Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:67

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bố cục của Luận văn này gồm có 3 chương: Chương 1 - Khái quát về mạng cảm biến không dây; Chương 2 - Giao thức phân cụm hiệu quả năng lượng Leach; Chương 3 - Cải thiện giao thức Leach để nâng cao hiệu năng mạng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGUYỄN NGỌC CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2020
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGUYỄN NGỌC CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC LEACH 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. NGUYỄN CHIẾN TRINH HÀ NỘI - 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi 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 công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Chương
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin cảm ơn gia đình, người thân đã luôn bên cạnh tôi và là nguồn động lực lớn lao để tôi làm việc và học tập. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Chiến Trinh - Phó khoa Viễn thông - Học Viện công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã luôn hướng dẫn tận tình trong quá trình làm luận văn. Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2020 Nguyễn Ngọc Chương
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ................................................ v DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................ix MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ....................... 2 1.1. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây ...................................... 2 1.2. Các thiết bị mạng cảm biến không dây ......................................................... 3 1.2.1. Cấu tạo một nút cảm biến........................................................................... 4 1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ........................................................... 7 1.2.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây........................................ 10 1.3. Một số ứng dụng điển hình .......................................................................... 12 1.4. Các vấn đề liên quan tới hiệu quả năng lượng ............................................ 13 1.4.1. Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến ....................................... 13 1.4.2. Sự tiêu thụ năng lượng ............................................................................. 17 1.5. Kết luận chương .......................................................................................... 18 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC PHÂN CỤM HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG LEACH .. 19 2.1. Giới thiệu chung .............................................................................................. 19 2.1.1. Vấn đề định tuyến trong mạng WSN ....................................................... 19 2.1.2. Giao thức LEACH và các biến thể ........................................................... 23
iv 2.2. Cơ chế hoạt động của LEACH .................................................................... 26 2.3. Đặc trưng và ứng dụng của LEACH trong mạng ........................................ 31 2.4. Kết luận chương .......................................................................................... 33 CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN GIAO THỨC LEACH ĐỂ NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG....................................................................................................................... 34 3.1. Tóm tắt các hướng cải thiện giao thức LEACH .......................................... 34 3.1.1. Giao thức LEACH-C( LEACH – CENTRALIZED) ............................... 35 3.1.2. Giao thức SEP(Stable Election Protocol) ................................................ 37 3.2. Đánh giá và đưa ra đề xuất cải thiện tham số ngưỡng chọn chủ cụm ......... 38 3.2.1. Cấu hình cụm: .......................................................................................... 38 3.2.2. Cấu tạo mô hình pha giao tiếp.................................................................. 42 3.2.3. Đường truyền đa chặng dựa trên tối ưu hóa thuật toán đàn kiến ............. 43 3.3. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả đề xuất ...................................................... 46 3.3.1. Xây dựng và mô phỏng nền tảng thử nghiệm .......................................... 46 3.3.2. Sự ổn định của số lượng đầu cụm ............................................................ 47 3.3.3. Thời gian hoạt động của mạng ................................................................. 48 3.3.4. Số lượng gói tin nhận được tại trạm gốc .................................................. 50 3.3.5. Năng lượng dư .......................................................................................... 51 3.4. Kết luận chương .......................................................................................... 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 53 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 55
v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Đa truy nhập cảm biến sóng CSMA Carrier Sense Multiple Access mang CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập nhận biết sóng CTS with ClearCollision to Send Detect mang Xóa đểphát gửihiện xung đột DD Directed Diffusion Truyền tin trực tiếp Giao thức phân cấp cụm thích Dynamic K Value- Low energy DK-LEACH ứng với năng lượng thấp có giá adaptive clustering hierarchy trị K động Giao thức phân cấp cụm thích ECLEACH Efficient Clustering LEACH ứng với năng lượng thấp phân cụm hiệu quả Energy Efficient Clustering Lược đồ phân cụm hiệu quả năng EECS Scheme lượng Giao thức phân cấp cụm thích Energy Efficient Low energy EE-LEACH ứng với năng lượng thấp hiệu adaptive clustering hierarchy quả năng lượng GAF Geographic Adaptive Fidelity Định tuyến dựa trên vị trí GBR Gradient based routing Định tuyến dựa trên khoảng cách Geographic and Energy Aware Giao thức định tuyến nhận thức GEAR Routing năng lượng và địa lý GEDIR Geographic Distance Routing Định tuyến khoảng cách địa lý GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu Global Orbiting Navigation Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ GLONSS Satellite System đạo toàn cầu Geographic and Energy-Aware Định tuyến dựa trên vị trí và GEAR Routing năng lượng Hybrid Energy-Efficient Phân cụm phân tán hiệu quả HEED Distributed năng lượng lai Hierarchical Power-Active Giao thức định tuyến năng lượng HPAR Routing động phân cấp Low energy adaptive clustering Giao thức phân cấp cụm thích LEACH hierarchy ứng với năng lượng thấp
vi Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Low energy adaptive clustering Giao thức phân cụm thích ứng LEACH-C hierarchy Centralized với năng lượng thấp tập trung Low energy adaptive clustering Giao thức phân cấp cụm thích LEACH-T hierarchy ứng với năng lượng thấp cấp bậc Tiers Giao thức phân cấp cụm thích Low energy adaptive clustering ứng với năng lượng thấp dùng sơ LEACH-VA hierarchy Voronoi Diagram Ant đồ Voronoi và thuật toán đàn colony kiến Giao thức điều khiển thâm nhập MAC Message Authentication Code môi trường Minimum Energy Giao thức mạng liên lạc năng MECN Communication Network lượng tối thiểu. MIC Message Integrity Code Mã toàn vẹn của tin nhắn MMSPEED Path and Multi Speed Giao thức đa đường và đa tốc độ QoS Quality of service Chất lượng của dịch vụ RTS Request to Send Yêu cầu gửi SAR Sequential Assignment Routing Định tuyến gán số thứ tự SEP Stable Election Protocol Giao thức chọn ổn định SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến Sensor Protocol for Information Giao thức cảm biến thông tin qua SPIN via Negotiation thương lượng Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến và SQDDP Dissemination Protocol phổ biến số liệu IR Impulse Radio Vô tuyến xung Task Assignment and Data Giao thức phân nhiệm vụ và TADAP Advertisement Protocol quảng cáo số liệu TDMA Đa truy nhập phân chia theo thời Time division multiple access gian Threshold sensitive Energy Giao thức hiệu quả năng lương TEEN Efficient sensor Network cảm nhận mức ngưỡng protocol
vii Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Thu thập năng lượng hiệu quả Power-efficient Gathering in PEGASIS trong hệ thống thông tin cảm Sensor Information Systems biến UCS Unequal Clustering Size Kích thước cụm không đồng đều UWB Ultrawideband Băng tần cực rộng WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây
viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM ............................................................ 15
ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Mô hình mạng cảm biến thông thường ................................................................. 4 Hình 1. 2. Cấu tạo của nút cảm biến ...................................................................................... 4 Hình 1. 3. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây ................................................... 7 Hình 1. 4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến ....................................................................... 8 Hình 1. 5. Cấu trúc tầng của mạng cảm biến ......................................................................... 8 Hình 1. 6. Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ........................................................ 9 Hình 1. 7. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến ............................................................. 11 Hình 2. 1. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN ........................................................ 20 Hình 2. 2. Các giao thức Leach cho mạng lưới ................................................................... 23 Hình 2. 3. Thời gian hoạt động của LEACH ....................................................................... 24 Hình 2. 4. Sơ đồ các pha của LEACH và biến thể trong WSN ........................................... 25 Hình 2. 5. Một số mục đích chính của LEACH và các biến thể .......................................... 26 Hình 2. 6. Lưu đồ quá trình chọn nút đầu cụm .................................................................... 27 Hình 2. 7. Lưu đồ giai đoạn thiết lập ................................................................................... 30 Hình 2. 8. Lưu đồ giai đoạn ổn định .................................................................................... 31 Hình 3. 1. Bước xây dựng sơ đồ Voronoi ............................................................................ 41 Hình 3. 2. Lược đồ quá trình phân cụm ............................................................................... 41 Hình 3. 3. Lưu đồ thuật toán đàn kiến ................................................................................. 46 Hình 3. 4. Kết quả mô phỏng trên nền tảng thử nghiệm...................................................... 47 Hình 3. 5. Đồ thị số đầu cụm ứng với số vòng .................................................................... 48 Hình 3. 6. Đồ thị số nút chết ứng với số vòng ..................................................................... 49 Hình 3. 7. Đồ thị số gói tin nhận được tại trạm gốc ứng với số vòng.................................. 50 Hình 3. 8. Đồ thị năng lượng dư ứng với số vòng ............................................................... 51
1 MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây WSN đóng vai trò hạ tầng quan trọng trong các giải pháp kết nối Internet of Things (IoT) của cuộc cách mạng 4.0 hiện nay. Mạng cảm biến không dây thu thập các thông tin từ môi trường, chuyển về trung tâm xử lý để đưa ra các quyết định điều khiển phản hồi tự động và có sự hỗ trợ bởi các công nghệ mới như deep learning, AI hay tính toán thông minh. Hạ tầng mạng cảm biến không dây là rất quan trọng trong mục đích cung cấp các kết nối truyền thông đảm bảo độ tin cậy, hiệu quả và phù hợp với môi trường ứng dụng. Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây gặp phải một số vấn đề trợ ngại khi hoạt động trong các môi trường linh động. Tuổi thọ của mạng, thời gian sống của các thiết bị cảm biến luôn là một bài toán được quan tâm hàng đầu đối với các nhà nghiên cứu và khai thác mạng. Thời gian sống của mạng phụ thuộc rất lớn bào cấu trúc mạng, thiết bị mạng hay giao thức truyền thông của mạng. Trong đó, giao thức LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy) là một giao thức tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây đã đem lại tính hiệu quả nhất định. Tuy nhiên, tùy vào các ứng dụng cụ thể, giao thức LEACH đem lại các hiệu quả khác nhau, nhất là trong các ứng dụng riêng biệt trong thực tiễn. Vì vậy, việc nghiên cứu cải thiện giao thức LEACH luôn được đặt ra như một vấn đề nghiên cứu trên cả khía cạnh lý thuyết hay ứng dụng. Trong nghiên cứu này, học viên mong muốn tìm kiếm giải pháp cải thiện LEACH để nâng cao hiệu năng mạng cảm biến không dây. Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về giao thức LEACH, em đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả năng lượng mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức LEACH” 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 Nguyễn Chiến Trinh 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.
2 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây Từ những thập niên cuối của thế kỷ 20, 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, ứng dụng chúng vào mọi mặt trong cuộc sống con người. Với độ bao phủ rộng khắp toàn cầu, công nghệ mạng viễn thông 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 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 Network –WSN). Một mạng cảm biến không dây bao gồm một tập các cảm biến được triển khai trong một khu vực mục tiêu nhằm thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên. Các thông tin này được chuyển đến nút trung tâm gọi là BS (Base Station) bằng sóng vô tuyến. Từ đó dữ liệu được phân tích, xử lý bởi người sử dụng để đưa ra các quyết định cho hệ thống. Sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu... đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến tiếp tục được phát triển cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của
3 môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ... 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 đa bước. 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 [1]. 1.2. Các thiết bị mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây thường có 4 thành phần sau:
4 - Các nút cảm biến được phân bố một cách ngẫu nhiên, có thể tập trung hoặc phân tán trên mô hình mạng. - Mạng lưới liên kết giữa các nút cảm biến lại với nhau: Hữu tuyến hoặc vô tuyến. - Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu ( Clustering ) - Bộ phận xử lí dữ liệu trung tâm. Hình 1. 1. Mô hình mạng cảm biến thông thường WSN thường bao gồm nhiều nút cảm biến, là những thiết bị sử dụng rất ít năng lượng pin. Những thiết bị này thực hiện 3 nhiệm vụ cơ bản: (1) lấy mẫu một đại lượng vật lý từ môi trường xung quanh, (2) xử lý (và có thể lưu trữ) dữ liệu thu thập được, và (3) vận chuyển chúng qua truyền thông vô tuyến đến điểm thu thập dữ liệu được gọi là “sink node” hoặc “trạm gốc”. [2] 1.2.1. Cấu tạo một nút cảm biến Hình 1. 2. Cấu tạo của nút cảm biến
5 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. - 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 chúng, 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.
6 - 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 thời vừa truyền vừa nhận dữ liệu, việc truyền và nhận sẽ được luân phiên nhau và được điều khiển bởi hệ điều hành [3]. 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.
7 - 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. 1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1.3. 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 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. 3. 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 1.4), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua đa
8 bước 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. 4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến  Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu đơn bước hay đa bước (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút đầu cụm (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. [4] Hình 1. 5. 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 1.6).
9 Hình 1. 6. 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 : - 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.