TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Cái nhìn ban đầu về WSN
Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã được phát triển và triển khai cho nhiều ứng dụng đa dạng như theo dõi môi trường, giám sát quân sự, phát hiện tấn công hạt nhân, sinh học và hóa học, cũng như quản lý y tế trong bệnh viện Sự tiến bộ công nghệ, bao gồm vi điện tử, công nghệ nano và giao tiếp không dây, đã tạo ra các cảm biến nhỏ gọn, đa chức năng, với chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng ít, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Ngày nay, vi điều khiển đã phát triển mạnh mẽ với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh và tiêu thụ năng lượng thấp Sự tiến bộ này đã giúp giảm giá thành thiết kế và triển khai, đồng thời giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, tạo điều kiện cho các nút cảm biến đa chức năng có kích thước nhỏ và khả năng giao tiếp trong khoảng cách ngắn Các nút cảm biến ngày càng có khả năng cao hơn, bao gồm cảm biến, xử lý dữ liệu và giao tiếp với nhiều nút cảm biến khác.
Mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm nhiều nút cảm biến và chủ yếu sử dụng truyền thông đa bước (multi-hop), cho phép triển khai quy mô lớn với khả năng tương tác nhanh chóng và đáng tin cậy Các nút cảm biến không chỉ truyền thông tin thô mà còn có khả năng xử lý tính toán trước khi gửi đi, giúp tối ưu hóa việc tổng hợp thông tin giữa các nút.
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
Khi nghiên cứu mạng cảm nhận không dây (WSN), thời gian sống của các cảm biến là yếu tố quan trọng nhất, do chúng tiêu thụ năng lượng hạn chế và không thể thay thế nguồn cung cấp Do đó, các giao thức mạng phải ưu tiên bảo toàn công suất trước khi đạt được chất lượng dịch vụ Bài viết sẽ khám phá các yếu tố chính của WSN, bao gồm nút cảm biến không dây, kiến trúc và giao thức, cũng như ứng dụng thực tế của WSN, từ đó rút ra những yếu tố ảnh hưởng và giải pháp trong thiết kế và triển khai mạng.
Khái niệm WSN
Mạng cảm biến không dây là một loại mạng không dây, trong đó các nút mạng được cấu thành từ các vi điều khiển đã được cài đặt phần mềm nhúng và kết hợp với các bộ phát.
Mạng cảm nhận không dây (WSN) là hệ thống mạng sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận dữ liệu, trong đó các nút mạng được trang bị bộ vi điều khiển và cảm biến Các nút này có khả năng thu nhận và xử lý thông tin từ môi trường xung quanh, giúp tối ưu hóa việc quản lý và giám sát dữ liệu.
Tóm lại khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa trên công thức đơn giản sau:
Cảm nhận + CPU + Radio = WSN
Nút cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) là các hệ thống nhúng có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến, xử lý thông tin tại chỗ và giao tiếp không dây giữa các nút Mỗi nút cảm biến bao gồm phần cứng, phần mềm và các chuẩn tương ứng.
1.3.1 Phần cứng của nút cảm biến không dây
Tùy thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể, phần cứng trong nút mạng có thể khác nhau Bài viết này sẽ khám phá các thành phần cơ bản của một nút cảm biến không dây.
• Vi điều khiển: xử lý dữ liệu và thi hành chương trình tại nút
• Bộ nhớ: Lưu trữ chương trình và dữ liệu, bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu thường tách biệt nhau tuân theo kiến trúc harvard
• Cảm biến: Tương tác với môi trường vật lý để theo dõi và điều khiển các thống số của môi trường
• Bộ phận thu phát: Thiết bị cung cấp khả năng truyền – nhận dữ liệu giữa các nút qua kênh vô tuyến
Pin thường có nguồn năng lượng hạn chế, nhưng trong một số ứng dụng, năng lượng này có thể được bổ sung từ môi trường, chẳng hạn như việc sử dụng pin mặt trời.
Hình 1 1 Sơ đồ cấu tạo chung của một nút cảm biến không dây
Vi điều khiển là thiết bị cốt lõi trong nút mạng cảm nhận không dây, có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu trước khi truyền đi, cũng như nhận dữ liệu từ các nút khác Lý do vi điều khiển được ưa chuộng trong các hệ thống nhúng là nhờ tính linh hoạt trong kết nối với các thiết bị khác như cảm biến, cùng với khả năng tiết kiệm năng lượng khi chuyển sang chế độ ngủ, chỉ cho phép một phần của vi điều khiển hoạt động Thêm vào đó, nhiều vi điều khiển còn tích hợp bộ nhớ ngay trên chip Khả năng lập trình bằng các ngôn ngữ bậc cao như C và C++ cũng là một ưu điểm lớn, vì vậy việc xem xét hiệu suất, hiệu quả năng lượng và chi phí của vi điều khiển là rất quan trọng khi xây dựng nút mạng.
Bộ nhớ trong hệ thống cảm biến được sử dụng để lưu trữ dữ liệu từ các nút cảm biến và gói dữ liệu từ các nút khác, với hai kiến trúc chính là kiến trúc Harvard và kiến trúc von Neumann Kiến trúc Harvard tách biệt bộ nhớ dữ liệu và chương trình, trong khi dữ liệu thường được lưu trữ trong RAM và chương trình trong ROM hoặc bộ nhớ FLASH Ngược lại, kiến trúc von Neumann lưu trữ cả dữ liệu và chương trình trên RAM, nhưng nhược điểm là dữ liệu sẽ bị mất khi tắt nguồn Do đó, chương trình hoặc hệ điều hành thường được lưu trữ trên ROM, EEPROM hoặc bộ nhớ flash Kích thước bộ nhớ và năng lượng tiêu thụ cần phải tương ứng với yêu cầu dữ liệu của ứng dụng mạng.
Thiết bị giao tiếp là công cụ thiết yếu để trao đổi dữ liệu giữa các nút trong mạng, với môi trường không dây là lựa chọn phổ biến nhất, sử dụng sóng vô tuyến, truyền thông quang, sóng siêu âm hoặc từ trường cho các ứng dụng đặc biệt Sóng vô tuyến nổi bật nhờ băng thông lớn và tốc độ dữ liệu cao, phù hợp cho hầu hết các ứng dụng mạng không dây Các nút giao tiếp thường yêu cầu chức năng nhận và truyền dữ liệu, bao gồm điều chế, giải điều chế, khuếch đại, lọc và trộn, trước khi chuyển đổi luồng bit, byte hoặc khung thành sóng vô tuyến Thông thường, hai chức năng này được tích hợp trong một thiết bị duy nhất, dẫn đến việc truyền và nhận dữ liệu không thể diễn ra đồng thời mà phải luân phiên, được điều khiển bởi hệ điều hành nhúng Khi lựa chọn thiết bị truyền nhận, cần chú ý đến khả năng phục vụ cho lớp trên (MAC) để đảm bảo việc điều khiển gói dữ liệu hiệu quả.
+ Tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng hiệu quả do năng lượng tiêu thụ nhiều nhất trong nút mạng là do việc truyền nhận vô tuyến
+ Tần số sóng mang và đa kênh truyền trong truyền nhận phải phù hợp với yêu cầu của ứng dụng
Tốc độ dữ liệu được xác định bởi tần số sóng mang và băng tần, kết hợp với các phương pháp điều chế và mã hóa dữ liệu Tốc độ này có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi phương thức điều chế hoặc tốc độ ký tự.
+ Điều chế và mã hóa
Cảm biến là thiết bị đa dạng, được phân loại dựa trên ứng dụng trong mạng cảm nhận, với các loại như cảm biến tích cực và thụ động Việc lựa chọn cảm biến thường dựa vào các yếu tố như phạm vi giám sát, năng lượng tiêu thụ, giá thành và kích thước, và thường không phức tạp như việc chọn bộ nhớ hay vi xử lý.
Nguồn nuôi là thành phần quan trọng trong mạng cảm nhận, với hai yếu tố chính cần chú ý: khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng, cùng với khả năng thay thế nguồn Thông thường, nguồn sử dụng là pin, nhưng việc thay thế nguồn trong các nút mạng thường gặp khó khăn do địa hình và số lượng nút lớn Do đó, việc lựa chọn nguồn ổn định, phù hợp với yêu cầu của ứng dụng và môi trường hoạt động là rất cần thiết.
1.3.2 Phần mềm của nút cảm biến không dây
Hệ điều hành nhúng có chức năng điều khiển, bảo vệ truy cập tài nguyên và quản lý giao tiếp giữa các quá trình Mặc dù hỗ trợ người dùng và thi hành xử lý, nhưng chức năng chính của nó là thực thi lệnh Do đó, hệ thống này không cần nhiều tài nguyên như một hệ điều hành hoàn chỉnh.
Hệ điều hành cho mạng cảm nhận không dây cần có khả năng hỗ trợ quản lý năng lượng hiệu quả và điều khiển các thành phần ngoại vi như cảm biến, thiết bị vô tuyến và định thời Do đó, yêu cầu cho hệ điều hành mạng nhúng là phải có cấu trúc đơn giản, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên hệ thống như bộ nhớ và thời gian xử lý.
1.3.3 Chuẩn cho nút cảm biến không dây
Mục đích : do sự không đồng nhất của các loại nút cảm dẫn đến không tương thích giữa các mạng và các ứng dụng khác nhau
IEEE 802.15.4 hỗ trợ truyền thông qua ba băng tần toàn cầu (2.4GHz), Châu Mỹ (915MHz) và Châu Âu (868MHz) Tầng vật lý sử dụng phương pháp điều chế binary phase shift keying (BPSK) cho băng tần 868/915MHz và offset quadrature phase shift keying (O-QPSK) cho băng tần 2.4GHz Tầng MAC cung cấp cấu trúc liên kết dạng sao, lưới hoặc cây, với phạm vi truyền của các nút từ 10 đến 100m và tốc độ dữ liệu từ 20 đến 250 kbps.
ZigBee nổi bật với khả năng gán địa chỉ ngắn cho thiết bị khi tham gia mạng, giúp nâng cao hiệu suất truyền thông Hệ thống sử dụng kiến trúc dạng cây để tối ưu hóa quá trình định tuyến.
WirelessHART nổi bật với khả năng tạo và xác minh liên tục nhiều đường dự phòng trong quá trình thiết lập mạng Khi một đường truyền từ thiết bị đến cổng bị hỏng, hệ thống sẽ tự động thay thế ngay lập tức Điều này hỗ trợ quản lý băng thông động cho thiết bị thông qua việc chỉ định các đường truyền thay thế hiệu quả.
11 con số thích hợp của các khe đến các thiết bị.Kiến trúc mạng: gồm 5 phần như trong hình 1.2
Hình 1 2 Thành phần kiến trúc dạng chuẩn WirelessHART
6LoWPAN: nhằm tích hợp WSN với Internet thông qua IPv6, khi tích hợp
IPv6 trong mạng cảm biến không dây (WSN) có kích thước lớn (40 byte), gây ra thách thức cho việc truyền tải dữ liệu Để khắc phục, một số giải pháp đã được đề xuất, bao gồm việc sử dụng bốn loại tiêu đề thay vì một tiêu đề đơn khối duy nhất cho từng kiểu gói tin Ngoài ra, kỹ thuật nén stateless cũng được áp dụng để giảm kích thước của gói tin, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền thông trong WSN.
1.3.4 Một số loại nút cảm biến không dây
Kiến trúc và giao thức
Mạng cảm biến không dây (WSN) được cấu thành từ một số lượng lớn các nút cảm biến hoạt động phối hợp với nhau Các nút này thường được phân tán trong một khu vực rộng lớn, phù hợp với đặc điểm của ứng dụng Trong phần này, chúng tôi sẽ làm rõ kiến trúc và giao thức được sử dụng trong WSN.
1.4.1 Kiến trúc mạng của WSN
Các nút cảm biến được phân bổ trong một vùng cảm biến, mỗi nút có khả năng thu thập và truyền dữ liệu đến nút cơ sở (sink) và người dùng cuối Dữ liệu được truyền qua kiến trúc multi-hop, đảm bảo quá trình truyền thông hiệu quả.
Sink có khả năng giao tiếp với các tác vụ quản lý và người dùng cuối qua Internet, vệ tinh, hoặc các loại mạng như Wifi, mạng lưới mesh, hệ thống di động và WiMAX Hệ thống này có thể hỗ trợ nhiều sink/cổng và người dùng cuối khác nhau.
Các nút thành viên: (với 2 chức năng)
• Chức năng nguồn dữ liệu: nút thực hiện truyền tải gói dữ liệu về sink
• Chức năng định tuyến: tham gia vào chuyển tiếp gói tin nhận được từ các nút khác đến nút tiếp theo trong đường dẫn multi-hop để tới sink
Hình 1 3 Kiến trúc mạng WSN
1.4.2 Giao thức Stack Được sử dụng ở sink và tất cả các nút cảm biến nhằm kết hợp: năng lượng với định tuyến, tích hợp dữ liệu với giao thức mạng, truyền thông hiệu quả với phương tiện không dây và giao tiếp giữa các nút
Hình 1 4 Kiến trúc mạng WSN
• Tầng vật lý: giải quyết nhu cầu về kỹ thuật điều chế, truyền và nhận
Tầng liên kết dữ liệu đảm bảo thông tin liên lạc đáng tin cậy thông qua việc sử dụng các kỹ thuật kiểm soát lỗi, sẽ được trình bày chi tiết trong chương 2, đồng thời quản lý truy cập kênh để giảm thiểu va chạm.
Tầng mạng trong mạng cảm biến chú trọng đến việc định tuyến gói dữ liệu, với hiệu quả năng lượng là yếu tố quan trọng hàng đầu Mạng cảm biến chủ yếu tập trung vào việc thu thập và xử lý dữ liệu, trong khi việc tích hợp dữ liệu chỉ được áp dụng khi không ảnh hưởng đến sự cộng tác hiệu quả giữa các nút cảm biến.
• Tầng vận chuyển: duy trì lưu thông dữ liệu trong mạng với UDP
• Tầng ứng dụng: quản lý các ứng dụng, quản lý mạng, xử lý truy vấn, chứa các mã ứng dụng
Các chức năng quản lý, định vị và đồng bộ trong mạng cảm biến đều hướng đến mục tiêu kết nối các nút cảm biến, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, chia sẻ tài nguyên mạng và mở rộng quy mô của mạng cảm biến.
Giải pháp lớp chéo trong mạng cảm biến không dây (WSN) nhằm tích hợp các giao thức trong lớp stack một cách chặt chẽ Bằng cách loại bỏ rào cản giữa các lớp và các giao diện liên quan, giải pháp này tăng cường hiệu quả trong việc sử dụng không gian và cải thiện khả năng điều khiển.
• Mỗi nút được trang bị một thiết bị đo xung nhịp cục bộ
• Cảm biến, xử lý, truyền thông được liên kết, kiểm soát bởi xung nhịp cục bộ
• Thời gian truyền thông dữ liệu ở từng nút được nhất quán
• Thông tin thu phát phải kết hợp với vị trí của nút tạo ra
• Giao thức truyền thông phải có thông tin vị trí
1.4.3 Hai cấu trúc cơ bản của mạng cảm nhận không dây
Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về hình dạng cũng như chức năng Các nút này giao tiếp với sink qua multihop, sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink sẽ đóng vai trò là bộ tiếp sóng cho nhiều nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn sử dụng cùng một tần số để truyền dữ liệu, điều này cho phép chia sẻ thời gian hiệu quả, tuy nhiên chỉ áp dụng khi có nguồn chia sẻ đơn lẻ như thời gian hoặc tần số.
Trong kiến trúc tầng, các cụm được thiết lập để cho phép tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu theo cách single hop hoặc multihop, tùy thuộc vào kích thước của cụm Mỗi cụm sẽ có một nút chủ (cluster head) được chỉ định để nhận dữ liệu Kiến trúc này tạo ra một hệ thống phân cấp, trong đó mỗi nút ở mức xác định thực hiện các nhiệm vụ cụ thể đã được định sẵn.
Trong cấu trúc tầng của mạng cảm biến, chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu được phân chia không đồng đều giữa các nút Cấp độ thấp nhất (Cấp 0) đảm nhiệm nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa (Cấp 1) thực hiện tính toán, và cấp trên cùng (Cấp 2) đảm nhận phân phối dữ liệu Cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với cấu trúc phẳng nhờ vào sự phân chia rõ ràng các chức năng này.
Cấu trúc tầng giúp giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng cách định vị tài nguyên ở vị trí hoạt động hiệu quả nhất Nếu triển khai phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả nhiệm vụ, từ đó giảm số lượng nút cần thiết dựa trên vùng phủ sóng xác định Điều này dẫn đến chi phí toàn mạng không cao Khi chỉ định nhiều nút chi phí thấp cho nhiệm vụ cảm nhận và một số nút chi phí cao hơn cho phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí tổng thể của mạng sẽ được giảm thiểu hiệu quả.
Cấu trúc mạng tầng có tuổi thọ cao hơn so với mạng phẳng, và khi yêu cầu tính toán nhiều, bộ xử lý nhanh sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn, tùy thuộc vào thời gian thực hiện Tuy nhiên, đối với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động lâu dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng với khả năng xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do đó, cấu trúc mạng tầng với các chức năng tối ưu sẽ là lựa chọn phù hợp.
15 phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng
Mạng cảm biến cần đảm bảo độ tin cậy bằng cách đáp ứng số lượng nút yêu cầu, đồng thời thỏa mãn các điều kiện về băng thông và thời gian sống Trong mạng cấu trúc phẳng, khi kích thước mạng tăng, thông lượng của mỗi nút sẽ giảm.
Nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng mang lại triển vọng lớn trong việc giải quyết vấn đề giảm thông lượng của mỗi nút khi kích cỡ mạng tăng Một phương pháp khả thi là sử dụng một kênh đơn trong cấu trúc phân cấp, nơi các nút cấp thấp tạo thành cụm quanh trạm gốc, và mỗi trạm gốc kết nối với cấp cao hơn để đảm bảo giao tiếp trong cụm Dung lượng mạng có thể tăng tuyến tính với số lượng cụm, miễn là số lượng cụm tăng nhanh hơn hoặc bằng n Các nghiên cứu khác đã thử nghiệm sử dụng nhiều kênh ở các cấp độ khác nhau, với dung lượng của mỗi lớp và cụm được xác định độc lập Tóm lại, cấu trúc tầng cho phép tương thích giữa các chức năng trong mạng, đặc biệt trong việc tìm địa chỉ, với khả năng phân phối đến mọi nút hoặc một tập con Khi các nút không cố định và cần thay đổi địa chỉ định kỳ, sự cân bằng giữa các lựa chọn phụ thuộc vào tần số cập nhật và tìm kiếm thích hợp Hiện nay, có nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng đang được phát triển.
Ứng dụng WSN
Mạng cảm biến không dây (WSNs) đã chứng tỏ được tính ứng dụng rộng rãi trong việc giám sát các điều kiện môi trường thông qua nhiều loại cảm biến như cảm biến từ, nhiệt, thị giác, hồng ngoại, âm thanh và radar Các cảm biến này có khả năng theo dõi các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ, hướng, chuyển động và ánh sáng Nhờ vào khả năng này, WSNs có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thu thập tình báo, quốc phòng, giám sát môi trường, đô thị chiến tranh, phân tích dự báo khí hậu, theo dõi chiến trường, thăm dò hệ thống năng lượng mặt trời, cũng như theo dõi địa chấn, biến dạng, nhiệt độ, tốc độ gió và dữ liệu GPS.
Các ứng dụng của Mạng cảm biến không dây (WSNs) đang ngày càng phát triển và có thể được phân loại thành năm nhóm chính: ứng dụng quân sự, ứng dụng môi trường, ứng dụng sức khỏe, ứng dụng trong gia đình, và ứng dụng công nghiệp.
Hình 1 5 Mô hình một số dự án ứng dụng của WSN
Trong quân sự, công nghệ được áp dụng nhằm cải thiện khả năng tiếp cận chiến trường, giảm thiệt hại cho con người và trang thiết bị Các ứng dụng bao gồm theo dõi lực lượng thân thiện, giám sát thiết bị và đạn dược, quan sát chiến trường, trinh sát địa hình của đối phương, phát hiện và tấn công mục tiêu, cũng như đánh giá thiệt hại do vũ khí sinh học, hóa học và hạt nhân.
Trong lĩnh vực y tế, công nghệ được sử dụng để hỗ trợ người bệnh và bệnh viện thông qua việc cung cấp giao diện thân thiện cho người tàn tật, theo dõi tổng hợp tình trạng bệnh nhân, chẩn đoán và quản lý thuốc hiệu quả Ngoài ra, nó còn giúp giám sát dữ liệu sinh lý của con người và theo dõi chuyển động của côn trùng cũng như vi sinh vật, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe và nghiên cứu y sinh.
Trong ngành công nghiệp, việc tăng cường tự động hóa là rất quan trọng để nâng cao hiệu quả công việc Các ứng dụng bao gồm quản lý hàng tồn kho, giám sát chất lượng sản phẩm và kiểm soát quy trình sản xuất Ngoài ra, công nghệ còn hỗ trợ trong việc phát hiện và theo dõi hành vi trộm cắp xe, giám sát giao thông vận tải, điều khiển robot, và hướng dẫn trong các môi trường sản xuất tự động, góp phần tạo ra một văn phòng thông minh hơn.
Trong môi trường, việc theo dõi chuyển động của các loài chim, động vật nhỏ và côn trùng là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của môi trường đối với cây trồng, chăn nuôi và thuỷ lợi Bên cạnh đó, giám sát tình trạng trái đất, thăm dò các hành tinh và nghiên cứu khí tượng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện cháy rừng, lũ lụt và ô nhiễm Việc lập bản đồ môi trường và nghiên cứu địa vật lý giúp chúng ta có cái nhìn tổng quan về môi trường đất, biển và khí quyển.
Tại nhà, các nút cảm biến thông minh và thiết bị truyền động có thể được lắp đặt trong máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh và đầu DVD, cũng như hệ thống nước Những nút cảm biến này có khả năng tương tác với nhau và kết nối với mạng bên ngoài qua Internet hoặc vệ tinh, giúp người dùng quản lý thiết bị từ xa dễ dàng hơn Nhờ vào mạng cảm biến không dây (WSNs), việc kết nối các thiết bị khác nhau trở nên thuận tiện hơn thông qua các ứng dụng điều khiển tại nhà.
Hình 1 6 Ứng dụng đo lưu lượng nước
Hệ thống giám sát nước tự động (NAWMS) giúp xác định và giảm thiểu lãng phí trong việc sử dụng nước, đồng thời cung cấp thông tin cho người dùng về cách sử dụng nước một cách hiệu quả hơn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế
Mạng cảm biến không dây (WSN) đang phát triển mạnh mẽ trên nhiều lĩnh vực, nhưng các nhà phát triển ứng dụng phải đối mặt với nhiều thách thức Những yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSN bao gồm hạn chế phần cứng, khả năng chịu lỗi, khả năng mở rộng, chi phí sản xuất, cấu trúc liên kết của bộ cảm biến mạng, truyền thông và tiêu thụ điện năng Đặc biệt, tiêu thụ năng lượng là yếu tố quyết định đến sự sống còn của WSN.
• Kích cỡ quá nhỏ mà yêu cầu ứng dụng cao
• Nguồn năng lượng pin quá ít
• Điện năng mỗi ăng-ten và bộ thu phát là rất lớn
• Tuyền thông qua tần số vô tuyến khả năng mất mát, hỏng thông tin
• Bộ nhớ và bộ xử lý cấu hình vẫn còn thấp
Giải pháp hiệu quả cho mạng lưới là bổ sung máy phát điện cho từng nút, thiết kế bộ thu phát có khả năng bật tắt khi cần, sử dụng thiết bị truyền thông tiên tiến, và áp dụng phần mềm dung lượng thấp cùng với thuật toán xử lý tối ưu nhất.
Yếu tố lỗi mạng xuất phát từ hạn chế của phần cứng và môi trường ứng dụng, bao gồm các nguyên nhân như thiếu điện, hỏng hóc do tác động môi trường và lỗi phần mềm Đặc biệt, các nút mạng thường sử dụng pin làm nguồn năng lượng chính, dẫn đến tình trạng thiếu điện và ngừng hoạt động Khả năng chịu lỗi của mạng là khả năng duy trì hoạt động bình thường ngay cả khi xảy ra một số lỗi.
Thách thức trong việc sử dụng thiết bị di động bao gồm pin có dung lượng thấp, vi xử lý hiệu suất chưa cao và bộ nhớ hạn chế, dẫn đến các lỗi khi chạy phần mềm và làm cho nút ngưng hoạt động Ngoài ra, thiết bị còn chịu ảnh hưởng từ nhiều loại môi trường khác nhau.
Giải pháp hiệu quả cho việc xây dựng mạng là tăng cường mật độ các nút, tức là lắp đặt nhiều nút trong cùng một khu vực phát sóng Khi một nút gặp sự cố, sẽ có nút khác ngay lập tức thay thế, đảm bảo mạng luôn hoạt động ổn định và liên tục.
Việc nâng cao khả năng chịu lỗi của mạng trong thiết kế mạng cảm biến không dây (WSN) đã đặt ra một thách thức mới, đó là yêu cầu về mật độ nút cao Khi mở rộng mạng, cần phải triển khai hàng trăm đến hàng nghìn nút cảm biến, tạo ra khó khăn trong việc kiểm soát và điều khiển hiệu quả số lượng lớn các nút này.
WSN (Mạng cảm biến không dây) bao gồm nhiều nút cảm biến, do đó, chi phí sản xuất mỗi nút mạng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến giá thành tổng thể của toàn mạng Nếu chi phí này cao hơn so với thiết bị cảm biến truyền thống, việc áp dụng WSN sẽ gặp khó khăn Hiện tại, giá một nút cảm biến vẫn còn cao (trên 10$), trong khi yêu cầu thực tế chỉ cho phép triển khai mạng với chi phí mỗi nút là 1$ Điều này tạo ra thách thức lớn cho các nhà thiết kế WSN trong việc tối ưu hóa chi phí.
Việc duy trì cấu trúc liên kết trong mạng cảm biến không dây (WSN) với số lượng lớn các nút cảm biến không thể truy cập, giám sát và thường xuyên gặp lỗi là một thách thức lớn Quá trình nghiên cứu cấu trúc liên kết của WSN được chia thành ba giai đoạn: giai đoạn trước và trong khi triển khai, giai đoạn hậu triển khai và giai đoạn tái triển khai.
Trước và trong quá trình triển khai, việc phân bố hàng loạt có thể thực hiện bằng máy bay, tên lửa, hoặc đặt từng nút một bằng con người hoặc robot Để đạt được hiệu quả tối ưu, cần có một kế hoạch thiết kế cẩn thận nhằm giảm chi phí lắp đặt ban đầu, đồng thời tăng cường sự linh hoạt, khả năng tự tổ chức và khả năng chịu lỗi của mạng.
Giai đoạn hậu triển khai chứng kiến sự thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng do nhiều yếu tố khác nhau Vì vậy, cần thiết phải có các giao thức mạng linh hoạt, có khả năng điều chỉnh ngắn hạn, định kỳ và dài hạn để thích ứng với những biến động trong cấu trúc liên kết này.
Giai đoạn tái triển khai: bổ sung, thay thế các nút hỏng, thay đổi hoạt động theo yêu cầu ứng dụng
Hoạt động hiệu quả của mạng cảm biến không dây (WSN) phụ thuộc vào khả năng truyền thông tin đáng tin cậy giữa các nút mạng, có thể thực hiện qua nhiều phương tiện như radio, hồng ngoại, quang học, âm thanh hoặc cảm ứng từ Để xây dựng một mạng lưới toàn cầu, băng tần ISM đã được chọn do tính chất miễn phí, sẵn có trên toàn thế giới và không yêu cầu tiêu chuẩn cụ thể Hiện nay, băng tần ISM 2.4GHz được sử dụng phổ biến, bên cạnh băng tần ISM 433MHz tại châu Âu và 915MHz tại Bắc Mỹ.
Hạn chế của mạng cảm biến không dây (WSN) bao gồm khả năng nhiễu tín hiệu từ các ứng dụng khác, do không có quy định riêng cho WSN, dẫn đến sự can thiệp từ các mạng không dây khác Mặc dù hồng ngoại được sử dụng phổ biến nhờ chi phí thấp và dễ dàng xây dựng, nhưng khoảng cách truyền thông ngắn hạn chế khả năng ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt Ngoài ra, âm thanh cũng được áp dụng trong các ứng dụng hàng hải.
Trong mạng cảm biến không dây (WSN), mức tiêu thụ năng lượng là yếu tố quyết định sự tồn tại của mạng Bài viết này giới thiệu công thức tính toán để xác định mức năng lượng tiêu thụ trong WSN Một nút cảm biến thường chỉ được cung cấp năng lượng từ pin (0.5Ah, 1.2V), và việc bổ sung nguồn năng lượng cho hầu hết các ứng dụng WSN là không khả thi Do đó, việc phân tích hoạt động tiêu thụ năng lượng của các nút trong WSN là cần thiết để sử dụng năng lượng một cách hiệu quả.
Các hoạt động của một nút cảm biến:
• Khởi tạo dữ liệu: nút thu thập thông tin, xử lý chúng tạo dữ liệu khởi đầu
• Định tuyến dữ liệu: các nút chuyển dữ liệu khởi đầu đến các nút lân cận để đưa đến sink (theo quy định định tuyến)
• Công việc tiêu thụ năng lượng: (rút ra từ hai hoạt động trên)
• Truyền thông (tiêu tốn năng lượng nhất thể hiện trong hình 1.6)
Hình 1 7 Mức độ tiêu thụ năng lượng của nút cảm biến MicaZ
1.6.7.1 Năng lượng tiêu thụ cho cảm biến
Mức độ tiêu thụ năng lượng của cảm biến phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, với các ứng dụng thu thập thông tin theo đợt tiêu tốn ít năng lượng hơn so với việc thu thập thường xuyên Các sự kiện cảm biến phức tạp tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với sự kiện đơn giản, và mức độ nhiễu cao cũng làm tăng mức tiêu thụ năng lượng Mỗi đơn vị cảm biến bao gồm một hệ thống con với thiết bị khuếch đại tạp âm thấp, bộ lọc khử răng cưa, ADC và bộ xử lý tín hiệu số (DSP) Năng lượng tiêu thụ của cảm biến có thể được tính toán thông qua công thức 1.1.
Trong đó, là tỷ lệ lấy mẫu, ENOB là số bit hiệu quả (hay độ phân giải)
Tính chính xác của dữ liệu quyết định bởi tỷ lệ lấy mẫu Tăng tỷ lệ lấy mẫu cũng sẽ cung cấp độ phân giải tốt hơn
Ví dụ: với một ứng dụng cảm biến nhiệt độ:
Tỷ lệ lấy mẫu 1ms không phù hợp khi nhiệt độ thay đổi theo phút hoặc giờ Để đạt độ phân giải 8bit - 10bit, bộ chuyển đổi analog sang số (ADC) cần phải tinh vi hơn, dẫn đến tăng cường hoạt động cho một đơn cảm biến và tiêu thụ năng lượng cao hơn.
1.6.7.2 Năng lương tiêu thụ cho xử lý
Theo tính toán, chi phí năng lượng của truyền một gói 1 (KB) trong khoảng cách
KIỂM SOÁT LỖI TRONG WSN
Tổng quan về vấn đề kiểm soát lỗi trong WSN
WSN dựa vào sự kết hợp và phản hồi của nhiều cảm biến tương tác với môi trường
Lớp liên kết dữ liệu trong mạng đóng vai trò quan trọng, bao gồm nhiệm vụ mã hóa và giải mã dữ liệu, phát khung dữ liệu, truy cập môi trường và kiểm soát lỗi Để đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả trong mạng, việc kiểm soát lỗi là điều cần thiết Khác với mạng truyền thống, mạng cảm biến không dây (WSN) có đặc điểm năng lượng thấp và sự hợp tác chặt chẽ giữa các nút cảm biến Vì vậy, các giải pháp truyền thông thường được áp dụng nhằm giảm thiểu sự dư thừa trong lưu thông dữ liệu bằng cách lọc thông tin liên quan hoặc tắt các nút không cần thiết.
Mục đích chính của kiểm soát lỗi là đảm bảo thông tin đáng tin cậy trong các kênh không dây, nơi thường xuyên gặp sự cố như nhiễu, yếu tín hiệu hoặc mất đồng bộ bit Những vấn đề này dẫn đến lỗi kênh, ảnh hưởng đến sự toàn vẹn của các gói tin từ các nút cảm biến Đặc biệt, trong mạng cảm biến không dây (WSN), các lỗi này gia tăng do truyền thông điện năng thấp Do đó, ngoài việc áp dụng các kỹ thuật ở lớp vật lý để cung cấp độ tin cậy ở cấp độ bit, các phương án kiểm soát lỗi tại các lớp liên kết cũng rất cần thiết để đảm bảo độ tin cậy ở mức gói dữ liệu.
Các cơ chế kiểm soát lỗi trong mạng cảm biến không dây (WSN) được chia thành bốn phương pháp chính: kiểm soát năng lượng, tự động phát lại (ARQ), sửa lỗi trước truyền (FEC), và ARQ lai ghép (HARQ) Chương này sẽ làm rõ bốn phương án này, đồng thời phân tích các phương pháp kiểm soát lỗi bằng kỹ thuật phân tích qua lớp chéo để xem xét ảnh hưởng của chúng đến kênh không dây, môi trường truy cập, và định tuyến multi-hop Hình 2.1 cung cấp tổng quan về các thành phần của lớp liên kết dữ liệu.
Hình 2 1 Tổng quan lớp liên kết dữ liệu
Các phương án kiểm soát lỗi trong WSN
Mạng cảm biến không dây (WSN) nổi bật với nguồn năng lượng thấp và khả năng kết nối chặt chẽ giữa các nút cảm biến Để duy trì hoạt động ổn định và hiệu quả trong điều kiện năng lượng hạn chế, việc kiểm soát năng lượng và kiểm soát lỗi trong truyền thông dữ liệu là những giải pháp quan trọng được đề xuất.
Nghiên cứu cho thấy việc kiểm soát nguồn năng lượng hiệu quả có thể giảm thiểu lỗi mạng Có hai phương án chính để kiểm soát nguồn năng lượng nhằm giảm tỷ lệ lỗi.
Thứ nhất, Kiểm soát năng lượng tiêu thụ từ ăng-ten có thể giúp kiểm soát phạm vi truyền thông hiệu quả của một nút
Kiểm soát năng lượng truyền tải là một yếu tố quan trọng trong mạng cảm biến không dây (WSN), giúp giảm tỷ lệ lỗi gói tin bằng cách cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu Tuy nhiên, việc tăng cường năng lượng tiêu thụ cũng có thể dẫn đến gia tăng nhiễu với các nút lân cận Phương pháp này yêu cầu các giao thức phức tạp và bộ nhớ cao, khiến nó không phù hợp cho mọi dự án WSN, nhưng lại hiệu quả cho các dự án dài hạn Năng lượng truyền tải của mỗi gói tin tiêu tốn một phần lớn nguồn năng lượng của WSN, do đó, cần áp dụng các phương án kiểm soát lỗi trong truyền thông để tối ưu hóa hiệu suất.
2.1.2 Tự động phát lại (ARQ)
Một phương án kiểm soát lỗi phổ biến trong các mạng truyền thông là rất quan trọng Bài viết này sẽ trình bày nội dung và cơ chế hoạt động của phương án này trong quá trình kiểm soát lỗi.
*Nội dung: ARQ dựa chủ yếu dựa vào việc phát lại các gói dữ liệu bị mất hoặc bị hỏng để duy trì sự tin cậy
Bên gửi sử dụng phương án phát hiện lỗi bằng cách tạo các bít dư thừa và gắn chúng vào gói dữ liệu trước khi truyền đi Sau khi gửi, bên gửi sẽ chờ phản hồi từ bên nhận Nếu không nhận được phản hồi sau thời gian quy định (time out), bên gửi sẽ xác định rằng đã xảy ra lỗi và tiến hành truyền lại dữ liệu.
Bên nhận sau khi nhận gói dữ liệu sẽ áp dụng phương pháp phát hiện lỗi để kiểm tra tính toàn vẹn của gói Nếu không phát hiện lỗi, bên nhận sẽ gửi phản hồi ACK cho bên gửi cho mỗi gói dữ liệu hợp lệ.
- Go-back-N ARQ là cho phép bên gửi gửi N gói tin Nếu có một gói tin không được ACK, thì tất cả các gói tin bị truyền lại
- Selective-repeat ARQ là gửi lại các gói tin chưa được ACK
Stop-and-wait ARQ là phương pháp cho phép một gói tin đơn được truyền đi và chờ nhận phản hồi (ACK) trước khi gửi gói tin tiếp theo.
Trong các chiến lược truyền dữ liệu, phương pháp stop-and-wait ARQ được ưa chuộng trong mạng cảm biến không dây (WSN) Mặc dù ARQ dựa trên cơ chế kiểm soát lỗi có thể gây tốn kém do yêu cầu bổ sung và phát lại dữ liệu, nhưng nó lại phù hợp cho các ứng dụng có giới hạn về khả năng xử lý của các nút cảm biến.
2.1.3 Sửa lỗi trước khi truyền (FEC)
Trong mạng cảm biến không dây (WSN), năng lượng tiêu thụ là yếu tố quan trọng, do đó phương án kiểm soát lỗi ARQ không phù hợp với hầu hết các ứng dụng Một giải pháp thay thế hiệu quả là sửa lỗi ngay tại nút nhận, giúp tránh việc truyền lại khi gói dữ liệu bị lỗi Với khả năng tự xử lý của các nút cảm biến, phương án này trở nên khả thi hơn Bài viết sẽ trình bày các luận điểm và chứng minh tính khả thi của phương án "Sửa lỗi trước khi truyền" trong WSN.
2.1.3.1 Cở sở lý thuyết của FEC
Trong hoạt động sơ bộ, dữ liệu tại lớp Application được lưu trữ dưới dạng gói Khi dữ liệu được truyền tới lớp chip radio, nó được chuyển đổi thành từng bít Lớp chip radio có thể sử dụng chipcon radio, loại mới nhất hiện nay, hoặc RFM radio.
Bên gửi, các gói dữ liệu được phân mảnh thành từng byte được mã hóa rồi gửi đi
Trước đó một chuỗi byte đặc biệt gọi là “preamble” hay phần mở đầu được gửi đi nhằm đồng phát hiện và đồng bộ hóa gói dữ liệu
Sau khi nhận được gói mở đầu, bên nhận sẽ tiến hành giải mã các gói tiếp theo Đồng thời, MAC sẽ thực hiện việc lắp ráp các gói này và thông báo về sự tồn tại của gói tin.
Hình 2 2 Mô hình xử lý trong WSN
Trong quá trình phân mảnh, các bít dữ liệu được mã hóa bằng mã sửa lỗi (ECC) và được ánh xạ vào các byte dữ liệu gốc Khi xảy ra lỗi, bên nhận sẽ sử dụng các bít này để sửa lỗi và phục hồi dữ liệu gốc.
Hình 2 3 Sơ đồ mã hóa byte dữ liệu Đặc điểm lỗi trong WSN:
Một thực nghiệm đã được tiến hành, trong đó nút cảm biến tích hợp chipcon radio liên tục gửi 10,000 gói tin không mã hóa đến một máy PC Kết quả của thí nghiệm này được trình bày trong hình 2.4.
Hình 2 4 Biểu đồ tần suất lỗi bit của một nút cảm biến khi phát 10000 gói và tỷ lệ lỗi gói tin mở đầu theo khoảng cách
Biểu đồ hình 2.4 cho thấy rằng lỗi bit trong thực nghiệm chủ yếu là lỗi đơn bit và lỗi hai bit, trong khi lỗi đa bit và lỗi gói khởi đầu xuất hiện rất ít Do đó, phương án FEC sẽ tập trung vào việc sửa lỗi đơn bit và hai bit thay vì lỗi đa bit Bài viết tiếp theo sẽ trình bày khả năng sửa lỗi trong mã khối tuyến tính, vì phương pháp này đơn giản và hiệu quả trong mạng cảm biến không dây (WSN).
2.1.3.2 Mã sửa lỗi sử dụng trong FEC
Một mã khối có chiều dài n và gồm 2^k từ mã được gọi là mã tuyến tính C(n,k) nếu và chỉ nếu 2^k từ mã này tạo thành một không gian vectơ con k chiều trong không gian vectơ n chiều, bao gồm tất cả các vectơ n thành phần trên trường GF(2).
Trường GF(2) (Galois Field 2) là trường nhị phân đồng thời phép cộng là phép cộng modul 2 (cộng tuyệt đối), và phép và (AND) ||
Lợi ích của tăng khả năng phục hồi lỗi
Phương án FEC và HARQ đã cải thiện hiệu quả truyền thông bằng cách kiểm soát năng lượng tiêu thụ và tăng cường phạm vi truyền ở tỷ lệ lỗi gói tin (PER) giảm Lợi ích này đến từ hai khả năng chính mà FEC và HARQ cung cấp: mở rộng độ dài bước nhảy và kiểm soát năng lượng truyền tải.
Phương án 1: Mở rộng độ dài bước nhảy
Trong các mạng multi-hop, khả năng phục hồi lỗi của FEC và HARQ đã cải thiện đáng kể phạm vi truyền thông hiệu quả của một nút Hình 2.6 minh họa các đường nét thể hiện tỷ lệ lỗi gói (PER) xung quanh một nút phát, cho thấy các vị trí có PER tương ứng với các giá trị cụ thể.
So sánh Hình 2.6 (a) và Hình 2.6 (b) cho thấy rằng với tỷ lệ mục tiêu nhận gói tin 90%, phạm vi truyền tải trung bình của một nút đạt 29m khi sử dụng ARQ và 42m với FEC ở mức điện năng truyền tải -5 dBm Điều này cho thấy mã FEC có khả năng tăng 45% phạm vi hiệu quả, chứng tỏ rằng việc tăng độ dài bước nhảy trong mạng cảm biến không dây (WSN) sẽ cải thiện đáng kể phạm vi truyền dẫn hiệu quả.
Hình 2 6 Trung bình tỉ lệ mục tiêu nhận gói tin, đồ thị (a) ARQ (N = 7) và (b) FEC
(BCH (128, 78, 7)) cho nút MicaZ Phương án 2: Kiểm soát năng lượng truyền tải
Thông qua khả năng phục hồi lỗi của mã FEC, có thể giảm năng lượng truyền tải mà vẫn đảm bảo chất lượng mạng Kỹ thuật này, được gọi là kiểm soát năng lượng truyền tải, giúp cải thiện hiệu quả mạng bằng cách giảm nhiễu và giảm một phần năng lượng tiêu thụ.
Dẫn chứng cho việc nâng cao hiệu quả mạng với FEC: xem xét FEC để so sánh với ARQ thông qua PER trong mạng (Hình 2.7)
Hình 2 7 So sánh hiệu quả của FEC với ARQ
Trong Hình 2.7(a), quá trình truyền thông giữa nút A và B sử dụng phương pháp ARQ Nút A phát tín hiệu với công suất 𝑃𝑡 𝐴𝑅𝐐 để gửi gói tin đến nút B, cách xa một khoảng 𝐝 𝐀𝐑𝐐 Tại nút B, giá trị SNR ARQ được thu nhận, từ đó xác định được tỷ lệ lỗi gói tin PER ∗ ARQ.
Bây giờ thay ARQ bằng FEC: có 2 trường hợp xảy ra
Trong trường hợp mở rộng độ dài bước nhảy, nút A chọn nút C làm bước nhảy tiếp theo, xa hơn nút B Điều này dẫn đến d ARQ > d FEC, trong khi vẫn giữ Pt ARQ Hệ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của FEC nhỏ hơn SNR của ARQ.
Do đó, vẫn đạt được giá trị PER tương tự ARQ
Trong trường hợp kiểm soát năng lượng truyền, nút A tiếp tục sử dụng nút B với bước nhảy tiếp theo là d ARQ = d FEC Mặc dù năng lượng truyền tải được sử dụng nhỏ hơn, tức là Pt FEC < Pt ARQ, nhưng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) vẫn thấp hơn Kết quả là, tỷ lệ lỗi gói (PER) đạt được tương tự như trong phương pháp ARQ.
Mặc dù FEC và HARQ mang lại nhiều lợi thế, chúng cũng tiêu tốn năng lượng và thời gian cho quá trình mã hóa và giải mã, dẫn đến việc truyền thông kéo dài Do đó, các phương án kiểm soát lỗi cần được phân tích một cách cẩn thận Phần tiếp theo sẽ trình bày một hướng phân tích "mô hình lớp chéo" nhằm làm nổi bật những ưu điểm và nhược điểm của các phương án này.
Phân tích mô hình lớp chéo
Bài viết cung cấp cái nhìn chi tiết về các phương án ARQ, FEC và HARQ, với mục tiêu phân tích và xác định các yếu tố như khoảng cách bước nhảy dự kiến, năng lượng tiêu thụ, độ trễ và tỷ lệ lỗi gói (PER) tổng thể Mô hình này sẽ được giải thích rõ ràng, cùng với hướng dẫn cách tính toán các số liệu liên quan.
2.3.1 Mô hình tham chiếu của WSN
Mô tả mô hình: (hình 2.8)
- Các nút cảm biến phân phối hai chiều với mật độ (ρ)
- Một nút hoạt động trong khoảng thời gian (δ) và những nút khác thì ngủ
- Là ứng dụng theo dõi với tỷ lệ báo cáo của cảm biến là thấp, nhưng các thông điệp được truyền đáng tin cậy với PER tổng thể
- Bước nhảy tiếp theo được xác định theo SNR nhận của gói tin được gửi từ một nút i cách sink một khoảng D
- Trong số những nút lân cận của i, có nút j gần sink hơn và có SNR cao hơn
SNR ngưỡng (𝝍 𝑻𝒉 ), tức là (𝝍 𝒋 > 𝝍 𝑻𝒉 ), được chọn là bước nhảy tiếp theo 𝜓 𝑇ℎ
- Truy cập môi trường được thực hiện thông qua trao đổi bắt tay:
- FEC là RTS-CTS-DATA
- ARQ là RTS-CTS-DATA-ACK
- HARQ là RTS-CTS-DATA-NACK
Khi nút gửi (n i) gửi một gói tin đến sink, nó sẽ truyền qua nút (n j) là bước nhảy tiếp theo Phạm vi truyền của nút (R inf) xác định khoảng cách mà tại đó gói tin có thể được nhận thành công.
Hình 2 8 Mô hình tham chiếu của WSN
Lưu ý rằng việc thiết lập khoảng cách bước nhảy và các thông số liên quan là chu kỳ nhiệm vụ hoạt động độc lập, dẫn đến sự thay đổi trạng thái của mạng tại mỗi bước nhảy do các nút thức dậy vào thời điểm khác nhau Mô hình phân tích chi phí cho quá trình truyền một gói dữ liệu từ nút nguồn đến sink cách một khoảng D được tính toán bằng các công thức cụ thể dưới đây.
Tổng năng lượng tiêu thụ của một luồng từ nút nguồn cách sink 1 khoảng D
Trong đó, E[E h ] là năng lượng tiêu thụ dự kiến tại mỗi bước nhảy và E[n h (D)] là số lượng bước nhảy dự kiến từ nút nguồn cách sink một khoảng D
Tương tự, độ trễ tổng thể của nó được cho bởi công thức 2.2
Trong đó, E[T h ] là độ trễ dự kiến tại mỗi bước nhảy Số lượng bước nhảy dự kiến tính bằng công thức 2.3
Trong bài viết này, D đại diện cho khoảng cách tổng thể, 𝑅 𝑖𝑛𝑓 là phạm vi truyền của nút, và 𝐸[𝑑 ℎ ] biểu thị khoảng cách bước nhảy dự kiến Các mục 2.3.2, 2.3.3, và 2.3.4 sẽ làm rõ hơn về khoảng cách bước nhảy dự kiến E[d h ], mức tiêu thụ năng lượng dự kiến E[E h ] tại mỗi bước nhảy, cũng như độ trễ dự kiến E[T h ] tại mỗi bước nhảy.
2.3.2 Khoảng cách bước nhảy dự kiến
Trong hình 2.8, nơi mà một nút j nằm trong khu vực rất nhỏ dA = dγ dα tại tọa độ (γ, α) đối với sink Khoảng cách từ nút i đến nút j là:
Khoảng cách từ nút nguồn i đến sink được ký hiệu là D, trong khi γ là khoảng cách giữa sink và nút kế tiếp j, và góc α được thể hiện trong hình 2.8 Dựa vào đó, khoảng cách bước nhảy dự kiến E[d h] được tính theo công thức 2.5.
Khoảng cách tối thiểu giữa một nút bước nhảy tiềm năng j đến sink được xác định bởi 𝛾 𝑚𝑖𝑛 = D - 𝑅 𝑖𝑛𝑓 Đồng thời, khoảng cách giữa hai nút i và j được tính bằng công thức (2.4), trong khi xác suất để bước tiếp theo N i được chọn là nút j là dP{Ni = j} Cuối cùng, giới hạn của khoảng cách được mô tả bởi 𝛼 𝛾 = a.cos[(𝛾 2 + 𝐷 2 - 𝑅 𝑖𝑛𝑓 2 ) / (2γD)] Điều kiện để j được chọn làm bước nhảy tiếp theo cũng cần được xem xét.
- Nút j tồn tại trong khu vực dA
- Các SNR nhận của nút j phải đáp ứng (𝝍 𝒋 > 𝝍 𝑻𝒉 )
- Các SNR nhận của mỗi nút k, gần với sink hơn so với nút j, phải thấp hơn ngưỡng SNR, tức là (𝝍 𝒌 ≤ 𝝍 𝑻𝒉 )
Do đó, xác suất mà nút j được chọn như là bước nhảy kế tiếp được tính:
Trong bài viết này, chúng tôi đề cập đến các yếu tố quan trọng trong việc xác định số lượng nút trong khu vực dA tại khoảng cách γ từ sink, ký hiệu là 𝑁 𝐴(𝑑𝛾) Xác suất có một nút trong khu vực A(dγ) được biểu thị bằng 𝑃{𝑁 𝐴(𝑑𝛾) = 1} Bên cạnh đó, xác suất mà SNR nhận được của nút j vượt qua ngưỡng SNR (𝝍 𝑻𝒉) được ký hiệu là 𝑃{𝜓 𝑗 > 𝜓 𝑇ℎ } Cuối cùng, xác suất có những nút gần sink hơn nút j với SNR dưới ngưỡng tại khoảng cách γ được biểu diễn bằng 𝑃{𝑑 (𝑗,𝑠) ≥ 𝛾}.
Thành phần thứ nhất, P{𝑁 𝐴(𝑑𝛾) = 1}, trong (2.6) có thể được xấp xỉ bằng:
Trong đó, ρ là mật độ nút trong mạng và δ là tham số chu kỳ nhiệm vụ Thành phần
𝑒 −𝑥 ≅ 1 − 𝑥 được dùng khi (𝜌𝛿𝛾𝑑𝛾 𝑑𝛼)→0 cũng như dγ →0, dα→0 Để tính toán P{(𝝍 𝒋 > 𝝍 𝑻𝒉 } và P{𝑑 (𝑗,𝑠) ≥ 𝛾 } trong (2.6) Cần xác định năng lượng thu nhận ở một khoảng cách d từ nút phát P r (d) được cho bởi công thức 2.8
Công suất truyền tải P t được đo bằng (dBm), trong khi tổn hao năng lượng P L (d 0 ) ở khoảng cách lý thuyết d 0 cũng được tính bằng (dBm) Hệ số η đại diện cho số mũ tổn hao, và Xσ là thành phần bóng mờ, với Xσ tuân theo phân phối chuẩn N(0, σ).
Các SNR nhận cho bởi: ψ(d) = 𝐏 𝐫 (𝐝)-Pn tính bằng (dBm), trong đó Pn là năng lượng nhiễu (dBm)
Thành phần thứ hai, P{(𝝍 𝒋 > 𝝍 𝑻𝒉 }, trong (2.6) tính bằng công thức 2.9
Thành phần thứ ba, P{d (j,s) ≥ γ}, trong (2.6) Khu vực bao gồm các nút gần với sink hơn so với nút j là A(γ) Thì:
Trong đó A(γ) là vùng giao nhau của hai vòng tròn với tâm phân cách bởi D và với bán kính 𝑅 𝑖𝑛𝑓 và γ tương ứng
Số nút trong A(γ) được ký hiệu là 𝑁 𝐴(𝛾), trong khi M(γ) = ρδA(γ) đại diện cho số lượng trung bình của các nút trong khu vực này Khả năng mà một nút k trong A(γ) có SNR nhận thấp hơn SNR ngưỡng được biểu thị bằng 𝑝 𝑘 (γ) = P{(𝝍 𝒌 ≤ 𝝍 𝑻𝒉 , k ∈ A(γ)}, và thông tin chi tiết có thể được tìm thấy trong công thức 2.12.
Sử dụng (2.6), (2.7), (2.9), (2.11), và (2.12) trong (2.5), khoảng cách bước nhảy dự kiến có thể được tìm ra bởi công thức 2.13
(2.13) 2.3.3 Phân tích năng lượng tiêu thụ dự kiến
Năng lượng tiêu thụ dự kiến giữa hai nút i và j được tính toán dựa trên nút j, ký hiệu là E[E j ], là hàm của γ và α Theo mục 2.3.2, khi thay thế 𝑑(𝑖,𝑗) bằng E[E j ] trong công thức (2.13), mức tiêu thụ năng lượng dự kiến cho mỗi bước nhảy được xác định.
Một nút có khả năng phát triển thành bước nhảy tiếp theo khi giá trị SNR nhận được vượt qua ngưỡng quy định, đồng thời mức năng lượng tiêu thụ dự kiến E[E j ] được tính theo công thức 2.15.
Năng lượng tiêu thụ để truyền một gói tin giữa các nút i và j được xác định bởi 𝐸 𝑐𝑜𝑚𝑚 𝑑 (𝑖,𝑗) , 𝜓), trong đó khoảng cách giữa các nút là 𝑑 (𝑖,𝑗) và ψ là giá trị SNR tại nút j Bên cạnh đó, hàm mật độ xác suất của SNR, ký hiệu là 𝑓 𝜓 (𝑑 (𝑖,𝑗) , 𝜓), phụ thuộc vào các khoảng cách 𝑑 (𝑖,𝑗) hiệu quả.
Trong đó (β(𝑑 (𝑖,𝑗) ,ψ)) đã có trong công thức 2.10
Năng lượng tiêu thụ cho một giao tiếp trong WSN: gồm ba thành phần
✓ Năng lượng tiêu thụ của nút truyền
✓ Năng lượng tiêu thụ của nút nhận
✓ Năng lượng tiêu thụ cho nút lân cận
Theo đó, ta có công thức:
Trong mạng truyền thông, năng lượng tiêu thụ của nút gửi (nút i) được ký hiệu là 𝐸 𝑇𝑋, trong khi năng lượng tiêu thụ của nút nhận (nút j) là 𝐸 𝑅𝑋 Bên cạnh đó, năng lượng tiêu thụ của các nút lân cận được ký hiệu là 𝐸 𝑛𝑒𝑖𝑔ℎ.
Giá trị tiêu thụ năng lượng trong mạng không dây phụ thuộc vào MAC và sơ đồ điều khiển lỗi tại mỗi nút Để truyền tải dữ liệu thành công, nút đầu tiên cần thực hiện bốn bước bắt tay của ARQ: RTS-CTS-DATA-ACK, ba bước của FEC: RTS-CTS-DATA, và ba bước của HARQ: RTS-CTS-DATA-NACK.
Trước khi gửi gói tin RTS trong môi trường truy cập, một nút thực hiện cơ chế cảm nhận sóng mang nhằm đánh giá sự sẵn sàng của kênh truyền, sau đó tiến hành truyền tải gói tin.
So sánh các phương án kiểm soát Lỗi trong WSN
Phần này minh họa tác động của các phương án FEC và HARQ đối với tỷ lệ lỗi gói (PER), năng lượng tiêu thụ và độ trễ tổng thể trong mạng multi-hop thông qua các đánh giá số liệu trong MATLAB và mô phỏng Để thực hiện so sánh, hai loại nút cảm biến Mica2 và MicaZ được sử dụng, cùng với các thông số khác được liệt kê trong Bảng 2.1, nhằm cung cấp số liệu kết quả chính xác.
Các kí hiệu sử dụng, khoảng cách bước nhảy dự kiến là 𝑑 ℎ𝑜𝑝 , được xác định tại (2.5), SNR nhận (𝛹 𝑇ℎ ) năng lượng truyền (Pt)
Khả năng tăng khoảng cách bước nhảy ở FEC và HARQ:
Hình 2 9 Trung bình khoảng cách bước nhảy (MicaZ)
Từ hình 2.9, có thể thấy rằng khi độ dài bước nhảy lớn ở 𝜳 𝑻𝒉 nhỏ, số lượng bước nhảy từ một nút tới sink sẽ giảm Bên cạnh đó, khi công suất truyền tải điện năng của nút giảm, khoảng cách bước nhảy dự kiến cũng sẽ giảm theo.
Hình 2 10 Năng lượng tiêu thụ của một lưu lượng với 𝜳 𝑻𝒉 (MicaZ)
Trong hình 2.10, năng lượng tiêu thụ của luồng giảm khi giá trị 𝜳 𝑻𝒉 giảm từ 15dB Điều này do khoảng cách bước nhảy dự kiến tăng trong hình 2.9
Mức tiêu thụ năng lượng cho ARQ tăng đáng kể khi 𝜳 𝑻𝒉 giảm xuống dưới một ngưỡng cụ thể, chẳng hạn như 5 dB Điều này xảy ra do chất lượng kênh kém, dẫn đến việc truyền lại và làm gia tăng tiêu thụ năng lượng cho mỗi bước nhảy.
Lưu ý rằng trong ARQ, đường cong tiêu thụ năng lượng sẽ đạt đỉnh và sau đó giảm khi 𝜳 𝑻𝒉 giảm Điểm này phản ánh tình huống truyền lại với số lượng tối đa, dẫn đến việc không còn đủ năng lượng để truyền thông tin một cách đáng tin cậy.
Trong hình 2.10, khi chất lượng kênh truyền tốt, mã FEC tiêu thụ năng lượng nhiều hơn so với ARQ do cần truyền thêm bit dư thừa và chi phí giải mã Tuy nhiên, FEC lại hiệu quả hơn về năng lượng với 𝜳 𝑻𝒉 ~2dB nhờ vào khả năng phục hồi lỗi.
Theo hình 2.11, mã FEC cho thấy khả năng phục hồi lỗi tốt khi giá trị SNR thấp, giúp đảm bảo độ tin cậy cho gói tin trong môi trường kém chất lượng Hình 2.12 chỉ ra rằng ở SNR thấp, mã FEC hoạt động với độ trễ tốt hơn ARQ, nhưng khi SNR tăng cao, độ trễ của FEC lại tăng nhanh hơn ARQ do quá trình giải mã và các bit dư thừa Mặc dù vậy, ở SNR thấp, FEC vẫn có độ trễ thấp hơn nhiều so với ARQ, cho thấy ưu điểm của nó trong điều kiện kém.
Hình 2 11 PER Tổng thể với 𝜳 𝑻𝒉 (MicaZ)
Hình 2 12 Độ trễ trung bình tổng thể với 𝜳 𝑻𝒉 (MicaZ)
Nếu mục tiêu PER của một ứng dụng là 10^-2, thì giá trị tối thiểu cho 𝜳 𝑻𝒉 tương ứng với 6.1dB cho ARQ, 3dB cho BCH(128, 78, 7), 4.8dB cho RS(15, 9, 3), và 2.5dB cho HARQ-I Hình 2.10 cho thấy BCH(128, 78, 7) tiết kiệm năng lượng hơn một chút so với ARQ, trong khi mã RS(15, 9, 3) tiêu thụ năng lượng cao hơn ARQ Năng lượng tiêu thụ liên quan đến việc truyền bit dư thừa và giải mã của mã FEC, nhưng khả năng phục hồi lỗi tốt hơn giúp hỗ trợ các giá trị SNR thấp Do đó, khoảng cách bước nhảy dài hơn có thể đạt được với mức tiêu thụ năng lượng tổng thể thấp hơn.
Khả năng kiểm soát năng lượng truyền tải ở FEC và HARQ là rất quan trọng Để đánh giá ảnh hưởng của năng lượng truyền (Pt) đến phương án kiểm soát lỗi FEC, chúng ta cần xem xét ba cấp điện áp: 0, -5 và -15 dBm Việc giảm năng lượng truyền có thể cải thiện hiệu quả năng lượng cho phương án FEC, như thể hiện trong hình 2.13 a.
- Tiêu thụ ít năng lượng hơn cho việc truyền gói dữ liệu mã hóa dài hơn
- Phạm vi giao thoa của một nút giảm, số lượng các nút láng giềng có thể tiêu thụ năng lượng nhàn rỗi cũng giảm
- Làm tăng số lượng bước nhảy
Trong hình 2.13(b), độ trễ tổng thể được thể hiện rõ ràng Khác với việc mở rộng khoảng cách bước nhảy, kiểm soát năng lượng truyền không làm thay đổi thời gian truyền một gói tin; do đó, độ trễ tổng thể phụ thuộc vào số lượng bước nhảy Như đã đề cập, việc giảm năng lượng truyền sẽ dẫn đến tăng số lượng bước nhảy, từ đó làm tăng đáng kể độ trễ, đặc biệt ảnh hưởng lớn đến mã BCH của FEC.
Hình 2 13 (a) Năng lượng tiêu thụ trung bình của một luồng (b) Độ trễ tổng thể trung bình với ngưỡng (𝛹 𝑇ℎ ) cho những Pt khác nhau
Kết luận từ việc so sánh cho thấy các phương án kiểm soát lỗi trong mạng cảm biến không dây (WSN) có những ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, phương án kiểm soát lỗi FEC vẫn được đánh giá cao hơn cả trong WSN Bên cạnh đó, phương án HARQ cũng được xem xét kỹ lưỡng tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
