- Nghiên cứu mã sửa lỗi cho mạng cảm biến không dây. - Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử. - Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây: nêu rõ vai trò phạm vi ứng dụng, cũng như những thách thức gặp phải. - Tìm hiểu các chức năng nhiệm vụ của từng phân lớp trong mô hình kiến trúc mạng, đồng thời giới thiệu về chuẩn không dây thường được sử dụng trong mạng cảm biến: chuẩn không dây IEEE 802.15.4. - Giới thiệu những kiến thức cơ bản về mô hình truyền tin, điều kiện các kênh truyền, và các kỹ thuật sửa lỗi được sử dụng cho mạng truyền dữ liệu nói chung và mạng không dây nói riêng. - Chương này sẽ tập trung giới thiệu kỹ thuật mã sửa lỗi chuyển tiếp, thường được sử dụng để sửa các mẫu lỗi đơn bit, sửa các mẫu lỗi hai bit trong truyền dữ liệu. - Trong đó, sẽ đi sâu tìm hiểu mã khối tuyến tính, mã Hamming, mã dịch vòng được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp. - Tiến hành áp dụng mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây: khảo sát những tình huống lỗi đặc trưng của mạng cảm biến không dây, đồng thời tính toán giải quyết bài toán sửa lỗi truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây. - đánh giá hiệu quả các kỹ thuật sửa lỗi được áp dụng.. - Keywords: Kỹ thuật điện tử. - Mạng cảm biến không dây. - Mã sửa lỗi. - Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các công nghệ: kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông, được ứng dụng rộng rãi phục vụ các nhu cầu, các mục đích khác nhau của con người. - Rất nhiều chuẩn công nghệ không dây ra đời: chuẩn không dây IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, bluetooth, IEEE 802.15.4. - trong đó các chuẩn không dây phù hợp với mức tiêu thụ năng lượng thấp được chú trọng nghiên cứu và phát triển, giải quyết được nhiều vấn đề từ sự tương tác giữa con người với tự nhiên.. - Tuy nhiên quá trình truyền tin trong công nghệ mạng không dây luôn xảy ra tình trạng lỗi, truyền sai thông tin do tác động nhiễu của môi trường. - Trên cơ sở đó các kỹ thuật sửa lỗi được nghiên cứu để. - phục vụ cho việc tối ưu kênh truyền, tối ưu năng lượng, tăng độ tin cậy kênh truyền trong hệ thống mạng cảm biến không dây. - Với mục đích đó, em đã quyết định nghiên cứu và xây dựng luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây. - Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. - Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây: Trong đó nêu rõ vai trò phạm vi ứng dụng, cũng như những thách thức gặp phải. - Chương 1 cũng tìm hiểu các chức năng nhiệm vụ của từng phân lớp trong mô hình kiến trúc mạng, đồng thời giới thiệu về chuẩn không dây thường được sử dụng trong mạng cảm biến: chuẩn không dây IEEE 802.15.4.. - Chương 2 giới thiệu những kiến thức cơ bản về mô hình truyền tin, điều kiện các kênh truyền, và các kỹ thuật sửa lỗi được sử dụng cho mạng truyền dữ liệu nói chung và mạng không dây nói riêng.. - Trong đó, sẽ đi sâu tìm hiểu mã khối tuyến tính, mã Hamming, mã dịch vòng được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp.. - Chương 3: Áp dụng mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây. - Chương này sẽ khảo sát những tình huống lỗi đặc trưng của mạng cảm biến không dây, đồng thời tính toán giải quyết bài toán sửa lỗi truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây. - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1. - Giới thiệu về mạng cảm biến không dây: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) là một tập hợp các thiết bị cảm biến, sử dụng cách thức liên kết, truyền tin không dây (sóng vô tuyến) để thực hiện các tương tác với tự nhiên, như giám sát môi trường. - Các ứng dụng mạng cảm biến không dây. - Giới thiệu các mô hình ứng dụng của mạng cảm biến không dây:. - Giới thiệu các ứng dụng mạng cảm biến không dây trong thực tế:. - Thách thức trong mạng cảm biến không dây. - Mạng cảm biến không dây có rất nhiều vấn đề, thách thức thu hút sự nghiên cứu của các nhà khoa học:. - Đặc điểm của mạng cảm biến không dây. - Trình bày các đặc điểm của mạng cảm biến không dây, từ phần cứng hoạt động của các nút mạng cho đến các yêu cầu về chất lượng QoS. - Kiến trúc và giao thức phân tầng mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây có sự phân cấp cho các nút mạng;. - Nút mạng cảm biến đóng vai trò thu thập dữ liệu, định tuyến và truyền dữ liệu. - Nút mạng gốc có vai trò thực thi nhiệm vụ của mạng cảm biến không dây, chuyển tiếp dữ liệu tới trung tâm dữ liệu. - Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây[6]. - Nghiên cứu các giao thức phân tầng trong kiến trúc mạng cảm biến không dây:. - Hình 1.4: Giao thức phân tầng trong mạng cảm biến không dây [6]. - Chuẩn không dây IEEE 802.15.4. - Giới thiệu về chuẩn không dây IEEE 802.15.4, chuẩn không dây được dùng phổ biến cho kiến trúc mạng cảm biến không dây. - Lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4. - Lớp vật lý sử dụng 27 kênh truyền vật lý: 16 kênh truyền trong dải tần 2450 MHz và 10 kênh truyền trong dải tần 915 MHz và 1 kênh truyền ở dải tần 868 MHz.. - Hình 1.5: Các dải tần vật lý trong chuẩn không dây IEEE . - Các kỹ thuật điều chế được sử dụng trong lớp vật lý chuẩn không dây IEEE 802.15.4. - Lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4 ở dải tần 2.4 GHz. - Xây dựng lớp vật lý ở dải tần 2.4 GHz trong chuẩn không dây IEEE 802.15.4 với chuỗi giả ngẫu nhiên. - Chương 1 đã trình bày, giới thiệu một cách khái quát về mạng cảm biến không dây, phạm vi ứng dụng, những thách thức, và kiến trúc phân tầng của mạng cảm biến không dây. - Mô hình giao thức phân tầng của mạng cảm biến không dây được xây dựng dựa trên mô hình phân lớp OSI, khác biệt nhất là mô hình phân tầng mạng cảm biến không dây có thêm 3 mặt phẳng quản lý, phối hợp với các phân lớp để thực thi nhiệm vụ một cách tốt hơn.. - Ngoài ra, chương 1 cũng giới thiệu về chuẩn không dây IEEE 802.15.4, thường được sử dụng phổ biến trong hệ thống mạng cảm biến không dây, đặc biệt là cấu trúc lớp vật lý hoạt động ở dải tần 2.4 GHz – dải tần phổ biến của kết nối không dây.. - MÃ SỬA LỖI 1. - Phân loại kênh truyền. - Các kênh truyền có nhiễu là các kênh truyền không nhớ, nhiễu sẽ ảnh hưởng độc lập đến mỗi ký tự truyền. - Đối với kênh truyền có nhớ thì nhiễu kênh truyền không tác động lên quá trình truyền.. - Có 2 kỹ thuật phát hiện và sửa lỗi thường được áp dụng. - Kỹ thuật yêu cầu phát lại tự động (Automatic Repeat Request): có khả năng phát hiện lỗi nhưng không có cách tiếp cận hợp lý để sửa gói tin nhận được khi có lỗi, thay vào đó kỹ thuật này yêu cầu truyền lại các gói tin dữ liệu khi các gói tin dữ liệu nhận được có lỗi. - Kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp (Forward error correction): kỹ thuật này sử dụng mã sửa lỗi, bằng cách thêm những bit dư thừa để khối nhận dựa vào đó kiểm lỗi các gói tin trước khi truyền.. - Mã khối tuyến tính. - Trong mã khối tuyến tính C(n,k), từ mã tương ứng v được tính như sau:. - G được gọi là ma trận sinh của mã khối tuyến tính C(n,k).. - Hội chứng lỗi và sửa lỗi. - r n 1 là vectơ nhận được tại đầu ra của kênh truyền.. - Quá trình sửa lỗi được tiến hành như sau:. - Khoảng cách tối thiểu của mã khối. - Khoảng cách tối thiểu giữa 2 từ mã trong mã khối tuyến tính là:. - Khả năng phát hiện lỗi và khả năng sửa lỗi của mã khối tuyến tính 2.4.1. - Khả năng phát hiện lỗi của mã khối tuyến tính. - Mã khối tuyến tính C(n,k) với khoảng cách tối thiểu d min có khả năng phát hiện chính xác d min – 1 lỗi.. - Khả năng sửa lỗi của mã khối tuyến tính. - Mã khối tuyến tính C(n,k) với khoảng cách tối thiểu d min đảm bảo sửa được lỗi từ các mẫu lỗi t. - Thông số t được gọi là khả năng sửa lỗi ngẫu nhiên của mã min 1 min 1. - Một mã khối tuyến tính C(n,k) được gọi là mã dịch vòng tuyến tính cyclic nếu mỗi dịch vòng của từ mã trong C(n,k) cũng là từ mã trong C(n,k). - Tính toán hội chứng lỗi và sửa lỗi Chia đa thức r(X) cho đa thức sinh g(X). - Điều kiện mã khối tuyến tính dịch vòng C(n,k) có khả năng sửa chính xác min 1 1. - Điều kiện về khoảng cách d min của mã khối tuyến tính, và mối liên hệ về khả năng sửa t lỗi : t. - ÁP DỤNG MÃ SỬA LỖI - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1. - Đặc trƣng lỗi trong mạng cảm biến không dây. - Đây là khoảng cách trung bình giữa các nút mạng trong mạng cảm biến không dây, vì thế tỉ lệ 10 -2 đảm bảo độ tin cậy đối với việc truyền gói tin giữa 2 nút mạng, nên việc truyền lại gói tin trong trường hợp này là không cần thiết. - Nghiên cứu về đặc trưng lỗi trong mạng cảm biến không dây của Jaein Jeong, Chang Tie Ee [10] đánh giá các khối lỗi gặp được trong mạng cảm biến không dây:. - Ứng dụng mã sửa lỗi trong việc khắc phục mẫu lỗi 1-bit, mẫu lỗi 2-bit Ngữ cảnh về truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây:. - “Khi truyền dữ liệu qua mạng cảm biến không dây, phải chèn bao nhiêu bít dư thừa để đảm bảo chắc chắn rằng các mẫu lỗi 1 – bit mẫu lỗi 2 – bit sẽ được khắc phục chính xác tại nút mạng nhận?”. - Với m bit dữ liệu và r bit kiểm lỗi, mã sửa lỗi sẽ có 2 m+r từ mã trong đó 2 m từ mã thông tin có giá trị, còn lại 2 m+r – 2 m là không có giá trị.. - Hiệu quả kênh truyền. - Ngữ cảnh khi đánh giá các phương pháp phát hiện và sửa lỗi: phương pháp yêu cầu truyền lại tự động phương pháp sửa lỗi chuyển tiếp. - “Hiệu quả sử dụng kênh truyền khác nhau như thế nào khi áp dụng kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp và kỹ thuật sửa lỗi sử dụng yêu cầu truyền lại tự động?”. - Đánh giá hiệu quả của hai kỹ thuật: sửa lỗi chuyển tiếp và truyền lại tự động cần tiến hành khảo sát việc áp dụng 2 kỹ thuật này trên cùng một kênh truyền với tỉ lệ lỗi: lỗi 1 bit.. - Trên kênh truyền không dây với tỉ lệ lỗi bit khoảng 10 -4 Đối với kênh truyền này xác suất truyền chính xác một bit là 1-10 -4 Xác suất truyền chính xác gói tin là . - Giản đồ kênh truyền trong trường hợp có yêu cầu truyền lại khi nhận được gói tin lỗi là:. - Xảy ra lỗi 0.1852. - Xảy ra lỗi 0.1852 data. - Hình 3.1: Giản đồ kênh truyền. - Từ giản đồ, hiệu quả của kênh truyền là . - Khảo sát kênh truyền với kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp:. - r=12 Hiệu quả kênh truyền sẽ là . - Trình bày cách tính toán, ước lượng số lượng bit dư thừa cần thiết khi sử dụng để phát hiện và sửa các mẫu lỗi 1-bit, mẫu lỗi 2-bit vốn chiếm tỉ lệ lớn trong mạng cảm biến không dây theo hai công thức (3.2) và (3.4). - Trình bày sự thuận lợi khi áp dụng kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp so với các kỹ thuật yêu cầu truyền lại tự động trong việc sửa lỗi khi truyền. - Thông qua tính toán mức độ hiệu quả của kênh truyền với hai kỹ thuật trên, dựa vào kết quả nhận được có thể đánh giá kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp rất phù hợp cho việc khắc phục các mẫu lỗi 1-bit, mẫu lỗi 2-bit, trong mạng cảm biến không dây, tốt hơn hẳn việc áp dụng kỹ thuật yêu cầu truyền lại tự động được áp dụng trong trường hợp này.. - Những kết quả trên có thể áp dụng cho mạng cảm biến không dây cảnh báo sự cố bất thường trong đề án chuyển giao công nghệ giữa trường ĐH Công Nghệ và KCN Quán Toan - TP Hải Phòng, nhằm kiểm soát khí thài độc tại các khu công nghiệp, bảo vệ môi trường.