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

ịa 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 l