Tài liệu Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG LÊ DOÃN TRUNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG TRỌNG MINH HÀ NỘI - 2019 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG LÊ DOÃN TRUNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn. Học viên Lê Doãn Trung ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô là giảng viên và là cán bộ quản lý của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa viễn thông I và Khoa đào sau đại học đã dành thời gian, tâm huyết và tri thức của mình giúp đỡ và dìu dắt chúng em trong suốt chặng đường của khóa học. Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Hoàng Trọng Minh - Người đã trực tiếp hướng dẫn, truyền thụ kiến thức cho em trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, giúp em có được những hiểu biết nhất định trong lĩnh vực này và hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu được giao. Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ em trong suốt chặng đường đã qua, để em có thể hoàn thành nhiệm vụ được giao. Những bước đi đầu tiên trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu khoa học, nghiên cứu lĩnh vực mới. Với kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế, do vậy có những điểm chưa hoàn chỉnh là điều không thể tránh khỏi. Em cầu thị sự tiến bộ và rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy cô để kiến thức của em ngày càng vững chắc và hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày tháng Học viên Lê Doãn Trung năm 20 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ v DANH MỤC HÌNH VẼ ..........................................................................................vii LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI............................................................................................. 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................................... 1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU..................................................................................... 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU......................................................... 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................ 2 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................ 4 1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây ............................................... 4 1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây ............................................................ 8 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ............................................... 12 1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ....................................................... 13 1.5 Kết luận chương ............................................................................................... 15 CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY . 16 2.1 Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến ............................................... 16 2.2 Sự tiêu thụ năng lượng ..................................................................................... 19 2.2.1 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến ........................................................ 19 2.2.2 Năng lượng cho truyền thông .................................................................... 19 Năng lượng cho xử lý ......................................................................................... 20 2.3 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng ................................................................. 21 2.3.1 Giải pháp định tuyến ................................................................................. 21 2.3.2 Các giao thức lớp mạng khác được đề xuất cho mạng cảm biến .............. 24 2.3.3 Giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn ............................................. 30 2.3.4 Quản lý nguồn công suất ........................................................................... 34 iv 2.3.5 Giải pháp sử dụng các nguồn năng lượng trong tự nhiên ......................... 39 2.4 Kết luận chương ............................................................................................... 42 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG VỚI GIAO TUYẾN ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ........................... 44 3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 44 3.2 Giao thức chọn ổn định SEP ............................................................................ 45 3.2.1 Nhóm theo phân cấp .................................................................................. 46 3.2.2 Chia nhóm tối ưu ....................................................................................... 47 3.3 Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E......................................................... 50 3.4 Giao thức ổn định nâng cao SEP-E (RCH) ..................................................... 52 3.4.1 Lựa chọn đầu cụm đầu tiên ....................................................................... 53 3.4.2 Lựa chọn đầu cụm dự phòng ..................................................................... 54 3.4.3 Xác định đầu cụm ...................................................................................... 54 3.4.4 Giai đoạn truyền dữ liệu ............................................................................ 55 3.5 Mô phỏng kiểm chứng ..................................................................................... 56 3.6 Kết luận chương ............................................................................................... 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 58 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 59 v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Đa truy nhập nhận biết sóng mang Collision Detect phát hiện xung đột CTS Clear to Send Xóa để gửi GAF Geographic Adaptive Fidelity Định tuyến dựa trên vị trí GBR Gradient based routing Định tuyến dựa trên khoảng cách GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu Global Orbiting Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ System đạo toàn cầu Geographic and Energy-Aware Định tuyến dựa trên vị trí và năng Routing lượng GLONSS GEAR LEACH Low energy adaptive clustering Phân cấp cụm thích ứng với năng lượng thấp hierarchy Giao thức điều khiển thâm nhập MAC Message Authentication Code MIC Message Integrity Code Mã toàn vẹn của tin nhắn QoS Quality of service Chất lượng của dịch vụ môi trường vi RTS Request to Send Yêu cầu gửi SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến Sensor Protocol for Information via Giao thức cảm biến thông tin qua Negotiation thương lượng Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến và Dissemination Protocol phổ biến số liệu Impulse Radio Vô tuyến xung Task Assignment and Data Giao thức phân nhiệm vụ và Advertisement Protocol quảng cáo số liệu SPIN SQDDP IR TADAP TDMA Time division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Threshold sensitive Energy Efficient Giao thức hiệu quả năng lương sensor Network protocol cảm nhận mức ngưỡng Power-efficient Gathering in Sensor Thu thập năng lượng hiệu quả Information Systems trong hệ thống thông tin cảm biến UWB Ultrawideband Băng tần cực rộng WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây TEEN PEGASIS vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo của nút cảm biến ............................................................................6 Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây .........................................9 Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến ............................................................9 Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến .............................................................10 Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ............................................10 Hình 1.6: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến....................................................12 Bảng 2.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM. .................................................17 Hình 2.1: Hiệu quả năng lượng trong định tuyến .....................................................22 Hình 2.2: Ví dụ về tập hợp số liệu. ...........................................................................24 Hình 2.3: Giao thức SPIN. ........................................................................................27 Bảng 2.2: Tóm tắt các giao thức MAC cho mạng cảm biến. ....................................32 Hình 3.1: Mô hình tiêu tan năng lượng radio ............................................................47 Hình 3.2: Lựa chọn đầu cụm .....................................................................................55 Hình 3.3: Số lượng nút chết theo các vòng với năng lượng ban đầu cố định ...........56 Hình 3.4: Số lượng nút chết theo các vòng với năng lượng ban đầu thay đổi ..........57 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Với sự phát triển và ứng dụng nhanh chóng của mạng cảm biến không dây vào các linh vực của xã hội: Quốc phòng, y tế, điều khiển, môi trường, nông nghiệp, hộ gia đình (nhà thông minh)…. Đây sẽ là cơ hội mở ra hướng kinh doanh đầy tiềm năng cho các VNPT tỉnh thành. Không giống như các mạng không dây đang tồn tại, các nút mạng trong mạng cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ và có nguồn năng lượng hạn chế (rất khó hoặc không có khả năng nạp thêm), topo mạng không ổn định… Do đó các kỹ thuật và các giao thức được phát triển cho các mạng không dây đã và đang tồn tại không thể áp dụng trực tiếp cho mạng cảm biến không dây được. Do các nút mạng trong mạng cảm biến không dây có năng lượng hạn chế, tuổi thọ của mạng lại phụ thuộc các nút mạng, đồng nghĩa với việc phụ thuộc vào mức tiêu hao năng lượng của các nút mạng mà nguyên nhân chính của sự tiêu hao năng lượng của các nút mạng là hoạt động truyền thông. Do vậy quản lý tốt các hoạt động truyền thông của nút mạng góp phần đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ cũng như tăng tính hiệu quả của mạng. Với mục đích nắm bắt những tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực này để phục vụ cho công tác tại đơn vị. Vì vậy tôi chọn đề tài nghiên cứu “Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây” làm đề tài nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Kể từ khi mạng cảm biến không dây ra đời, đã có nhiều giao thức định tuyến được thiết kế sử dụng cho mạng này. Có thể liệt kê như là SPIN, LEACH, PEAGSIS, TEEN … Ngoài hướng nghiên cứu các giao thức định tuyến mới thì việc nghiên cứu cải tiến các giao thức đã có giúp mạng hoạt động ổn định hơn cũng rất cần thiết và quan trọng. LEACH là một giao thức định tuyến phân cụm thích nghi được đề xuất bởi Wendi B. Heinzelman. Các mục tiêu chính của LEACH là: tăng tuổi thọ mạng, giúp 2 mạng tiêu thụ năng lượng thấp, giảm số lượng thông điệp truyền thông bằng tập hợp dữ liệu. Leach được gọi là "Giao thức thích nghi năng lượng hiệu quả cho nhóm các mạng cảm biến không dây ”. Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E (RCH) được phát triển dựa trên nền tảng LEACH đã được nghiên cứu trong nhiều công trình khoa học, và một hướng riêng của SEP-E (RCH) sẽ được nghiên cứu và trình bày trong luận văn này. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Khảo sát, đánh giá và phân tích bài toán năng lượng trong mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức SEP-E (RCH) với cấu hình chuẩn truyền thông cụ thể. Trong một mạng phân bố có diện tích 100m x 100m với nút sink nằm ở giữa. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu khảo sát và thực hiện minh chứng bằng mô phỏng. Sử dụng công cụ matlab để kiểm chứng mức độ tiết kiệm năng lượng của giao thức nghiên cứu trong bài toán cụ thể đã nêu. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết: Sưu tầm, nghiên cứu tài liệu về tổng quan mạng cảm biến không dây, các vấn đề liên quan đến tiêu thụ năng lượng trong mạng WSN (Giao thức định tuyến, cực tiểu năng lượng, quản lý nguồn công suất, tối ưu đường đi…). Nghiên cứu thực nghiệm: Đưa ra đề xuất cấu hình truyền thông tối ưu về mặt năng lượng; Tiến hành mô phỏng, so sánh và đánh giá kết quả 3 MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đang được áp dụng rộng rãi và ngày càng không thể thiếu trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội. Lịch sử phát triển của mạng cảm biến không dây có đóng góp không nhỏ từ những nhu cầu trong lĩnh vực quân sự. Từ những năm cuối thập niên 70 của thế kỷ 20, cơ quan đặc trách nghiên cứu quốc phòng cao cấp (DARPA) của Mỹ đã tổ chức hội thảo về mạng cảm biến nhằm nêu ra những thách thức và hướng đi công nghệ cho lĩnh vực này. Trong những năm tiếp theo, các thuật toán phân bố và các kỹ thuật xử lý tín hiệu dần được xây dựng và hoàn thiện cho đến ngày nay. Có nhiều vấn đề đặt ra trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, như vấn đề về năng lượng, vấn đề về đồng bộ, vấn đề về mở rộng mạng...Trong đó, vấn đề được quan tâm đặc biệt là về năng lượng của mạng cảm biến không dây. Sở dĩ, người ta quan tâm đến vấn đề này là do đặc thù các nút cảm biến trong mạng có nguồn năng lượng giới hạn, hầu như không có khả năng bổ xung năng lượng. Việc này làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của từng nút mạng nói riêng cũng như toàn mạng cảm biến nói chung. Năng lượng được sử dụng trong mạng cảm biến không dây được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, nhưng một trong những nhiệm vụ tiêu tốn năng lượng nhiều nhất đó là công tác truyền thông giữa các nút mạng. Do vậy, nếu quản lý tốt các hoạt động truyền thông của nút mạng sẽ đóng góp đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ của mạng cũng như tăng tính hiệu quả của mạng. Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đã lựa chọn đề tài “Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây” để tìm hiểu, nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông. Trong quá trình nghiên cứu, chắc chắn sẽ có nhiều nội dung cần có sự góp ý, đóng góp ý kiến và chỉ dẫn của T.S Hoàng Trọng Minh cùng các thầy cô trong khoa Viễn thông I, trong Học viện CNBCVT, cũng như ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp để cho luận văn của em hoàn thiện hơn. Trân trọng! 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây Từ những thập niên cuối của thế kỷ 20, với sự phát triển như vũ bão của ngành công nghệ kỹ thuật số đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển các công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin, được ứng dụng vào mọi lĩnh vực trong các hoạt động phát triển sản xuất và giao tiếp xã hội của con người. Với độ bao phủ rộng khắp trên toàn cầu đã và đang đáp ứng được cơ bản nhu cầu trao đổi, khai thác, lưu giữ thông tin của nhân loại. Tuy nhiên, trong một số hoàn cảnh và điều kiện đặc biệt như thiên tai hoặc chiến tranh … khi đó các hạ tầng mạng viễn thông cố định bị phá vỡ, không thể phục hồi hoặc khắc phục ngay. Xuất phát từ thực tiễn đó, một công nghệ mạng mới đã được nghiên cứu và phát triển, để đáp ứng việc trao đổi thông tin đó là công nghệ truyền thông đa bước tùy biến không dây (Ad-hoc). Mạng Ad-hoc là một mạng với tập hợp các nút mạng di động sử dụng truyền dẫn không dây, có phân bố ngẫu nhiên về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời và không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng sẵn. Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có trang bị một bộ thu phát không dây. Các bộ định tuyến tự do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu trúc mạng (topology mạng) thay đổi thường xuyên. Như vậy mạng có thể hoạt động độc lập hoặc có thể kết nối với các hạ tầng mạng cố định còn lại hoặc khu vực lân cận để tạo thành mạng thông tin khu vực hoặc toàn cầu. Một trong những mô hình mạng con của mạng Ad-hoc là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwwork –WSN). Mạng cảm biến không dây được phát triển và triển khai cho nhiều lĩnh vực khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu; Giám sát trong lĩnh vực quân sự; Chuẩn đoán sự hỏng hóc của 5 máy móc trong công nghiệp; Quản lý thuốc trong các bệnh viên trong lĩnh vực y tế; theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện giao thông... Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút mạng (node) với nhau (kết nối có thể là bằng sóng vô tuyến hoặc ánh sáng), để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện thời tiết và ở bất cứ điều kiện địa lí nào. Trong đó các nút mạng là các thiết bị cảm biến, thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp... có số lượng lớn, được phân bố một cách không có cấu trúc cụ thể (non-topology) sử dụng nguồn năng lượng hạn chế, có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ, áp suất ...). Các nút mạng có chức năng cảm biến (cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) ... theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động... Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp. Việc thiết kế một mô hình mạng cảm biến không dây chuẩn để đáp ứng được hàng loạt các ứng dụng trên thực tế là việc là vô cùng khó khăn và phức tạp. Do đó, với mỗi một loại ứng dụng cụ thể phải thiết kế một mạng cảm biến không dây phù hợp với qui mô ứng dụng. Thiết kế mạng cảm biến không dây cần đáp ứng một số điểm chung như sau: - Khả năng tự tổ chức mạng của các nút mạng. - Sử dụng truyền thông không dây và truyền đa bước. - Triển khai nhanh với số lượng lớn trên phạm vi rộng. - Năng lượng, dung lượng bộ nhớ và khả năng xử lý. - Khả năng quảng bá trong phạm vi hẹp, nhiễu lớn. - Định tuyến multihop. 6 Ngoài những ưu điểm có được, mạng cảm biến không dây còn đối mặt với rất nhiều vấn đề cần giải quyết. Điểm quan trọng và then chốt đó là nguồn năng lượng giới hạn của các nút mạng, điều này làm ảnh hưởng tới thời gian sống của nút mạng nói riêng cũng như tuổi thọ của toàn mạng nói chung. Đã có rất nhiều nghiên cứu đã và đang tập trung vào giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến. Một trong những giải pháp hiệu quả đã và đang được nghiên cứu là sử dụng giao thức định tuyến tối ưu cho từng loại mạng cụ thể để tìm đường đi giữa các nút mạng, qua đó giảm thiểu năng lượng sử dụng của mỗi nút mạng và các nút lân cận nó, kéo dài đáng kể thời gian sống của mối nút làm tăng tuổi thọ của mạng. Cấu tạo của một nút cảm biến Hình 1.1: Cấu tạo của nút cảm biến Nút cảm biến được cấu tạo bởi 4 khối chức năng chính: - Bộ cảm biến (Sensing unit): Gồm 2 khối chức năng: Khối cảm biến có chức năng cảm biến thay đổi môi trường; Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog to Digital Converter - ADC) có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự nhận từ khối cảm biến sang tín hiệu số. Đầu cảm biến dựa trên những thông số thu được từ sự thay đổi của môi trường xung quanh tạo ra ra tín hiệu tương tự tương ứng với các trạng thái thay đổi của môi trường, sau đó những tín hiệu này được chuyển thành tín hiệu số thông qua khối ADC rồi sau đó được đưa vào khối xử lý. 7 - Bộ xử lý (Processing unit): Được cấu tạo từ 2 khối chức năng: Thiết bị xử lý (bộ xử lý) và thiết bị lưu trữ (bộ nhớ). Nhiệm vụ của Bộ xử lý điều khiển, quản lý hoạt động của các khối chức năng trong nút, quản lý các thủ tục vào ra trong nút kết nối với các nút lân cận để thực hiện các nhiệm vụ được định sẵn. Bộ xử lý là thành phần quan trọng nhất trong nút mạng cảm biến không dây, thực hiện thu thập dữ liệu từ các nút, xử lý dữ liệu đó và gửi đi, đồng thời nhận dữ liệu từ các nút khác chuyển tới. Có khả năng liên kết nhúng, mềm dẻo trong kết nối với các thiết bị khác, tiêu thụ năng lượng thấp nhờ khả năng tự chuyển sang chế độ ngủ đông, khi đó chỉ có một phần của vi điều khiển hoạt động. Một đặc điểm nổi bật của bộ xử lý là khả năng lập trình bằng các ngôn ngữ lập trình bậc cao (C, C++). Bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu đã xử lý thu được từ các nút, có hai kiểu kiến trúc bộ nhớ thường được sử dụng: kiến trúc havard và kiến trúc Von newman. Trong kiến trúc havard, bộ nhớ dữ liệu và chương trình tách biệt nhau, dữ liệu được chứa trong RAM còn chương trình được chứa trong ROM hoặc bộ nhớ FLASH. Mặt khác, trong kiến trúc Von newman, dữ liệu và chương trình được lưu cùng với nhau (trên RAM), nhược điểm của kiểu kiến trúc này là dữ liệu sẽ bị mất khi nguồn bị tắt, Do vậy, hệ điều hành thường được lưu trữ trên ROM, EEPROM, hoặc bộ nhớ flash. - Bộ thu phát (Transceiver unit): Có chức năng thu/phát tín hiệu, kết nối nút với các nút khác trong mạng theo yêu cầu của bộ xử lý đưa ra. Bộ thu phát sử dụng kết nối không dây để thu phát tín hiệu (sóng vô tuyến, truyền thông quang, sóng siêu âm, từ trường…). Trong đó, sóng vô tuyến được cho hầu hết các ứng dụng của mạng không dây do dải thông lớn với tốc độ dữ liệu cao là phù hợp cho hầu hết các ứng dụng của mạng không dây. Các nút thực hiện cả chức năng nhận và truyền dữ liệu (điều chế, giải điều chế, khuếch đại, lọc, trộn …) sau đó chuyển dữ liệu (luồng bit, byte hoặc khung dữ liệu) thành sóng vô tuyến. Thông thường, hai khối thu/phát thường được kết hợp thành một thiết bị duy nhất. Do vậy, tại một thời điểm không thể thực hiện đồng 8 thời vừa truyền vừa nhận dữ liệu, việc truyền và nhận sẽ được luân phiên nhau và được điều khiển bởi hệ điều hành. Một số lưu ý khi lựa chọn thiết bị cho bộ thu phát: - Khả năng phục vụ cho lớp trên (MAC), cho phép lớp này điều khiển gói dữ liệu. - Tần số sóng mang, đa kênh trong truyền thông. - Tốc độ dữ liệu tương ứng với tần số sóng mang và băng tần. - Bộ nguồn (Power Unit): Có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của nút, tiếp nhận năng lượng bổ xung từ bộ sinh năng lượng (nếu có). Một số loại nút cảm biến còn được bổ xung thêm các thành phần để phù hợp với nhiệm vụ cụ thể: - Hệ thống tìm vị trí (Location Finding System): Trong một số trường hợp đòi hỏi độ chính xác cao về số liệu cảm biến hay định tuyến thì các nút sẽ được gắn thêm bộ phận này . - Thiết bị di động (Mobilizer): Làm nhiệm vụ quản lý các chuyển động cho những nhiệm vụ được định sẵn. tùy thuộc vào nhiệm vụ mà nút cảm biến có thể được trang bị thêm bộ phận này. - Bộ sinh năng lượng (Power Generator): Có chức năng tiếp nhận năng lượng bổ xung từ các nguồn khác (năng lương mặt trời, năng lượng sinh học, năng lượng nhiệt… ), cung cấp năng lượng cho bộ nguồn của nút. 1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1.2. Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (Sensor field). Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông tin, định tuyến số liệu thu được về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu 9 phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite). Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây Có hai kiểu cấu trúc thường được triển khai, đó là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng:  Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với các nút còn lại. Giả thiết rằng tất cả các nút đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu. Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến  Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop (tùy thuộc 10 vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm biến, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.5). Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau: 11 - Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí khi triển khai mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng sẽ cao. Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm biến, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi. - Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm biến cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng. - Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là W , trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó, khi n kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm dần về 0. - Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n . Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh