Ngân hàng câu hỏi môn Mạng cảm biến | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 58737056 MỤC LỤC
1. Khái niệm mạng cảm biến không dây WSN: Định nghĩa, phương thức truyền thông,
thách thức khi triển khai WSN................................................................................................. 3
2. Kiến trúc mạng và chồng giao thức của WSN................................................................5
3. Các kỹ thuật truyền thông vô tuyến sử dụng trong WSN: truyền thông băng hẹp, trải
phổ và băng siêu rộng (so sánh), sơ ồ khối truyền thông vô tuyến............................................ 7
4. Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên việc truyền tin trong WSN...................................... 9
5. Chuẩn 802.15.4 cho WSN: ặc iểm lớp vật lý và lớp MAC.........................................10
6. Lớp MAC: Các yêu cầu ối với lớp MAC trong mạng WSN, Giao thức CSMA/CA (Hoạt ộng, ưu nhược
iểm), giao thức MACA...........................................................11
7. Giao thức MAC tránh xung ột trong WSN: Đặc iểm của MAC tránh xung ôt; giao thức
TRAMA, LEACH (hoạt ộng của giao thức, ưu nhược iểm)...............................................13
8. Giao thức MAC lai ghép: Đặc iểm, giao thức Z-MAC (hoạt ộng, ưu nhược iểm).......16
9. Giao thức MAC dựa trên xung ột trong WSN: ặc iểm của MAC dựa trên xung ột;
giao thức PAMAS, S-MAS (hoạt ộng của giao thức, ưu nhược
iểm).................................17
10. Chức năng ịnh tuyến trong mạng WSN: vai trò, ặc iểm; tham số ịnh tuyến và phân
loại các giao thức ịnh tuyến trong WSN................................................................................19
11. Định tuyến dựa trên dữ liệu: Đặc iểm của ịnh tuyến dựa trên dữ liệu trong mạng
WSN; giao thức SPIN (hoạt ộng, các biến thể của SPIN).................................21
12. Định tuyến chủ ộng: Đặc iểm, ưu nhược iểm của ịnh tuyến chủ ộng; giao thức ịnh
tuyến Vectơ khoảng cách theo trình tự ích ến (DSDV) (hoạt ộng, ưu nhược iểm);
giao thức ịnh tuyến trạng thái liên kết ược tối ưu hóa (OLSR) (hoạt ộng, ưu nhược iểm).....23
13. Định tuyến theo yêu cầu: Đặc iểm, ưu nhược iểm của ịnh tuyến theo yêu cầu; giaothức
Vectơ khoảng cách theo yêu cầu tùy biến (AODV) (hoạt ộng, ưu nhược iểm).......... 25
14. Đồng bộ thời gian trong mạng WSN: Tầm quan trọng, những thách thức khi thực
hiệnồng bộ trong WSN; Các kỹ thuật ồng bộ thời gian (Trao ổi bản tin ồng bộ, Đặc tính không
xác ịnh của ộ trễ truyền thông)................................................................................. 26
15. Định tuyến phân cấp; Định tuyến theo vị trí; Định tuyến dựa trên QoS ( ặc iểm, ưu
nhược iểm của các giao thức này)......................................................................................... 29
16. Các giao thức ồng bộ thời gian trong WSN: Giao thức tham khảo thời gian toàn cầu,giao thức
ồng bộ thời gian cho mạng cảm biến (TPSN) ( ặc iểm, nguyên tắc hoạt
ộng) ……………………31
17. Định vị trong mạng WSN: Khái niệm, ý nghĩa, phân loại ịnh vị trong WSN ( ịnh vị dựa lOMoAR cPSD| 58737056
trên vị trí, ịnh vị không dựa trên vị trí)..................................................................................32
18. Quản lý công suất ộng DPM trong mạng WSN: Tầm quan trọng của DPM; Những
yếutố ảnh hưởng ến chiến lược DPM; DPM theo chế
ộ vận hành ộng; DPM chia tỉ lệ
ộng; DPM theo lịch trình nhiệm vụ......................................................................................... 33
19. Các kỹ thuật ịnh vị: Thời gian tới, chênh lệch thời gian tới, cường ộ tín hiệu nhận
ược, góc tới..............................................................................................................................35
20. Một số bài tập dựa trên một số kịch bản của mạng ể lựa chọn các cách thức ịnh tuyến,
ồng bộ và ịnh vị trong mạng................................................................................................37 lOMoAR cPSD| 58737056
1. Khái niệm mạng cảm biến không dây WSN: Định nghĩa, phương
thức truyền thông, thách thức khi triển khai WSN. Định nghĩa:
Mạng cảm biến không dây là một mạng gồm nhiều cảm biến không dây ược phân tán
trong một khu vực nhất ịnh (biệt lập và khó truy cập) ể thu thập dữ liệu, phân tích
trong mạng, tương quan và kết hợp dữ liệu cảm biến của nó và từ các nút cảm biến
khác về môi trường xung quanh và truyền dữ liệu ến một trạm xử lý tập trung. Cảm
biến không dây không chỉ có thành phần cảm biến mà còn chứa các bo mạch có khả
năng xử lý, giao tiếp và lưu trữ. Khi nhiều cảm biến hợp tác giám sát các môi trường
vật lý lớn, chúng tạo thành mạng cảm biến không dây (WSN).
Phương thức truyền thông: Truyền thông ơn chặng và a chặng
+ Đơn chặng: Giao tiếp ơn chặng là trường hợp mỗi nút cảm biến giao tiếp trực tiếp
với trạm gốc bằng cách sử dụng một bước nhảy, chúng có thể tạo thành cấu trúc liên kết hình sao.
+ Đa chặng: Giao tiếp a chặng là trường hợp phổ biến hơn ối với mạng cảm biến.
Trong cấu trúc liên kết lưới này, các nút cảm biến không ược chỉ thu thập và truyền
dữ liệu của riêng mình, mà còn óng vai trò là nút chuyển tiếp cho các nút cảm biến
khác, nghĩa là, chúng phải cộng tác ể truyền dữ liệu cảm biến về phía trạm gốc. Khi
một nút óng vai trò chuyển tiếp cho nhiều tuyến ường, nó thường có cơ hội ể phân
tích và xử lý trước dữ liệu cảm biến trong mạng.
Thách thức khi triển khai: lOMoAR cPSD| 58737056 - Các thách thức chính:
+ Năng lượng: Hạn chế thường liên quan ến thiết kế mạng cảm biến là
các nút cảm biến hoạt ộng với nguồn năng lượng hạn chế.
+ Tự quản lý: Các nút cảm biến phải tự quản lý trong ó chúng tự ịnh cấu
hình, vận hành và cộng tác với các nút khác, ồng thời thích ứng với
những thay ổi và các kích thích của môi trường mà không có sự can thiệp của con người.
+ Truyền thông không dây. ối mặt với nhiều thách thức như:
• Suy hao nên bị giới hạn phạm vi vô tuyến.
• Giao tiếp a chặng làm tăng ộ trễ, xác xuất lỗi dẫn ến phức tạp hơn
bởi phải sử dụng các chu kỳ nhiệm vụ.
+ Quản lý phân tán: Cảm biến các nút phải cộng tác với những nút hàng
xóm của chúng ể ưa ra các quyết ịnh ược cục bộ. Do ó, kết quả của những
các thuật toán sẽ không tối ưu, nhưng chúng có thể tiết kiệm năng lượng
hơn các giải pháp tập trung.
+ Ràng buộc thiết kế: Nhiều hạn chế về phần cứng và phần mềm ảnh
hưởng ến thiết kế hệ thống tổng thể.
+ Bảo mật. Mạng cảm biến thường giám sát cơ sở hạ tầng quan trọng
hoặc mang thông tin nhạy cảm, khiến chúng trở thành mục tiêu cho các
cuộc tấn công. Do ó, các mạng cảm biến yêu cầu các giải pháp mới ể
phát hiện xâm nhập, mã hóa, thiết lập và phân phối khóa, xác thực nút và bảo mật + Các thách thức khác do ổi kiến trúc mạng thay
2. Kiến trúc mạng và chồng giao thức của WSN Kiến trúc mạng: lOMoAR cPSD| 58737056
+ Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong một trường cảm biến.
+ Từng nút trong tập các nút cảm biến này có khả năng thu thập dữ liệu và
ịnh tuyến dữ liệu về Bộ tập trung/Gateway và người sử dụng kết cuối.
+ Dữ liệu ược ịnh tuyến trở lại người sử dụng kết cuối bởi một kiến trúc
không có cơ sở hạ tầng a chặng thông qua bộ tập trung.
+ Bộ tập trung này có thể trao ổi với Nút quản lý nhiệm vụ/ người sử dụng
kế cuối thông qua mạng Internet/vệ tinh hoặc bất kì loại mạng vô tuyến
nào (Ví dụ như wifi, mạng mesh, mạng di ộng tế bào, …).
+ Có thể có nhiều bộ tập trung/gateway và nhiều người sử dụng kết cuối
trong một kiến trúc mạng WSN. Chồng giao thức lOMoAR cPSD| 58737056 -
Lớp vật lý giải quyết các nhu cầu liên quan ến các kỹ thuật iều chế, truyền
tải và nhận ơn giản nhưng hiệu quả. -
Lớp liên kết chịu trách nhiệm ảm bảo giao tiếp áng tin cậy thông qua các
kỹ thuật kiểm soát lỗi và quản lý quyền truy cập kênh thông qua MAC ể giảm
thiểu xung ột với hoạt ộng phát quảng bá của nút hàng xóm. -
Lớp mạng ảm nhận việc
ịnh tuyến dữ liệu ược cung cấp bởi lớp vận chuyển. -
Lớp truyền tải giúp duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu nó. -
Lớp ứng dụng xây dựng và sử dụng các loại phần mềm ứng dụng. -
Các mặt phẳng quản lý công suất, quản lý di ộng và quản lý nhiệm vụ
sẽ giám sát năng lượng, chuyển ộng, và phân phối nhiệm vụ giữa các nút cảm
biến. Những phẳng quản lý này là cần thiết ể các nút cảm biến có thể hoạt ộng
cùng nhau theo cách tiết kiệm năng lượng, ịnh tuyến dữ liệu trong mạng cảm
biến di ộng và chia sẻ tài nguyên, nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. lOMoAR cPSD| 58737056
3. Các kỹ thuật truyền thông vô tuyến sử dụng trong WSN: truyền thông
băng hẹp, trải phổ và băng siêu rộng (so sánh), sơ ồ khối truyền thông vô tuyến.
So sánh 3 kỹ thuật truyền thông RF( băng tần hẹp, trải phổ và UWB): -
Giao tiếp băng tần hẹp hoạt ộng kém hơn trong WSN. Các kỹ thuật này
ánh ổi hiệu suất băng thông ể lấy hiệu quả năng lượng. Khi mức iều chế ược
tăng lên, hiệu suất năng lượng sẽ càng giảm mặc dù hiệu suất băng thông ược tăng lên. -
Mặt khác, trải phổ và UWB cho phép giao tiếp công suất thấp với khả
năng chống lại các hiệu ứng a ường. -
Các kỹ thuật trải phổ mang lại lợi ích lớn so với cho các tín hiệu băng hẹp
khác vì quá trình truyền thông diễn ra trên một phổ lớn hơn bằng cách sử dụng
công suất rất thấp. Các kỹ thuật trải phổ có khả năng truyền thấp hơn mức công
suất so với kỹ thuật băng tần hẹp -
UWB cải thiện các ưu iểm của kỹ thuật trải phổ vì các dải phổ lớn hơn
nhiều ược sử dụng ể truyền. Hơn nữa, UWB có thể ược truyền ở băng tần cơ sở
mà không yêu cầu truyền tần số trung tần (IF), giúp giảm áng kể ộ phức tạp của
mạch thu phát. Tuy nhiên, giao tiếp UWB bị giới hạn trong phạm vi giao tiếp
nhỏ (<10 m), làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó cho việc triển khai WSN.
Hơn nữa, vì không tồn tại sóng mang, các kỹ thuật cảm biến sóng mang (CS) ã
ược thiết lập tốt không thể ược sử dụng cho MAC. -
So với UWB, DSSS có thể cung cấp tỷ lệ lỗi gói tốt hơn nếu việc chiếm
dụng băng thông bằng nhau ược xem xét cho iều chế nhị phân. Hiệu suất của
UWB chỉ có thể so sánh với DSSS ối với các sơ ồ iều chế cao hơn, mặt khác,
iều này làm tăng ộ phức tạp cần thiết cho bộ thu phát UWB và chi phí của nó.
Tuy nhiên, khi xem xét các hiệu ứng a ường, UWB cung cấp khả năng phục hồi
cao. Có thể thấy rằng các kỹ thuật trải phổ cung cấp sự cân bằng tốt giữa ộ phức
tạp của hệ thống và giảm thiểu nhiễu so với các kỹ thuật truyền thông RF khác. lOMoAR cPSD| 58737056 -
Mã hóa nguồn (nén dữ liệu): Ở ầu phát, dữ liệu ược mã hóa nguồn, bộ mã
hóa này khai thác thống kê thông tin ể ại diện cho nguồn với số lượng bit ít hơn
và nó ược thực hiện ở lớp ứng dụng -
Mã hóa kênh (mã hóa kiểm soát lỗi): Dữ liệu ược mã hóa bởi bộ mã hóa
kênh ể giải quyết các lỗi kênh không dây ảnh hưởng ến thông tin ược truyền. -
Đan xen và iều chế: Các ký hiệu kênh ược mã hóa sau ó sẽ ược an xen ể
chống lại lỗi cụm, giúp máy thu phát hiện lỗi và sửa lỗi. Sau ó, một tín hiệu
tương tự ược iều chế ể tạo ra dạng sóng sẽ ược gửi qua kênh và phát qua anten ến máy thu. -
Kênh truyền không dây: Tín hiệu truyền bị suy hao và biến dạng bởi một
số hiệu ứng kênh không dây. -
Ở ầu cuối máy thu, việc phát hiện ký hiệu ược thực hiện ầu tiên ể khóa
vào dạng sóng ã gửi. Tín hiệu máy thu ược giải iều chế ể trích xuất các ký hiệu
kênh, sau ó ược giải an xen và ược giải mã kênh và mã nguồn ể xác ịnh thông
tin ược gửi bởi máy phát lOMoAR cPSD| 58737056
4. Ảnh hưởng của kênh vô tuyến lên việc truyền tin trong WSN (suy
giảm, hiện tượng a ường, lỗi) -
Sự suy giảm: suy hao cường ộ tín hiệu giảm như một hàm của
khoảng cách. Nếu cường ộ tín hiệu giảm xuống dưới ngưỡng ộ nhạy máy
thu, máy thu không thể phát hiện chính xác sóng EM và giải mã tín hiệu.
Khoảng cách mà cường ộ tín hiệu giảm xuống dưới ộ nhạy của máy thu có
thể ược coi là phạm vi truyền dẫn của một nút. Sự suy giảm của kênh vô
tuyến có thể ược xác ịnh bằng thông số suy hao PL(d) -
Hiện tượng a ường: Do sự phản xạ và tán xạ, tồn tại nhiều con ường
mà các tia này có thể ến ược máy thu gọi là NLoS. Ảnh hưởng của các
ường NLoS này thay ổi theo thời gian và không thể ược mô hình hóa chính
xác ược. Hiệu ứng a ường ưa tính ngẫu nhiên vào truyền thông vô tuyến.
Do ó, sự thành công của truyền thông không chỉ phụ thuộc vào phạm vi
truyền mà còn tùy thuộc vào số mũ suy hao η và phương sai do hiệu ứng a ường 2. -
Lỗi của kênh ược hình thành do ảnh hưởng của nhiễu thu phát và
nhiễu từ những người dùng khác (nhiễu, tạp âm). Các tham số thường ược
sử dụng ể ánh giá mức ộ ảnh hưởng gọi là tỷ số lỗi của kênh như SNR(tỷ
số tín hiệu trên tạp âm), SINR(tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm), BER
(tỷ lệ lỗi bit), PER (tỷ lệ lỗi gói), BLER (tỷ lệ lỗi khối)
5. Chuẩn 802.15.4 cho WSN: ặc
iểm lớp vật lý và lớp MAC
Đặc iểm lớp vật lý: -
Dải tần: hoạt ộng ở ba băng tần là 2,4 GHz (toàn cầu), 915 MHz (Châu Mỹ) và
868 MHz (Châu Âu), ngoài các băng tần lớn hơn dành riêng cho giao tiếp UWB. -
47 kênh ược phân phối giữa các băng tần này: 1 kênh ở băng 868MHz, 30 kênh
cho dải tần 915MHz và 16 kênh trong dải tần 2,4GHz với tốc ộ dữ liệu 20–250 kbps.
Phạm vi truyền của các nút ược giả ịnh là 10–100 m. -
Dựa trên phân bổ kênh này, 6 lớp PHY khác nhau ược xác ịnh:
+ 3 thông số kỹ thuật lớp PHY dựa trên DSSS. lOMoAR cPSD| 58737056
+ Trải phổ chuỗi song song (PSSS) xác ịnh 1 lớp PHY bổ sung trong các băng tần 868 / 915MHz.
+ Trải phổ chirp (CSS) ược sử dụng làm ịnh nghĩa lớp PHY bổ sung cho các thiết bị
thông tin di ộng cao trong băng tần 2.4GHz.
+ Cuối cùng, UWB trình tự trực tiếp ược ịnh nghĩa ể hoạt ộng ở các băng tần 1, 3–5
và 6–10 GHz như một phần của tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a -
Trong các băng tần 868 / 915MHz, BPSK và O-QPSK ược sử dụng. O- QPSK
cũng ược sử dụng ở băng tần 2,4 GHz.
Đặc iểm của lớp MAC: -
Lớp này dựa trên cấu trúc siêu khung và dựa trên truy cập cảm nhận sóng mang
với các kỹ thuật tránh va chạm (CSMA / CA). -
Hỗ trợ sơ ồ truyền thông hình sao, lưới, và cấu trúc liên kết dạng cây với bộ iều khiển. -
Hai loại thiết bị ược xác ịnh:
+ Thiết bị ầy ủ chức năng (FFD) ược thực hiện với tất cả các chức năng ược xác ịnh
trong tiêu chuẩn. FFD có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị nào khác trong mạng.
+ Thiết bị chức năng giảm (RFD) ược ịnh nghĩa ể thực hiện rất ơn giản trong mạng.
Do việc triển khai ơn giản, chúng không thể thực hiện một số chức năng ược xác ịnh
trong tiêu chuẩn. RFD chỉ có thể giao tiếp với một iều phối viên mạng
6. Lớp MAC: Các yêu cầu ối với lớp MAC trong mạng WSN, Giao thức
CSMA/CA (Hoạt ộng, ưu nhược iểm), giao thức MACA. Các yêu cầu ối
với lớp MAC trong mạng WSN: -
Trong WSN, các nút thường có tài nguyên hạn chế về năng lượng, băng
thông và khả năng xử lý. Vì vậy, lớp MAC phải ảm bảo rằng các nút trong
mạng không truyền thông cùng lúc, không xung ột và không gây nhiễu cho
nhau, ể tránh lãng phí tài nguyên và tiết kiệm năng lượng cho mạng. Lớp MAC
phải thiết lập các cơ chế ể kiểm soát việc truy cập vào môi trường và giải quyết
mọi vấn ề tiềm ẩn giữa các nút cạnh tranh. Nó cũng chịu trách nhiệm sửa lỗi
giao tiếp xảy ra ở lớp vật lý và thực hiện các hoạt ộng khác như óng khung,
gán ịa chỉ và iều khiển luồng lOMoAR cPSD| 58737056
Hoạt ộng của giao thức CSMA/CA: CSMA/CA là một biến thể của CSMA
nhằm mục ích cải thiện hiệu suất bằng cách tránh va chạm. Hoạt ộng của nó như sau: -
Nút muốn truyền dữ liệu liên tục cảm nhận môi trường hoạt ộng. -
Nếu môi trường rỗi, nút sẽ chờ một khoảng thời gian ược gọi là thời gian
liên khung DCF (DIFS) cộng với giá trị dự phòng ngẫu nhiên, là bội số của kích thước khe . -
Trong trường hợp có nhiều nút cố gắng truy cập vào môi trường, nút nào
có thời gian chờ ngắn hơn sẽ giành chiến thắng. -
Khi nút A bắt ầu với quá trình truyền của nó, nút B óng băng bộ hẹn giờ
dự phòng của chính nó và tiếp tục bộ ịnh thời sau khi nút A hoàn thành quá
trình truyền cộng với một khoảng thời gian khác của DIFS. -
Cuối cùng, khi bộ hẹn giờ tắt của nút B hết hạn, nó cũng có thể bắt ầu quá trình truyền. Ưu iểm: -
Giúp tránh xung ột bằng cách cảm nhận kênh trước khi truyền và sử dụng
quy trình rút lui ngẫu nhiên, ảm bảo tính công bằng giữa các nút bằng cách
cho mỗi nút cơ hội bình ẳng ể truy cập kênh. -
Tương ối ơn giản ể triển khai và không yêu cầu cơ chế phối hợp phức tạp
hoặc kiểm soát tập trung. Nhược iểm: -
Độ trễ lớn khi có nhiều nút cùng tranh chấp hoặc dữ liệu truyền tải tăng.
Trong các tình huống có tình trạng tắc nghẽn mạng cao có thể bị giảm hiệu
quả do xung ột và tranh chấp gia tăng. - Gặp các vấn
ề về ầu cuối ẩn, ầu cuối lộ. -
Không có các cơ chế ưu tiên lưu lượng giữa các loại dữ liệu khác nhau.
Giao thức MACA: Điều kiện chính ể MACA hoạt ộng là các trạm ồng bộ về
kích thước khung và tốc ộ dữ liệu. Nó bao gồm việc truyền hai khung gọi là
RTS (Yêu cầu gửi) và CTS (Rõ ràng ể gửi) trước khi truyền thông tin. lOMoAR cPSD| 58737056 •
Nút gửi: muốn truyền dữ liệu sẽ phát RTS. •
Nút nhận: nhận ược RTS và sẵn sàng nhận gói tin sẽ phát CTS. •
Nút gửi: nếu không nhận ược CTS sẽ cố thử lại sau, còn nếu nhận
c CTS sẽ bắt ầu quá trình truyền gói. • Các nút khác nghe ngóng
ược RTS hoặc CTS sẽ ợi trước khi cố gắng chiếm kênh. Ưu iểm: -
Giảm va chạm một cách hiệu quả bằng cách sử dụng cơ chế bắt tay
RTSCTS, cho phép các nút dự trữ phương tiện và tránh truyền ồng thời. -
Giải quyết vấn ề ầu cuối ẩn và giảm số lượng xung ột bằng cách dành môi
trường truyền dữ liệu Nhược iểm: -
Các khung RTS và CTS bổ sung thêm chi phí truyền tải, tăng thời gian và
băng thông cần thiết cho giao tiếp. -
MACA có thể gặp phải các vấn ề về khả năng mở rộng trong các mạng
lớn hoặc môi trường mật ộ cao.
7. Giao thức MAC tránh xung ột trong WSN: Đặc iểm của MAC tránh
xung ôt; giao thức TRAMA, LEACH (hoạt ộng của giao thức, ưu nhược iểm)
Đặc iểm của MAC tránh xung ột: -
Việc gán cố ịnh các khe cho phép các nút xác ịnh chính xác thời iểm kích
hoạt thiết bị của mình ể truyền hoặc nhận dữ liệu. Còn trong các khe thời gian
còn lại, thiết bị thu phát vô tuyến có thể ược chuyển sang chế ộ nghỉ công suất
thấp. Do ó, các giao thức tránh xung ột có lợi về hiệu quả năng lượng. -
Về khả năng dự oán, việc gán khe cố ịnh cũng ặt ra giới hạn trên về ộ trễ
mà dữ liệu có thể gặp phải trên một nút, do ó tạo iều kiện thuận lợi cho việc
cung cấp phân phối dữ liệu có giới hạn về hạn trễ. -
Mặc dù khả năng mở rộng của mạng cảm biến phụ thuộc vào nhiều yếu
tố, thiết kế của giao thức MAC ảnh hưởng ến mức ộ sử dụng tài nguyên trong các mạng quy mô lớn. lOMoAR cPSD| 58737056 -
Khó thiết kế lịch cho tất cả các nút sử dụng hiệu quả băng thông có sẵn
khi kích thước khung và khe giống nhau cho tất cả các nút. Điều này càng trở
nên rõ ràng hơn khi mạng trải qua những thay ổi về cấu trúc liên kết, mật ộ,
kích thước hoặc ặc tính lưu lượng, có thể yêu cầu phân bổ lại các khe hoặc thậm
chí thay ổi kích thước của các khung và khe. Trong các mạng có sự thay ổi
thường xuyên, những nhược iểm này làm cho việc sử dụng giao thức với lập
lịch cố ịnh trở nên khó khăn
Giao thức TRAMA (Truy cập môi trường thích ứng với lưu lượng): a.
Hoạt ộng của giao thức: -
Sử dụng một cơ chế bình bầu phân tán dựa trên thông tin về lưu lượng
truy cập tại mỗi nút ể xác ịnh khi nào các nút ược phép truyền -
Một kênh chia khe theo thời gian gồm khe báo hiệu (thời gian truy cập
ngẫu nhiên ịnh kỳ) và khe truyền (các khoảng truy cập theo lịch). -
Thời gian truy cập ngẫu nhiên ịnh kỳ (sử dụng giao thức Neighbor
Protocol/ Giao thức trao ổi lịch SEP) : các nút thức ể truyền hoặc nhận thông
tin cấu trúc liên kết → nút thu thập thông tin về các nút lân cận.
• Trong các khoảng thời gian của khe báo hiệu, giao thức lân cận
(NP) ược sử dụng ể truyền thông tin giữa các nút lân cận trong một chặng (one-
hop), cho phép chúng thu ược thông tin cấu trúc liên kết hai chặng (twohop).
• Một giao thức thứ hai, ược gọi là Giao thức Trao ổi Lịch
(SEP), ược sử dụng ể thiết lập và phát các lịch trình thực tế, nghĩa là phân bổ các
khe cho một nút. Mỗi nút tính toán thời lượng mà nó có mức ộ ưu tiên
cao nhất trong số các vùng lân cận hai chặng của nó. Nút thông báo các khe
ã chọn và các máy thu dự kiến sử dụng gói lịch trình. b. Ưu nhược iểm: •
Ưu iểm: Tăng thông lượng mạng và giảm xác suất va chạm và tăng
thời gian ngủ (tiết kiệm năng lượng) •
Nhược iểm: TRAMA yêu cầu ồng bộ hóa giữa các nút, iều này có
thể khó ạt ược trong mạng không dây ộng. Nó cũng yêu cầu chi phí bổ lOMoAR cPSD| 58737056
sung ể phối hợp và báo hiệu, iều này có thể làm giảm băng thông khả
dụng ể truyền dữ liệu.
Giao thức LEACH (Phân cấp phân cụm thích ứng năng lượng thấp)
a. Hoạt ộng của giao thức: LEACH hoạt ộng theo các vòng bao gồm 2 giai oạn
là giai oạn thiết lập và giai oạn trạng thái ổn ịnh.
Giai oạn thiết lập (xác ịnh cụm và cụm trưởng): •
LEACH luân chuyển trách nhiệm của cụm trưởng giữa các nút cảm biến
ể phân phối ều năng lượng. •
Cụm trưởng cho vòng tiếp theo sẽ thông báo cho các nút cảm biến khác
về vai trò mới của nó bằng cách phát thông báo quảng cáo (ADV) sử dụng giao thức non-persistent CSMA. •
Mọi nút cảm biến tham gia một cụm bằng cách chọn trưởng cụm với
lượng năng lượng truyền tải nhỏ nhất và truyền thông báo yêu cầu tham gia
(JoinREQ) tới trưởng cụm ã chọn (một lần nữa, sử dụng CSMA). •
Các trưởng cụm thiết lập lịch trình truyền cho cụm của nó và truyền
lịchtrình này ến mỗi nút trong cụm của nó.
Giai oạn trạng thái ổn ịnh: •
Trưởng cụm có trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu cảm biến bắt nguồn từ
mộttrong các các nút cảm biến ến trạm gốc. •
Để tiết kiệm năng lượng mỗi thành viên trong cụm sử dụng mức tối
thiểucông suất phát cần thiết ể ến trưởng cụm và tắt thiết bị không dây khi ngoài
khoảng thời gian của nó lOMoAR cPSD| 58737056 •
Trưởng cụm phải luôn thức ể nhận dữ liệu cảm biến từ các thành viên
trong cụm của nó và ể giao tiếp với trạm gốc. •
Các nút cảm biến sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) ể hạn
chế sự giao thoa giữa các cụm, tức là mỗi cụm sử dụng một chuỗi trải phổ khác
chuỗi trải phổ ược sử dụng ở các cụm lân cận b. Ưu nhược iểm: •
Ưu iểm: Giảm mức tiêu thụ năng lượng và ể có ược truyền thông
tránh xung ột, tránh ược sự can thiệp giữa các cụm. •
Nhược iểm: Khả năng mở rộng của giao thức. Cơ chế cụm có thể
gây ra sự giảm hiệu suất mạng khi các nút khác trong cụm phải truyền dữ
liệu ến cùng 1 cụm trưởng duy nhất dẫn ến tăng ộ trễ và giảm băng thông sử dụng.
8. Giao thức MAC lai ghép: Đặc iểm, giao thức Z-MAC (hoạt ộng, ưu nhược iểm).
Đặc iểm: Giao thức Zebra MAC (Z-MAC) sử dụng các ặc iểm trong cả giao
thức TDMA và CSMA. Z-MAC sử dụng các khung và khe, tương tự như các
giao thức dựa trên TDMA, ể cung cấp quyền truy cập không cạnh tranh vào môi
trường không dây. Z-MAC mô phỏng cách tiếp cận dựa trên CSMA trong các
tình huống lưu lượng thấp và cách tiếp cận dựa trên TDMA khi lưu lượng tải cao.
Hoạt ộng của Z-MAC: -
Khi một nút khởi ộng, nó sẽ bước vào:
+ Giai oạn thiết lập: cho phép phát hiện ra các vùng lân cận và ể có ược vị trí trong khung TDMA.
+ Giai oạn truyền: Mặc dù các khe ược sở hữu bởi các nút, Z-MAC sử dụng
CSMA ể xác ịnh nút nào có thể truyền. Chủ sở hữu khe ược ưu tiên hơn -
Z-MAC cũng sử dụng thông báo tranh chấp rõ ràng (ECN) ể chuyển
sang chế ộ mức ộ tranh chấp cao (HCL). Ưu nhược iểm: Ưu iểm: lOMoAR cPSD| 58737056 -
Không cần thiết phải phổ biến số khe tối a (MSN) cho toàn bộ mạng
và giao thức có thể iều chỉnh việc phân bổ vị trí cục bộ -
Cho phép nó nhanh chóng thích ứng với iều kiện lưu lượng thay ổi. -
Khi lưu lượng cao, sự tranh giành khe sẽ giảm xuống, giảm bớt sự cạnh tranh cục bộ. Nhược iểm: -
Yêu cầu một giai oạn thiết lập rõ ràng, tiêu tốn cả thời gian và năng lượng. -
Gây ra sự chậm trễ trong quá trình thích ứng với hành vi
9. Giao thức MAC dựa trên xung ột trong WSN: ặc iểm của MAC dựa trên xung
ột; giao thức PAMAS, S-MAS (hoạt ộng của giao thức, ưu nhược iểm) Đặc iểm
của MAC dựa trên xung ột -
Các giao thức MAC dựa trên xung ột không dựa vào việc lập lịch, mà thay
vào ó ưa ra cơ chế giải quyết xung ột/tranh chấp khi nó xảy ra. -
Đơn giản, dễ triển khai và sử dụng, không yêu cầu lưu, duy trì, hoặc chia sẻ thông tin trạng thái. -
Nhanh chóng thích ứng với thay ổi cấu trúc liên kết mạng và ặc iểm lưu lượng -
Tỷ lệ va chạm và chi phí năng lượng cao hơn do không “lắng nghe”. -
Gặp phải các vấn ề về tính công bằng, tức là một số các nút có thể có ược
quyền truy cập kênh thường xuyên hơn các nút khác.
Hoạt ộng của giao thức PASMAS -
Sử dụng 2 kênh riêng biệt, một cho các khung dữ liệu và một cho các khung
iều khiển. Các thông iệp iều khiển là RTS và CTS, và “âm báo bận” -
Để bắt ầu truyền dữ liệu, nút gửi sẽ gửi một bản tin RTS qua kênh iều khiển
tới nút thu. Nếu nút thu không phát hiện hoạt ộng trên kênh dữ liệu và không
lắng nghe các tin nhắn RTS hoặc CTS khác gần ây, nó sẽ trả lời bằng một CTS. lOMoAR cPSD| 58737056
-Nút gửi nếu không nhận ược CTS sau một khoảng thời gian thì sẽ phát lại RTS;
còn nếu nhận ược CTS sẽ bắt ầu truyền dữ liệu và nút thu phát ra “âm báo bận”
qua kênh iều khiển. Thiết bị thu cũng sẽ phát một “âm báo bận” -
Mỗi nút trong mạng PAMAS quyết ịnh ộc lập khi tắt bộ thu phát của nó bất
cứ lúc nào khi một trong hai iều kiện dưới ây: •
Một nút láng giềng bắt ầu truyền và nút này không có khung ể truyền •
Một nút láng giềng truyền một khung cho một nút láng giềng khác, ngay
cảkhi nút có các khung ể truyền. -
Khi quá trình truyền bắt ầu trong khi nút vẫn ở trạng thái ngủ, thì nút
ó không biết quá trình truyền này sẽ kéo dài bao lâu và nút sẽ tiếp tục ngủ
trong bao lâu. Kết quả là nút phát hành một khung thăm dò qua kênh iều
khiển và chờ phản hồi Ưu iểm: -
Tránh tiêu hao năng lượng không cần thiết do nghe thừa -
Giúp tránh tình trạng ụng
ộ và tăng hiệu suất mạng Nhược iểm: -
Không phù hợp cho các mạng có mật ộ nút cao -
Khả năng mở rộng hạn chế: PAMAS không phải là một giao thức ịnh
tuyến linh hoạt, do ó khả năng mở rộng của nó có thể bị hạn chế Hoạt ộng của S-MAC: - Các nút
ịnh kỳ trao ổi lịch trình của nó với hàng xóm bằng cách sử dụng bản tin SYNC -
Nút lắng nghe môi trường ể nhận lịch biểu:
+ Nếu nó nhận ược lịch biểu từ một hoặc một vài nút hàng xóm thì sẽ làm lịch
biểu của nó từ những lịch biểu ã nhận ược sau ó quảng bá lịch biểu của nó.
+ Nếu nó không nhận ược lịch biểu từ hàng xóm, nó sẽ tự xác ịnh lịch của mình
và phát cho các hang xóm tiềm năng -
Nếu nút A muốn giao tiếp với hàng xóm B sử dụng một lịch trình
khác, A sẽ ợi cho ến khi B lắng nghe và sau ó bắt ầu truyền dữ liệu lOMoAR cPSD| 58737056 -
Tranh chấp về môi trường ược giải quyết bằng cách sử dụng cơ chế RTS / CTS. Ưu iểm: -
Giảm tiêu thụ năng lượng,
ồng thời cung cấp khả năng mở rộng
và tránh va chạm tốt và giảm ộ trễ Nhược iểm: -
Giảm thời gian chờ có thể dẫn ến hiện tượng va chạm và mất gói tin
khi nhiều nút cùng truyền dữ liệu ến một nút nhận trong cùng một thời iểm. -
Không phải là một giao thức phân cấp, do ó, các nút trong mạng có
thể có cùng quyền truy cập vào kênh truyền, dẫn ến tình trạng ụng ộ và giảm hiệu suất mạng
10. Chức năng ịnh tuyến trong mạng WSN: vai trò, ặc iểm; tham số
ịnh tuyến và phân loại các giao thức ịnh tuyến trong WSN.
Vai trò của ịnh tuyến: ịnh tuyến ược sử dụng ể cho phép giao tiếp hiệu
quả và áng tin cậy giữa các nút trong mạng cảm biến không dây, thiết lập
các ường dẫn từ nguồn ến bộ tập trung qua một hoặc nhiều bộ chuyển tiếp.
Khám phá các tuyến ường, chọn ường dẫn tối ưu, thiết lập và duy trì các ường dẫn. Đặc iểm:
Định tuyến phải tiết kiệm năng lượng: Trong WSN, các nút cảm biến
thường có nguồn năng lượng hạn chế. Vì vậy, các giao thức ịnh tuyến phải
thiết kế sao cho tiết kiệm năng lượng, tránh tình trạng tuyến ường dài và
quá tải, giảm tần suất truyền thông và giảm ộ trễ.
Định tuyến phải có khả năng tự phục hồi: Trong mạng WSN, các nút cảm
biến có thể bị hỏng hoặc bị tấn công, dẫn ến việc mất kết nối. Để ảm bảo
tính toàn vẹn của mạng, các giao thức ịnh tuyến phải có khả
năng tự phục hồi khi có sự cố xảy ra.
Định tuyến phải ảm bảo tính tin cậy: Các giao thức ịnh tuyến phải ảm bảo
tính tin cậy của dữ liệu và ngăn chặn các tấn công mạng. lOMoAR cPSD| 58737056
Một số tham số ịnh tuyến quan trọng bao gồm:
Độ trễ (Latency): Thời gian từ khi dữ liệu ược gửi ến khi nó ược nhận ược ở ích.
Băng thông (Bandwidth): Số lượng dữ liệu có thể truyền qua mạng trong
một khoảng thời gian nhất ịnh.
Số lượng nút cảm biến: Số lượng nút cảm biến có trong mạng.
Khoảng cách truyền thông: Khoảng cách tối a giữa hai nút có thể giao tiếp với nhau.
Phân loại các giao thức ịnh tuyến trong WSN:
Các loại giao thức ịnh tuyến: (1) cấu trúc hoặc tổ chức mạng, (2) quá trình
khám phá tuyến và (3) hoạt ộng của giao thức lOMoAR cPSD| 58737056
11. Định tuyến dựa trên dữ liệu: Đặc iểm của
ịnh tuyến dựa trên dữ
liệu trong mạng WSN; giao thức SPIN (hoạt ộng, các biến thể của SPIN). Đặc iểm: