chiều sóng mang để phân chia truy cập từ độ cao tối đa.

Wlan dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán làm việc cũng tương đương như trước, vì vậy sẽ hoạt động nhanh. Tốc độ dữ liệu tiêu biểu là 1-4 Mbps người bình thường có thể gửi sử dụng tia sáng và mã Morse. Giá cho những loại card không giây trong phạm vi từ 200$ -500$ mỗi cái.

Các trạm ánh sáng hồng ngoại khuếch tán bị giới hạn trong các khoảng cách, điển hình 30-50 feet ở mức thấp hơn độ cao tối đa, phạm vi nhỏ bé giữa các trạm. Độ cao tối đa là 10 feet sẽ giới hạn quanh phạm vi 40 feet. Để mở rộng phạm vi hoạt động, có thể sử dụng điểm truy cập hồng ngoại để kết nối giữa các ô qua đường dây chính.

1.4.2 . Kỹ thuật hồng ngoại điểm - điểm

Một số sản phẩm hồng ngoại hoạt động dạng điểm-điểm là các thiết bị trực tiếp duy trì kết nối với các thiết bị khác. 2 sản phẩm rất khác nhau trong loại này là các thiết bị “điểm và chùm” chuyển đổi trực tiếp các tệp giữa các máy tính với các thiết bị ngoại vi và hệ thống với ánh sáng hồng ngoại điểm - điểm.

1.4.2.1 Kết nối hồng ngoại điểm và chùm

9

Kết nối hồng ngoại “điểm và chùm” thực chất không phải là WLAN, nhưng chúng cung cấp kết nối nối tiếp không dây giữa máy tính và thiết bị ngoại vi bằng cách thay thế các cáp riêng lẻ bằng chùm ánh sáng. Kỹ thuật này làm cho việc chuyển đổi các tệp được dễ dàng giữa các máy tính xách tay và trạm làm việc trên bàn.

1.4.2.2 Hệ thống Lan hồng ngoại điểm - điểm.

InfraLAN bao gồm đúng một cặp chuyển đổi, một quá trình truyền và một quá trình nhận. InfraLAN thay thế cho mạng Token Ring với ánh sáng hồng ngoại để có thể đạt đến khoảng cách 75 feet.

Những thuận lợi của việc sử dụng InfraLAN là hiệu suất cao và sự an toàn. Bởi vì chùm tia hồng ngoại hội tụ, hệ thống có thể làm phù hợp yêu cầu thực thi. Tín hiệu điện không bị nhiễu với tần số cao của ánh sáng hồng ngoại. Bất lợi của phương pháp này là nó không phù hợp với khả năng di động, nó chỉ thích hợp với môi trường một hội nghị.

1.5 . Chế độ hoạt động Ad hoc và Infrastructure

IEEE 802.11 b xác định có 2 bộ phận chính của thiết bị, trạm không dây, thường là PC hay máy tính xách tay với bộ tiếp hợp giao diện mạng không dây (NIC) và một điểm truy cập (AP), hoạt động như một cầu nối giữa các trạm không dây và hệ thống phân tán (DS) hoặc các mạng có dây. Có 2 chế độ hoạt động trong IEEE 802.11b là chế độ Ad hoc và chế độ Infrastructure.

1.5.1 . Chế độ Infrastructure

Chế độ này bao gồm một AP được kết nối với hệ thống DS.

- BSS (Basic Service Set): AP cung cấp chức năng cầu nội hạt cho BSS. Tất cả các trạm không dây truyền thông với AP và không có sự truyền thông trực tiếp dài hơn. Tất cả các khung đều được tiếp nhận giữa các trạm bởi AP.

- ESS (Extended Service Set): là hệ thống Infrastructure BSS, nơi mà AP truyền thông giữa chúng để khả năng tải tiếp theo từ một BSS này tới một BSS khác làm cho các trạm không dây dễ dàng di chuyển hơn. Có thể hình dung ESS là một dạng mở rộng của BSS, được minh hoạ như hình dưới đây.

10

Hình 1. Chế độ Infrastructure dạng BSS và ESS

1.5.2 . Chế độ Ad hoc

- BSS độc lập (IBSS) hoặc ngang hàng (peer to peer): các trạm không dây truyền thông trực tiếp với nhau. Mỗi trạm có thể không truyền thông với các trạm khác trong phạm vi giới hạn. Không có AP trong IBSS vì vậy tất cả các trạm đòi hỏi phải ở trong phạm vi của trạm khác và chúng truyền thông trực tiếp với nhau.

Hình 2. Chế độ Ad-hoc

11

1.6 . Cấu hình đơn ô, đa ô trong WLAN

1.6.1 . Đơn ô (single cell WLAN)

Sử dụng với một phòng làm việc nhỏ hay nhà máy. WLAN đơn ô yêu cầu NIC không dây để liên kết với mạng, không cần thiết AP. Có thể dễ dàng tạo một mạng WLAN với 2 hoặc nhiều hơn bộ tiếp hợp PCMCIA trong phạm vi hoạt động, với chế độ Ad hoc cho người sử dụng.

Vùng bao phủ bởi các trạm trong mạng ngang hàng được gọi là vùng dịch vụ cơ bản (Basic Service Area). BSA bao phủ khoảng chừng 150feet tiêu biểu cho môi trường phòng làm việc, WLAN đơn ô sóng radio như BSA có thể hỗ trợ 6-25 người sử dụng mà vẫn có thể truy cập mạng ở mức độ chấp nhận được.

1.6.2 . Liên kết đơn ô

- Các ô được kết nối với Lan thông qua cầu không dây (wireless bridging). Cầu có thể được lắp đặt back to back với một điểm truy cập liên kết với hàng loạt mạng.

- Các ô được kết nối với một Ethernet LAN thông qua một điểm truy cập ( cầu có dây). Điểm truy cập kết nối bộ khung của Ethernet Lan có dây thông qua cáp đơn. Chức năng của AP giống như cầu nối giữa Lan có dây và ô. Các trạm trong ô của các ô liên kết khác có thể truy cập đến tất cả các phương tiện của LAN có dây.

1.6.3 . Đa ô

Nếu việc thiết lập mạng yêu cầu phạm vi lớn hơn, có thể sử dụng hệ thống cầu nội hạt không dây (điểm truy cập) và mạng chính có dây tạo ra cấu hình đa ô. Điều này cho phép người sử dụng không dây từ các ô khác nhau truyền thông với nhau, cũng cho phép người dùng không dây truy cập tới tài nguyên của mạng có dây.

Như vậy cấu hình này có thể bao phủ với phạm vi lớn hơn như các tầng của một toà nhà, khu công trường hay bệnh viện.

Trong các môi trường này, máy tính xách tay với bộ tiếp hợp LAN không dây cũng có thể hoạt động trong vùng bao phủ để duy trì sự tồn tại một liên kết đến mạng xương sống. Tiêu biểu là mỗi điểm truy cập sử dụng một mã lan truyền hoặc một tần số khác nhau.

Cấu hình WLAN lý tưởng phụ thuộc chủ yếu vào nhu cầu người sử dụng và địa lý. Nếu có một nhóm tương đối nhỏ yêu cầu khả năng kết nối không dây với nhau hoặc

12

nếu người dùng trải ra khắp nơi thì phải cần tới cấu hình đa ô. Trong cả 2 trường hợp, Bridge cần thiết để hỗ trợ người dùng truy cập đến tài nguyên trên cơ sở hạ tầng mạng có dây.

Chức năng điển hình trong mạng đa ô là roaming, cho phép người dùng không dây chuyển ô không cần đường dẫn. Giao thức roaming chỉ làm việc với lớp MAC, vì vậy nó không làm việc trên bộ router. Với “roaming”, người sử dụng có thể di chuyển tự do giữa các ô chồng lấp mà vẫn liên tục duy trì liên kết mạng. Một trạm thực thi khả năng di động của nó “lựa chọn” điểm truy cập ở trong vùng của nó để cung cấp tín hiệu trong suốt quá trình di chuyển.

Nhiều điểm truy cập có thể được xác định vị trí giống như cách để đưa tin trong vùng bao phủ, vì vậy sẽ tạo ra đa ô. Các trạm trong vùng đa ô sẽ tự động “chọn” điểm truy cập tốt nhất để truyền thông. Điều này có lợi trong vùng mà lưu lường đường truyền mạng lớn mong đợi thông lượng của đa ô được nhân lên khi sử dụng công nghệ WIX- cơ chế chuyển mạch không dây tự động.

Đa ô, với sự tăng lên điểm truy cập, có thể cung cấp hệ thống dự phòng cố định và đảm bảo sự hoạt động an toàn tin cậy của WLAN.

1.6.4 . Chồng lấp các ô

Khi một vùng nào trong toà nhà nằm trong phạm vi cho phép của các điểm truy cập, các ô trong vùng bao phủ được chọn để chồng lấp.

Mỗi trạm không dây sẽ tự động thiết lập một liên kết tốt nhất có thể với mỗi điểm truy cập.

Vùng bao phủ chồng lấp là một thuộc tính quan trọng của việc thiết lập mạng Lan không dây, bởi vì nó cho phép sự di chuyển không có đường lối giữa các ô chồng lấp.

1.7. Ưu nhược điểm của LAN không dây

1.7.1. Ưu điểm.

LAN không dây có khả năng cung cấp đầy đủ các ứng dụng đã tồn tại trong mạng LAN truyền thống:

- WLAN làm việc cho hiệu suất công việc cao nhờ tính mềm dẻo trong việc di chuyển dễ dàng.

13

- WLAN có thể hoạt động riêng biệt trong phạm vi một toà nhà, cơ quan hay khuôn viên trường học.

- WLAN có thể tồn tại sau một vụ thiên tai như động đất.

- Tiết kiệm chi phí và thời gian ở những nơi khó khăn với việc nối cáp.

- WLAN không gây hại đến sức khoẻ con người. Công suất phát của các thiết bị có độ an toàn cho sức khoẻ con người (dưới 36dB) theo chuẩn 802.11b.

1.7.2. Nhược điểm

- Tốc độ truyền dữ liệu thấp: 1, 2, 11 Mbps và cao nhất là 54 Mbps vẫn còn kém nhiều so với mạng Ethernet với tốc độ 100Mbps.

- Giá thành thiết bị và chi phí ban đầu cao.

- Thiếu các chuẩn chung. Do tất cả các sản phẩm không dây phải tuân theo những qui định quốc gia về giới hạn tần số để tránh ảnh hưởng nhiễu lẫn nhau. Vì thế phải mất thời gian dài để đưa ra các giải pháp toàn cầu.

Giới hạn khoảng cách truyền dữ liệu xa bị hạn chế do môi trường truyền dễ bị ảnh hưởng bởi các nhiễu tồn tại.

Chương 2.

CÁC CHUẨN VÀ THIẾT BỊ CỦA WLAN

2.1. Chuẩn IEEE 802.11

Trong tất cả các tiêu chuẩn 802.x, tiêu chuẩn 802.11 chỉ rõ sự hoạt động của lớp truy cập môi trường MAC và lớp vật lý.

- Lớp MAC chỉ ra các dịch vụ MAC và các giao thức khác.

- Lớp vật lý gồm 3 phân lớp. Trong đó 1 phân lớp dựa trên cơ sở hồng ngoại (IR), 2 phân lớp dựa trên cơ sở sóng vô tuyến FHSS ( Frequency Hopping Spread Spectrum) và DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum) với cả 2 loại

14

đều thuộc dải băng tần 2.4 GHz. Tất cả đều hoạt động ở tốc độ 1 hoặc 2 Mbps. 802.11 cũng đưa ra chuẩn hỗ trợ tốc độ cao 5 và 11 Mbps. Nếu môi trường có nhiễu thì các thiết bị 802.11 sẽ phát ở tốc độ thấp như 1 Mbps hoặc 2 Mbps có thể tới 5 Mbps. Ngược lại, nếu môi trường ít nhiễu thì có thể sử dụng truyền tốc độ cao hơn, có thể tới 11 Mbps.

2.1.1. Lớp vật lý của IEEE 802.11

2.1.1.1. Phân lớp hồng ngoại

Hệ thống Wlan dựa trên cơ sở hồng ngoại dùng tần số trong dải TetaHz nên ánh sáng hồng ngoại không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Tần số ánh sáng hồng ngoại có sự phản xạ mạnh mẽ lên bức tường và trần nhà.

Ánh sáng hồng ngoại đưa ra mức độ an toàn và khả năng thực hiện cao hơn sóng vô tuyến. Có dải thông lớn nên hoạt động ở tốc độ cao hơn, IR đôi khi còn được gọi là bức xạ nhiệt nó là một dạng của bức xạ điện từ. Phổ hồng ngoại chiếm một vùng khá rộng trong phổ tần số của sóng điện từ và thường được chia làm 3 vùng: hồng ngoại gần, hồng ngoại trung bình và hồng ngoại xa. Hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghệ hiện đại, trong tự động hoá. Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang người ta có thể truyền cùng một lúc 15000 cuộc gọi điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua một sợi quang dẫn với đường kính 0.13mm. Trong truyền dữ liệu, lượng thông tin được truyền đi bằng bức xạ hồng ngoại lớn hơn gấp nhiều lần so với sóng điện từ. Dựa vào các sóng hồng ngoại và các bức xạ hồng ngoại mà người ta có thể dò tìm thấy bức xạ nhiệt của vật chất, của cơ thể người cách hàng km với độ chính xác cao, hay có thể nhìn thấy vật vào ban đêm với hình ảnh nhiệt thu được.

2.1.1.2. Phân lớp FHSS

Công nghệ trải phổ FHSS cho phép nhiều mạng cùng tồn tại trong cùng một diện tích và các mạng được tách biệt với nhau bằng các tần số khác nhau. Mỗi kênh có độ rộng là 1 MHz trong dải 2.4 GHz.

Khung vật lý của 802.11 dùng FHSS:

SYN SFD PLW PSF HEC Payload

- SYN (Synchronization): có độ dài 80bit có chức năng đồng bộ.

- SFD: gồm 16bit dùng để đồng bộ ở đầu khung, được biểu diễn: 00011000100010011

15

- PLW (độ dài từ): chỉ độ dài dữ liệu, tính bằng byte gồm 32 bit CRC nằm ở cuối dữ liệu.

- PSF (trường thông báo): Hiển thị tốc độ có thể là 1 hoặc 2 Mbps.

- HEC (Header Error Check): dùng chuẩn CRC 16 của ITU-T.

- Payload: dữ liệu của khung vật lý PLCP, có độ dài tuỳ ý.

2.1.1.3. Phân lớp DSSS

Ta biết rằng trong không gian luôn tồn tại các sóng điện từ từ những nguồn khác như các hệ thống phát thanh, truyền hình… Biên độ của chúng tạo thành các nhiễu nền. Nên khi sử dụng kỹ thuật trải phổ DSSS, tín hiệu được phân bố trên các băng tần rộng nên năng lượng trải ra thay vì tập trung tạo dải băng tần hẹp. Kết quả là với công suất phát tín hiệu, DSSS có mức phát thấp hơn nhiều nền.

Trong nguyên tắc thu phát vô tuyến trong băng tần hẹp, mức phát tín hiệu phải lớn hơn mức nhiễu nền để đầu thu có thể loại bỏ được nhiễu và tách tín hiệu ban đầu. Nếu tại đầu thu có tồn tại một mức tín hiệu khác với biên độ tương đương thì DSSS không thể tách tín hiệu này ra. Đây là hiện tượng nhiễu xuyên kênh.

Khung vật lý của 802.11 dùng DSSS cùng dải tần số 2.4 GHz. Sử dụng phương thức điều chế DBPSK với tốc độ 1 Mbps và dùng DQPSK với tốc độ 2 Mbps:

SYN SFD Signal Service Length HEC Payload

- SYN: gồm 128 bit có chức năng đồng bộ.

- SFD: gồm 16 bit để đồng bộ ở đầu khung, được biểu diễn: 01010000110010101

- Signal: cho tới nay mới chỉ dùng 2 giá trị để chỉ tốc độ của dữ liệu là 0x0A tương ứng với tốc độ 1 Mbps (DBPSK), 0x14 tương ứng với tốc độ 2 Mbps (DQPSK).

- Service: trường này giành cho tương lai. Tuy nhiên 0x00 chỉ khung 802.11.

- Length: 16 bit dùng chỉ độ dài dữ liệu.

- HEC: dùng chuẩn CRC-16 của ITU-T.

- Payload: dữ liệu khung vật lý của PLCP.

2.1.2. Lớp MAC của IEEE 802.11

16

Phân lớp MAC có chức năng sau:

- Hỗ trợ việc định địa chỉ.

- Hỗ trợ việc chia sẻ truy cập môi trường bằng cách dùng giao thức đa truy cập cảm ứng sóng mang có tránh xung đột CSMA/CA.

- Định ra giao thức RTS/CTS để hỗ trợ tránh xung đột.

- Cung cấp dịch vụ đồng bộ và dịch vụ giới hạn (Time Bounded Service)

- Chia nhỏ dữ liệu mã hoá.

- Đảm bảo kiểm tra lỗi CRC để dữ liệu không bị hư hỏng và mất mát trên đường tryền.

2.1.2.1. Cơ chế CSMA/CA (Carrier sense multiple access with collission avoidance)

Đây là cơ chế đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột. Cơ chế này thăm dò môi trường bằng sóng mang nhưng không giống như CSMA/CD của Ethernet 802.3 là gửi đi tín hiệu cho đến khi xung đột được nhận biết. Ở đây, dữ liệu chỉ được phát khi có thiết bị nhận đang sẵn sàng nhận dữ liệu và không có bộ phát nào truyền dữ liệu. Loại này gọi là nghe trước khi nói.

Trước khi gửi một gói dữ liệu thiết bị phải lắng nghe đường truyền xem có rỗi hay không. Nếu không có sự chiếm đường truyền thì thiết bị truyền gói. Nếu có thì nó chọn một ngẫu nhiên “nhân tố backoff” mà xác định rằng số lượng thời gian mà nút phải chờ đợi cho đến khi nó được phép truyền gói của nó. Trong suốt thời gian kênh rỗi, nút truyền cản trở nút khác đếm backoff của nó. Khi kênh bận, nó không phải làm cản trở nút khác đếm backoff của nó. Khi nút đếm backoff đạt đến 0, thì nút truyền gói. Khả năng 2 nút chọn cùng nhân tố backoff là nhỏ nên xung đột giữa các gói là nhỏ. Dò tìm sự xung đột, như nó có được trong Ethernet, không thể sử dụng cho những sự truyền tần số sóng vô tuyến của 802.11.

2.1.2.2. Cơ chế RTS/CTS.

Cơ chế này cũng có chức năng tránh xung đột trên đường truyền. Giả sử có dữ liệu qua điểm truy cập muốn được gửi đi tới một nút mạng không dây nào đó thì điểm truy cập sẽ gửi khung RTS tới nút không dây để thông báo trong khoảng thời gian xác định sẽ có dữ liệu được gửi tới và nút không dây sẽ đáp lại bằng khung CTS để báo rằng chúng đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ AP trong khoảng thời gian xác định đó rồi mới giao tiếp với các nút khác nữa. Các nút khác muốn truyền dữ liệu sẽ lắng nghe tác vụ

17

xảy ra và làm trễ việc truyền dữ liệu trong khoảng thời gian hợp lý. Chính vì vậy mà cơ chế này dữ liệu được truyền dễ dàng giữa các nút không có sự xung đột.

2.1.2.3. Khung dữ liệu MAC trong 802.11

Frame control

Duration ID

Adress1 Adress2 Adress3 Sequence control

Adress4 Data CRC

- Frame control: chứa một số trường nhỏ, mỗi trường có một chức năng riêng như:

+ Phiên bản giao thức.

+ Loại khung.

+ Quản lý.

+ Điều khiển dữ liệu.

+ 2 bit DS chỉ thị ý nghĩa của trường điạ chỉ.

- Duration ID: chứa giá trị chu kỳ thời gian mà môi trường bị chiếm giữ.

- Address 1-4: ý nghĩa của mỗi trường địa chỉ phụ thuộc vào các bit DS trong trường điều khiển khung.

- Sequence Control: Chức năng sắp xếp trật tự các gói bị đảo lộn.

- Data: dữ liệu hiển thị dạng nhị phân.

- Checksum (CRC): kiểm tra lỗi.

Khung MAC có thể được lưu truyền giữa các trạm và giữa các trạm và điểm truy cập hoặc giữa các điểm truy cập phụ thuộc vào giá trị của 2 bit DS trong trường điều khiển.

2.2. Giao thức mạng không dây

Giao thức là tập hợp các qui tắc, qui ước chung để cho 2 hoặc nhiều máy tính có thể truyền thông với nhau. Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản cũng phải tuân theo những qui tắc nhất định. Do đó việc truyền thông tin trên mạng cũng cần phải có những qui ước về nhiều mặt, từ khuông dạng ( cú pháp, ngũ nghĩa) của dữ liệu cho tới các thủ tục gửi, nhận dữ liệu, kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin, xử lý các lỗi và sự cố. Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thì các qui tắc càng nhiều và phức tạp hơn. Tập tất cả các qui tắc, qui ước đó được gọi là giao

18

thức (protocol) mạng. Các mạng có thể sử dụng các giao thức khác nhau tuỳ lựa chọn của nhà thiết kế và yêu cầu của người sử dụng.

Chồng giao thức không dây:

- Sự truy nhập kiến trúc không dây bao gồm có một hệ thống trạm cơ sở phục vụ những hệ thông người thuê bao. Nó là một kiến trúc từ điểm tới nhiều điểm trong toàn bộ băng thông, dùng chung cho tất cả thuê bao truyền lên hay tải xuống. Chồng giao thức được thực hiện để làm tất cả công việc này dựa vào những tiêu chuẩn DOCSIS phát triển bởi tập hợp những phòng thí nghiệm dây cáp.

- Trạng thái hiện thời của kỹ thuật là phiên bản của CISCO gồm một trạm cơ sở cuối cùng ( một bộ dẫn UBR7200); kết thúc trạm cơ sở và hoạt động thuê bao cuối cùng như những tác nhân chuyển tiếp và cũng như những hệ thống kết thúc (những máy chủ). Như những tác nhân chuyển tiếp, những hệ thống này hoạt động bên trong cũng có thể bắc cầu qua hoặc đánh tan cách thức. Hàm chủ yếu của hệ thống không dây sẽ truyền những gói giao thức (IP) Internet rõ ràng giữa trạm cơ sở và dự định vị trí người thuê bao. Những hàm quản lý nhất định cũng đi trên IP bao gồm những hàm quản lý phạm vi và những phần mềm tải xuống.

- Cả thuê bao cuối cùng và trạm cơ sở cuối cùng của liên kết không dây là những máy chủ IP trên một mạng, và chúng hoàn toàn hỗ trợ tiêu chuẩn IP và những giao thức điều khiển liên kết logic (LLC), như được định nghĩa bởi Lan IEEE 802. IP và những giao thức (ARP) được hỗ trợ qua DIX và lớp liên kết khung SNAP. Đơn vị truyền cực tiểu lớp liên kết tối thiểu (MTU) truyền tự trạm cơ sở là 64 bytes; không có giới hạn như vậy cho người thuê bao cuối cùng. IEEE 802.2 hỗ trợ cho kiểm tra và những thông báo XID được cung cấp.

- Hàm sơ cấp của hệ thống không dây sẽ tới những gói trước. Dữ liệu đẩy tới hệ thống người thuê bao đang liên kết trong suốt lớp bắc cầu với 3 lớp lộ trình dựa vào IP. Cả 2 trạm cơ sở cuối cùng và người thuê bao cuối cùng cùng đuợc hỗ trợ DOCSIS những giao thức “spanning tree” và bao gồm khả năng lọc 802.1 cầu nối pdus d(BPDUs). Đặc tả DOCSIS cũng giả thiết rằng những đơn vị người thuê bao sẽ không được nối trong một cấu hình mà tạo ra những vòng mạng. Cả 2 trạm cơ sở cuối cùng và người thuê bao cuối cùng

19

cung cấp đầy đủ hỗ trợ khuông dạng cho giao thức quản lý nhóm Internet (IGMP).

Ngoài sự truyền dữ liệu của người dùng, còn có một số khả năng quản lý và thao tác mạng hỗ trợ cho trạm cơ sở và người thuê bao cuối cùng:

- Giao thức quản lý mạng đơn giản (SNMP), RFC-1157 cho quản lý mạng.

- Giao thức truyền file thông thường (TFTP), RFC-1350, một giao thức truyền file, thông tin được cấu hình và phần mềm được load xuống, được sửa đổi bởi RFC 2349

- Giao thức cấu hình máy chủ động (DHCP), RFC-2131, thông tin được cấu hình qua 1 khung làm việc tới máy chủ trên một mạng TCP/IP.

- Giao thức giờ của ngày RFC-868.

2.3. Kiến trúc mạng không dây

Kiến trúc mạng máy tính (Network architecture) là cách thức kết nối các máy tính lại với nhau và tập hợp các qui tắc, qui ước mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt.

Có 2 kiểu nối mạng chủ yếu đối vơi mạng không dây là:

- Mạng Ad hoc hay mạng peer to peer, gồm một số máy tính với mỗi máy tính được trang bị card giao diện không dây (NIC) và có thể liên lạc trực tiếp với tất cả các máy tính khác. Chúng có thể dùng chung file và máy in nhưng không có khả năng truy cập tài nguyên của Lan dây trừ khi một máy tính hoạt động như cầu kết nối tới LAN và sử dụng phần mềm đặc biệt.

- Mạng Infrastructure: điểm truy cập có thể cung cấp sự truy cập từ mạng LAN có dây truyền thống tới những trạm không dây. Một sự tích hợp LAN có dây với mạng LAN không dây gọi là cấu hình Infrastructure. Một bộ dịch vụ cơ bản BSS gồm một nhóm người dùng PC không dây và một điểm truy cập mà kết nối trực tiếp với LAN có dây. Mỗi PC không dây trong BSS này có thể giao tiếp với bất kỳ một máy nào trong nhóm qua liên kết sóng radio, hoặc truy cập những máy khác hoặc những tài nguyên mạng trong cơ sở mạng LAN có dây thông qua AP.

Một dạng khác dùng truy cập điểm hay trạm cơ sở: Kiểu này hoạt động như một Hub cung cấp khả năng giao tiếp với các máy tính. Chúng có thể kết nối giữa LAN có

20

dây và LAN không dây, cho phép các máy tính kết nối không dây truy cập tới tài nguyên của LAN dây như các dịch vụ file hoặc liên kết Internet có sẵn.

Có 2 kiểu truy cập điểm:

- Phần cứng chuyên dụng truy cập điểm (HAP): như WaveLan của Lucent, Base station của Apple hoặc AviatorPro của WebGear. Phần cứng truy cập điểm thường hỗ trợ toàn diện hơn đối với đặc tính không dây.

- Phần mềm truy cập điểm chạy trên máy tính với card giao diện mạng không dây thường được sử dụng trong Ad hoc cùng với sự tích hợp phần mềm hỗ trợ mạng. Do đó có thể dùng chung file và máy in giữa LAN và WLAN.

Sự khác nhau cơ bản của kiến trúc mạng không dây là ở 2 chế độ hoạt động:

- Infrastructure: Mạng không dây thường được mở rộng hơn và thay thế các mạng thông thường. Các dây chính kết nối tới các nút mạch được gọi là các trạm cơ sở. Các trạm cơ sở thường được qui ước là các máy tính cá nhân hoặc các trạm làm việc, chúng chịu trách nhiệm về việc kết hợp truy cập tới một hay nhiều kênh truyền với các vị trí chuyển động trong giới hạn các ô. Các kênh truyền có thể độc lập tuần tự trong FDMA, các khe thời gian trong TDMA hoặc các mã trực giao hay các mẫu từ nơi này tới nơi khác trong trường hợp CDMA. Vì vậy bên trong cơ sở hạ tầng mạng truy cập không dây từ dây chủ xuất hiện bước nhảy giữa trạm cơ sở và máy chủ di động.

- Ad-hoc: Các mạng Ad-hoc mô tả đặc điểm động, không báo trước, ngẫu nhiên đa bước nhảy ngắn. Sự thay đổi định kỳ chuyển đổi công nghệ sử dụng với định hướng cập nhật các mạng Ad-hoc trợ giúp trong địa thế mà kết nối là cần thiết thường sử dụng với môi trường quân đội.

2.4. Phân bố địa chỉ IP

Mỗi một máy tính trên mạng đều được gắn một địa chỉ IP (địa chỉ logic) và một địa chỉ lớp MAC (địa chỉ vật lý).

Địa chỉ IP phiên bản 4 sử dụng 3 loại địa chỉ:

- Unicast: để thực hiện một giao diện riêng lẻ từ một hệ thống riêng lẻ. Gói dữ liệu IP gửi tới một điạ chỉ Unicast sẽ được gửi tới tất cả các host riêng lẻ.

- Multicast: để thực hiện một hoặc nhiều hơn các giao diện, nhưng đặc biệt không phải cho tất cả. Gói dữ liệu IP gửi tới một địa chỉ Multicast sẽ được gửi tới tất cả các host tham dự trong nhóm Multicast này.

21

- Broadcast: thể hiện tất cả các giao diện trên tất cả các host. Thông thường điều đó giới hạn ở tất cả các host trên mạng cục bộ.

Hầu hết tất cả các host ứng dụng IP sẽ có một card hoặc một Modem mảng riêng lẻ, và giao diện này sẽ có một địa chỉ IP riêng lẻ. Khi có sự liên lạc giữa các host, thì hầu hết các tait đường truyền sẽ có địa chỉ Unicast trong cả địa chỉ nguồn và đích.

IP phiên bản 4 hiện gồm 32 bit và chia làm 5 lớp mạng:

Classbit Net ID Host ID

Classbit: bit nhận dạng lớp

Net ID: địa chỉ mạng

Host ID: địa chỉ máy chủ

Địa chỉ lớp Vùng địa chỉ lý thuyết

Số mạng tối đa Số server tối đa

A Từ 0 đến 127 126 16777214

B Từ 128 đến 191 16382 65534

C Từ 192 đến 223 2097150 254

D Từ 224 đến 240 Chưa phân

E Từ 241 đến 255 Chưa phân

Bảng 1 . Bảng địa chỉ IP phiên bản 4

2.5. Thiết bị cho WLAN.

Các thiết bị cho WLAN bao gồm 1 card giao diện không dây (wireless adaptor), điểm truy cập (AP) và anten thu phát sóng radio.

2.5.1. Wireless Adaptor

22

Adaptor không dây là giao diện máy tính đến mạng không dây bằng sự điều chế tín hiệu dữ liệu với sự trải tuần tự và bổ sung hướng sóng mạng của giao thức truy cập. Nếu máy tính cần gửi dữ liệu lên mạng, Adaptor sẽ nghe các quá trình truyền khác. Nếu Adaptor không thấy hướng của quá trình truyền khác, nó sẽ truyền đi khung dữ liệu. Các trạm khác liên tục nghe dữ liệu đến, sự giành được khung truyền và kiểm tra xem địa chỉ của nó có phù hợp với địa chỉ nguồn ở đầu khung hay không, nếu phù hợp nó sẽ xử lý khung, nếu không nó sẽ loại bỏ khung.

WL-2100U

Đây là loại Wireless Adaptor làm việc với giao diện USB, tiêu chuẩn 802.11b.

a) Đặc tính

- IEEE 802b DS tốc độ cao.

- Tốc độ 1, 2, 5, 11 Mbps.

- Tự động lưu trữ tốc độ dữ liệu trên môi trường ồn.

- Mã hoá dữ liệu với sự mã hoá 64 và 128 bit WEP.

- Tương thích với hầu hết các hệ điều hành.

- Hỗ trợ điều khiển RTS/CTS cho thông lượng tốt nhất.

- Chức năng liên lạc di động có thể cung cấp đầy đủ các tính di động.

b) Đặc tả

Tiêu chuẩn IEEE 802.11b và USB

Giao diện Loại USB tới PC

Giao thức truyền TCP/IP

Hỗ trợ hệ điều hành Windows 98/ 98se/ 2000/ Me

Dải tần số 2.4-2.4385 GHz

Kênh hoạt động 1-14

Điều chế CCK 11/5.5Mbps, DQPSK 2Mbps và DBPSK 1Mbps

23

Kỹ thuật radio DSSS

Truy cập môi trường

Điều khiển CSMA/CA với ACK

Tốc độ dữ liệu 1/ 2/ 5/ 11 Mbps

Công suất lối ra 14.5 dBm (tiêu biểu)

Độ nhạy thu Min -76dBm cho 11 Mbps

Min -80 dBm cho 5.5/ 2/ 1 Mbps

Phạm vi Trong nhà 30-100m, bên ngoài 100-400m

Kiến trúc mạng Chế độ Adhoc và Infrastructure

Kiểu anten 2dBi dipole với chức năng đa dạng

Nhiệt độ Hoạt động 0-55C. Lưu giữ 0-90C

Độ ẩm Hoạt động 0-70C. Lưu giữ 0-90C

LED TX,RX,ACT,MAC.PLL và PWR

Kích thước vật lý 150mm*90mm*70mm

Bảng 2 .Đặc tả WL-2100U

2.5.2. Anten

2.5.2.1. Đặc điểm chung của anten

Anten bức xạ ra cac tín hiệu được điều chế thông qua không trung để nơi nhận có thể thu được. Các anten đưa đến nhiều hình dạng và kích thước và có các tính chất điện cụ thể như sau:

- Kiểu truyền

- Công suất bức xạ

- Độ tăng ích anten

24

- Dải thông

Kiểu anten được định nghĩa là vùng bao phủ của nó. Thật vậy, loại anten tác dụng theo mọi hướng phát công suất của nó trong tất cả các hướng, trong khi anten định hướng tập trung tất cả công suất của nó theo một hướng. Công xuất bức xạ là hiệu suất đầu ra của máy phát radio. Tất cả các thiết bị mạng không dây đều hoạt động ở công suất nhỏ hơn 5W.

Anten định hướng có độ tăng ích cao hơn loại tác dụng theo mọi hướng và có khả năng truyền tín hiệu điều chế xa hơn. Tổng độ tăng ích phụ thuộc vào hướng anten. Anten Omni có độ tăng ích 1; có nghĩa là nó tập trung công suất trong bất kỳ hướng riêng biệt nào. Sự kết hợp độ tăng ích và công suất phát của anten xác định khoảng cách tín hiệu sẽ được truyền. Loại anten Omni được cài đặt trong trạm trung tâm trong ứng dụng không dây điểm điểm.

2.5.2.2. Một số loại anten

Tên ANT-FP18 ANT-YG13 ANT-YG20 ANT-OM8

Tần số 2400-2485MHz 2400-2485MHz 2400-2485MHz 2400-2485MHz

Loại anten

Uni, bảng bằng phẳng

Uni Yagi Uni Yagi Omni

Độ tăng ích

18 13 20 8

VSWR <=1.5 <=1.5 <=1.5 <=2.0

Mặt phẳng

toạ độ H

45 32 20 8

Mặt phẳng

toạ độ E

75 13 13 60

Kiểu dính

Trên tường Trên cột anten Trên cột anten Trên cột anten

25

Trở kháng

50 Ohm 50 50 50

Kết nối N Female N Female N Female N Female

Công suất vào

max

20W 50W 50W 50W

Nặng 900g 485g 575g 390g

Kích thước

263*263*30mm 771*70*43mm 1005*90*43mm 415*35*35mm

Bảng 3. Một số loại anten

VSWR (Voltage Standard Wave Ratio): Hệ số sóng đứng điện áp.

2.5.3. Điểm truy cập (AP)

AP trong cấu hình Wlan đóng vai trò là điểm truy cập phục vụ khách hàng không dây. Trong các cấu hình khác nhau, AP có thể là Wireless bridge, Router, Repeater.

- Cầu không dây điểm - điểm ( Point to point Wireless Bridge): Để đạt được mục đích của việc kết nối các Lan có dây tách rời, có 2 loại cấu hình được thiết lập trong cầu không dây được gọi là “Bridge master” và “Bridge Slave”.

- Cầu không dây điểm- đa điểm (Point to Multipoint Wireless Bridge): Khi liên kết 3 hoặc nhiều hơn các Lan với nhau (thường bên trong toà nhà hoặc giữa các ngôi nhà). Mỗi toà nhà yêu cầu một cầu không dây. Cái này gọi là cầu không dây đa điểm.

AP loại WL 2100A, 11 Mbps: Sử dụng chuẩn IEEE 802.11 DS tốc độ cao, với tốc độ kết nối không dây cao 11 Mbps, tiêu thụ công suất ít. Dùng tiện ích quản lý SNMP, tự động dự phòng dữ liệu trong môi trường ồn với kỹ thuật mã hoá WEP 64/128 bit, và DSSS 2.4GHz. AP này có phạm vi hoạt động trên 1800feet, hỗ trợ 64 người dùng, trong dải ISM.

26

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 cho Wlan

Kiểu điều chế dữ liệu BPSK/QPSK/CKK

Tốc độ dữ liệu Trên 11 Mbps

Phạm vi hoạt động 35-100m(trong nhà) 100-300m(khoảng mở)

Chỉ thị LED Power, Wireless Activity, Ethernet Link

Giao diện Ethernet 10Base-T(RJ45)

Cổng Một RJ45 Một USB

Sự phát xạ DSSS

Công suất lối ra 15dBm (tiêu biểu)

Kiến trúc mạng Ad hoc, Infrastructure, Roaming

Kích thước 206*142*35mm

Trọng lượng 205g

Công suất lối vào AC 100-2400V, 50-60GHz, 1A

Nhiệt độ Hoạt động ở 0-40C, lưu giữ 20-70C

Độ ẩm 95% không ngưng tụ

Bảng 4. AP loại WL 2100A

27

PHẦN 2

MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN)

Ch­¬ng 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN)

1.1 . Kh¸i qu¸t

Nh÷ng kü thuËt tiªn tiÕn gÇn ®©y ®· cho ta mét sè l­îng lín cña nguån

n¨ng l­îng thÊp trong t­¬ng lai. Nh÷ng thiÕt bÞ c¶m nhËn rÎ ®­îc nhóng dµy ®Æc

trªn mét tinh thÓ vËt lý, ho¹t ®éng chung trong mét m¹ng kh«ng d©y. Nh÷ng øng

dông cña m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y bao gåm vïng rÊt réng lín: quan s¸t m«i

tr­êng sinh th¸i, gi¸m ®Þnh cÊu tróc vÒ søc khoÎ, dß t×m c¸c chÊt g©y « nhiÔm

m«i tr­êng, ®iÒu khiÓn xö lý c«ng nghiÖp, t×m ®­êng môc tiªu trong qu©n sù, vµ

nh÷ng c¸i kh¸c.

Mét b¸o c¸o héi ®ång nghiªn cøu quèc gia Hoa Kú ®· chØ ra r»ng viÖc sö

dông c¸c m¹ng nh­ vËy kh¾p mäi n¬i trong x· héi cã thÓ lµ mét cuéc c¸ch m¹ng

khoa häc th«ng tin. C¸c m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y cung cÊp c¸c cÇu gi÷a c¸c

thÕ giíi ¶o cña c«ng nghÖ th«ng tin vµ thÕ giíi vËt lý thËt. Nã sÏ giíi thiÖu mét

khung mÉu gèc chuyÓn tõ giao tiÕp c¸ nh©n theo kiÓu truyÒn thèng trong thÕ giíi

loµi ng­êi sang kiÓu giao tiÕp gi÷a c¸c thiÕt bÞ mét c¸ch tù ®éng. Nã høa hÑn

mét kh¶ n¨ng míi ch­a tõng cã ®Ó quan s¸t vµ hiÓu ®­îc c¸c bÒ mÆt réng lín,

c¸c hiÖn t­îng tù nhiªn thùc víi gi¶i ph¸p vÒ kh«ng gian vµ thêi gian. Víi kÕt

qu¶ ®ã, m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y còng cho thÊy tiÒm n¨ng cã thÓ ®em l¹i mét

tiÕn bé trong khoa häc qu©n sù.

Mét trong nh÷ng nç lùc nghiªn cøu sím nhÊt trong h­íng ®i nµy lµ dù ¸n

n¨ng l­îng thÊp kh«ng d©y ®­îc tÝch hîp trong vi c¶m biÕn (LWIM) ë UCLA

bëi Darpa. Dù ¸n LWIM tËp trung ph¸t triÓn c¸c thiÕt bÞ cã n¨ng l­îng ®iÖn tö

thÊp trong mét thø tù lín nhÊt cã thÓ cho c¸c m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y dµy

®Æc. Dù ¸n nµy ®­îc kÕ tiÕp bëi dù ¸n c¶m biÕn m¹ng tÝch hîp kh«ng d©y WINS

trong mét vµi n¨m n÷a, trong ®ã nh÷ng nhµ nghiªn cøu ë UCLA ®· céng t¸c víi

Rockwell Science Center ®Ó ph¸t triÓn mét trong nh÷ng thiÕt bÞ c¶m biÕn kh«ng

d©y ®Çu tiªn. C¸c dù ¸n sím kh¸c trong lÜnh vùc nµy gåm MIT, Berkeley, USC.

28

C¸c nhµ nghiªn cøu ë Berkeley ®· ph¸t triÓn c¸c thiÕt bÞ m¹ng c¶m nhËn

kh«ng d©y, gäi lµ c¸c h¹t bôi “motes”, nã ®­îc t¹o thµnh mét c¸ch c«ng khai,

s½n sµng ®Ó th­¬ng m¹i ho¸, cïng víi TinyOS mét hÖ ®iÒu hµnh kÕt nèi nhóng

®Ó cã thÓ dÔ dµng sö dông thiÕt bÞ nµy. H×nh d­íi minh ho¹ 1 thiÕt bÞ “h¹t bôi”

cña Berkeley. Sù tiÖn Ých cña c¸c thiÕt bÞ nµy còng nh­ mét ch­¬ng tr×nh dÔ sö

dông, ho¹t ®éng ®Çy ®ñ, víi gi¸ nÒn t­¬ng ®èi rÎ, cho c¸c thÝ nghiÖm vµ triÓn

khai thùc tÕ ®· mang l¹i mét vai trß ®Çy ®ñ trong cuéc c¸ch m¹ng vµng cña

m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y.

H×nh 1. ThiÕt bÞ “h¹t bôi” cña Berkeley

1.2. C¸c thiÕt bÞ m¹ng c¶m biÕn kh«ng d©y

Nh­ h×nh vÏ d­íi chØ ra, c¸c thiÕt bÞ chÝnh t¹o ra m¹ng c¶m nhËn kh«ng

d©y (WSN) bao gåm:

H×nh 2. C¸c thiÕt bÞ m¹ng c¶m biÕn kh«ng d©y

29

1.2.1. Bé xö lý nhóng n¨ng l­îng thÊp

C¸c thiÕt bÞ tÝnh to¸n cña mét thiÕt bÞ WSN bao gåm viÖc xö lý tèt 2 lo¹i:

th«ng tin c¶m nhËn côc bé vµ th«ng tin giao tiÕp bëi c¸c c¶m biÕn kh¸c. HiÖn

nay, d­íi ¸p lùc ®Çu tiªn vÒ kinh tÕ, c¸c bé xö lý nhóng th­êng ®­îc gi÷ ®Æc biÖt

trong giíi h¹n n¨ng l­îng m¸y tÝnh (vÝ dô: rÊt nhiÒu thiÕt bÞ sö dông trong

nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn hiÖn nay chØ cã mét bé xö lý 8 bit 16 MHz). Nã còng

buéc phÇn lín c¸c lo¹i thiÕt bÞ vµ bé xö lý ch¹y c¸c bé thµnh phÇn c¬ b¶n chuyªn

dông nhóng trong c¸c hÖ ®iÒu hµnh, nh­ TinyOS. Tuy nhiªn, nã buéc ta ph¶i

nhí r»ng mét m¹ng c¶m nhËn cã thÓ kh«ng ®ång bé vµ bao gåm Ýt nhÊt mét vµi

nót ®¸ng kÓ ho¹t ®éng víi giíi h¹n lín h¬n n¨ng l­îng m¸y tÝnh. H¬n thÕ n÷a,

luËt Moore chØ ra r»ng, c¸c thiÕt bÞ WSN trong t­¬ng lai cã thÓ chiÕm phÇn lín

c¸c bé xö lý nhóng. Nã còng sÏ hîp nhÊt c¸c kü thuËt thiÕt kÕ n¨ng l­îng thÊp

tiªn tiÕn, nh­ hiÖu qu¶ cña chÕ ®é ngñ, thÕ tr­ît tÝch cùc ®Ó cung cÊp c¸c n¨ng

l­îng nhí thÝch hîp.

1.2.2. Bé nhí vµ l­u tr÷

Bé l­u tr÷ truy cËp ngÉu nhiªn vµ bé l­u tr÷ chØ ®äc bao gåm c¶ bé nhí

ch­¬ng tr×nh ( tõ ®ã mµ c¸c chØ thÞ ®­îc thi hµnh bëi bé xö lý) , vµ c¸c bé nhí d÷

liÖu ( l­u tr÷ th« vµ xö lý c¸c sè ®o c¶m biÕn vµ c¸c lo¹i th«ng tin ®Þnh vÞ kh¸c).

Sè l­îng cña bé nhí vµ l­u tr÷ trªn mét thiÕt bÞ bo m¹ch WSN th­êng ®­îc giíi

h¹n tr­íc hÕt bëi c¸c ®iÒu kiÖn vÒ kinh tÕ, vµ còng cã kh¶ n¨ng ®­îc c¶i thiÖn

theo thêi gian.

1.2.3. M¸y thu ph¸t bøc x¹

C¸c thiÕt bÞ WSN bao gåm mét bøc x¹ kh«ng d©y tèc ®é thÊp, trong

kho¶ng ng¾n (10-100 kbps, <100m). Còng víi kh¶ n¨ng giíi h¹n nµy, nh÷ng bøc

x¹ còng cã thÓ c¶i thiÖn t­¬ng ®èi theo thêi gian, c¶i thiÖn vÒ gi¸, hiÖu suÊt phæ,

kh¶ n¨ng ®iÒu h­íng vµ chèng ån, gi¶m ©m, giao thoa. Giao tiÕp bøc x¹ th­êng

lµ thiÕt bÞ WSN ho¹t ®éng ë møc n¨ng l­îng lín nhÊt, vµ do ®ã, bøc x¹ ph¶i hîp

nhÊt chÕ ®é n¨ng l­îng ngñ vµ thøc.

1.2.4. C¶m biÕn

30

N¨ng l­îng ®ßi hái vµ c«ng suÊt b¾t buéc, c¸c thiÕt bÞ WSN ®Çu tiªn chØ bæ

trî cho c¸c c¶m biÕn víi tèc ®é d÷ liÖu thÊp. RÊt nhiÒu øng dông ®ßi hái ®a

ph­¬ng thøc c¶m biÕn, mµ mçi mét thiÕt bÞ cã thÓ cã nh÷ng c¶m biÕn riªng trªn

bo m¹ch. C¸c c¶m biÕn cô thÓ ®­îc sö dông phô thuéc lín vµo c¸c øng dông; vÝ

dô: nã cã thÓ bao gåm c¶m biÕn nhiÖt ®é, c¶m biÕn quang, c¶m biÕn ®é Èm, c¶m

biÕn ¸p lùc, c¶m biÕn gia tèc, tõ tr­êng, ho¸ häc, thËm chÝ lµ c¸c h×nh ¶nh.

1.2.5. HÖ thèng ®Þnh vÞ ®Þa lý

Trong rÊt nhiÒu øng dông WSN, ®iÒu cùc kú quan träng lµ nhËn biÕt ®­îc

vÞ trÝ cña c¸c sè ®o cña c¸c c¶m biÕn. C¸ch ®¬n gi¶n nhÊt ®Ó nhËn biÕt vÞ trÝ lµ

cÊu h×nh tr­íc vÞ trÝ cña c¸c c¶m biÕn khi tr¶i ra. Nh­ng c¸ch nµy chØ kh¶ thi

trong mét vïng d¶i giíi h¹n. §Æc biÖt cho c¸c ho¹t ®éng ngoµi trêi, khi mµ c¸c

m¹ng l­íi ®­îc tr¶i mét c¸ch ®Æc biÖt, c¸c th«ng tin ®ã dÔ thu nhËn th«ng qua vÖ

tinh c¬ b¶n GPS. Tuy nhiªn c¸c øng dông ®ã, chØ sù chia nhá ë mçi nót cã thÓ

thùc hiÖn víi kh¶ n¨ng cña GPS , ®Òu phô thuéc vµo tù nhiªn vµ kinh tÕ. Trong

tr­êng hîp nµy, c¸c nót kh¸c ph¶i ®¸nh gi¸ ®­îc vÞ trÝ cña chóng mét c¸ch gi¸n

tiÕp th«ng qua mét m¹ng ®Þnh vÞ vÒ thuËt to¸n.

1.2.6. Nguån n¨ng l­îng

§Ó mÒm dÎo cho viÖc tr¶i réng, c¸c thiÕt bÞ WSN cã kh¶ n¨ng lµ c¸c pin

n¨ng l­îng ( vÝ dô: sö dông c¸c lo¹i pin LiMH AA). Trong khi mét vµi nót cã

thÓ ®­îc nèi d©y víi c¸c nguån n¨ng l­îng ë mét vµi øng dông, vµ n¨ng l­îng

thu ®­îc trong kü thuËt nµy cã thÓ cung cÊp mét phÇn n¨ng l­îng t¸i sinh ®Ó

ho¹t ®éng. N¨ng l­îng pin h¹n chÕ cã kh¶ n¨ng trë thµnh nguån giíi h¹n nhÊt

trong c¸c øng dông WSN.

Phô thuéc vµo c¸c øng dông, c¸c thiÕt bÞ WSN cã thÓ kÕt nèi m¹ng víi

nhau theo mét sè con ®­êng. Trong c¸c øng dông mµ d÷ liÖu c¬ së tô l¹i, vÝ dô,

cã mét nót ®­îc coi nh­ mét sink mµ tÊt c¶ d÷ liÖu tõ c¸c nót c¶m biÕn nguån

®Òu ®Þnh h­íng tíi. Topo logic ®¬n gi¶n nhÊt cho giao tiÕp d÷ liÖu tô l¹i lµ mét

cÇu ®¬n topo sao, ë ®ã, tÊt c¶ c¸c nót ®Òu göi d÷ liÖu trùc tiÕp ®Õn vòng (sink).

Trong m¹ng víi chÕ ®é truyÒn n¨ng l­îng thÊp, hoÆc ë ®ã, c¸c nót truyÒn triÓn

khai qua mét vïng réng, mét cÊu tróc c©y ®a cÇu cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó tô d÷

liÖu. Trong tr­êng hîp nµy, mét vµi nót cã thÓ ho¹t ®éng chung nguån, c¸c

router sÏ dÉn ®­êng cho c¸c nguån kh¸c.

31

Mét ®Æc ®iÓm thó vÞ cña m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y lµ nã th­êng xuyªn

cho phÐp kh¶ n¨ng xö lý m¹ng th«ng minh. C¸c nót trung gian däc theo ®­êng

truyÒn kh«ng chØ ®¬n thuÇn ho¹t ®éng chuyÓn c¸c gãi d÷ liÖu, mµ cßn cã thÓ

kiÓm tra vµ xö lý néi dung cña gãi d÷ liÖu truyÒn qua chóng. Nã th­êng ®­îc

dïng ®Ó nÐn d÷ liÖu hoÆc xö lý tÝn hiÖu ®Ó c¶i thiÖn chÊt l­îng cña th«ng tin thu

®­îc.

1.3. øng dông cña m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y

C¸c øng dông riªng cña WSN vÉn cßn rÊt nhiÒu tiÒm n¨ng ®Ó nghiªn cøu vµ

ph¸t triÓn, c¶ trong nghiªn cøu vµ c«ng nghiÖp. Ta cã thÓ miªu t¶ mét vµi øng

dông tõ ph¹m vi kh¸c mét c¸ch ng¾n gän ®Ó ®­a ra mét c¶m biÕn ë vïng lín

trong tr­êng nµy.

1.3.1. Quan s¸t m«i tr­êng sinh th¸i

Khoa häc nghiªn cøu m«i tr­êng sinh th¸i (®éng vËt, c©y cèi, tÕ bµo)

th­êng ®­a ta ®Õn viÖc kiÓm tra c¸c ho¹t ®éng víi ng­êi ®iÒu tra. Mét mèi quan

t©m thùc sù theo c¸ch nghiªn cøu nµy lµ ®«i khi nh÷ng hiÖu øng quan s¸t – sù

xuÊt hiÖn vµ c¸c ho¹t ®éng cã kh¶ n¨ng x©m ph¹m tr­êng quan s¸t cã thÓ ¶nh

h­ëng tíi ho¹t ®éng cña c¸c tæ chøc trong m«i tr­êng quan s¸t vµ ¶nh h­ëng tíi

hiÖu qu¶ quan s¸t. M¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y kh«ng cÇn quan s¸t, víi mét m¸y

lµm s¹ch, quan s¸t tõ xa, tiÖm cËn víi m«i tr­êng quan s¸t. Xa h¬n, m¹ng c¶m

nhËn víi kh¶ n¨ng tr­ît lín trong mét khung kh«ng gian thêi gian dµy réng, cã

thÓ cung cÊp d÷ liÖu phong phó ch­a tõng thÊy.

1.3.2. Theo dâi trong qu©n sù vµ t×m kiÕm môc tiªu

Còng nh­ rÊt nhiÒu kü thuËt vÒ th«ng tin kh¸c, m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y

b¾t nguån tr­íc tiªn tõ nh÷ng nghiªn cøu vÒ qu©n sù. M¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y

kh«ng cÇn cã ng­êi quan s¸t cho ta h×nh dung ®­îc c«ng thøc chÝnh ®Ó tiÕn tíi

gÇn c¸c hÖ thèng m¹ng xung ®ét trung t©m. Nã cã thÓ triÓn khai nhanh chãng

cho viÖc theo dâi vµ sö dông ®Ó cung cÊp c¸c th«ng tin chiÕn tr­êng th«ng minh

vÒ vÞ trÝ, sè l­îng, chuyÓn ®éng, vµ nhËn d¹ng ng­êi hay xe cé vµ dß t×m c¸c lo¹i

vò khÝ ho¸ häc, sinh häc, hay nguyªn tö.

1.3.3. Quan s¸t ®Þa chÊn vµ cÊu tróc

32

¥ mét líp kh¸c cña øng dông cho m¹ng c¶m nhËn g¾n liÒn víi viÖc gi¸m

s¸t c¸c ®iÒu kiÖn cña cÊu tróc. CÊu tróc cã thÓ lµ c¸c toµ nhµ, cÇu ®­êng, thËm

chÝ lµ c¶ m¸y bay. HiÖn t¹i ®é bÒn cña cÊu tróc ®­îc gi¸m s¸t tr­íc hÕt lµ thñ

c«ng vµ kiÓm tra b»ng m¾t th­êng, ®«i khi lµ kh¸ ®¾t tiÒn, cßn kü thuËt th× tiªu

tèn thêi gian, nh­ tia X vµ siªu ©m. Kü thuËt m¹ng c¶m nhËn kh«ng cÇn theo dâi

cã thÓ tù ®éng trong qu¸ tr×nh xö lý, cung cÊp th«ng tin kÞp thêi vµ phong phó vÒ

nh÷ng vÕt nøt gÉy míi xuÊt hiÖn hay c¸c tæn h¹i vÒ cÊu tróc. C¸c nhµ nghiªn cøu

®· h×nh dung viÖc triÓn khai c¸c c¶m biÕn nhóng trong mét cÊu tróc cô thÓ lµ g¾n

vµo lo¹i vËt chÊt lµm nªn vËt liÖu cña toµ nhµ hay trªn bÒ mÆt. C¸c m¹ng c¶m

nhËn nµy sÏ cã giíi h¹n ®é bÒn lín ®Õn møc c¸c sù viÖc g©y huû ho¹i sau ®ã, nh­

næ hay ®éng ®Êt kh«ng lµm háng. Mét c¸i nh×n ®Æc biÖt thuyÕt phôc trong t­¬ng

lai cña viÖc sö dông m¹ng c¶m nhËn bao gåm sù ph¸t triÓn cña cÊu tróc ®iÒu

khiÓn chøa ®éng c¬, sÏ ph¶n øng l¹i th«ng tin c¶m biÕn thêi gian thùc ®Ó thi

hµnh “viÖc xo¸ bá ph¶n chÊn” trong c¸c sãng ®i¹ chÊn vµ cã thÓ lµm cho cÊu tróc

kh«ng bÞ t¸c ®éng bëi bÊt kÓ mét x¸o trén bªn ngoµi nµo.

1.3.4. C«ng nghiÖp vµ th­¬ng m¹i m¹ng c¶m nhËn

Trong c¸c nhµ m¸y c«ng nghiÖp, c¸c c¶m biÕn vµ ®éng c¬ ®­îc sö dông ®Ó

xö lý gi¸m s¸t vµ kiÓm tra. VÝ dô trong mét kÕ ho¹ch xö lý ho¸ häc nhiÒu giai

®o¹n, cã thÓ g¾n rÊt nhiÒu c¸c c¶m biÕn ë nh÷ng vÞ trÝ kh¸c nhau trong bé xö lý

theo mét thø tù ®Ó cã thÓ gi¸m s¸t ®­îc nhiÖt ®é, kÕt hîp ho¸ häc, ¸p suÊt…

Th«ng tin gi¸m s¸t thêi gian thùc cã thÓ ®­îc dïng ®Ó thay ®æi khèi ®iÒu khiÓn

bé xö lý, nh­ thªm vµo c¸c l­îng thµnh phÇn ®Æc biÖt hoÆc thay ®æi c¸c cµi ®Æt

vÒ nhiÖt. Ch×a kho¸ thuËn lîi cña viÖc t¹o ra c¸c m¹ng kh«ng d©y cña c¸c c¶m

biÕn trong ®iÒu kiÖn nµy lµ chóng cã thÓ c¶i thiÖn cã hiÖu qu¶ vÒ gi¸ thµnh còng

nh­ c¸c liªn kÕt mÒm dÎo víi viÖc l¾p ®Æt, duy tr× vµ n©ng cÊp c¸c hÖ thèng d©y

nèi. Mét chØ sè th­¬ng m¹i høa hÑn cho m¹ng kh«ng d©y khi ®· cã c¸c c«ng ty

c¸ nh©n ph¸t triÓn vµ th­¬ng m¹i ho¸ s¶n phÈm nµy, vµ còng cã c¸c xu thÕ ph¸t

triÓn s¹ch t×m ra c¸c kü thuËt chuÈn liªn quan, nh­ chuÈn IEEE 802.15.4, vµ c¸c

nç lùc liªn kÕt trong c«ng nghiÖp nh­ Zigbee Alliance.

1.4. Th¸ch thøc thiÕt kÕ chÝnh

M¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y thùc sù hÊp dÉn víi khoa häc trong t­¬ng lai,

nã xuÊt hiÖn mét sè l­îng lín c¸c th¸ch thøc thùc sù bëi kh«ng thÓ ®Ò cËp ®Õn

mét c¸ch tho¶ ®¸ng víi nh÷ng kü thuËt ®ang tån t¹i:

33

1.4.1. Thêi gian sèng më réng

Nh­ ®· ®Ò cËp ë trªn, c¸c nót WSN sÏ trë thµnh nguån n¨ng l­îng b¾t buéc

cho giíi h¹n cña c¸c lo¹i pin. Mét lo¹i pin kiÒm, vÝ dô, cung cÊp 50Wh n¨ng

l­îng, nã cã thÓ truyÒn cho mçi nót trong chÕ ®é tÝch cùc gÇn mét th¸ng ho¹t

®éng. Sù tiªu tèn vµ tÝnh kh¶ thi cña gi¸m s¸t vµ thay thÕ pin cho mét m¹ng réng,

thêi gian sèng dµi h¬n ®­îc thiÕt kÕ. Trong thùc tiÔn, rÊt cÇn thiÕt trong rÊt nhiÒu

øng dông ®Ó b¶o ®¶m r»ng m¹ng tù ®éng c¶m biÕn kh«ng d©y cã thÓ sö dông

kh«ng cÇn sù thay thÕ nµo cho vµi n¨m sö dông. Sù c¶i thiÖn cña phÇn cøng trong

thiÕt kÕ pin vµ kü thuËt thu n¨ng l­îng sÏ gióp ta mét phÇn trong c¸c gi¶i ph¸p.

§©y còng lµ lý do mµ c¸c giao thøc thiÕt kÕ tèt nhÊt cña m¹ng c¶m nhËn kh«ng

d©y ®­îc thiÕt kÕ râ rµng víi n¨ng l­îng ®¹t hiÖu qu¶ nh­ mét thµnh c«ng ®Çu

tiªn. §­¬ng nhiªn, thµnh c«ng nµy ph¶i c©n b»ng l¹i mét sè quan t©m kh¸c.

1.4.2. §¸p øng

Mét gi¶i ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt ®Ó më réng thêi gian sèng cña m¹ng lµ t¸c

®éng vµo nót trong chu tr×nh nhiÖm vô víi mét kho¸ tuÇn hoµn gi÷a chÕ ®é ngñ

vµ thøc. Trong khi ®ång bé qu¸ tr×nh ngñ ®ã th× kÝch thÝch vµo chÝnh nã, mét

mèi quan t©m lín lµ giai ®o¹n ngñ kÐo dµi mét c¸ch tuú ý cã thÓ lµm gi¶m ®¸p

øng vµ hiÖu lùc cña c¸c c¶m biÕn. Trong c¸c øng dông mµ ë ®ã ®iÒu then chèt lµ

c¸c sù kiÖn tù nhiªn ph¶i ®­îc dß ra vµ th«ng b¸o nhanh chãng , nh÷ng kh¶ n¨ng

tiÒm Èn g©y ra bëi qu¸ tr×nh ngñ ph¶i ®­îc gi÷ trong mét giíi h¹n sÝt sao, thËm

chÝ cã thÓ lµ sù xuÊt hiÖn cña t¾c nghÏn m¹ng.

1.4.3. Søc m¹nh

C¸i nh×n cña m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y ®­îc cung cÊp ë ph¹m vi réng lín,

c¸c th«ng tin ®­a ra ch­a mÞn, ®iÒu nµy thóc ®Èy viÖc sö dông mét sè l­îng lín

c¸c thiÕt bÞ rÎ. Tuy nhiªn c¸c thiÕt bÞ cã thÓ kh«ng ®¸ng tin cËy vµ dÔ háng. Tèc

®é cña thiÕt bÞ g©y lçi còng cã thÓ trë nªn cao bÊt cø khi nµo c¸c thiÕt bÞ c¶m

nhËn ®­îc triÓn khai th« trong c¸c ®iÒu kiÖn kh¾c nghiÖt. V× vËy c¸c thiÕt kÕ

giao thøc ph¶i g¾n liÒn víi c¬ khÝ ®Ó cung øng vÒ søc m¹nh. CÇn thiÕt ®Ó ®¶m

b¶o r»ng hiÖu suÊt toµn cÇu cña hÖ thèng kh«ng bÞ háng khi mét c¸ thÓ riªng bÞ

lçi. Xa h¬n n÷a, nã còng rÊt cÇn thiÕt ®Ó hiÖu suÊt hÖ thèng suy tho¸i chËm nhÊt

cã thÓ víi sù l­u t©m ®Õn c¸c thiÕt bÞ lçi.

1.4.4. Bæ trî

34

LuËt Moore ®­a ra mét kü thuËt ®¶m b¶o r»ng kh¶ n¨ng cña thiÕt bÞ trong

giíi h¹n cña n¨ng l­îng xö lý, bé nhí, l­u tr­, hiÖu suÊt truyÒn bøc x¹ radio,

thËm chÝ lµ c¶i thiÖn nhanh chãng ®é chÝnh x¸c cña c¶m biÕn. Tuy nhiªn nÕu xÐt

vÒ kinh tÕ th× gi¸ cña mçi nót sÏ ®­îc gi¶m m¹nh tõ 100$ xuèng vµi cent, rÊt cã

thÓ kh¶ n¨ng cña mçi nót riªng biÖt sÏ cßn ph¶i xÐt ®Õn ë mét vµi ph¹m vi. V×

vËy, th¸ch thøc ®Æt ra lµ thiÕt kÕ c¸c giao thøc bæ trî, nã ®¶m b¶o hÖ thèng ho¹t

®éng kh«ng lçi h¬n lµ chØ kÕt hîp kh¶ n¨ng cña c¸c thµnh phÇn ®¬n lÎ. Giao thøc

nµy còng ®ßi hái kÕt hîp hiÖu qu¶ viÖc sö dông bé l­u tr÷, tÝnh to¸n vµ c¸c

nguån giao tiÕp.

1.4.5. Më réng ph¹m vi

Trong rÊt nhiÒu c¸c øng dông c¶m nhËn ®­îc, c¸c tæ hîp cña c¶m biÕn cã

nh©n vµ ë mét vïng réng lín bao gåm c¸c m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y cã kh¶

n¨ng ho¹t ®éng ë mét vïng cùc réng (10 ngµn, thËm chÝ 1triÖu nót trong mét

giíi h¹n vÒ ®é dµi). Giao thøc nµy vèn ph¶i ®­îc ph©n bè, bao gåm c¸c giao tiÕp

khoanh vïng, vµ c¸c m¹ng c¶m biÕn ph¶i ®­îc sö dông theo cÊu tróc thø bËc ®Ó

cung cÊp cho më réng nµy. Tuy nhiªn, nh×n nhËn ë sè l­îng lín c¸c nót vÉn

ch­a thùc hiÖn ®­îc trªn thùc tiÔn cho ®Õn khi mét vµi vÊn ®Ò c¬ b¶n, nh­ vËn

hµnh lçi hay t¸i lËp tr×nh, ®­îc thùc hiÖn mét c¸ch tr¬n tru trong nh÷ng cµi ®Æt

nhá, bao gåm 10 ®Õn hµng tr¨m nót. Còng cã mét vµi giíi h¹n chñ yÕu vÒ l­îng

sè liÖu ®­a vµo vµ dung l­îng t¸c ®éng tíi ho¹t ®éng cña m¹ng më réng (cÊp

bËc).

1.4.6. TÝnh kh«ng ®ång nhÊt

Cã mét sù kh«ng ®ång nhÊt gi÷a n¨ng l­îng cña c¸c thiÕt bÞ ( chó ý ®Õn

viÖc tÝnh to¸n, giao tiÕp vµ c¶m biÕn) trong nh÷ng cµi ®Æt thùc tÕ. TÝnh kh«ng

®ång nhÊt nµy cã thÓ cã mét sè kÕt qu¶ thiÕt kÕ quan träng. VÝ dô: ViÖc xuÊt

hiÖn mét sè Ýt c¸c thiÕt bÞ cã kh¶ n¨ng tÝnh to¸n lín víi mét sè l­îng lín c¸c

thiÕt bÞ kh¶ n¨ng thÊp cã thÓ lµm chóng hîp l¹i thµnh mét kiÕn tróc m¹ng vµ sù

xuÊt hiÖn cña rÊt nhiÒu ph­¬ng thøc c¶m nhËn ®ßi hái kü thuËt c¶m nhËn dung

hoµ mét c¸ch thÝch hîp. Ch×a kho¸ cña bµi to¸n th­êng x¸c ®Þnh bëi tæ hîp

chÝnh x¸c cña c¸c dung l­îng thiÕt bÞ kh«ng ®ång nhÊt cho c¸c øng dông ®­a ra.

1.4.7. Tù cÊu h×nh

35

Do sù ph©n chia vµ b¶n chÊt cña c¸c øng dông, m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y

vèn ®· lµ mét hÖ thèng ph©n bè kh«ng cÇn theo dâi. V× vËy ho¹t ®éng ®éc lËp lµ

th¸ch thøc ®Ó thiÕt kÕ chÝnh. §Çu tiªn, c¸c nót trong m¹ng c¶m nhËn cã thÓ ®­îc

cÊu h×nh trong m¹ng topo riªng; ®Þnh vÞ, ®ång bé, ®Þnh cì cho b¶n th©n; xö lý

c¸c giao tiÕp trong nót vµ x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè ho¹t ®éng quan träng kh¸c.

1.4.8. Tù ®¸nh gi¸ vµ thÝch nghi

Th«ng th­êng c¸c hÖ thèng kiÕn tróc ®­îc ®¸nh gi¸ lµ ®iÒu ­u tiªn ®Ó ho¹t

®éng hiÖu qu¶ trong mét ®iÒu kiÖn chuÈn. Trong m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y, cã

thÓ kh«ng ch¾c ch¾n vÒ c¸c ®iÒu kiÖn ho¹t ®éng bÒ mÆt ®Ó triÓn khai. D­íi

nh÷ng ®iÒu kiÖn nh­ vËy, cÇn thiÕt ph¶i cã mét lo¹i thiÕt bÞ néi cã kh¶ n¨ng tù

häc tõ c¸c c¶m biÕn vµ th«ng sè mµ m¹ng thu ®­îc theo thêi gian vµ sö dông

chóng ®Ó tiÕp tôc c¶i thiÖn hiÖu suÊt. Ngoµi ra, bªn c¹nh c¸c ®iÒu kiÖn ­u tiªn

kh«ng ch¾c ch¾n, th× m«i tr­êng mµ c¸c m¹ng c¶m nhËn ho¹t ®éng cã thÓ thay

®æi m¹nh theo thêi gian. C¸c giao thøc WSN cßn cã thÓ thÝch øng trong nh÷ng

m«i tr­êng tÝch cùc nh­ vËy trong ph­¬ng thøc trùc tuyÕn.

1.4.9. ThiÕt kÕ hÖ thèng

Nh­ ta ®· thÊy, c¸c m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y cã thÓ lµ c¸c øng dông phøc

t¹p cô thÓ. §ã lµ bµi to¸n c©n b»ng c¸c yÕu tè ch­a biÕt tr­íc, cã thÓ ¸p dông

s©u, tiÖm cËn víi viÖc khai th¸c c¸c ®Æc tÝnh cña c¸c øng dông cô thÓ ®Ó thu ®­îc

hiÖu suÊt vµ tÝnh mÒm dÎo, dÔ dµng thùc hiÖn ph­¬ng thøc thiÕt kÕ. Trong khi

viÖc ®¸nh gi¸ lµ rÊt quan träng ®­a ra mét tµi nguyªn kh¾t khe víi m¹ng c¶m

nhËn kh«ng d©y, ph­¬ng thøc thiÕt kÕ hÖ thèng, cho phÐp dõng, ®iÒu chØnh, ®¸p

øng theo thêi gian lµ cÇn thiÕt cho c¸c ®iÒu kiÖn thùc tÕ.

1.4.10 An ninh vµ b¶o mËt

¥ mét bÒ mÆt réng, th«ng th­êng vµ nh¹y c¶m cña th«ng tin thu ®uîc bëi

WSN lµm t¨ng lªn sè l­îng c¸c ch×a kho¸ cuèi cïng cña bµi to¸n ®Ó b¶o ®¶m an

ninh vµ b¶o mËt.

36

Ch­¬ng 2.

TRIỂN KHAI MẠNG

2.1. Tæng quan

VÊn ®Ò triÓn khai cña m¹ng c¶m nhËn kh«ng d©y cã thÓ ®­îc kh¸i qu¸t nh­

sau: Víi mçi øng dông cô thÓ, mét miÒn ho¹t ®éng vµ mét bé thiÕt bÞ c¶m nhËn

kh«ng d©y, ®Æt c¸c nót nh­ thÕ nµo vµ ë ®©u?

M¹ng triÓn khai ph¶i gi÷ ®­îc hai phÇn kh¸ch quan: truyÒn tin vµ kÕt nèi.

TruyÒn tin g¾n liÒn víi b¶n chÊt cña øng dông cô thÓ cña th«ng tin thu nhËn ®­îc

tõ m«i tr­êng bëi c¸c thiÕt bÞ c¶m nhËn m¹ng. KÕt nèi g¾n liÒn víi topo m¹ng

qua ®ã lé tr×nh cña th«ng tin ®­îc s¾p xÕp. C¸c ph¸t sinh kh¸c, nh­ gi¸ vËt liÖu

thiÕt bÞ, giíi h¹n n¨ng l­îng, vµ nhu cÇu vÒ søc m¹nh còng cã thÓ kÓ ®Õn.

Mét sè c©u hái c¬ b¶n khi xem xÐt viÖc triÓn khai m¹ng c¶m nhËn kh«ng

d©y:

- TriÓn khai kÕt cÊu hay ngÉu nhiªn: M¹ng bao gåm s¾p xÕp cÊu tróc

nh©n t¹o hay th«ng qua c¸c nót robot tù ®éng hay triÓn khai ngÉu nhiªn

mét c¸ch rêi r¹c?

- TriÓn khai toµn côc hay triÓn khai dÇn: §Ó cã thÓ chèng l¹i c¸c nót g©y

lçi vµ suy yÕu n¨ng l­îng, m¹ng c¶m nhËn ®­îc triÓn khai ­u tiªn víi

c¸c nót d­ thõa hoÆc cã thÓ thªm hoÆc thay thÕ dÇn khi cÇn thiÕt. Trong

d¹ng nµy, chu tr×nh ngñ ®ßi hái më réng thêi gian sèng cña m¹ng.

- Topo m¹ng: Topo m¹ng cã thÓ lµ topo d¹ng sao ®¬n gi¶n, hoÆc d¹ng

l­íi hoÆc m¹ng l­íi b­íc nh¶y tuú ý hay côm thø bËc 2 møc. C¸ch kÕt

nèi nµo ®­îc chän lùa?

- TriÓn khai ®ång bé víi kh«ng ®ång bé: TÊt c¶ c¸c nót c¶m biÕn ®Òu

cïng thuéc mét lo¹i hay cã sù trén lÉn gi÷a c¸c thiÕt bÞ dung l­îng lín

vµ nhá? Trong tr­êng hîp kh«ng ®ång bé cã thÓ lµ c¸c thiÕt bÞ

gateway/sink phøc t¹p. (C¸c nodes mµ sensor cña nã truyÒn th«ng tin

th«ng qua ng­êi sö dông bªn ngoµi cã thÓ truy cËp vµo m¹ng c¶m

nhËn).

37

- KiÓu d¸ng h×nh häc: §©u lµ lo¹i th«ng tin c¶m biÕn lÊy tõ m«i tr­êng vµ

®o chóng ra sao? Cã thÓ lµ nÒn t¶ng cña viÖc dß t×m vµ kh¶ n¨ng c¶nh

b¸o lçi hoÆc còng cã thÓ mçi sù kiÖn cã thÓ ®­îc c¶m nhËn bëi nodes K

x¸c ®Þnh…

2.2. TriÓn khai mét c¸ch cã cÊu tróc hay triÓn khai ngÉu nhiªn

ViÖc triÓn khai ngÉu nhiªn tiÕn gÇn tíi nh÷ng øng dông cho t­¬ng lai cho

mét vïng réng lín, t¹i ®ã c¸c nodes ®­îc r¶i tõ trªn kh«ng hoÆc cè ®Þnh trªn bÒ

mÆt tr­íc khi ®­îc nhóng vµo mét hÖ thèng th«ng minh. Tuy nhiªn rÊt nhiÒu

WSN nhá vµ trung b×nh cÇn ®­îc triÓn khai theo c¸ch cã cÊu tróc th«ng qua viÖc

s¾p xÕp mét c¸ch cÈn thËn b»ng tay cña c¸c node m¹ng. Trong c¶ hai tr­êng

hîp, gi¸ thµnh vµ sù s½n sµng cña thiÕt bÞ mang ý nghÜa b¾t buéc.

Ta cã thÓ minh häa th«ng qua viÖc xem xÐt ®Æc ®iÓm ph­¬ng ph¸p luËn cña

mét s¾p xÕp cÊu tróc:

- §Æt thiÕt bÞ sink/gateway ë vÞ trÝ cã thÓ cung cÊp ®­îc c¸c m¹ng cã d©y

vµ c¸c kÕt nèi n¨ng l­îng cÇn thiÕt.

- §Æt c¸c node sensor ­u tiªn t¹i c¸c vïng ho¹t ®éng mµ cÇn c¸c sensor

®o.

- NÕu cÇn thiÕt, thªm vµo mét sè node ®Ó cung cÊp c¸c kÕt nèi m¹ng cÇn

thiÕt.

B­íc tiÕp theo cã thÓ gÆp khã kh¨n nÕu kh«ng râ rµng vÞ trÝ c¸c sensor ®o,

trong tr­êng hîp nµy, mét c¸ch s¾p ®Æt ®ång d¹ng (grid-like) cã thÓ ®­îc lùa

chän. Thªm c¸c node ®Ó ®¶m b¶o viÖc kÕt nèi m¹ng kh«ng d©y còng cã thÓ ®¸ng

l­u t©m, ®Æc biÖt khi cã c¸c vÞ trÝ b¾t buéc trong m«i tr­êng ®· cho, nã quyÕt

®Þnh vÞ trÝ ®Æt c¸c node. NÕu sè node s½n sµng lµ nhá so víi kÝch th­íc vïng ho¹t

®éng vµ ®ßi hái ®­a th«ng tin, mét c©n b»ng sÏ ®­îc lËp gi÷a c¸c node ®­îc chØ

®Þnh ®Ó ®o vµ c¸c node ®­îc dïng ®Ó kÕt nèi routing.

Sensor triÓn khai ngÉu nhiªn cã thÓ cßn gÆp khã kh¨n h¬n trong mét vµi

khÝa c¹nh, v× nã kh«ng cã c¸ch ®Ó cÊu h×nh vÞ trÝ chÝnh x¸c cña thiÕt bÞ. Thªm

c¸c c¬ chÕ triÓn khai tù cÊu h×nh ®ßi hái ph¶i ®¹t ®­îc viÖc truyÒn vµ c¸c kÕt nèi

cÇn thiÕt. Trong tr­êng hîp triÓn khai ngÉu nhiªn mét c¸ch ®ång d¹ng c¸c th«ng

sè duy nhÊt cã thÓ ®iÒu khiÓn tiÒn nghiÖm lµ sè l­îng c¸c node vµ mét vµi cµi

38

®Æt liªn kÕt trªn node ®ã, ®ã chÝnh lµ kho¶ng truyÒn. Ngay c¶ khi kh«ng quan

t©m ®Õn viÖc triÓn khai lµ ngÉu nhiªn hay cã cÊu tróc th× tÝnh chÊt kÕt nèi cña

topo m¹ng vÉn cã thÓ ®­îc ®iÒu chØnh sau khi triÓn khai bëi ®iÒu chØnh n¨ng

l­îng truyÒn.

2.3. Topo m¹ng.

M¹ng giao tiÕp cã thÓ ®­îc cÊu h×nh thµnh c¸c topo riªng kh¸c.

H×nh 3. Topo m¹ng

C¸c d¹ng topo triÓn khai:

a) B­íc nh¶y ®¬n kÕt nèi d¹ng sao

b) D¹ng l­íi ®a b­íc nh¶y ph¼ng

c) CÊu tróc l­íi

d) Côm thø bËc 2 tÇng

39

2.3.1. Single-hop d¹ng sao

D¹ng topo WSN ®¬n gi¶n nhÊt lµ d¹ng topo sao single-hop (h×nh a) Mçi

node trong topo nµy giao tiÕp víi c¸c phÐp ®o cña nã trùc tiÕp qua gateway. Do

vËy c¸c thiÕt kÕ lµ ®¬n gi¶n. Tuy nhiªn giíi h¹n vµ søc m¹nh cña m¹ng lµ nhá.

NÕu trong mét vïng lín, c¸c node cã kho¶ng c¸ch víi gateway th× chÊt l­îng

®­êng truyÒn lµ tåi.

2.3.2. Multi-hop d¹ng l­íi vµ «

Cho c¸c vïng m¹ng lín, multi-hop routing lµ cÇn thiÕt. Phô thuéc vµo c¸ch

®Æt mµ c¸c node cã thÓ ho¹t ®éng theo d¹ng l­íi tuú ý nh­ h×nh b hay còng cã

thÓ ho¹t ®éng theo cÊu tróc cña « vu«ng 2D nh­ h×nh c.

2.3.3. Côm (cluster) ph©n cÊp 2 tÇng

KiÓu kiÕn tróc thuyÕt phôc nhÊt cho m¹ng WSN lµ d¹ng kiÕn tróc triÓn khai

mµ ë ®ã phÇn lín c¸c node ë trong mét vïng ®Þa lý sÏ th«ng b¸o cho c¸c cluster

®Çu. Cã mét vµi c¸ch cÊu tróc ph©n tÇng ®­îc tiÕn hµnh. C¸ch tiÕp cËn nµy sÏ

®Æc biÖt thuyÕt phôc trong cµi ®Æt kh«ng ®ång nhÊt khi node cluster ®Çu m¹nh

h¬n trong giíi h¹n cña kh¶ n¨ng tÝnh to¸n/kh¶ n¨ng giao tiÕp. TiÖn Ých cña c¸ch

tiÕp cËn ph©n tÇng cluster chÝnh lµ ph©n tÝch tù nhiªn ë mét vïng réng lín trong

c¸c vïng t¸ch rêi mµ d÷ liÖu ®­îc xö lý, viÖc kÕt hîp cã thÓ ®­îc tiÕn hµnh mét

c¸ch côc bé. Mçi mét cluster cã thÓ giao tiÕp theo c¶ single-hop vµ multi-hop.

Khi d÷ liÖu truyÒn tíi cluster ®Çu, nã cã thÓ ®­îc dÉn ®­êng ®Ó qua tÇng m¹ng

thø 2, ®­îc cÊu t¹o bëi c¸c cluster ®Çu ®Õn c¸c cluster ®Çu kh¸c hoÆc gateway.

TÇng m¹ng thø 2 cã thÓ sö dông mét b¨ng tÇn sãng radio lín h¬n thËm chÝ còng

cã thÓ lµ mét lo¹i m¹ng cã kÕt nèi d©y nÕu c¸c node cña tÇng thø 2 cã thÓ kÕt nèi

tÊt c¶ thµnh mét c¬ së h¹ tÇng cã d©y nèi. Cã mét m¹ng cã kÕt nèi d©y cho tÇng

thø 2 lµ liªn kÕt dÔ nhÊt cho d¹ng kÕt cÊu nh­ng kh«ng ph¶i cho d¹ng triÓn khai

ngÉu nhiªn cho c¸c vÞ trÝ tõ xa. Trong triÓn khai ngÉu nhiªn, cã thÓ kh«ng thiÕt

kÕ mét vµi cluster ®Çu, cã thÓ x¸c ®Þnh bëi mét vµi xö lý cña viÖc tù tuyÓn chän.

2.4. KÕt nèi trong d¹ng s¬ ®å ngÉu nhiªn

§Æc tÝnh cña viÖc kÕt nèi (vµ truyÒn tin) cña triÓn khai ngÉu nhiªn cã thÓ

®­îc ph©n tÝch tèt nhÊt khi sö dông lý thuyÕt s¬ ®å ngÉu nhiªn RGT( random

graph theory).

40

Mét s¬ ®å ngÉu nhiªn mÉu lµ hÖ thèng miªu t¶ cña mét vµi thÝ nghiÖm ngÉu

nhiªn. C¸c mÉu nµy th­êng chøa c¸c th«ng sè ®iÒu chØnh ®Ó thay ®æi mËt ®é

trung b×nh cña s¬ ®å kiÓu cÊu tróc ngÉu nhiªn. S¬ ®å ngÉu nhiªn Bernoulli G(n,

p), nghiªn cøu trong RGT truyÒn thèng ®­îc ho¹t ®éng bëi ®Æt c¸c ®Ønh n vµ ®Æt

c¸c c¹nh mét c¸ch ngÉu nhiªn gi÷a c¸c cÆp ®Ønh kh«ng phô thuéc vµo x¸c suÊt p.

Mét s¬ ®å mÉu ngÉu nhiªn giíi thiÖu mét c¸ch chÆt chÏ h¬n vÒ m¹ng

multi-hop kh«ng d©y lµ s¬ ®å h×nh häc ngÉu nhiªn G(n, R). Trong s¬ ®å h×nh

häc ngÉu nhiªn G(n, R), n node ®­îc ®Æt ngÉu nhiªn víi nh÷ng ph©n bè ®ång

d¹ng trong mét vïng kÝch th­íc ®¬n vÞ h×nh vu«ng( tæng qu¸t h¬n lµ h×nh lËp

ph­¬ng c¹nh d). Cã mét c¹nh (u, v) gi÷a mçi cÆp node u vµ v bÊt kú nÕu kho¶ng

c¸ch Euclid gi÷a chóng lµ nhá h¬n R.

41

Hình 4. Minh hoạ sơ đồ hình học ngẫu nhiên thưa thớt ( hình a- với R nhỏ) và dày đặc ( hình b- với R lớn)

H×nh 4 minh ho¹ G(n, R) cho n= 40 t¹i 2 gi¸ trÞ R kh¸c nhau. Khi R nhá,

mçi node chØ cã thÓ kÕt nèi tíi c¸c node kh¸c trong mét kho¶ng ng¾n. Vµ s¬ ®å

kÕt qu¶ lµ th­a thít. MÆt kh¸c, víi R lín sÏ cho phÐp ®­êng dÉn vµ kÕt qu¶ cña

mËt ®é kÕt nèi dµi h¬n.

So s¸nh víi s¬ ®å ngÉu nhiªn Bernoulli, s¬ ®å h×nh häc ngÉu nhiªn G(n, R)

cÇn c¸c kü thuËt ph©n tÝch kh¸c. §ã lµ bëi v× s¬ ®å h×nh häc ngÉu nhiªn kh«ng

chØ ra sù ®éc lËp gi÷a c¸c c¹nh. VÝ dô, x¸c suÊt mµ c¹nh (u, v) tån t¹i lµ kh«ng

®éc lËp víi x¸c suÊt mµ c¹nh (u, w) tån t¹i.

2.4.1. KÕt nèi trong G(n, R)

H×nh 5 chØ ra sù thay ®æi thÕ nµo cña x¸c suÊt kÕt nèi m¹ng khi mµ th«ng

sè b¸n kÝnh R cña s¬ ®å h×nh häc ngÉu nhiªn thay ®æi. Phô thuéc vµo sè node n,

tån t¹i c¸c b¸n kÝnh tíi h¹n tõ xa kh¸c nhau mµ s¬ ®å cã thÓ kÕt nèi víi x¸c suÊt

cao. Sù chuyÓn tr¹ng th¸i nµy lµ gi¶ gièng nh­ sè l­îng node gi¶m.

Hình 5. Xác suất kết nối của sơ đồ ngẫu nhiên phụ thuộc vào bán kính truyền.

42

H×nh 6 chØ ra x¸c suÊt mµ m¹ng kÕt nèi ®¶m b¶o tíi tÊt c¶ c¸c node víi c¸c

gi¸ trÞ kh¸c nhau cña kho¶ng truyÒn ®­îc cè ®Þnh trong mét vïng cè ®Þnh cho tÊt

c¶ c¸c node. Cã thÓ quan s¸t thÊy r»ng, tuú vµo kho¶ng truyÒn, cã mét sè c¸c

node phÝa xa cã x¸c suÊt lín ®Ó m¹ng cã thÓ ®¹t ®­îc kÕt nèi. C¸ch ph©n tÝch

nµy cã liªn quan tíi triÓn khai m¹ng ngÉu nhiªn, nã t¹o ra mét sù s¸ng suèt trong

mËt ®é nhá nhÊt cÇn ®Ó ®¶m b¶o m¹ng ®­îc kÕt nèi.

Hình 6. Xác suất kết nối của sơ đồ ngẫu nhiên phụ thuộc vào số lượng node trong vùng đơn vị.

Gupta vµ Kumar ®· ®­a ra c¸c kÕt qu¶ sau:

§Þnh lý 1:

NÕu , m¹ng sÏ gÇn nh­ ch¾c ch¾n tiÖm cËn kÕt nèi nÕu

. Vµ gÇn nh­ ch¾c ch¾n tiÖm cËn ng¾t kÕt nèi nÕu

MÆt kh¸c, kho¶ng truyÒn tíi h¹n cho kÕt nèi lµ . Mét kÕt qu¶

ng¹c nhiªn kh¸c lµ b¸n kÝnh tíi h¹n mµ s¬ ®å h×nh häc ngÉu nhiªn G(n, R) ®¹t

®­îc tÝnh chÊt tÊt c¶ c¸c node cã node kÕ cËn K nhá nhÊt lµ gÇn b»ng b¸n kÝnh

tíi h¹n mµ s¬ ®å ®¹t ®­îc tÝnh chÊt kÕt nèi K

43

2.4.2. TÝnh ®¬n ®iÖu cña G(n, R)

TÝnh ®¬n ®iÖu t¨ng lµ mét tÝnh chÊt ®å thÞ tiÕp tôc gi÷ nÕu sè c¹nh ®­îc

thªm vµo biÓu ®å. Mét biÓu ®å cã tÝnh chÊt ®¬n ®iÖu nÕu tÝnh chÊt hoÆc nghÞch

®¶o cña nã lµ ®¬n ®iÖu t¨ng. GÇn h¬n víi t¸t c¶ tÝnh chÊt ®å thÞ cÇn quan t©m tõ

m¹ng gÇn xa, nh­ kÕt nèi K, Hamilton… lµ ®¬n ®iÖu. KÕt qu¶ lý thuyÕt ®i ®«i

víi ®å thÞ h×nh häc ngÉu nhiªn G(n, R) cã tÝnh chÊt hoµn toµn ®¬n ®iÖu cho thÊy

pha chuyÓn tiÕp tíi h¹n. Xa h¬n, tÊt c¶ c¸c tÝnh chÊt ®¬n ®iÖu ®Òu cã x¸c suÊt cao

víi kho¶ng truyÒn tíi h¹n ®ã lµ

2.4.3. KÕt nèi trong G(n, K)

Mét mÉu s¬ ®å h×nh häc ngÉu nhiªn kh¸c lµ G(n, K) khi n node ®­îc ®Æt ë

c¸c vÞ trÝ ngÉu nhiªn trong vïng ®¬n vÞ vµ mçi node ®­îc kÕt nèi víi c¸c node K

hµng xãm gÇn nhÊt. MÉu nµy cã kh¶ n¨ng cho phÐp c¸c node kh¸c nhau trong

m¹ng sö dông nh÷ng nguån n¨ng l­îng kh¸c. Trong s¬ ®å, chØ ra r»ng K ph¶i

lín h¬n 0,074 logn vµ nhá h¬n 2.72logn ®Ó ®¶m b¶o tiÖm cËn kÕt nèi.

2.4.4. KÕt nèi vµ truyÒn tin trong G( n, p ,R)

Trong mÉu nµy n node ®­îc ®Æt trong c¸c l­íi h×nh vu«ng trong vïng ®¬n

vÞ, p lµ x¸c su©t mµ node ho¹t ®éng ( kh«ng lçi) vµ R lµ kho¶ng truyÒn cña mçi

node. Cho mÉu c¶m nhËn d¹ng « l­íi kh«ng ch¾c ch¾n nµy, tÝnh chÊt tiÕp theo

®­îc x¸c ®Þnh lµ;

- Cho mçi node ho¹t ®éng cÊu t¹o thµnh mét topo kÕt nèi, cµng tèt nÕu

che phñ ®­îc miÒn h×nh vu«ng ®¬n vÞ. ph¶i b»ng .

- Sè l­îng lín nhÊt hop ®ßi hái ®Ó di chuyÓn gi÷a node ho¹t ®éng bÊt kú

tíi node kh¸c lµ

- Tån t¹i mét kho¶ng cña gi¸ trÞ p nhá mµ c¸c node ho¹t ®éng cÊu t¹o

thµnh topo kÕt nèi nh­ng kh«ng che phñ h×nh vu«ng ®¬n vÞ.

2.5. KÕt nèi sö dông ®iÒu khiÓn n¨ng l­îng

Kh«ng quan t©m tíi viÖc triÓn khai cÊu tróc hay ngÉu nhiªn, khi c¸c node

®­îc xÕp vÞ trÝ sÏ cã thªm mét th«ng sè ®iÒu h­íng cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó ®iÒu

44

chØnh c¸c tÝnh chÊt kªt nèi cña m¹ng triÓn khai. Th«ng sè nµy lµ cµi ®Æt vÒ n¨ng

l­îng truyÒn sãng radio cho tÊt c¶ c¸c node trong m¹ng.

§iÒu khiÓn n¨ng l­îng thùc sù lµ mét líp khã kh¨n vµ phøc t¹p. T¨ng n¨ng

l­îng truyÒn sãng radio sÏ cã mét sè c¸c hËu qu¶ liªn quan cã thÓ tÝch cùc, cã

thÓ tiªu cùc:

- Cã thÓ më réng vïng giao tiÕp, t¨ng sè l­îng cña c¸c node hµng xãm vµ

c¶i thiÖn kÕt nèi trong d¹ng cña c¸c ®­êng dÉn kÝn.

- §Ó tån t¹i c¸c node hµng xãm, cã thÓ c¶i thiÖn chÊt l­îng ®­êng dÉn

(trong sù v¾ng mÆt cña l­u th«ng bªn trong m¹ng kh¸c).

- Cã thÓ khiÕn cho c¸c nhiÔu thªm vµo gi¶m dung l­îng vµ lµm t¾c

nghÏn.

- Cã thÓ lµm t¨ng n¨ng l­îng tiªu thô.

Lý thuyÕt t«t nhÊt cña topo ®iÒu khiÓn n¨ng l­îng chÝnh ®­îc ph¸t triÓn

cho c¸c m¹ng ad - hoc kh«ng d©y chung. Nh­ng c¸c kÕt qu¶ nµy tËp trung chñ

yÕu vµo cÊu h×nh cña WSN. Ta sÏ bµn tíi c¸c kÕt qu¶ chÝnh vµ chØ ra kü thuËt ë

®©y. Mét vµi kÕt qu¶ sÏ ph©n bè c¸c thuËt to¸n h­íng tíi viÖc ph¸t triÓn c¸c topo

cã c«ng suÊt tiªu t¸n tæng nhá nhÊt qua c¸c ®­êng dÉn, trong khi c¸c c¸i kh¸c

h­íng tíi cµi ®Æt n¨ng l­îng truyÒn lµ nhá nhÊt cho mçi node ( hoÆc lµm gi¶m

tèi ®a cµi ®Æt n¨ng l­îng truyÒn) mµ vÉn ®¶m b¶o viÖc kÕt nèi. Môc ®Ých nµy

kh«ng ph¶i lµ ®iÒu tÊt yÕu. VÝ dô, cung cÊp c¸c ®­êng dÉn n¨ng l­îng nhá nhÊt

cã thÓ ®ßi hái mét vµi node trong m¹ng cã n¨ng l­îng truyÒn cao, cã kh¶ n¨ng

giíi h¹n thêi gian sèng cña m¹ng ®ßi ph©n chia bëi n¨ng l­îng pin cña mçi node

sÏ hao rÊt nhanh. Tuy nhiªn trong c¸c ®iÒu kiÖn tÝch cùc h¬n, còng cã thÓ kh«ng

thµnh vÊn ®Ò, víi mét t¶i c©n b»ng ®­îc cung cÊp th«ng qua ho¹t ®éng cña c¸c

node kh¸c vµo c¸c thêi ®iÓm kh¸c.

2.5.1. N¨ng l­îng nhá nhÊt ®Ó kÕt nèi cÊu tróc m¹ng (MECN)

XÐt tíi vÊn ®Ò ph©n phèi topo n¨ng l­îng m¹ng nhá nhÊt cho triÓn khai cña

c¸c node kh«ng d©y, ®¶m b¶o tæng n¨ng l­îng tiªu thô cho mçi ®­êng dÉn cã

thÓ giao tiÕp lµ nhá nhÊt. Mét s¬ ®å topo ®­îc ®Þnh nghÜa lµ topo n¨ng l­îng nhá

nhÊt nÕu víi mçi cÆp node nµo ®ã, tån t¹i mét ®­êng dÉn trªn s¬ ®å mµ nã tiªu

thô n¨ng l­îng thÊp nhÊt so víi bÊt kÓ ®­êng dÉn cã thÓ nµo kh¸c. CÊu tróc cña

45

topo nµy lµ môc ®Ých cña thuËt to¸n MECN (n¨ng l­îng giao tiÕp m¹ng nhá

nhÊt).

Mçi hµng rµo cña mét node ®­îc ®Þnh nghÜa lµ vïng xung quanh nã, tøc lµ

lu«n cã n¨ng l­îng cã kh¶ n¨ng truyÒn trùc tiÕp chØ cho c¸c node hµng xãm

trong vïng ®ã mµ kh«ng cÇn chuyÓn. TiÕp ®ã, s¬ ®å hµng rµo ®­îc ®Þnh nghÜa lµ

s¬ ®å chøa ®­êng dÉn cña tÊt c¶ c¸c node vµ node hµng xãm cña nã trong vïng

hµng rµo t­¬ng øng. ThuËt to¸n topo ®iÒu khiÓn MECN tr­íc hÕt x©y dùng mét

s¬ ®å hµng rao trong kiÓu ph©n bè, sau ®ã sÏ c¾t bít chóng vµ sö dông mét thuËt

to¸n ®­êng dÉn n¨ng l­îng tiªu tèn chÝnh Bellman-Ford ®Ó x¸c ®Þnh n¨ng l­îng

thÊp nhÊt.

Tuy nhiªn thuËt to¸n MECN gÆp khã kh¨n khi topo kÕt nèi víi mét sè nhá

nhÊt c¸c c¹nh. §Æt C(u, v) lµ n¨ng l­îng tiªu tèn cho truyÒn trùc tiÕp gi÷a node u

vµ v trong topo MECN th«ng th­êng. Cã kh¶ n¨ng tån t¹i mét ®­êng r kh¸c gi÷a

c¸c node nµy vµ tæng tiªu hao cña routing trªn ®­êng dÉn C(r) < C( u, v). Trong

tr­êng hîp nµy, c¹nh C (u, v) lµ d­ thõa.

Cã thÓ chØ ra mét topo ë ®ã kh«ng cã mét c¹nh thõa nµo tån t¹i lµ s¬ ®å

nhá nhÊt cã tÝnh chÊt topo n¨ng l­îng nhá nhÊt. M¹ng giao tiÕp cã n¨ng l­îng

nhá nhÊt (SMECN) ph©n phèi giao thøc, trong khi vÉn ®iÓm thuËn lîi, cã thÓ

cung cÊp mét topo nhá h¬n víi ®Æc tÝnh n¨ng l­îng nhá nhÊt so s¸nh víi MECN.

TiÖn Ých cña nã lµ mét topo víi sè l­îng c¸c c¹nh nhá h¬n tr­íc hÕt sÏ gi¶m tiªu

hao ®­êng dÉn.

2.5.2. Cµi ®Æt n¨ng l­îng chung nhá nhÊt (COWPOW)

Giao thøc COWPOW ®¶m b¶o r»ng møc n¨ng l­îng chung thÊp nhÊt gióp

kÕt nèi m¹ng lín nhÊt ®­îc chän cho tÊt c¶ c¸c node. Mét sè argument cã thÓ

®­îc t¹o ra ®Ó thuËn lîi cho viÖc dïng c¸c møc n¨ng l­îng chung thÊp nhÊt cã

thÓ ( trong khi vÉn ph¶i cung cÊp c¸c kÕt nèi lín nhÊt) víi tÊt c¶ c¸c node.

- Nã sÏ t¹o ra mét n¨ng l­îng tÝn hiÖu nhËn trªn tÊt c¶ c¸c ®­êng dÉn ®èi

xøng trong c¸c h­íng ®ã (mÆc dï SINR cã thÓ thay ®æi tõng h­íng)

- Nã cã thÓ cung cÊp dung l­îng m¹ng tiÖm cËn mµ cã thÓ ®¹t ®­îc dung

l­îng lín nhÊt mµ kh«ng cÇn c¸c møc n¨ng l­îng chung

- Mét møc n¨ng l­îng chung thÊp cung cÊp ®­êng dÉn n¨ng l­îng thÊp

46

- Mét møc n¨ng l­îng thÊp sÏ lµm gi¶m xung ®ét.

Giao thøc COWPOW ho¹t ®éng nh­ sau: tr­íc hÕt lµ nh©n c¸c thuËt to¸n

®­êng dÉn ng¾n nhÊt, mét trong mçi møc n¨ng l­îng cã thÓ. Mçi node sau ®ã sÏ

kiÓm tra c¸c b¶ng ®­êng dÉn ®­îc tao ra bëi thuËt to¸n vµ kÝch møc n¨ng l­îng

thÊp nhÊt sao cho sè l­îng c¸c node cã thÓ víi tíi ®­îc lµ t­¬ng ®­¬ng víi sè

l­îng c¸c node cã thÓ víi tíi ®­îc víi møc n¨ng l­îng lín nhÊt.

ThuËt to¸n COWPOW cã cung cÊp møc n¨ng l­îng ho¹t ®éng chung thÊp

nhÊt cho tÊt c¶ c¸c node trong m¹ng trong khi vÉn ®¶m b¶o kÕt nèi lµ lín nhÊt,

tuy nhiªn còng ph¶i chÞu mét sè h¹n chÕ.

Tr­íc hÕt mçi node ph¶i duy tr× tr¹ng th¸i cña c¸c node trong toµn m¹ng.

Xa h¬n, nã buéc ph¶i tu©n theo viÖc cã kh¶ n¨ng cã mét node ®¬n cã quan hÖ c«

lËp cã thÓ lµ lý do mµ tÊt c¶ c¸c node trong m¹ng kh«ng cÇn thiÕt cã møc n¨ng

l­îng lín. T«t nhÊt trong c¸c ®Ò xuÊt cho ®iÒu khiÓn topo víi nh÷ng møc n¨ng

l­îng thay ®æi kh«ng ®ßi hái n¨ng l­îng chung trªn tÊt c¶ c¸c node.

2.5.3. Lµm gi¶m tèi thiÓu n¨ng l­îng cùc ®¹i

Ramanathan vµ Rosale-Hale ®· giíi thiÖu mét thuËt to¸n t×m kiÕm ®Ó t¹o ra

mét topo kÕt nèi víi møc n¨ng l­îng kh«ng ®ång nhÊt nh­ vËy møc n¨ng l­îng

cùc ®¹i trong tÊt c¶ c¸c node trong m¹ng ®­îc gi¶m tíi møc tèi thiÓu. Hä còng

tr×nh bµy thuËt to¸n ®Ó ®¶m b¶o topo l­ìng kÕt nèi, trong khi møc n¨ng l­îng

cùc ®¹i ®­îc gi¶m tèi thiÓu.

Ph­¬ng ph¸p nµy lµ phï hîp nhÊt cho tr¹ng th¸i tÊt c¶ c¸c node cã cïng

møc n¨ng l­îng ban ®Çu, vµ cã thÓ gi¶m tèi thiÓu n¨ng l­îng ®Æt lªn c¸c thiÕt bÞ

t¶i lín nhÊt.

2.5.4. Topo ®iÒu khiÓn d¹ng h×nh nãn (CBTC)

Kü thuËt topo ®iÒu khiÓn d¹ng h×nh nãn (CBTC) cung cÊp mét h­íng chÝnh

tèi thiÓu ®Ó ph©n phèi c¸c quy t¾c ®¶m b¶o cho viÖc topo m¹ng ®­îc kÕt nèi,

trong khi vÉn gi÷ n¨ng l­îng ®­îc sö dông ë mçi node nhá nhÊt cã thÓ. CÊu tróc

cña topo d¹ng nãn cùc kú ®¬n gi¶n, nã chØ bao gåm 1 tham sè ®¬n thuÇn alpha,

lµ gãc cña h×nh nãn. Trong CBTC, mçi node t¨ng n¨ng l­îng truyÒn cña nã cho

tíi khi cã mét node hµng xãm trong mçi gãc nãn alpha nhá nhÊt hoÆc nã cã thÓ

víi tíi giíi h¹n n¨ng l­îng truyÒn lín nhÊt cña nã. Nã cho r»ng ë ®©y, kho¶ng

47

giao tiÕp ( trong ®ã tÊt c¶ c¸c node ®Òu víi tíi) t¨ng ®¬n ®iÖu víi møc n¨ng

l­îng truyÒn.

CÊu tróc CBTC ®­îc minh ho¹ ë h×nh 7. PhÝa bªn tr¸i, ta cã thÓ nh×n thÊy

møc n¨ng l­îng trung gian cho mét node mµ ë ®ã tån t¹i mét gãc nãn alpha mµ

node ®ã kh«ng cã hµng xãm. Tuy nhiªn nh×n ë bªn ph¶i, node ph¶i t¨ng n¨ng

l­îng cho tíi khi mµ mét hµng xãm thÊp nhÊt xuÊt hiÖn trong mçi gãc alpha.

Hình 7. Topo điều khiển cấu trúc dạng nón.

Nguån gèc cña ho¹t ®éng trªn CBTC chØ ra r»ng ®Ó ®¶m b¶o

m¹ng ®­îc kÕt nèi. KÕt qu¶ ®¹t ®­îc cã thÓ lµm gi¶m møc n¨ng l­îng cµi ®Æt

cho mçi node:

§Þnh lý 2:

NÕu , s¬ ®å topo t¹o ra b»ng CBTC sÏ ®­îc kÕt nèi. Xa h¬n s¬ ®å

gèc, ë ®ã tÊt c¶ c¸c node truyÒn n¨ng l­îng cùc ®¹i còng ®­îc kÕt nèi. NÕu

topo sÏ ng¾t kÕt nèi víi CBTC.

NÕu n¨ng l­îng cùc ®¹i b¾t buéc ®­îc bá qua th× mçi node cã thÓ víi tíi

trùc tiÕp mét node bÊt kÓ kh¸c trong m¹ng víi møc n¨ng l­îng cµi ®Æt ®ñ cao.

Sau ®ã, D’Souza chØ ra r»ng lµ ®iÒu kiÖn cÇn vµ ®ñ ®Ó m¹ng b¶o ®¶m kÕt

nèi.

2.5.5. CÊu tróc tr×nh duyÖt më réng theo h×nh c©y côc bé nhá nhÊt

Mét ph­¬ng ph¸p n÷a lµ x©y dùng topo d¹ng tr×nh duyÖt më réng theo h×nh

c©y thÝch hîp toµn cÇu trong ph©n bè ®Çy ®ñ. S¬ ®å nµy tr­íc hÕt sÏ t¹o mét cÊu

tróc tr×nh duyÖt c©y më réng côc bé nhá nhÊt víi phÇn chia cña ®å thÞ trong

48

kho¶ng nh×n thÊy ®­îc. S¬ ®å côc bé ®­îc biÕn ®æi víi träng l­îng thÝch hîp

tÝnh duy nhÊt, nh­ vËy tÊt c¶ c¸c node trong cÊu tróc hiÖu øng m¹ng sÏ phï hîp

víi LMST mµ ë ®ã topo m¹ng ®­îc kÕt nèi. Kü thuËt nµy ®¶m b¶o cho tÝnh chÊt

m¹ng ®­îc c¾t bít ®Ó chØ bao gåm ®­êng dÉn 2 h­íng. Nh÷ng m« pháng ®· chØ

ra kü thuËt cã thÓ lµm tèt h¬n c¶ CBTC vµ MECN trong giíi h¹n vÒ bËc trung

b×nh cña c¸c node.

Chương 3.

ĐA TRUY CẬP VÀ CHẾ ĐỘ NGỦ

3.1. Tổng quan

Một đặc điểm cơ bản của giao tiếp không dây là nó phải cung cấp một phương tiện để chia sẻ. Tất cả các giao thức điều khiển đa truy cập cho mạng không dây sử dụng giao diện radio để đảm bảo hiệu quả sử dụng của băng thông chia sẻ. Giao thức MAC được thiết kế cho mạng cảm nhận không dây có một mục đích thêm cho quản lý hoạt động của radio để chuyển đổi năng lượng. Như vậy trong khi giao thức MAC truyền thống phải cân bằng đầu vào, trễ, và một số mối quan tâm khác thì giao thức MAC của WSN đặt việc sử dụng năng lượng hiệu quả là mối quan tâm chính.

Ta sẽ bàn một số quan điểm về giao thức MAC lập lịch chính cho WSN trong phần này. Một chủ đề chung xuyên suốt tất cả các giao thức là đặt chế độ ngủ với năng lượng radio thấp giữa các chu kỳ hoặc bất cứ khi nào có thể khi một node không truyền cũng không nhận dữ liệu.

3.2. Giao thức MAC truyền thống

49

Ta bắt đầu tâm điểm với lớp giao thức MAC. Lớp giao thức MAC cơ sở có một lợi thế qua giao thức MAC lập lịch tự do trong khung dữ liệu tốc độ thấp, khi đó chúng sẽ cung cấp các đặc điểm tiềm năng thấp hơn và đáp ứng tốt hơn sự biến đổi nhanh của lưu lượng truyền.

3.2.1. Aloha và CSMA

Dạng đơn giản nhất của đa truy cập là Aloha không chia rãnh và Aloha chia rãnh. Trong Aloha không chia rãnh, mỗi node hoạt động độc lập và đơn giản là truyền một gói bất cứ khi nào nó được gửi tới; nếu một xung đột xảy ra, gói sẽ được truyền lại sau một chu kỳ đợi ngẫu nhiên. Tức là mỗi node truyền gói bất cứ khi nào có gói được gửi tới. Như vậy không thể giải quyết được vấn đề xung đột như trường hợp node ẩn, node hiện trình bày phía dưới đây.

Bản Aloha chia rãnh làm việc cũng theo cách tương tự, nhưng chỉ cho phép truyền trong những rãnh đặc biệt được đồng bộ. Một giao thức MAC cổ điển khác là giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA). Trong CSMA, một node muốn truyền trước hết phải lắng nghe kênh để đánh giá nó có rỗi không. Nếu kênh nhàn rỗi, node sẽ tiến tới việc truyền. Nếu kênh bận, nốt sẽ đợi một chu kỳ back-off ngẫu nhiên để cố truyền lại. CSMA với dò xung đột là kỹ thuật cơ bản được sử dụng trong chuẩn IEEE 802.3/Ethernet. Tuy nhiên vẫn chưa giải quyết được vấn đề node ẩn hiện.

Trong mạng Ethernet, CSMA được sử dụng với chế độ CSMA/CD (cảm nhận sóng mang dò xung đột): chế độ này hoạt động như CSMA thường nhưng trong quá trình truyền, node đồng thời lắng nghe, nhận lại các dữ liệu gửi đi xem có xung đột không. Nếu phát hiện xung đột, node sẽ truyền 1 tín hiệu nghẽn để các node khác nhận ra và dừng việc gửi gói trong 1 thời gian ngẫu nhiên backoff trước khi cố gửi lại, tức là có khả năng dò xung đột nhưng vẫn không tránh được.

Vì vậy, trong các dạng mạng phức tạp hơn như mạng không dây hay WSN thì người ta dùng chế độ CSMA/CA. Chế độ này là CSMA tránh xung đột và có khả năng giải quyết vấn đề node ẩn, node hiện. CSMA/CA hoạt động như sau: trước khi node gửi dữ liệu, nó sẽ lắng nghe kênh. Nếu kênh rỗi nó sẽ gửi một tín hiệu RTS( request to send) ra môi trường. Nơi nhận nếu nhận được RTS của nó, sẽ gửi lại tín hiệu CTS (clear to send) chấp nhận cho phép nơi gửi truyền dữ liệu. Những node nhận được 1 trong 2 gói RTS/CTS sẽ tự động tạo ra NAV( network allocation vector) ngăn cản việc truyền dữ liệu. Do đó sẽ tránh được xung đột.

3.2.2. Vấn đề node ẩn và node hiện

50

CSMA truyền thông ngăn ngừa xung đột lỗi và không hiệu quả trong mạng không dây bởi vì 2 vấn đề duy nhất: vấn đề node ẩn và node hiện.

Vấn đề node ẩn được minh hoạ trong hình 4a; ở đây, node A được truyền tới node B. Node C, nằm ngoài vùng sóng radio của A, sẽ cảm nhận được kênh truyền nhàn rỗi và bắt đầu truyền gói tới node B. Trong trường hợp này, CSMA truyền thông ngăn ngừa xung đột bởi vì A và C ẩn cho mỗi node. Vấn đề node hiện được minh hoạ trong hình b. Ở đây, trong khi node B truyền tới node A, node C có một gói cần truyền cho node D. Bởi vì node C trong khoảng của B, nó nhận thấy kênh bận và không có khả năng truyền. Tuy nhiên, trong lý thuyết, vì D nằm ngoài khoảng của B, và A nằm ngoài khoảng của C, 2 sự truyền này không xung đột với nhau. Việc truyền bởi C sẽ bị hoãn lại vì lãng phí băng thông.

Hình 8. Node ẩn và node hiện

Vấn đề này là sóng đôi: trong vấn đề node ẩn, gói gây xung đột vì trong khi node gửi mà không biết node khác đang truyền, trong khi đó node hiện có một cơ hội lớn để gửi 1 gói do sự nhầm lẫn của quá trình truyền không bị làm phiền. Lời giải cho sự ghép đôi này nằm ở chỗ không phải nơi truyền cần thiết để cảm nhận sóng mang mà là nơi nhận. Một vài giao tiếp giữa nơi truyền và nơi nhận cần thiết để giải quyết vấn đề này.

3.2.3. Đa truy cập tránh xung đột (MACA hay CSMA/CA) và đặc tả 802.11

Giao thức MACA bởi Karn giới thiệu cách sử dụng 2 thông báo điều khiển nó có thể giải quyết (về cơ bản) vấn đề node ẩn và hiện. Thông báo điều khiển đượ gọi là RTS(request to send) và CTS(clear to send). Khi một node muốn gửi một thông điệp, nó sẽ phát ra một gói RTS để mong đợi tín hiệu truyền. Nếu tín hiệu cho phép nhận gói, nó sẽ phát ra một gói CTS. Khi nơi gửi nhận được CTS, nó bắt đầu truyền gói. Khi một node gần nghe thấy một RTS sẽ gửi đến các node khác một thông điệp ngăn

51

chặn quá trình truyền của nó và chờ đợi tín hiệu trả lời CTS. Nếu một CTS không trong trạng thái lắng nghe, node có thể bắt đầu quá trình truyền dữ liệu. Nếu một CTS được nhận, nó sẽ chú ý có hay không một RTS được lắng nghe trước đó, một node sẽ ngăn chặn quá trình truyền của chúng trong khoảng thời gian đủ để cho phép kết thúc quá trình truyền dữ liệu tương ứng.

Với những điều kiện lý tưởng (ví dụ như bỏ đi khả năng xung đột RTS/CTS, hay giao tiếp 2 chiều, không mất dữ liệu và các hiệu ứng giữ), có thể coi sơ đồ MACA có khả năng giải quyết cả vấn đề về node ẩn và node hiện. Với các ví dụ đơn giản như ở trên, node C lắng nghe thông điệp CTS và loại bỏ xung đột truyền. Nó giải quyết vấn đề node hiện ở chỗ node C lắng nghe các thông điệp RTS của node B, nó sẽ không nhận CTS từ node A và như vậy có thể truyền gói dữ liệu của nó sau thời gian đợi đủ.

Cơ chế hoạt động của CSMA/CA trong chế độ DCF.

- Carrier sense: Một trạm không dây muốn truyền dữ liệu phải kiểm tra xem đường truyền có bận không, nếu đường truyền đang bận, trạm đó phải trì hoãn việc truyền lại cho đến khi đường truyền rỗi. Các trạm xác định trạng thái của đường truyền dựa trên 2 cơ chế:

+ Kiểm tra lớp vật lý (PHY) xem có sóng mang hay không.

+ Sử dụng chức năng carrier sense ảo là NAV (network allocation vector).

Các trạm có thể kiểm tra lớp vật lý và thấy rằng đường truyền rỗi. Nhưng trong một số trường hợp, đường truyền có thể đã được đặt chỗ trước bởi một trạm khác thông qua NAV. NAV là một timer được cập nhật bởi các frame dữ liệu truyền trong đường truyền.

Ví dụ: Trong một Infrastructure BSS có 3 client Minh, Việt, Quân. Giả sử Minh đang truyền một frame đến Quân. Bởi vì đường truyền không dây là đường truyền chia sẻ dựa trên quảng bá nên Việt cũng có thể nhận được frame. Nhưng các frame của 802.11 có chứa 1 trường thời gian (Duration Field). Giá trị DF này là đủ lớn để cho frame có thể truyền đến đích và hồi đáp lại một ACK. Việt sẽ cập nhật giá trị NAV của mình với giá trị duration trong frame, và sẽ không thực hiện truyền cho đến khi giá trị của NAV giảm đến 0. Chú ý các trạm chỉ cập nhật giá trị NAV của chúng khi trường duration trong frame nhận được có giá trị lớn hơn giá trị của NAV mà nó đang lưu giữ.

- DCF( distributed coordination function): IEEE xác định cơ chế truy nhập cho mạng 802.11 là DCF. DCF là một cơ chế truy nhập dựa trên phương pháp truy nhập

52

CSMA/CA. Để mô tả phương thức hoạt động của DCF, trước tiên chúng ta định nghĩa một số khái niệm cơ bản.

Trong cơ chế hoạt động của DCF, một trạm muốn truyền frame phải đợi một khoảng thời gian xác định sau khi đường truyền rỗi. Giá trị thời gian này được gọi là DCF Interframe Space (DIFS). Một khi DIFS trôi qua, đường truyền đã có thể sẵn sàng cho các trạm giành quyền truy nhập.

Trong ví dụ trước, giả sử Việt và Quân muốn truyền frame sau khi Minh truyền xong. Cả Việt và Quân đều có cùng giá trị NAV, cả 2 sẽ kiểm tra vật lý và thấy đường truyền rỗi. Có khả năng lớn cả 2 trạm sẽ cùng truyền 1 lúc và gây xung đột. Để tránh tình huống này, DCF sử dụng một random backoff timer. Thuật toán random backoff sẽ chọn ngẫu nhiên một giá trị từ 0 đến giá trị Contention Window (CW). Theo mặc định, giá trị CW có thể khác nhau tuỳ nhà sản xuất và nó được lưu trữ trong NIC (network interface card) của máy trạm. Để có được giá trị random backoff, ta lấy một số ngẫu nhiên đã chọn ở trên nhân với slot time (random backoff chính là số lần slot time). Giá trị của random backoff là khoảng thời gian các trạm phải chờ thêm sau khi đường truyền rỗi và DIFS đã trôi qua, sau đó trạm nào có random backoff ngắn nhất sẽ giành được quyền truyền frame.

Trở lại ví dụ trước, Việt đã sẵn sàng truyền dữ liệu ( sau khi DIFS trôi qua), giá trị NAV của nó đã giảm đến 0, và kiểm tra lớp vật lý cũng cho thấy đường truyền rỗi. Việt sẽ đợi thêm một random backoff timer ( giả sử là 4 slot time) nữa trước khi có thể bắt đầu truyền dữ liệu. Giá trị random backoff timer là khá nhau, tuỳ mỗi trạm. Nếu Việt và Quân đều muốn truyền dữ liệu nhưng Quân có giá trị random backoff nhỏ hơn (giả sử là 2 slot time) thì Quân sẽ là người truyền dữ liệu trước. Lúc đó, Việt sẽ nhận được frame từ Quân có chứa trường duration lớn hơn giá trị NAV của Việt ( NAV hiện tại là 0) nên Việt sẽ cập nhật NAV sang giá trị mới. Đồng thời Việt cũng lưu giá trị random backoff còn lại của mình ( trong trường hợp này là 2 slot time). Sau đó Việt sẽ lại phải chờ cho đến khi NAV = 0 và kiểm tra vật lý thấy đường truyền rỗi thì Việt sẽ chỉ phải đợi thêm một giá trị random backoff đã lưu lại ở lần trước (2 slot time), trước khi Việt thực sự truyền dữ liệu.

Giả sử sau khi Việt truyền được frame, thì làm thế nào để Việt biết được frame đó đã đến đích mong muốn hay chưa? Đặc tả 802.11 yêu cầu rằng trạm nhận phải hồi đáp lại một frame ACK cho trạm phát nếu nó nhận được frame thành công. Frame ACK này cho phép trạm truyền gián tiếp xác định được xung đột có xảy ra hay không. Nếu trạm truyền không nhận được frame ACK, nó sẽ cho rằng đã có xung đột xảy ra

53

trên đường truyền. Trạm truyền sẽ cập nhật lại biến đếm Retry của nó, tăng giá trị CW lên gấp đôi ( với hy vọng làm tăng giá trị random backoff) và bắt đầu tiến trình truy nhập đường truyền lại lần nữa.

- Frame ACK: Trạm nhận sau khi nhận được frame thành công ( không có lỗi) sẽ hồi đáp lại một frame ACK cho trạm truyền. Lưu ý là trạm nhận phải truy nhập đường truyền và truyền frame ACK. Bạn có thể nghĩ rằng ACK nhiều khả năng sẽ bị trì hoãn bởi vì phải đấu tranh giành đường truyền. Tuy nhiên, việc truyền frame ACK là một trường hợp đặc biệt. Frame ACK được phép bỏ qua quá trình random backoff và chỉ phải đợi một khoảng thời gian ngắn sau khi nhận được frame để có thể truyền ACK. Khoảng thời gian ngắn mà trạm nhận phải đợi được gọi là Short Interframe Space (SIFS). SIFS nhỏ hơn DIFS 2 slot time. Nó đảm bảo cho trạm nhận có nhiều cơ hội nhất để truyền trước các trạm khác.

Cũng với ví dụ trước, sau khi Việt trì hoãn việc truyền tổng cộng 4 slot time, đường truyền vẫn rỗi, Việt bắt đầu truyền frame sang Quân. AP nhận được frame và đợi một khoảng thời gian SIFS trước khi gửi lại frame ACK. Giả sử vì lý do nào đó, Việt không nhận được frame ACK, Việt sẽ tăng gấp đôi giá trị CW và lặp lại tiến trình backoff. Cứ mỗi lần việc truy nhập đường truyền bất thành, các trạm 802.11 sẽ tăng giá trị biến đếm Retry. CW tiếp tục được tăng gấp đôi cho đến khi nó đạt giá trị lớn nhất là Cwmax. Lớp MAC có thể tiếp tục cố gắng truyền frame, nhưng khi biến đếm Retry dành cho frame đạt giá trị ngưỡng do admin đặt ra cho Retry, trạm Việt sẽ cố gắng giành lấy đường truyền.

Vấn đề node ẩn, node hiện và RTS/CTS: Việt có thể không truy nhập được đường truyền vì một trạm khác trong vùng phủ sóng AP nhưng lại ngoài tầm với của Việt. Giả sử Việt và Quân nằm trong vùng phủ sóng của nhau và trong vùng phủ sóng của AP nhưng không có ai nằm trong vùng phủ sóng của Thắng. Thắng nằm trong vùng phủ sóng của AP và cũng muốn truyền frame. Tình huống này là node ẩn bởi vì Thắng là ẩn đối với Việt và Quân. Việt cố giành đường truyền bằng cách sử dụng một frame đặc biệt gọi là RTS. Frame RTS được gửi đến AP, nó thông báo cho AP và tất cả các trạm khác trong vùng phủ sóng của Việt biết khoảng thời gian (duration) cần thiết để Việt trao đổi dữ liệu. Việt trao đổi frame bao gồm Việt truyền frame và nhận ACK.

AP nhận được frame RTS của Việt và hồi đáp lại với một frame điều khiển gọi là CTS. Frame CTS chứa trường duration có giá trị đủ lớn cho phép Việt hoàn thành việc

54

trao đổi frame. Tất cả các trạm trong vùng phủ sóng của AP bao gồm Thắng và Quân nhận được frame CTS và cập nhật giá trị NAV của họ.

Việc khởi tạo frame RTS mà Việt đã truyền cũng phải đi qua đầy đủ các tiến trình trong DCF như các frame bình thường khác. Nhưng cũng tương tự như frame ACK, frame CTS tương ứng từ AP cũng bỏ qua thủ tục random backoff và chỉ cần đợi SIFS trước khi truyền.

3.2.4. IEEE 802.15.4 MAC

H×nh 9. IEEE 802.15.4 MAC

Chuẩn IEEE 802.15.4 được thiết kế cho mạng cục bộ cá nhân không dây tốc độ thấp (LR-WPAN), gồm các ứng dụng cảm ứng nhúng. Những đặc điểm quan trọng nhất của chúng là chế độ cho phép báo hiệu trong topo dạng sao. Trong chế độ này, lớp MAC IEEE 802.15.4 sử dụng một cấu trúc siêu khung như hình vẽ. Một siêu khung được định nghĩa bởi một tín hiệu báo hiệu tuần hoàn gửi bởi khối điều phối PAN. Trong khi siêu khung có một pha hoạt động cho giao tiếp giữa node và bộ điều phối PAN và một pha không hoạt động, ta có thể điều khiển phụ thuộc vào chu kỳ ngủ mong muốn. Quá trình hoạt động có 16 slot, gồm 3 phần: bộ điều phối, quá trình truy cập (CAP) và một quá trình xung đột tự do (CFP), nó cho phép việc phân phối và đảm bảo thời gian slot (GTS). Sự xuất hiện của quá trình xung đột tự do cho phép truy cập

55

theo lịch được dành riêng. Node chỉ giao tiếp trên GTS có thể ngủ và chỉ cần thức dậy trước slot chỉ định GTS của nó.

Giao tiếp trong CAP là một thuật toán CSMA/CA đơn giản, nó cho phép một quá trình back off nhỏ để giảm bớt năng lượng tiêu tốn cho việc lắng nghe nhàn rỗi. Trong khi IEEE 802.15.4 trên lý thuyết có thể được sử dụng cho các topo khác, chế độ cho phép báo hiệu không được định nghĩa cho chúng. Phần còn lại ta sẽ tìm hiểu về cả 2 giao thức MAC sử dụng năng lượng hiệu quả, đó là chế độ tranh chấp và chế độ lập lịch, sử dụng trong mạng không dây multi-hop.

3.3. Năng lượng hiệu quả trong giao thức MAC

Năng lượng hiệu quả trong giao thức MAC đạt được khi tắt sóng radio để rơi vào trạng thái ngủ bất cứ khi nào có thể, để giữ năng lượng tiêu thụ.

3.3.1. Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11

Tồn tại các lựa chọn quản lý năng lượng trong chế độ Infrastructure của 802.11. Node được coi là điểm truy cập (AP) khi chúng có thể vào trạng thái ngủ mà bất cứ thông điệp nào gửi tới có thể được buffer tại AP. Quá trình thức dậy của node sẽ đọc lại các thông điệp buffer này. Năng lượng giữ được sẽ được cung cấp cho các tiêu phí về lưu lượng vào thấp hơn và tiềm năng cao hơn.

3.3.2. Năng lượng cần cho đa truy cập và báo hiệu (PAMAS)

PAMAS là một kỹ thuật mở rộng của MACA, ở đó RTS/CTS báo hiệu được thực hiện với việc chia kênh radio từ dữ liệu trao đổi được. Đây là một trong những năng lượng cần cho giao thức MAC đầu tiên đề cập cho mạng không dây multi-hop. Trong PAMAS, node ngủ bất cứ khi nào chúng không thể truyền và không thể nhận đầy đủ. Đặc biệt chúng có thể ngủ bất cứ khi nào chúng nghe thấy 1 node hàng xóm truyền tới node khác, hoặc nếu chúng xác định thông qua kênh báo hiệu điều khiển RTS/CTS rằng một trong những node hàng xóm đang nhận.

Quá trình của chế độ ngủ được đặt trong khi xảy ra quá trình truyền xác định bởi những tín hiệu điều khiển nhận được của kênh thứ 2. Nếu 1 quá trình truyền được bắt đầu trong khi một node đang ở chế độ ngủ, sẽ thức node dậy gửi các tín hiệu thăm dò để xác định khoảng thời gian xảy ra quá trình truyền và bao lâu có thể quay lại chế độ ngủ. Trong PAMAS, 1 node sẽ chỉ đượ đặt ngủ khi nó bị ngăn chặn từ mọi cách truyền hay nhận, như vậy trễ và lưu lượng đầu vào của mạng sẽ không có ảnh hưởng bất lợi. Tuy nhiên, vẫn còn sự hao phí năng lượng trong chế độ tiếp nhận rảnh rỗi.

56

3.3.3. Tối thiểu hoá chi trả năng lượng tiếp nhận rảnh rỗi

Trong khi PAMAS chỉ cung cấp cách để giữ năng lượng trong khi lắng nghe, năng lượng cũng có thể giữ được có thể bằng cách giảm tiếp nhận rỗi. Thách thức chính là cho phép bộ nhận ngủ phần lớn thời gian, trong khi vẫn đảm bảo rằng 1 node được thức dậy và nhận khi 1 gói tin mong đợi được truyền đến. Cơ bản của phương pháp giải quyết vấn đề này là 2 lớp giao thức MAC của mạng cảm nhận tranh chấp. Lý thuyết đầu tiên không đồng bộ hoàn toàn và chỉ trông vào việc sử dụng một sóng radio thêm hoặc những kỹ thuật lắng nghe quá trình với năng lượng thấp để bảo đảm rằng nơi nhận thức dậy với một quá trình truyền tới mong muốn. Lý thuyết thứ 2, với nhiều biến đổi, sử dụng lập lịch chu kỳ ngủ cho node. Phần lớn lập lịch được điều phối như cách mà nơi truyền biết khi nơi nhận được đánh thức.

3.4. Kỹ thuật ngủ không đồng bộ

Trong kỹ thuật này, các node sẽ mặc định giữ ở trạng thái ngủ, và chỉ thức dậy đọc lưu lượng truyền hoặc gửi/ nhận thông điệp.

3.4.1. Bức xạ thức dậy thứ 2

Node cần ngủ để giữ năng lượng khi chúng không có bất cứ giao tiếp nào và thức dậy để tham gia giao tiếp. Giải pháp thứ 1 là về phần cứng, mỗi node cảm biến bao gồm 2 bức xạ. Như vậy một thiết kế phần cứng có bức xạ đầu tiên là bức xạ dữ liệu chính, đặt ở chế độ ngủ mặc định. Bức xạ thứ 2 là bức xạ thức dậy năng lượng thấp hoạt động trong suốt thời gian. Nếu bức xạ thức dậy của node nhận một tín hiệu thức dậy từ node khác, nó sẽ phản ứng là thức dậy bức xạ đầu tiên để bắt đầu nhận. Quá trình này đảm bảo rằng bức xạ đầu tiên chỉ hoạt động khi node có dữ liệu gửi hoặc truyền. Bức xạ thức dậy không làm các tín hiệu xử lý phức tạp, nó có thể được thiết kế ở mức năng lượng cực thấp. Một tradeoff được lan truyền trong các node liên quan của node truyền và có thể thức dậy.

3.4.2. Lắng nghe ở năng lượng thấp/ lấy mẫu đầu khung truyền

Trong kỹ thuật này đề cập lấy mẫu đầu khung và lắng nghe năng lượng thấp, quá trình nơi nhận sẽ thức dậy để cảm nhận môi trường. Nếu không tìm thấy hoạt động, nó tiếp tục ngủ. Nếu 1 node muốn truyền, nó sẽ gửi 1 tín hiệu đầu khung để truyền gói. Khi dò được tín hiệu đầu khung, node nhận sẽ đổi thành trạng thái hoạt động. Kỹ thuật này được minh hoạ ở hình vẽ. Tín hiệu thức dậy có thể được gửi qua một gói giao diện ở mức cao; tuy nhiên mục tiêu quan trọng hơn là thực hiện trực tiếp ở lớp vật lý- như vậy tín hiệu thức dậy có thể không dài hơn xung RF. Node dò sau đó chỉ có thể đọc

57

trên kênh với năng lượng bức xạ radio để xác định tín hiệu có xuất hiện hay không. Chế độ này có thể thức dậy tất cả các nơi nhận có thể trong một vùng truyền xung quanh xác định, thông tin ở phần đầu có thể được dùng để đặt chúng vào trạng thái ngủ nếu giao tiếp không cần.

H×nh 10. Kỹ thuật lắng nghe ở năng lượng thấp/ lấy mẫu đầu khung truyền

3.4.3. WiseMAC

Chế độ trên còn có một thiếu sót: phần đầu khung dài mà nơi truyền cần để gửi có thể trong vài trạng thái nguyên nhân dẫn đến giảm thông lượng đầu vào và lãng phí năng lượng cho cả nơi gửi và nơi nhận.

Giao thức WiseMAC được xây dựng trên cơ sở lấy mẫu đầu khung để bổ sung những thiếu hụt. Sử dụng những kết hợp thêm về gói ACK, mỗi node học những lần lấy mẫu quá trình của những node hàng xóm, và dùng những thông tin này để gửi đầu khung đánh thức ngắn vào đúng thời điểm.

Quá trình đầu khung được xác định bởi đồng hồ trôi cho tới đồng bộ cuối cùng. Gọi Tw là chu kỳ nơi nhận lấy mẫu- đồng hồ trôi, và L là khoảng thời gian giữa các giao tiếp, như vậy thời gian của khung đầu Tp cần là:

Gói trong WiseMAC cũng chứa một bit dư mà nơi truyền sử dụng để báo hiệu cho nơi nhận nếu nó cần thiết để giữ trạng thái thức trong khoảng ngắn để nhận các gói thêm cần thiết.

3.4.4. Truyền/ nhận - bắt đầu chu kỳ tiếp nhận (TICER/RICER)

58

Trên tinh thần của chế độ lấy mẫu đầu khung, kỹ thuật TICER/RICER đã được phát triển. Trong kỹ thuật này, node nhận thức dậy theo chu kỳ để giám sát các kênh với các tín hiệu từ nơi gửi (thức dậy tín hiệu RTS). Nơi gửi sẽ gửi một chuỗi tín hiệu RTS qua một thời gian ngắn khi nó quan sát kênh. Khi nơi nhận do được một RTS, nó sẽ trả lời với 1 tín hiệu CTS. Nếu nơi gửi dò được tín hiệu CTS đó, nó sẽ bắt đầu quá trình truyền gói. Như vậy sự khác biệt chính từ lấy mẫu đầu khung là trong TICER, nơi truyền sẽ truyền một chuỗi tín hiệu không liên tục thay vì một đầu khung đơn dài, và đợi 1 tín hiệu rõ ràng từ nơi nhận trước khi truyền.

Còn trong kỹ thuật RICER, minh hoạ ở hình b, 1 node nhận chu kỳ thức dậy để thực hiện 3 pha: giám sát- gửi báo hiệu thức- quan sát chuỗi. 1 nguồn được dùng để truyền báo thức và giữ trạng thái quan sát. Khi nó nghe được 1 báo hiệu thức dậy từ nơi nhận, nó sẽ bắt đầu truyền dữ liệu. Nơi nhận trong trạng thái quan sát sẽ nhìn sự bắt đầu truyền gói dữ liệu cho đến khi tiếp nhận đủ gói.

Tuy nhiên, kỹ thuật TICER/RICER gắn liền với sự phức tạp, trong khi tín hiệu thức RTS/CTS được đòi hỏi dễ dẫn tới thực hiện ở mức gói cao, sẽ gây khó khăn khi thực hiện mức tương tự RF năng lượng thấp.

H×nh 11. Kỹ thuật TICER/RICER

3.5. Kỹ thuật lập lịch ngủ

59

3.5.1. Cảm ứng MAC (S-MAC)

Giao thức S-MAC là một giao thức MAC không dây được thiết kế đặc biệt cho WSN. Như hình vẽ chỉ ra, nó dùng một chu kỳ tuần hoàn, ở đó, mỗi node sẽ ngủ trong một khoảng thời gian và thức dậy để lắng nghe. Chu kỳ nhiệm vụ của chế độ lập lịch ngủ-lắng nghe này thực hiện với tất cả các node, làm giảm năng lượng tiêu thụ. Trong suốt quá trình, node thức và chờ đợi một chu kỳ ngẫu nhiên để lắng nghe thông điệp để cung cấp cho lập lịch ngủ- lắng nghe những node hàng xóm. Nếu chúng không nhận được một thông điệp nào, chúng sẽ trở thành những node đồng bộ, nó sẽ lựa chọn lập lịch của riêng nó và thông báo cho các node hàng xóm. Node nghe được lịch của node lân cận sẽ chấp nhận lịch này và báo cho các node tiếp theo. Một vài node ranh giới có thể cần chấp nhận nhiều lịch hoặc chỉ chấp nhận lịch của 1 node lân cận. Các node sẽ định kỳ truyền các lịch này để cấp vị trí cho mỗi node mới được kết nối với mạng. Các node vẫn phải trao đổi gói theo định kỳ với các node hàng xóm để đồng bộ, đây không phải là vấn đề lớn vì chu kỳ nghe thường lớn hơn nhiều so với thời gian trôi của đồng hồ. Lập lịch ngủ không được dùng trong khi truyền dữ liệu. Một mở rộng của sơ đồ S-MAC cơ bản, gọi là đáp ứng lắng nghe, cho phép chu kỳ hoạt động có thể thay đổi độ dài, để ngăn khả năng ngủ cho 1 vài phạm vi. Năng lượng giữ trong S-MAC mang tới tiêu phí trong quá trình ngủ: 1 gói truyền qua mạng sẽ phải tạm dừng trong quá trình ngủ của những node trung gian.

H×nh 12. Giao thức S-MAC

3.5.2. MAC thời gian chờ (T-MAC)

MAC thời gian chờ là một giao thức chu kỳ tương tự như S-MAC và đáp ứg lắng nghe cho phép thay đổi chu kỳ. Độ dài mỗi chu kỳ được giữ cố định, nhưng kết thúc của quá trình hoạt động được xác định tích cực bởi bất cứ thông điệp (dữ liệu hoặc điều khiển) nào trong khoảng thời gian chờ, nó sẽ ngủ. Nếu nó nhận được 1 thông điệp, bộ đếm sẽ bắt đầu lại sau khi tiếp nhận thông điệp. Cơ chế làm mới này cho phép đáp ứng dễ dàng biến đổi lưu lượng trong không- thời gian. Chế độ T-MAC cơ bản

60

phải chịu một vài vấn đề, gọi là “ngủ sớm”, làm giảm lượng đầu vào, đặc biệt trong trường hợp truyền qua một phương duy nhất. Khi 1 node yên lặng do xung đột trong chu kỳ xác định, nó không thể gửi bất kỳ một thông điệp nào cho những nơi nhận cần thiết để phá vỡ thời gian chờ đợi của nó. Khi nơi gửi có thể gửi sau khi kết thúc quá trình xung đột, nơi nhận lại sẵn sàng vào chế độ ngủ. Hai giải pháp có thể giải quyết vấn đề ngủ sớm được đặt ra.

Phương pháp đầu tiên sử dụng một thông điệp điều khiển hiện thời ngắn (FRTS), nó có thể giao tiếp với nơi nhận mong muốn với việc đòi phải chờ đợi thêm một chu kỳ thời gian.

Giải pháp thứ 2 được gọi là “quyền ưu tiên buffer đầy”, ở đó, 1 node muốn gửi hơn là nhận khi bộ đệm buffer của nó là đầy. Với chế độ này, 1 node có quyền rất cao để gửi gói của nó thay vì nhận các gói khác, và có thể tạm thời phá vỡ thời gian chờ của nơi nhận.

3.5.3. MAC hội tụ dữ liệu (D-MAC)

H×nh 13. MAC hội tụ dữ liệu (D-MAC)

Dành cho những gói truyền qua đa bước nhảy (multi-hop), cả S-MAC và T-MAC mất năng lượng tiết kiệm do hao phí của việc tăng trễ. Bởi vì gói có thể truyền qua chỉ một vài bước nhảy trong mỗi chu kỳ trước khi tới 1 node phải ngủ. Đó chính là vấn đề về gián đoạn dữ liệu chuyển tiếp.

Một giải pháp ứng dụng đặc biệt cho vấn đề này được đưa ra bởi giao thức D-MAC, nó chỉ áp dụng trên cây dữ liệu hội tụ xác định trước từ những node mạng biến động đến 1 sink chung. D-MAC được ứng dụng cơ bản ở chế độ ngủ so le tại node ở mỗi mức kế tiếp, cây chuyển 1 chuỗi nhận - truyền - ngủ được dịch về bên phải. Chu kỳ này được xếp hàng để 1 node ở mức k trong chế độ nhận khi mà node thấp hơn trên cây ở lv k+1 đang truyền.

61

Lập lịch so le của D-MAC có nhiều lợi thế- nó cho phép dữ liệu và gói điều khiển chuyển liên tục theo mọi cách trên cây với trễ nhỏ nhất; nó cho phép yêu cầu sự suy yếu đáp ứng được của chu kỳ hoạt động để phổ biến theo mọi đường trên cây; nó giảm nhiễu giao thoa nhờ chia chu kỳ hoạt động thành các mức khác nhau; và nó cũng giảm số lượng node thức dậy khi xuất hiện chu kỳ đáp ứng. Để chuyển giao giữa xung đột và nhiễu giao thoa, D-MAC cũng bao gồm các thiết bị lựa chọn như dữ liệu dự báo trước và việc sử dụng gói thếm để gửi (MTS).

3.5.4. Lập lịch ngủ có thời gian trễ hiệu quả (DESS)

Mỗi node sẽ bỏ 1 slot duy nhất ngoài k slot để dùng làm slot tiếp nhận và công bố nó cho các node hàng xóm. Khi 1 node nào đó muốn truyền cho node này trong bất kể chu kỳ nào, nó sẽ thức slot đó trong chu kỳ truyền. Trên 1 đường truyền đa bước nhảy, trễ mà 1 gói gặp phải ở mỗi bước nhảy chỉ là 1 hàm của số lần tiếp nhận slot của 2 node tương ứng. Với 1 gói gửi từ node i đến 1 node j liền kề nó, có slot tiếp nhận xi_xj riêng biệt, trễ xác định là xj – xi mode k nếu xi_ = xj_k. Trễ đường dẫn là tổng của tất cả trễ ở mỗi bước nhảy trên chiều dài đường dẫn. Kết thúc của trễ giữa 2 node là trễ đường dẫn nhỏ nhất.

Vấn đề 1: Đưa ra một sơ đồ giao tiếp có chỉ định 1 trong k slot tiếp nhận riêng biệt cho mỗi node trong mạng mà trễ cuối cùng lớn nhất giữa tất cả các cặp node trong mạng là tối thiểu.

Nó chỉ ra rằng DESS là 1 vấn đề NP lớn cho sơ đồ tuỳ ý, nhưng giải pháp khả quan là trong trường hợp sơ đồ cây và ring; xấp xỉ tốt có thể thấy trong mạng lưới. Nếu node được cho phép nhận nhiều lịch, sau đó sẽ cải thiện hiệu quả hơn trễ; ví dụ trên 1 lưới, 1 node có thể chấp nhận 4 lịch của mỗi k slot (mỗi lịch cho truyền với các node lân cận bên trái, phải, trên và dưới), mà nó lặp lại theo chu kỳ. Trên lưới, sử dụng nhiều lịch có thể giảm trễ giữa 2 node bằng cách: d bước nhảy xa trên sơ đồ tới O_d+k_, trong khi phân số trung bình của số lần thức dậy là 1/k. Trong 1 sơ đồ giao tiếp bất kỳ, với n node, việc sử dụng 2 lịch trong 1 cây nhúng cho phép trễ: O_d+k_log n_.

3.5.5. Lịch ngủ không đồng bộ

Một biến đổi thú vị của vấn đề lập lịch chu kỳ thức ngủ cho node xảy ra khi có 1 node đồng bộ bên trong bị loại bỏ. Trong trường hợp này, các thiết kế khách quan phải tạo ra lịch thức ngủ độc lập cho mỗi node cá nhân để bảo đảm rằng khoảng thời gian thức dậy không bị chồng chéo với các node hàng xóm. Trong khi nó đòi hỏi số lần

62

thức dậy dài hơn, nó cũng có thể thu được sự không ràng buộc trong thiết kế và việc thi hành, đặc biệt trong các mạng tích cực cao, nơi mà rất khó để đồng bộ lịch qua các node.

Định nghĩa: Hàm lập lịch thức dậy (WSF) fu cho 1 node u được định nghĩa là 1 tổ hợp vector của T slot, nó chỉ ra k slot hoạt động trong thời gian đó, node u sẽ được thức dậy.

Gọi số dịch cố định của những slot hoạt động chồng chéo giữa fu và fv là C_u_v. Vấn đề của thiết kế WSF cho tất cả các node mà chúng chồng chéo ít nhất m lần có thể tạo thành 1 vấn đề tổ hợp.

Vấn đề 2: Cho mỗi sơ đồ mạng G=_V_E, đưa ra 1 giá trị cố định của T cho WSF

của mỗi node, tối thiểu hoá k sao cho . Ở đây, là 1 tập hợp trung bình của số slot hoạt động trong mỗi chu kỳ.

Vấn đề này có thể được dùng trong thiết kế không đối xứng (ở đó, các node khác nhau có thể có các hàm thức dậy slot khác nhau) tốt như là trong thiết kế đối xứng (ở đó các node có cùng WSF, trừ chu kỳ thời gian dịch).

H×nh14. Lịch ngủ không đồng bộ

63

KẾT LUẬN

Trong hoàn cảnh đất nước ta hiện nay thì vấn đề WSN còn phải nghiên cứu và phát triển. Trong bài khoá luận này, em đã khái quát được các đặc tính cơ bản của WSN, qua đó có thể so sánh được với WLAN. WSN cung cấp cho ta một giải pháp quan sát, báo hiệu và xử lý thông minh, có ý nghĩa rất lớn về mặt ứng dụng.

Tìm hiểu cấu tạo của các node mạng WSN, thường bao gồm 2 thành phần: phần cảm biến và phần giao tiếp vô tuyến. Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp, giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài nên vấn đề năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm nhận không dây WSN.

- Lớp vật lý: Gọn nhẹ về kích thước và khả năng tính toán của các node - Lớp MAC:Kỹ thuật đa truy nhập CSMA/CA với mục đích giảm năng lượng

tiêu thụ. - Lớp Routing: Có thể dùng Routing protocol, Geo Routing. WSN thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số node mạng lớn và

tương đối ngẫu nhiên, vì vậy đòi hỏi cấu hình mạng linh động (dạng lưới, sao…). Trong một số WSN thông dụng, địa chỉ ID các node chính là vị trí địa lý và giải thuật Routing dựa vào vị trí này gọi là GRT (Geo Routing protocol).GRT phù hợp với các WSN cố định nhờ đơn giản hoá giải thuật tìm đường, giảm dữ liệu bảng routing lưu trữ tại các node.

Do giới hạn khả năng tính toán của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung hoặc gửi dữ liệu tính toán cho các Base Station (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về năng lượng).

Khoá luận hoàn thành, trước tiên em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới thầy giáo-TS Vương Đạo Vy, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em về thu thập tài liệu cũng như truyền đạt kiến thức. Qua đây, em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy trong khoa Điện tử-Viễn thông trường ĐHCN-ĐHQG Hà Nội đã nhiệt tình dạy bảo và trang bị cho em kiến thức để em bước vào tương lai. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các bạn lớp K49DA luôn sẵn sàng giúp đỡ trong suốt quá trình làm khoá luận.

Trong khuôn khổ bài khoá luận, do còn hạn chế về mặt tài liệu cũng như về phần thực tế của đề tài nên khoá luận không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất mong được sự chỉ bảo và thông cảm của các thầy, nhà trường và các bạn sinh viên quan tâm tới vấn đề này.

Em xin trân trọng cám ơn các thầy đã tận tình giúp đỡ em làm tốt khoá luận !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Andy Dornan. Second edition The Essential Guide to Wireless Communication Applications

[2] Bhaskar. Networking Wireless Sensor

[3] Edgar H. Callaway. Wireless Sensor Networks: Architecture and Protocols

[4] Anna HAC. Wireless Sensor Network Designs

[5] www.Planet.com.tw

[6] www.Linkpro.com.tw

[7] www.vntelecom.org