Ứng dụng mã sửa lỗi cho mạng cảm biến không dây.

- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.
- Giới thiệu về mạng cảm biến không dây.
- Cấu trúc mạng cảm biến.
- Các thông số đánh giá hệ thống mạng cảm biến không dây.
- Đặc điểm của mạng cảm biến không dây.
- Các hiệu ứng trên kênh truyền của mạng cảm biến không dây.
- Thách thức của mạng cảm biến không dây.
- Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
- 14 CHƯƠNG 2: MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.
- Mã hoá Reed-Solomon.
- 39 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HOÁ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG MÃ SỬA LỖI.
- Mô hình hoá năng lượng tiêu thụ.
- Thiết lập các thông số cho mạng cảm biến không dây.
- Hà Nội, ngày 22 tháng 09 năm 2015 Học viên Phạm Thị Hà DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu, viết tắt Tên đầy đủ Giải thích 1 WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây 2 CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dư thừa tuần hoàn 3 RS Reed Solomon Mã Reed-Solomon 4 QoS Quality of Service Chất lượng ảnh DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3-1: Kịch bản mô phỏng.
- 56 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Cấu trúc của mạng cảm biến không dây.
- 2 Hình 1-2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây.
- 31 Hình 3-1: Mô hình truyền thống truyền ảnh trong mạng cảm biến không dây.
- 41 Hình 3-2: Mô hình đề xuất triển khai mã RS(7,3) trong mạng cảm biến không dây43 Hình 3-3: Mô hình đề xuất triển khai mã RS(7,3) trong mạng cảm biến không dây43 Hình 4-1: Giao diện chương trình mô phỏng.
- mã hoá RS đa chặng 1 nút nguồn (BER và PSNR = 33 dB.
- 54 Hình 4-6: Thời gian truyền của mạng WSN trong trường hợp sử dụng 1 nút nguồn.
- 55 Hình 4-8: Năng lượng còn lại trong toàn mạng trong trường hợp 1 nút nguồn.
- 56 Hình 4-9: Thời gian truyền của mạng trong trường hợp 4 nút nguồn.
- 57 Hình 4-11: Năng lượng còn lại của mạng khi truyền 4 nút nguồn.
- 58 Hình 4-12: Thời gian truyền của mạng cảm biến không dây với 2 trường hợp: a.
- 1 nút nguồn.
- 60 Hình 4-14: Năng lượng của toàn mạng WSN khi truyền 1 nút nguồn sử dụng mã hóa RS đa chặng.
- 61 Hình 4-15: Năng ượng của toàn mạng WSN khi truyền 4 nút nguồn đồng thời sử dụng mã hóa RS đa chặng.
- 61 MỞ ĐẦU Với sự phát triển vũ bão của công nghệ khoa học, mạng cảm biến ngày càng trở thành lĩnh vực đón nhận sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước.
- Những ưu điểm vượt trội của mạng cảm biến không dây [1], việc triển khai mạng không dây trong thực tiễn có tính khả thi cao.
- Để giải quyết vấn đề tin cậy trong truyền dẫn chúng ta sử dụng mã sửa lỗi, dữ liệu truyền đi sẽ được thêm vào phần dữ liệu dư thừa (quá trình mã hoá) trước khi đưa lên kênh truyền để truyền đi và ở phía thu sau khi nhận dữ liệu sẽ thực hiện quá trình giải mã để phát hiện và sửa lỗi.
- Nghiên cứu mã sửa lỗi trong WSNs là lĩnh vực vô cùng rộng lớn và trong phạm vi luận văn đánh giá các thông số của mạng sử dụng mã sửa lỗi Reed-Solomon so với việc truyền ảnh không sử dụng mã sửa lỗi về chất lượng ảnh qua tỷ lệ bít lỗi BER, tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu PSNR và năng lượng của mạng.
- Luận văn cũng đề xuất mô hình mã hoá Reed-Solomon đa chặng giúp cải thiện năng lượng của mạng.
- Năng lượng của mạng gắn với thời gian sống, còn năng lượng thì mạng còn hoạt động và ngược lại hết năng lượng thì mạng cũng ngừng hoạt động.
- Vì vậy, khi sử dụng mã sửa lỗi cho ta cải thiện về chất lượng dữ liệu ở phía thu đồng nghĩa với việc tiêu tốn năng lượng của các nút mạng hơn, mô hình truyền ảnh sử dụng mã Reed Solomon mã hoá đa chặng vừa giải quyết được vấn đề truyền tin cậy vừa đưa ra phương thức giúp WSNs đạt được độ cân bằng về năng lượng dẫn tới đạt độ lợi tối đa về thời gian sống sẽ vô cùng thiết thực với việc triển khai các mạng cảm biến.
- Nguyễn Hữu Phát về truyền dẫn ảnh trên mạng cảm biến không dây với những kết quả đã được công nhận tại tạp chí IEEE [2].
- Mô hình truyền ảnh sử dụng mã hóa Reed-Solomon đa chặng trong mạng cảm biến không dây để cải thiện chất lượng ảnh, cân bằng năng lượng toàn mạng so với mô hình truyền thống.
- Trong luận văn này, ứng dụng của mã sửa sai trong mạng cảm biến không dây mà cụ thể là sử dụng mã Reed-Solomon đa chặng đồng thời sửa lỗi và giải quyết vấn đề cân bằng năng lượng trong mạng.
- Ở phần nghiên cứu[2] trước đây, mô hình truyền ảnh sử dụng mã hóa RS đa chặng sử dụng một nút nguồn.
- Việc sử dụng năng lượng của mạng có thể được cải thiện hơn khi ta truyền đồng thời nhiều nút nguồn sử dụng cùng thuật toán mã hóa RS đa chặng.
- Ảnh thu được chất lượng tốt hơn, năng lượng cân bằng hơn, thời gian truyền giảm đáng kể và số ảnh truyền được nhiều hơn là những kết quả nghiên cứu mà tôi đã đóng góp trong luận văn này.
- Nguyễn Hữu Phát đi từ ý tưởng sử dụng mã Reed Solomon mã hoá đa chặng để cải thiện chất lượng ảnh truyền đi song song với việc cân bằng năng lượng trong mạng và giải quyết vấn đề năng lượng cũng như thời gian sống của mạng.
- 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1.
- Giới thiệu về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN) là tập hợp các thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ.
- Mỗi thiết bị được gọi là một nút cảm biến được trang bị với các cảm biến, bộ vi xử lý, các thành phần giao tiếp và nguồn.
- Đặc trưng của các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp …và có số lượng lớn, được phân bố không có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng (pin) thấp, thời gian hoạt động lâu dài.
- Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như phát hiện cháy rừng, cảnh báo lũ lụt, giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn, ứng dụng chăm sóc sức khoẻ, ứng dụng smart home, trong công nghiệp, quân đội, …Lợi ích của mạng cảm biến không dây là khả năng triển khai được trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây được.
- Cấu trúc mạng cảm biến Mạng cảm biến được xây dựng từ hàng trăm hoặc hàng nghìn nút cảm biến trong một môi trường cảm biến và mỗi nút cảm biến được kết nối với một hay một vài nút khác.
- Đặc trưng của mạng cảm biến không dây là các nút phát tán ngẫu nhiên và mỗi nút có khả năng thu thập thông tin, định tuyến về phía nút thu (Sink).
- 2 Cấu trúc cơ bản của một nút trong mạng cảm biến không dây bao gồm.
- Bộ cảm biến  Bộ vi xử lý  Bộ thu phát không dây  Bộ nguồn Tuỳ theo ứng dụng mà mạng cảm biến không dây có thể có thêm các thành phần khác: bộ định vị, bộ phát nguồn và bộ phận di động như Hình 1-1.
- Hình 1-1: Cấu trúc của mạng cảm biến không dây Bộ cảm biến gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC).
- Tín hiệu từ bộ cảm biến sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số và được đưa tới bộ xử lý để phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thao tác làm việc với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ.
- Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây.
- Và thành phần đóng vai trò hết sức quan trọng của một nút cảm biến đó là bộ nguồn.
- Bộ nguồn có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến và không thay thế được Bộ xử lý Bộ định vị Bộ phận di động Bộ cảm biến Bộ thu phát Bộ nguồn Bộ phát nguồn Thành phần tùy chọn Thành phần bắt buộc 3 nên nguồn năng lượng của nút bị giới hạn.
- Ngoài ra, bộ định vị là cần thiết để hỗ trợ định tuyến trong mạng để các nút cảm biến có thể di chuyển tới vị trí mong muốn.
- Các thông số đánh giá hệ thống mạng cảm biến không dây Các thông số để đánh giá một mạng cảm biến không dây bao gồm thời gian sống, độ bao phủ, chi phí và khả năng triển khai, thời gian đáp ứng, độ chính xác, độ bảo mật và tốc độ lấy mẫu hiệu quả.
- Thời gian sống Giới hạn với bất kì mạng cảm biến không dây nào đó là thời gian sống mong muốn.
- Yếu tố giới hạn cơ bản của thời gian sống của một mạng cảm biến là năng lượng cung cấp.
- Mỗi nút phải được thiết kế để quản lý năng lượng cung cấp của nó để đạt được thời gian sống tối đa cho toàn mạng.
- Thời gian sống trung bình của toàn mạng không quan trọng bằng thời gian sống tối thiểu của nút cảm biến.
- Trong một vài trường hợp, năng lượng bên ngoài có thể được tận dụng cho một vài nút hoặc tất cả các nút.
- Tuy nhiên, một trong những lợi ích của hệ thống không dây là dễ dàng cài đặt và nếu như năng lượng được cung cấp từ bên ngoài tới tất cả các nút sẽ đi ngược ưu điểm trên.
- Trong hầu hết ứng dụng, phần lớn các nút sẽ có năng lượng của chính nó.
- Chúng phải chứa đủ năng lượng lưu trữ cho vài năm hoặc chúng phải có khả năng lấy năng lượng từ môi trường thông qua các thiết bị như là pin năng lượng mặt trời hay các bộ phát áp điện.
- Yếu tố ảnh hưởng lớn tới việc xác định thời gian sống của một nguồn cấp là tiêu thụ năng lượng vô tuyến.
- Trên một nút cảm ứng không dây sóng radio tiêu thụ một lượng lớn năng lượng hệ thống.
- 4  Độ bao phủ Độ bao phủ là thông số cơ bản đánh giá một mạng không dây.
- Ưu điểm của mạng là có thể triển khai trên một vùng rộng lớn và quan trọng là phải giữ độ bao phủ của mạng lớn hơn vùng các liên kết không dây được sử dụng.
- Kỹ thuật truyền dẫn đa chặng có thể mở rộng độ bao phủ của mạng.
- Tuy nhiên, các giao thức mạng đa chặng sẽ làm tăng công suất tiêu thụ của các nút dẫn đến giảm thời gian sống của mạng.
- Khả năng bao phủ của mạng gắn với số các nút cảm biến.
- Chi phí và khả năng triển khai Chi phí và khả năng dễ triển khai là một trong những ưu điểm của mạng cảm biến không dây.
- Mạng có khả năng tự cấu hình lại trong thời gian sống.
- Mạng cảm biến không dây không tốn chi phí cơ sở hạ tầng mà chỉ cần trang bị các nút cảm biến với một khoảng cách nhỏ là có thể đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu.
- Thời gian đáp ứng Đối với các ứng dụng cảnh báo, thời gian đáp ứng là thông số hiệu năng cực kì quan trọng.
- Mặc dù hoạt động với công suất thấp, các nút phải có khả năng ngay lập tức gửi các bản tin.
- Khả năng có thời gian đáp ứng thấp xung đột với các kỹ thuật tăng thời gian sống của mạng.
- Thời gian sống của mạng bị giảm nếu các nút hoạt động theo các chu kì thời gian của sóng vô tuyến.
- Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bởi việc thêm năng lượng cho các nút tại mọi thời điểm.
- Các nút này sẽ lắng nghe bản tin cảnh báo và chuyển tiếp chúng theo đường định tuyến khi cần thiết.
- Độ chính xác 5 Đối với các ứng dụng về môi trường và dò tìm, các mẫu từ nhiều nút phải tương quan chéo về thời gian để xác định hiện tượng tự nhiên cần đo lường.
- Để đạt được độ chính xác tức thời, mạng phải có khả năng xây dựng và duy trì một thời gian xác định mà dựa trên nó có thể sử dụng để xác định thứ tự mẫu và sự kiện.
- Sử dụng mã hoá và xác thực mã hoá đều yêu cầu năng lượng và băng thông của mạng.
- Tốc độ lấy mẫu hiệu quả là tốc độ lấy mẫu mà dữ liệu cảm biến có thể đạt được bởi từng cảm biến và được truyền tới điểm thu thập trong mạng thu thập dữ liệu.
- Đặc điểm của mạng cảm biến không dây  Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người  Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến đa chặng  Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến  Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các nút mạng 6  Các giới hạn về năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
- Những đặc điểm trên đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong cải thiện mạng cảm biến.
- Kiến trúc giao thức mạng Kiến trúc của mạng cảm biến bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý như Hình 1-2: Hình 1-2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây  Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách thức cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó.
- Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút.
- Các nút theo dõi xem các nút lân cận của chúng là ai.
- Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong vùng quan tâm.
- Mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn Zigbee (IEEE 802.15.4) với hai dải tần 2.4GHz, phạm vi truyền khoảng 10m, tốc độ truyền 250kbps và dải tần 868MHz, 900MHz với phạm vi 75m và tốc độ Lớp vật lý Lớp ứng dụng Lớp truyền tải Lớp mạng Lớp liên kết dữ liệu Mặt phẳng quản lý công suất Mặt phẳng quản lý di động Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ 7 truyền 20kbps.
- Băng tần ISM 915 MHz được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến.
- Lớp mạng: Lớp mạng có nhiệm vụ đảm bảo các yếu tố sau: o Hiệu quả năng lượng o Tập trung dữ liệu o Tích hợp dữ liệu  Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống cần truy cập thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
- Các hiệu ứng trên kênh truyền của mạng cảm biến không dây 1.6.1.
- Vì vậy, đối với mạng cảm biến không dây việc truyền dẫn ở khoảng

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt