Đang tải... (xem toàn văn)
mã hóa nguồn phân tán sử dụng mã LDPC trong mạng cảm biến không dây
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nhờ có sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học và kỹ thuật, các công nghệ mạng không dây ngày nay đang được phát triển mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng thiết thực trong cuộc sống. Với khả năng cơ động cao, thuận tiên trong sử dụng, các công nghệ này đang dần dần thay thế các công nghệ mạng có dây truyền thống. Song cũng do sự di chuyển của các thiết bị di động trong mạng làm cho topo mạng luôn thay đổi, cùng với đó là tỷ lệ lỗi cao và giới hạn về băng thông, năng lượng so với mạng có dây, nên các giao thức định tuyến trong mạng không dây trở nên phức tạp hơn. Mô hình mã hóa nguồn phân tán trong mạng cảm biến không dây là một chủ đề mới với khả năng giảm dung lượng tín hiệu tại nguồn bằng cách khai thác sự tương quan giữa các nguồn với nhau, cho nên làm giảm khối lượng tính toán cũng như năng lương tiêu thụ. Đồ án này được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về mã hóa nguồn phân tán sử dụng mã LDPC trong mạng cảm biến không dây. Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã gặp rất nhiều khó khăn. Tuy nhiên được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Nguyễn Trung Dũng, cùng bạn trong nhóm cũng như các bạn trong phòng lab em đã hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng đồ án chắc chắn không tránh khỏi nhiều thếu sót, vì thế em rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy, cô giáo và các bạn để hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Thầy giáo Nguyễn Trung Dũng - Các bạn trong phòng lab WSN - Cùng toàn thể gia đình, bạn bè đã hỗ trợ cho em. Hà Nội, ngày 20/05/2014 Sinh viên thực hiện Hoàng Thanh Tùng ĐT01-K54 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Mã hóa nguồn phân tán trong mạng cảm biến không dây sử dụng LDPC: Công nghệ mạng cảm biến không dây WSN đang ngày càng phát triển và có nhiều ứng dụng thực tế. Đồ án được thực hiện sẽ tổng hợp các kiến thức cơ bản về mạng cảm biến không dây, tìm hiểu sâu hơn về mã hóa nguồn phân tán dựa trên sự tương quan của các nguồn: các loại mã hóa nguồn phân tán, và cụ thể là mã hóa nguồn phân tán sử dụng syndrome. Mục tiêu của đồ án là để tìm ra cách tốt nhất cho việc nén và mã hóa dữ liệu được truyền trên mạng cảm biến không dây. Điều này rất được quan tâm vì việc nén sẽ giúp nghiên cứu những yêu cầu chặt chẽ cho việc truyền trên mỗi cảm biến. Mã LDPC là mã được sử dụng trong đồ án làm giảm số lượng bít của dữ liệu nguồn truyền đi, giảm tỷ lệ lỗi bít và giảm năng lượng tiêu thụ. Hiệu quả của mô hình mạng phân tán này sẽ được kiểm tra bằng công cụ mô phỏng Matllab. ABSTRACT Distributed Source Coding in Wireless sensor network with LDPC code: Wireless sensor network technologys are more and more developing, applied in ourlife ways. Project implementation will be integrated knowledge base on wireless sensor network, a better understanding of distributed source coding based on the correlation of the source: the distributed source coding type, and specific distributed source coding using syndrome. The goal of the work is to find the best practical implementation with respect to compression and coding of the data to be transmitted by sensors in a wireless network. This is desirable because compression will help reaching the tight requirements on transmitted effect in each sensor. The recently developed scheme of distributed source coding is a revolutionary way of doing this. LDPC code is the code used in the scheme reduces the number of data bits transmitted power, reduce bit error rate and reducing energy consumption. The effectiveness of this distributed network model will be tested using simulation tools Matllab. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 2 MỤC LỤC 3 CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 5 CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 6 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 7 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 7 1.2 Cấu trúc mạng WSN 7 1.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN 7 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 9 1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN 10 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN 13 1.3 Các vấn đề và mô hình trong mạng cảm biến không dây 16 CHƯƠNG II : MÃ NGUỒN PHÂN TÁN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 18 2.1 Mã nguồn phân tán 18 2.2 DSC không tổn thất 20 2.2.1 Mã hóa Slepian-Wolf của hai nguồn nhị phân 21 2.3 DSC tổn thất 22 2.3.1 Trường hợp đối xứng mã nhị phân 24 2.3.2 Trường hợp Gaussian bậc hai 24 2.4 Lựa chọn mã LDPC 25 CHƯƠNG 3 : MÃ NGUỒN PHÂN TÁN SỬ DỤNG SYNDROME 26 3.1 Mã nguồn phân tán sử dụng các syndrome 26 3.2 Thiết kế đối xứng 28 3.2.1 Cấu trúc bộ giải mã 30 3.2.2 Đa nguồn 30 3.3 Mã hóa LDPC 31 3.3.1 Giới thiệu một số loại mã 31 3.3.2 Mã LDPC 37 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 3.4 Mã LDPC trong việc cài đặt phân tán 41 3.4.1 Việc xây dựng mã cho trường hợp đối xứng 42 CHƯƠNG 4 : MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 44 4.1 Giới thiệu về công cụ mô phỏng MATLAB 44 4.1.1 Giới thiệu về MATLAB 44 4.1.2 Cách tìm một bản MATLAB để sử dụng 44 4.1.3 Sử dụng MATLAB hiệu quả 45 4.2 Mô phỏng trên MATLAB 46 4.2.1 Thực hiện mã Hamming 47 4.2.2 Thực hiện mã LDPC 49 KẾT LUẬN CHUNG 51 PHỤ LỤC 52 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến không dây………………………………………8 Hình 1.2. Các thành phần của một node cảm ứng………………………………… 9 Hình 1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây………………………………… 11 Hình 1.2.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến………………………………12 Hình 1.4. Mạng WSN với hai mô hình mạng khác nhau………………………… 19 Hình 2.1a. Mã hóa nguồn phân tán với thông tin biên tại bộ giải mã…………… 21 Hình 2.1b. Kênh tương quan ảo giữa X và Y…………………………………… 22 Hình 2.2. Vùng tốc độ bít của 2 nguồn……………………………………………23 Hình 2.2.1. Cấu trúc coset…………………………………………………………25 Hình 2.4a. Sơ đồ khối của mã hóa Wyner-Ziv……………………………………25 Hình 2.4b. Bên trong và bên ngoài vùng tỷ lệ của DSC tổn thất………………….26 Hình 3.1. Đầu ra có thể của Y nếu X thuộc coset {000, 111}…………………… 30 Hình 3.2. Cấu trúc bộ tạo ma trận trong trường hợp đối xứng ……………………32 Hình 3.2.2. Định nghĩa ma trận trong trườn hợp đa nguồn……………………… 33 Hình 3.3.1.1a. Cấu trúc bộ mã hóa Turbo…………………………………………34 Hình 3.3.1.1b. Cấu trúc bộ giải mã Turbo……………………………………… 35 Hình 3.3.2. Ma trận kiểm tra chẵn lẻ cho mã LDPC ( 20,3,4)…………………….41 Hình 3.3a. Tanner đồ thị đại diện của một mã (6,3)……………………………….43 Hình 3.3b. Giải mã (6,3)………………………………………………………… 44 Hình 3.4.1a . Giải mã với các đồ thị Tanner trong trường hợp máy đơn………… 46 Hình 3.4.1b. Giải mã với các đồ thị Tanner trong trường hợp hai máy……………47 Hình 4.2. Bên phát của hệ thống………………………………………………… 51 Hình 4.3. Bên thu của hệ thống ………………………………………………… 52 Hình 4.2.1a. Ma trận kiểm tra lỗi chẵn lẻ và chuyển vị của nó……………………52 Hình 4.2.1b. Các từ mã cảu coset 000 trong mã Hamming (7, 4) phân tán……… 53 Hình 4.2.1. Kết quả sơ đồ tỷ lệ bít lỗi mã Hamming các trường hợp khác nhau…54 Hình 4.2.2. Kết quả tỷ lệ bít lỗi mã hóa LDPC qua kênh AWGN…………… 56 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Từ trong tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây DSC Distributed Source Coding Mã hóa nguồn phân tán LDPC Low Density Parity Check Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp DISCUS DSC in Sensor Network Using Syndrome Mã hóa nguồn phân tán trong mạng cảm biến sử dụng Syndrome ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số S-W Slepian-Wolf Mã hóa Slepian-Wolf QoS Quanlity of Service Chất lượng dịch vụ MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập thiết bị mạng AWGN Additive White Gaussian Noise Kênh nhiễu trắng Gauss ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN) là một trong những công nghệ mới phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường… Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng radio. Nhưng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. 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) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài. 1.2 Cấu trúc mạng WSN 1.2.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN Mỗi node cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình 1.2, bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 Bộ nguồn Cảm biến ADC Lưu trữ Xử lý Bộ phận phát Hệ thống định vị Bộ phát nguồn Bộ phận di động Hình 1.2. Các thành phần của một node cảm ứng Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink. Ở đây tín hiệu được thu và phân tích. Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu th. bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời. Ngoài ra còn một số cách cấp nguồn khác… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 9 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop. Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây. Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một các tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lí của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị). Xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng. Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ: - Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến. - Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng. - Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây. - Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.2.2. Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lí nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 10 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 Hình 1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến (hình 1.2.3). Lớp ứng dụng Lớp truyền tải Lớp mạng Lớp liên kết lữ liệu Lớp vật lý Phần quản lý năng lượng Phần quản lý di động Phần quản lý nhiệm vụ Hình 1.2.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lí, lớp liên [...]... quyết vấn đề này thì chúng ta sử dụng mã hóa nguồn phân tán (Distributed source coding) 17 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG II MÃ NGUỒN PHÂN TÁN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Mã nguồn phân tán Mã nguồn phân tán sử dụng khi mà có sự tương quan giữa tập các nguồn với nhau Đây chính là một trường hợp cụ thể của mạng cảm biến, mà có tương quan rất là cao... mã LDPC Ta chọn như thế bởi vì nó cải thiện hiệu năng so với mã Tubor và cũng bởi vì nó cũng có thể mang theo sơ đồ phân tán CHƯƠNG 3 MÃ NGUỒN PHÂN TÁN SỬ DỤNG SYNDROME 3.1 Mã nguồn phân tán sử dụng các syndrome Trong quá trình thiết lập nén phân tán, cũng như không phân tán, các ví dụ tiếp nối nhau cần được lượng tử để có được một entropy hữu hạn Như đề cập trước đó, sự tương quan giữa các nguồn trong. .. tính, mã cuộn và mã móc Nghiên cứu về mã hóa kênh dẫn đến hai kỹ thuật, là mã LDPC và mã Tubor Mã Tubor là một mã móc được ghép bởi một interleaving và một mã cuộn Mã Tubor được sử dụng trong mã hóa nguồn phân tán không được trình bày trong bài luận này Trong bài luận này chúng 25 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ta chọn theo sơ đồ mã khối tuyến tính trong số các... chọn ra kịch bản LDPC trong thuyết này bởi vì nó được chứng minh sự chuyển tiếp tốt nhất để nén phân tán Công nghệ 27 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP mã hóa này được thảo luận thường xuyên trong chương 3.2 và đặc biệt cho Mã nguồn phân tán ở chương 3.3 3.2 Thiết kế đối xứng Trường hợp bất đối xứng của mã nguồn phân tán không linh hoạt về tỷ lệ phân bố Nếu ta muốn... lực tính toán cho bên mã hóa Đây không phải cách mà mạng cảm biến không dây sử dụng Bởi vì mỗi nút cảm biến phụ thuộc vào nguồn cung cấp năng lượng hạn chế, nên chúng cần tập trung vào việc giảm năng lượng tiêu thụ Kết quả là gánh nặng về tính toán cần phải chuyển từ bên mã hóa sang cho bên giải mã Chính là tạo ra sự cần thiết phải có một thuật toán mã hóa ít phức tạp Mô hình mạng có thể được thiết... và mô hình trong mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây là một công nghệ đang nổi lên và có rất nhiều tiềm năng Ý tưởng chính là triển khai các nút cảm biến kích thước nhỏ, sử dụng năng lượng hiệu quả trong một vùng quan tâm Sơ đồ này có thể được chấp nhận và triển khai trên rất nhiều vùng cảm ứng Có thể là trong quân sự, giao thông và giám sát… Lý do tại sao các nút phải là không dây là bởi...ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lí công suất, phần quản lí di động và phần quản lí nhiệm vụ Lớp ứng dụng: Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor Management... tương quan Trong thực tế các quá trình riêng rẽ không hay sử dụng 2.2.1 Mã hóa Slepian-Wolf của hai nguồn nhị phân Chúng ta có hai nguồn nhị phân 3 bít tương quan X và Y Sự tương quan giữa chúng cũng là khoảng cách Hamming tối đa là dH < 1 Bây giờ chúng ta sẽ mã hóa bằng cách mà có thể giải mã không biến dạng Sử dụng lý thuyết mã hóa nguồn cổ điển có thể nén nguồn với các entropy tương ứng H(X) và H(Y)... thể mã hóa các nguồn Gaussian ít ghi nhớ để [ R X + RY = σ σ ] Để thực hiện sự xem xét về sự tương quan, ta đạt được một tỷ lệ : [ ) ] Để ý thấy rằng ΔR = 0 khi ρ = 0 và ΔR [ ] khi ρ 1 ∆R = ( 2.4 Lựa chọn mã LDPC Mã hóa nguồn phân tán sử dụng syndrome có thể được thực hiện bằng vài cách phụ thuộc vào kỹ thuật mã hóa kênh mà ta lựa chọn Kỹ thuật chung hay dùng nhất sử dụng mã khối tuyến tính, mã. .. di chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện Phần quản lý nhiệm vụ : có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời . cơ bản về mạng cảm biến không dây, tìm hiểu sâu hơn về mã hóa nguồn phân tán dựa trên sự tương quan của các nguồn: các loại mã hóa nguồn phân tán, và cụ thể là mã hóa nguồn phân tán sử dụng. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 18 | Sinh viên thực hiện : Hoàng Thanh Tùng– Điện Tử 1-K54 CHƯƠNG II. MÃ NGUỒN PHÂN TÁN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1. Mã nguồn phân tán Mã nguồn phân tán sử dụng. lượng tính toán cũng như năng lương tiêu thụ. Đồ án này được thực hiện nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về mã hóa nguồn phân tán sử dụng mã LDPC trong mạng cảm biến không dây. Trong quá trình