Luận Văn Nghiên cứu mạng cảm biến không dây WSN và những đặc điểm sửa lỗi truyền dữ liệu

Đồ án tốt nghiệp năm 2011
Đề tài: Nghiên cứu mạng cảm biến không dây - WSN và những đặc điểm sửa lỗi truyền dữ liệu


MỤC LỤC
MỤC LỤC . 2
DANH MỤC HÌNH VẼ 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5
LỜI CẢM ƠN . 6
MỞ ĐẦU . 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 8
1.1 Cái nhìn ban đầu về WSN. 8
1.2 Nút cảm biến không dây 8
1.2.1 Phần cứng của nút cảm biến không dây 9
1.2.2 Chuẩn cho nút cảm biến không dây. 10
1.2.3 Phần mềm cho nút cảm biến không dây 11
1.2.4 Một số loại nút cảm biến không dây 12
1.3 Kiến trúc và giao thức. 13
1.3.1 Kiến trúc mạng của WSN 13
1.3.2 Giao thức Stack 14
1.4 Ứng dụng của WSN 15
1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế 17
1.5.1 Hạn chế phần cứng . 17
1.5.2 Khả năng chịu lỗi. 17
1.5.3 Khả năng mở rộng. 18
1.5.4 Chi phí sản xuất. 18
1.5.5 Cấu trúc liên kết. 18
1.5.6 Phương tiện truyền thông. 18
1.5.7 Năng lượng tiêu thụ. 19
CHƯƠNG 2: KIỂM SOÁT LỖI TRONG WSN 26
2.1 Tổng quan về vấn đề kiểm soát lỗi trong WSN 26
2.2 Các phương án kiểm soát Lỗi trong WSN 27
2.2.1 Kiểm soát năng lượng 27
2.1.2 Tự động phát lại (ARQ) . 28
2.1.3 Sửa lỗi trước khi truyền (FEC) 28
2.1.4 ARQ lai ghép (HARQ) 35
2.2 Lợi ích của tăng khả năng phục hồi lỗi. 36
2.3 Phân tích mô hình lớp chéo. 38
2.3.1 Mô hình tham chiếu của WSN. 38
2.3.2 Khoảng cách bước nhẩy dự kiến. 39
2.3.3 Phân tích năng lượng tiêu thụ dự kiến. 41
2.3.4 Phần tích độ trễ dự kiến. 45
2.3.5 Phân tích BER và PER . 46
2.4 So sánh các phương án kiểm soát Lỗi trong WSN 47
CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN KIỂM SOÁT LỖI TRONG WSN 52
3.1 Vấn đề và giải pháp trong WSN 52
3.2 Bài toán so sánh giữa sửa lỗi và phát lại trong WSN 53
3.2.1 Phát biểu bài toán. 53
3.2.2 Nhận định từ bài toán. 53
3.2.3 Giải quyết bài toán. 54
KẾT LUẬN . 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 58


MỞ ĐẦU
Wireless Sensor Networks (WSN) hay mạng cảm biến không dây, một xu
hướng phát triển của thời đại ngày nay. Với khả năng cảm nhận, cung cấp các thông
tin thực tế và triển khai, mở rộng phạm vi dễ dàng nhờ triển khai trên mô hình mạng
truyền thông không dây.
WSN gồm tập hợp các nút cảm biến rất nhỏ, hoạt động độc lập nguồn nuôi
và thông qua hàng loạt các nút cảm biến để nắm bắt thông tin dữ liệu.Với bộ xử lý
riêng, các nút cảm biến có thể được lập trình để hoàn thành nhiệm vụ phức tạp hơn
ngoài việc xử lý đơn giản như thu, phát, chuyển tiếp dữ liệu. Tuy nhiên, Một thách
thức sống còn của WSN là vấn đề năng lượng, nó tạo nên một thách thức lớn với
WSN chính là giảm thiểu tối đa tiêu thụ năng lượng nhằm giữ hoạt động lâu dài cho
các nút mạng.
Mục đích của đồ án này là cung cấp một cái nhìn tổng quan về WSN.
Chương 1 là sự giới thiệu toàn diện về WSN, bao gồm các nút cảm biến và kiến trúc
mạng, cung cấp cái nhìn toàn diện về các đặc điểm, các yếu tố thiết kế quan trọng,
và khó khăn của WSN, đồng thời đưa ra một số ứng dụng hiện có của WSN trong
quân sự, y tế, công nghiệp và ứng dụng tại nhà. Chương 2 tập trung đi sâu vào các
kỹ thuật kiểm soát lỗi trong WSN cũng như tác động của nó lên truyền thông, tiết
kiệm năng lượng. Cuối cùng, chương 3 giải quyết vấn đề cụ thể trong một bài toán
để từ đó thấy được tầm quan trọng của sửa lỗi truyền dữ liệu trong WSN.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Cái nhìn ban đầu về WSN.
Hiện nay, công nghệ vi mạch, truyền thông không dây và điện tử kĩ thuật số
phát triển ngày càng mạnh mẽ. Nhờ đó những thiết kế và quá trình triển khai với giá
cả ngày càng thấp, năng lượng tiêu thụ được giảm thiểu đã tạo điều kiện cho những
nút cảm biến đa chức năng có kích thước nhỏ và giao tiếp trong khoảng cách ngắn
trở nên khả thi. Khả năng của các nút cảm biến ngày càng tăng trong đó bao gồm:
cảm biến, xử lý dữ liệu và giao tiếp với một lượng lớn các nút cảm biến.
WSN cấu thành từ một lượng lớn các nút cảm biến, truyền thông multi-hop
là chủ yếu. Do đó, nó có khả năng triển khai với quy mô lớn, tương tác nhanh chóng
và đáng tin cậy nhờ sự tổng hợp thông tin hiệu quả giữa các nút. Hơn nữa, không
chỉ truyền thông tin thô, các nút cảm biến còn có khả năng tự xử lý tính toán trước
khi truyền đi. Về triển khai, mạng này cho phép triển khai một cách ngẫu nhiên do
đó thích hợp với cả những vùng thiên tai và những địa hình phức tạp.
Tuy nhiên, WSN vẫn còn gặp một số thách thức nhất định để trở thành một
mạng hoàn thiện. Thông thường các giao thức truyền thông yêu cầu cung cấp năng
lượng với hiệu suất cao do đó chỉ tập trung vào thông lượng và độ trễ còn với WSN
với nguồn cung cấp năng lượng hạn chế mà thách thức chính của nó là tìm cách để
giảm năng lượng tiêu thụ. Qua đó mà việc phát triển WSN phải tập trung vào giảm
thiểu tối đa năng lượng nguồn cấp. Trong chương 2 sau này, yếu tố sửa lỗi trong
mạng được nghiên cứu khá kĩ nhàm giải quyết vấn đề này.
Những phần tiếp sau, chúng ta đi sâu vào những yếu tố quan trọng tạo lên
WSN. Đó là, nút cảm biến không dây: góp phần tạo nên cơ sở hạ tầng vật lý cho
WSN, kiến trúc và giao thức: yếu tố không thể thiếu trong bất kì một mạng lưới
nào. ứng dụng của WSN trong thực tế từ đó rút ra một số yếu tố ảnh hưởng và cách
giải quyết trong quá trình thiết kế và triển khai WSN.
1.2 Nút cảm biến không dây.
WSN bao gồm các hệ thống nhúng có khả năng: tương tác với môi trường
thông qua các cảm biến khác nhau, xử lý thông tin tại chỗ, giao tiếp không dây giữa
các nút. Một nút cảm biến là tập hợp của phần cứng, phần mềm và chuẩn.
1.2.1 Phần cứng của nút cảm biến không dây.
Mô-đun không dây: (hay còn gọi là motes) Motes là thành phần chính của
nút cảm biến. Có khả năng thu phát vô tuyến.
Một motes bao gồm:
 Một vi điều khiển.
 Bộ phận thu phát.
 Nguồn điện (thường là PIN).
 Đơn vị bộ nhớ.
 Đầu đo cảm biến.
Ngoài ra còn một số thành phần như:
Bảng mạch cảm biến (sensor board): được gắn trên motes, chứa một vùng
thử cho khách hàng nối các loại đầu đo cảm biến khác nhau của họ vào motes.
Bảng mạch lập trình (programming board): còn được gọi là bảng cổng, cung
cấp giao tiếp Ethernet, Wi-Fi, USB.Với mục đích thu thập thông tin, nhúng chương
trình và tải các ứng dụng cho motes.
Sơ đồ cấu tạo nút cảm biến: Cụ thể hơn, nút cảm biến không dây gồm bốn
thành phần chính: đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý, đơn vị thu phát và đơn vị năng
lượng. thể hiện trong sơ đồ (hình 1.1).


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Ian F. Akyildiz and Mehmet Can Vuran, Wireless Sensor Networks, 2010.
[2]., Jaein Jeong and Cheng Tien Ee, Department of Electrical Engineering and
Computer Science, Forward Error Correction in Sensor Networks, University of
California, Berkeley 2003.
[3]. A. J. Goldsmith, Wireless Communications, 2005.
[4]. Thomas Haenselmann, Sensor Network, 2008.
[5]. S.Lin and D.J.Costello Jr, Error Control Coding:Fundamentals and
Applications,1983.
[6]. M. C. Vuran and I. F. Akyildiz, Error control in wireless sensor networks: a
cross layer analysis. IEEE/ACM Transactions on Networking, 2009.
[7]. L. C. Zhong and J. M. Rabaey, An integrated data-link energy model for
wireless sensor networks. In Proceedings of IEEE ICC’04, 2004.