Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------***----------

TRẦN TRỌNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, 2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 1


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
----------***----------


CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................... 11
Mạng cảm biến không dây ............................................................................... 11
1.1. Các ứng dụng mạng cảm biến không dây ................................................... 11
1.2. Thách thức trong mạng cảm biến không dây .............................................. 21
1.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ................................................... 24
1.4. Kiến trúc và giao thức phân tầng mạng cảm biến không dây ...................... 25
2. Giới thiệu chuẩn không dây IEEE 802.15.4 ..................................................... 30
2.1. Lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4.......................................................... 30
2.2. Lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4 tại dải tần 2.4 GHz .................................. 32
3. Kết luận chương .............................................................................................. 34
CHƢƠNG 2.MÃ SỬA LỖI....................................................................................... 35
1.

Giới thiệu về hệ truyền tin ............................................................................... 35
1.1. Mô hình hệ truyền tin ................................................................................ 35
1.2. Phân loại kênh truyền ................................................................................ 36
1.3. Hiệu suất kênh truyền ................................................................................ 37
2. Mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây ..................................................... 37
2.1. Mã khối tuyến tính .................................................................................... 38
2.2. Hội chứng lỗi và sửa lỗi............................................................................. 41
2.3. Khoảng cách tối thiểu của mã khối tuyến tính ............................................ 45
2.4. Khả năng phát hiện lỗi và khả năng sửa lỗi của mã khối tuyến tính ............ 45
2.5. Mã Hamming ............................................................................................ 47
2.6. Mã dịch vòng tuyến tính ............................................................................ 50
3. Kết Luận Chương ............................................................................................ 55
CHƢƠNG 3.ÁP DỤNG MÃ SỬA LỖI - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ...... 56
1.

1.
2.


Mạng cảm biến không dây

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

WINS

Wireless Integrated Network Sensors

Cảm biến mạng tích hợp không
dây

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian

CSMA


Geographic adaptive fidelity

Giải thuật chính xác theo địa lý

GEAR

Geographic

and

Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý sử
dụng hiệu quả năng lượng

Routing
TEEN

Threshold sensitive Energy Efficient Giao thức hiệu quả về năng
lượng nhạy cảm với mức

sensor Network protocol

ngưỡng
APTEEN

Adaptive Threshold sensitive Energy Giao thức hiệu quả về năng
Efficient sensor Network protocol

lượng nhạy cảm với mức
ngưỡng thích ứng

2012

giao thúc quản lí mạng cảm

Sensor Management Protocol

biến
TADAP

Task

Assignment

and

Data giao thức quảng bá dữ liệu và
chỉ định nhiệm vụ cho từng

Advertisement Protocol

sensor
SQDDP

Sensor

Query

and

Data giao thức phân phối dữ liệu và

DS - SS

Directed-Sequence Spread Spectrum

Trải phổ tuần tự

BS

Base Station (Sink)

Trạm gốc

CH

Cluster Head

Nút chủ cụm

ECC

Error Correcting Code

Mã sửa lỗi

FEC

Forward Error Correction

Mã sửa lỗi chuyển tiếp


Hình 2.6: Mạch điện tử với hội chứng lỗi cho hệ thống mã hóa tuyến tính
(n,k)[7] .............................................................................................................. 41
Hình 2.7 : Mạch điện mã hóa cho mã dịch vòng tuyến tính (n,k) với đa thức
sinh[7] ............................................................................................................... 51
Hình 2.8: Mạch điện mã hóa cho mã dịch vòng tuyến tính dựa trên đa thức kiểm
lỗi h(X)=1+h1X+…+Xk[7] ............................................................................... .51
Hình 2.9: Mạch điện logic với n-k trạng thái lỗi[7]............................................ 52
Hình 3.1: Tỉ lệ mất gói khoảng cách[9] ............................................................ .55
Hình 3.2: Chiều dài khối lỗi [10]. ...................................................................... 56
Hình 3.3: Ảnh hưởng lỗi bit dẫn đường lên tỉ lệ gói tin[10] ............................... 57
Hình 3.4: Cách chèn bit dư thừa trong mã Hamming ........................................ 58
Hình 3.5: Giản đồ kênh truyền .......................................................................... 56

Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 7


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế
ISM ................................................................................................................... 27
Bảng 1.2: Dải tần số và tốc độ của lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4[6] .............. 29
Bảng 1.3 : Ánh xạ các ký tự sang giá trị chip[4]. ............................................... 31
Bảng 2.1 : Bảng từ mã Hamming (7,4,3). .......................................................... 46
Bảng 2.2: Bảng các giá trị của mẫu lỗi e............................................................ 48
Bảng 2.3: Bảng giải mã cho mã dịch vòng tuyến tính (7,4) với đa thức sinh

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 ”.
Nội dung tìm hiểu của luận văn gồm 3 chương, trình bày các vấn đề sau:
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: Mã sữa lỗi
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. 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

Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 9


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

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

Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) là một mạng cảm biến,
tập hợp nhiều thiết bị cảm biến, sử dụng cách thức liên kết truyền tin không dây
(sóng vô tuyến,) để thực hiện kết nối các nút mạng với nhau. Các nút mạng cảm
biến thực hiện tương tác với môi trường tự nhiên, như giám sát các chỉ số môi
trường; cập nhật trạng thái của các sự kiện, hoặc các hiện tượng xảy ra trong môi
trường khác nhau. Môi trường tương tác có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh
học. Các thông số cần cập nhất thông qua mạng cảm biến thường là: nhiệt độ, độ
ẩm, hướng gió, cường độ sáng, cường độ rung, cường độ âm thanh, mức điện áp,
nồng độ hóa chất, mức độ ô nhiễm, hay các chức năng trên cơ thể sống.
Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng hoạt động độc lập, thực hiện
cảm biến, tương tác với môi trường, có khả năng điều khiển, đo lường các thông
số vật lý. Các nút mạng liên kết với nhau để hoàn thành tất cả các tác vụ, bởi nếu
một nút mạng hoạt động đơn lẻ thì không thể đảm nhận hết các nhiệm vụ: cảm
biến môi trường, xử lý, truyền tin... Lý do chính phải sử dụng kết nối không dây
là hệ thống các mạng cảm biến thường được xây dựng từ hàng trăm đến hàng
nghìn nút mạng, nên việc đi dây cho từng nút mạng là không khả thi.
Mạng cảm biến không dây rất hữu ích, hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau trong
thế giới thực, trong đó lợi ích to lớn do mạng cảm biến không dây mang lại
chính là khả năng triển khai trên bất kỳ các loại địa hình, địa lý nào, ngay cả
trong những môi trường nguy hiểm, mà việc đi dây cho các nút mạng cảm biến
được không thể tiến hành được. Tính năng tự tổ chức, tự cấu hình, là tính năng
đặc trưng trên mỗi nút mạng, tăng khả năng mềm dẻo linh hoạt cho hệ thống
mạng cảm biến không dây. Vì thế, rất phù hợp khi phải triển khai mạng cảm biến
không dây cho những ứng dụng trong khu vực rộng lớn, đảm bảo khả năng xử
lý, tính toán hiệu quả cao. Từ sự trợ giúp của hệ thống mạng cảm biến không
dây, con người đã thực hiện nhiều mô hình tương tác, khám phá ra nhiều hiện
tượng, bản chất của các sự vật trong tự nhiên, mà trước đây chưa có điều kiện
tìm hiểu nghiên cứu.

 Mô hình cập nhật, tính toán giá trị đo hoặc thông số môi trường:
Có những giá trị vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, có thể thay đổi từ giá trị này
sang giá trị khác. Mạng cảm biến sẽ thực hiện việc cảm biến, ghi nhận lại
những thay đổi giá trị và xấp xỉ hoặc tính gần đúng các biến đổi của giá trị
đo, thành những hàm toán học trong việc giới hạn mẫu đo tại các nút cảm
biến.
 Mô hình theo dõi những đối tượng di động:
Có nhiều nguồn sự kiện, đối tượng cần nghiên cứu có tính di động, vì vậy
việc nghiên cứu các sự kiện này là rất khó khăn. Mạng cảm biến không dây
có thể hỗ trợ cho hướng nghiên cứu này, cập nhật thông số đối tượng nghiên
cứu, kể cả khi các đối tượng di chuyển, và truyền dữ liệu về các nút mạng
nguồn. Trong mô hình này, các nút mạng cảm biến sẽ liên kết với nhau,
thường xuyên cập nhật kết quả trước khi gửi đến nút mạng nguồn.
Thông qua các mô hình ứng dụng của mạng cảm biến không dây, tùy theo mục
đích nghiên cứu khoa học, khám phá thế giới tự nhiên cho đến mục đích phục vụ
chất lượng cuộc sống con người, có thể lựa chọn mô hình phù hợp với từng ứng
dụng cụ thể. Có rất nhiều ứng dụng từ mạng cảm biến không dây đã được triển
khai trong dịch vụ chăm sóc sức khỏe tại các bệnh viện, phát triển hệ thống ngôi
nhà thông minh, hoặc là giảm thiểu những hy sinh của con người khi có chiến
tranh xảy ra...
1.1.1. Ứng dụng trong quân sự
Mạng cảm biến không dây là một phần ứng dụng không thể thiếu trong các
hoạt động quân sự ngày nay, cho phép xây dựng các hệ thống quân sự hiện đại
(C4ISRT): phục vụ hệ thống chỉ huy quân sự; phục vụ hệ thống tính toán số liệu;
thu thập tin tức tình báo, liên lạc, thiết lập vùng theo dõi, trinh sát và xác định
mục tiêu. Nhờ đặc tính triển khai nhanh chóng, có khả năng tự tổ chức, tự cấu
hình, nên mạng cảm biến rất phù hợp với nhiều hoạt động trong môi trường
squân sự. Có nhiều lợi ích khi áp dụng mạng cảm biến không dây, nổi bật nhất là
triển khai mạng với mật độ nút mạng cao, rất nhiều nút mạng trên một diện tích,
Học viên: Trần Trọng Nghĩa

động của đối phương một cách rõ ràng, bí mật. Trên bản đồ thao tác chiến
trường, thông tin từ những vị trí chiến lược được các nút mạng cảm biến cập
nhật thường xuyên, giúp cho việc theo dõi tình hình chiến sự được chính xác,
kịp thời đưa ra chiến sách đúng.
 Ứng dụng trinh sát lực lượng đối phương:
Khi các cảm biến không dây được triển khai tại các vùng chiến lược, sẽ thu
thập thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời về tình hình phía địch rất
nhanh chóng trong một vài phút trước khi bị đối phương ngăn chặn, phá hủy.
 Ứng dụng xác định mục tiêu:
Mạng cảm biến có thể được kết hợp chặt chẽ với các hệ thống hướng đạo
trong các quân trang thông minh để xác định mục tiêu quân sự chính xác.
 Ứng dụng đánh giá thiệt hại của trận đánh:
Ngay trước hoặc sau khi tấn công diễn ra, các cảm biến có thể được triển
khai trong vùng mục tiêu, từ các số liệu tổng hợp có thể đánh giá thiệt hại
trận chiến một cách nhanh chóng.
 Ứng dụng trinh sát, phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân:
Trong các cuộc chiến tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và
kịp thời các tác nhân chính của vũ khí sinh hóa được sử dụng là điều rất quan
Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 13


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

trọng. Các cảm biến được triển khai trong vùng chiếm đóng và được sử dụng
như các hệ thống cảnh báo vũ khí sinh hóa, hệ thống cảnh báo sẽ thu thập
những thông tin về các tác nhân có thể gây nguy hiểm, gây thương vong và


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

cháy rừng trước khi xuất hiện đám cháy chưa thể lan rộng đến nỗi không
kiểm soát được. Hàng nghìn nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp
với nhau thông qua hệ thống quang và các tần số vô tuyến. Ngoài ra, các nút
cảm biến còn được trang bị các kỹ thuật tự cấp nguồn hiện đại, sử dụng cấp
nguồn với pin mặt trời, để các cảm biến có thể tự duy trì trong nhiều tháng,
thậm chí nhiều năm. Các nút cảm biến sẽ phối hợp với các nút khác để kiểm
tra thông số nhiệt độ môi trường, chống lại các trở ngại như các cành cây,
khối đá làm cản trở “tầm nhìn” của các cảm biến.
 Ứng dụng xây dựng bản đồ sinh học phức tạp của môi trường:
Việc lập bản đồ sinh học của môi trường đòi hỏi phải tiếp cận một cách tinh
vi để kết hợp các thông tin qua các trục không gian và thời gian. Các tiến bộ
kỹ thuật trong lĩnh vực cảm biến từ xa và thu thập dữ liệu tự động cho phép
độ phân giải không gian, quang phổ và thời gian cao tại một đơn vị diện tích.
Dựa vào công nghệ hiện nay, các nút cảm biến có thể được kết nối Internet,
điều này cho phép người sử dụng từ xa có thể điều khiển, kiểm tra và theo
dõi các thành phần sinh học trong môi trường.
Mặc dù các hệ thống cảm biến vệ tinh và trên máy bay rất hữu ích cho việc
theo dõi tính đa dạng sinh học vĩ mô nhưng chúng không đủ tinh vi để tiếp
cận các thành phần sinh học có kích cỡ nhỏ. Do đó cần thiết phải sử dụng
mạng cảm biến để theo dõi chi tiết các thành phần sinh học một cách đầy đủ.
 Ứng dụng phát hiện lũ lụt, phòng chống thiên tai, cảnh báo“sóng thần”:
Các nút cảm biến được triển khai tại, lưu vực các dòng sông, các bờ biển,
những nơi có thể xảy ra lũ lụt động đất nhằm phát hiện kịp thời các thông tin
lũ lụt các thông tin động đất sóng thần, đưa ra cảnh báo, xây dựng phương án
đối phó hữu hiệu.

thức chăm sóc phù hợp, khi nào cần sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, và
phân bón; tỉ lệ chiếu sáng từ mặt trời; và nhiều con số khác. Kiểu ứng dụng
này rất quan trọng, đặc biệt trong các vườn nho, nơi mà những thay đổi môi
trường nhạy cảm có thể ảnh hưởng lớn đến giá trị vụ mùa, chất lượng nho...
Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các
trang trại chăn nuôi. Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến
trong quá trình xác định vị trí của vật nuôi trong trang trại, các cảm biến được
gắn theo mỗi vật nuôi, từ các thông số cập nhật được về chỉ số sinh hóa trên
vật nuôi, sẽ giúp cho người chăn nuôi có các biện pháp, kỹ thuật phù hợp
như điều trị phòng chống các động vật ký sinh trên mỗi vật nuôi, tăng hay
giảm lượng thức ăn cho phù hợp. Người chăn nuôi lợn hoặc chăn nuôi gà sử
dụng mạng cảm biến không dây để theo dõi thông số chuồng nuôi thoáng
mát, thoáng khí. Nhờ mạng cảm biến không dây có thể giám sát nhiệt độ
khắp chuồng nuôi, giữ cho an toàn cho đàn.
1.1.3. Ứng dụng trong dịch vụ y tế chăm sóc sức khỏe
Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả
năng giao tiếp chăm sóc với người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân,
chẩn đoán, quản lý dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ
chế sinh học bên trong của các loại động vật tham gia trong những thử nghiệm
thuốc mới; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các
bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.
 Ứng dụng kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý bệnh nhân:
Các số liệu về sinh lý được thu thập bằng mạng cảm biến có thể được lưu trữ
trong thời gian dài và có thể được sử dụng để làm tư liệu y học. Mạng cảm
biến còn được sử dụng để kiểm tra và phát hiện tình trạng hiện thời của người
cao tuổi như khi bị đột quỵ, bệnh nan y. Dựa trên các nút cảm biến nhỏ này
được gắn vào bệnh nhân cho phép các đối tượng đang được điều trị có thể di
chuyển tự do trong phạm vi rộng và các bác sĩ có thể không cần ở bên cạnh,
nhưng vẫn có thể phát hiện các hội chứng dấu hiệu bệnh để ra phương án,
phác đồ điều trị phù hợp. Các mạng cảm biến này tạo thuận lợi hơn cho các

bảo vệ các căn phòng dưới ánh nắng mặt trời. Hoặc áp dụng các hệ thống điều
khiển chiếu sáng thông minh cho gia đình, mang đến sự tiện nghi, tự động hóa,
tiết kiệm.
 Ứng dụng kết hợp với các thiết bị cầm tay thông minh
Mọi ứng dụng cảm biến đều được điều khiển chung từ xa, từ các thiết bị hỗ
trợ cá nhân thông minh PDA, thông qua hệ thống mạng cảm biến không dây,
không chỉ điều khiển TV, đầu đĩa DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện
tử gia đình khác mà còn điều khiển các bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ
khoá, khi được trang bị, kết nối với mạng cảm biến không dây. Hấp dẫn nhất
đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ cùng được điều khiển thông qua mạng cảm
biến không dây, giống như các cánh cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc
có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi có một cuộc gọi đến trên
Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 17


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

máy điện thoại hoặc chuông cửa kêu. Kết hợp chiếc cân và máy tính cá nhân
thông qua một mạng cảm biến không dây, sức nặng của một vật có thể được
tự động ghi lại không cần phải sử dụng sức lao động để kiểm tra.
 Ứng dụng khác giám sát việc sử dụng nước.
Hệ thống giám sát nguồn nước giúp cho việc sử dụng nước một cách tiết
kiệm. Các nhà máy nước thông qua hệ các bộ cảm biến đặt tại đường ống
nước mỗi gia đình có thể thu thập thông tin về lượng nước sử dụng tại gia
đình đó, vượt hay không vượt hạn mức sử dụng mà không phải mất công sức
đi đến tận nơi để ghi lại.

Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 18


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

nghiệm, sử dụng các thiết bị cầm tay kết nối với hệ thống, dựa trên thông tin
giám sát tại phòng trung tâm để phân tích. So với mạng cảm biến có dây trong
trường hợp này thì mạng cảm biến không dây có những lợi ích: dễ dàng triển
khai, tính chi tiết và độ chính xác cao...
 Ứng dụng điều khiển ánh sáng quảng cáo.
Rất nhiều chi phí trong quá trình lắp đặt các bóng đèn chiếu sáng trong các
toà nhà lớn, và cũng liên quan đến việc điều khiển hệ thống chiếu sáng này
sao cho phù hợp – sửu dụng hệ thống điều khiển toàn bộ bóng đèn chiếu sáng
này với yêu cầu các bóng đèn được điều khiển bật và tắt cùng nhau, nhịp
nhàng, sử dụng ánh sáng tiết kiệm mà vẫn gây được ấn tượng quảng cáo tối
đa. Một hệ thống cảm biến không dây có tính mềm dẻo kết hợp với bộ điều
khiển từ thiết bị cầm tay, được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng
đèn theo nhiều cách khác nhau, trong khi vẫn đảm bảo mức độ ánh sáng phù
hợp cho những quảng cáo chuyên nghiệp.
 Ứng dụng quản lý an toàn công nghiệp.
Các mạng cảm biến không dây có thể phát hiện sự hiện diện của các chất độc
hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc
phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm
trọng có xảy ra (và trước khi các chất độc này vượt ra ngoài vùng kiểm soát).
Nhờ khả năng triển khai linh hoạt, với khả năng phân tán, tự cấu hình và tự
duy trì, nên mạng cảm biến không dây có thể triển khai ở những nơi có địa

do con người luôn thay đổi hoặc những thay đổi theo mùa luôn xảy ra.
Những thay đổi này được kết hợp với quá trình phân tán, di động của con
người trong toà nhà dẫn đến ảnh hưởng đến lượng nhiệt phân bố trong toà
nhà. Khi tổ chức cải tạo, sửa chữa lại không gian sử dụng cho các văn phòng
có thể phát sinh thêm các thiết bị hoạt động phát sinh nhiệt như lò nướng. Tất
cả những thay đổi này sẽ dẫn đến những thay đổi về nhiệt, về độ rung, ánh
sáng không còn là môi trường phù hợp.
Điều khiển hệ thống điều nhiệt và điều hòa không khí không tốt sẽ dẫn đến
môi trường làm việc không thoải mái, bởi những tin dự báo không chính xác,
không điều khiển phân phối được cho toàn bộ diện tích, bởi việc đi dây nhiều
cho hệ thống mạng cảm biến có dây không khả thi và mất tính thẩm mỹ. Ứng
dụng mạng cảm biến không dây có thể đáp ứng thông tin chính xác về giá trị
môi trường trong các khu vực toà nhà. Bộ điều khiển điều nhiệt và không khí
thông qua kết nối không dây có thể được đặt tại một vài vị trí trong mỗi
phòng để cung cấp thông tin điều khiển đến toàn bộ hệ thống. Tương tự, các
bộ giảm rung vòng và giảm dung âm lượng không dây có thể được sử dụng,
kết nối với hệ thống điều nhiệt và không khí để đưa ra yêu cầu điều khiển
lượng nhiệt và không khí phù hợp. Khi mọi người di chuyển từ khu vực văn
phòng chuyển đến phòng hội nghị để tiến hành cuộc họp, hệ thống điều nhiệt
và không khí sẽ nhận được thông tin từ các bộ chống rung âm lượng trong
phạm vi văn phòng và bộ chống rung âm lượng tại phòng hội nghị, sẽ điều
khiển lượng nhiệt và không khí phù hợp cho khu vực phòng họp; giảm điều
hòa không khí tại văn phòng. Khi mọi người rời khỏi toà nhà, hệ thống này
kết hợp bộ chống rung điều khiển thay đổi toàn bộ thân nhiệt toà nhà.
Hệ thống cảm biến điều nhiệt và không khí không dây cũng có thể đáp ứng
một trong những vấn đề: Cân bằng nhiệt ấm và tình trạng không khí. Với
trường hợp mà các nguồn nhiệt được phân tán không đều nhau. Trong ngôi
nhà, khu vực nhà bếp có khuynh hướng ấm hơn, bởi vì nhiệt độ của bếp nấu
ăn, trong khi các khu vực phòng ngủ có khuynh hướng lạnh hơn. Vào mùa
đông, không khí ấm hơn yêu cầu được tăng cường đến khu vực phòng ngủ,

số ứng dụng có thể loại bỏ nút mạng cảm biến khi hết năng lượng, hoặc muốn sử
dụng tiếp phải thay thế pin. Chiều dài của nhiệm vụ tùy thuộc vào mục đích của
ứng dụng. Chẳng hạn đối với ứng dụng nghiên cứu chuyển động băng trôi cần
những nút mạng có thể hoạt động trong nhiều năm, còn đối với ứng dụng quân
sự trong các kịch bản chiến trường các nút mạng chỉ cần hoạt động trong vài giờ
hoặc vài ngày.
Kết quả thách thức đầu tiên và thường là quan trọng nhất cho mạng cảm biến
không dây là thiết kế sử dụng năng lượng sao cho hiệu quả. Nhiều giải pháp đã
được nghiên cứu, chẳng hạn thiết kế lớp vật lý của nút mạng cảm biến có thể ảnh
hưởng đến công suất tiêu thụ trên toàn bộ nút mạng hoặc các phân lớp cao hơn.
Lớp điều khiển truy cập thường chịu trách nhiệm điều khiển các nút cảm biến
truy cập vào kênh truyền không dây. Rắc rối sẽ nảy sinh khi các nút mạng cố
gắng truy cập vào kênh truyền, khi đó đụng độ sẽ xảy ra và lớp điều khiển truy
cập phải giải quyết và đảm bảo việc truyền thông tin trên kênh truyền luôn
thành công. Nút mạng sẽ tốn nhiều năng lượng để lắng nghe lớp điều khiển truy
cập để đảm bảo không gói tin nào truyền lỗi, thêm vào đó cũng tốn năng lượng
để phục hồi truyền tin từ những nút mạng khi xảy ra đụng độ. Vì vậy một số giao
thức điều khiển truy cập của mạng cảm biến không dây phải loại bỏ được những
đụng độ từ các nút mạng, cho phép các nút mạng chuyển sang chế độ nghỉ,
không phát sóng vô tuyến khi không thực hiện truyền thông tin.
Lớp mạng trong mạng cảm biến không dây chịu trách nhiệm xác định đường đi
ngắn nhất cho các nút mạng cảm biến đến nút mạng nguồn, với những yêu cầu
đặc trưng về định tuyến: chiều dài, công suất cho các nút mạng thực hiện chức
năng chuyển tiếp (relay) trong mô hình truyền đa đường.
Bên cạnh các giải pháp tiết kiệm năng lượng trên những giao thức truyền có thể
loại những năng lượng vô ích trên thiết kế phần cứng nút mạng, giảm những tác
vụ chuyển đổi không cần thiết, các cơ chế bảo mật... đảm bảo cân bằng giữa
việc tính toán dữ liệu cảm biến và truyền thông.
Học viên: Trần Trọng Nghĩa


hiển thị vị trí sản phẩm theo nút mạng. Tuy nhiên thách thức này vướng phải quy
định riêng tại mỗi quốc gia trong việc xây dựng một tiêu chuẩn về thiết kết
chung về không dây, áp dụng mạng cảm biến không dây.
1.2.4. Kiểu mạng triển khai
Đối với kiểu mạng hình sao, thông thường sử dụng một thiết bị đóng vai
trò chủ (master) và một hoặc nhiều thiết bị đóng vai trò phụ (slave) có thể thoả
mãn nhiều ứng dụng trong phạm vi ngắn. Bởi vì công suất truyền của các thiết bị
mạng bị giới hạn, phụ thuộc thời gian sống của pin, thiết kết mạng kiểu này sẽ
phụ thuộc bộ nhớ và khả năng xử lý của nút mạng chủ và hoạt động trong phạm
vi ngắn. Đối với kiểu mạng đa đường (kiểu mạng lưới mesh hoặc kiểu chùm
cluster), bộ nhớ tăng và khả năng tính toán cho các bảng hoặc thuật toán định
tuyến, với điều kiện công suất sử dụng thấp. Kiểu mạng này đáp ứng cho nhiều
ứng dụng ở khoảng cách lớn, mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>256 nút);
mật độ nút mạng cao.

Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 22


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

1.2.5. Bảo mật
Mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào mức năng lượng, khả năng tính
toán và môi trường truyền thông. Ngược lại trong các mạng cảm biến truyền
thống các nút mạng thường được triển khai trong những khu vực không có bảo
vệ nên phải đối mặt với những cuộc “tấn công”. Đối với mạng cảm biến không
dây có nhiều thách thức về chế độ bảo mật, khả năng xác thực, chống các cuộc

mềm phù hợp

Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 23


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
1.3.

2012

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

1.3.1. Kích thước vật lý nhỏ
Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất
tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của nút mạng cơ sở.
Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ
và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng
phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.
Chẳng hạn nút mạng do hãng TelosB sản xuất sử dụng pin 2AA một bộ vi điều
khiển 8 MHz và bộ nhớ RAM 10kB, phát sóng theo chuẩn IEEE 802.15.4. Ngoài
ra còn được tích hợp thêm kết nối USB các bộ cảm biến về ánh sáng, độ ẩm hay
nhiệt độ.
1.3.2. Hoạt động đồng thời
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm
biến, xử lý thông tin và truyền các luồng thông tin này với khối lượng xử lý thấp,
gồm các hoạt động: nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Thông tin
cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và
truyền lên mạng, hoặc dữ liệu có thể được nút cảm biến nhận từ các nút cảm biến

thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng
tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần
cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức
độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển
chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập
các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi
giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.
1.3.5. Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng
dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng
độ tin cậy truyền tin, truyền dữ liệu giữa các nút mạng riêng lẻ, bị giới hạn bởi
kích thước và công suất. Việc tăng độ tin cậy trong việc truyền dữ liệu là điều
cốt yếu. Thêm vào đó, tăng độ tin cậy của ứng dụng còn chính là khả năng chấp
nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của từng nút mạng. Như vậy, hệ thống hoạt
động trên từng nút mạng đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển
thêm các ứng dụng phân tán với mức độ tin cậy cao.
1.4.

Kiến trúc và giao thức phân tầng mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, có sự phân cấp cho các nút mạng. Các nút
mạng phân tán đóng vai trò thu thập dữ liệu và định tuyến để truyền dữ liệu về
các nút mạng đóng vai trò nút mạng gốc (sink/gateway) và chuyển tiếp tới người
dùng cuối. Dữ liệu được truyền tin qua kiến trúc đa đường (multi-hop). Các nút
mạng cơ sở có thể liên kết thực thi nhiệm vụ với người dùng cuối thông qua
Internet, vệ tinh, hoặc các kết nối không dây (WiFi, mạng mắt lưới mesh, mạng
tế bào, wimax..)

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây [6]
Giao thức phân tầng được sử dụng cho cấu trúc mạng cảm biến không

Mặt phẳng quản lý năng lượng, quản lý việc một nút cảm biến sử dụng
năng lượng như thế nào. Chẳng hạn, nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau
khi nhận một bản tin từ một trong các nút lân cận. Điều này có thể tránh được
việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của nút cảm biến
thấp, nút cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lượng
thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản
tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến.
Mặt phẳng quản lý di động, dò tìm và ghi lại chuyển động của nút cảm
biến, vì thế một tuyến đường hướng tới nút user luôn được duy trì và các nút
cảm biến có thể theo dõi được các nút cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được
các nút cảm biến lân cận, nút cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng
lượng sử dụng.
Học viên: Trần Trọng Nghĩa

Trang 26