Nghiên cứu mạng cảm biến không dây WSN và những đặc điểm sửa lỗi truyền dữ liệu

58 1 0
  • Loading ...
1/58 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 15/03/2019, 09:53

-1 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -o0o - NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂYWSN NHỮNG ĐẶC ĐIỂM SỬA LỖI TRUYỀN DỮ LIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Sinh viên thực hiên: Hồ Anh Tuấn Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS.Vƣơng Đạo Vy Mã số sinh viên: SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 110786 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu -2 - MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Cái nhìn ban đầu WSN 1.2 Nút cảm biến không dây 1.2.1 Phần cứng nút cảm biến không dây 1.2.2 Chuẩn cho nút cảm biến không dây 10 1.2.3 Phần mềm cho nút cảm biến không dây 11 1.2.4 Một số loại nút cảm biến không dây 12 1.3 Kiến trúc giao thức 13 1.3.1 Kiến trúc mạng WSN 13 1.3.2 Giao thức Stack 14 1.4 Ứng dụng WSN 15 1.5 Các yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế 17 1.5.1 Hạn chế phần cứng 17 1.5.2 Khả chịu lỗi 17 1.5.3 Khả mở rộng 18 1.5.4 Chi phí sản xuất 18 1.5.5 Cấu trúc liên kết 18 1.5.6 Phƣơng tiện truyền thông 18 1.5.7 Năng lƣợng tiêu thụ 19 CHƢƠNG 2: KIỂM SOÁT LỖI TRONG WSN 26 2.1 Tổng quan vấn đề kiểm soát lỗi WSN 26 2.2 Các phƣơng án kiểm soát Lỗi WSN 27 2.2.1 Kiểm soát lƣợng 27 2.1.2 Tự động phát lại (ARQ) 28 2.1.3 Sửa lỗi trƣớc truyền (FEC) 28 2.1.4 ARQ lai ghép (HARQ) 35 2.2 Lợi ích tăng khả phục hồi lỗi 36 2.3 Phân tích mơ hình lớp chéo 38 SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu -3 2.3.1 Mô hình tham chiếu WSN 38 2.3.2 Khoảng cách bƣớc nhẩy dự kiến 39 2.3.3 Phân tích lƣợng tiêu thụ dự kiến 41 2.3.4 Phần tích độ trễ dự kiến 45 2.3.5 Phân tích BER PER 46 2.4 So sánh phƣơng án kiểm soát Lỗi WSN 47 CHƢƠNG 3: BÀI TOÁN KIỂM SOÁT LỖI TRONG WSN 52 3.1 Vấn đề giải pháp WSN 52 3.2 Bài toán so sánh sửa lỗi phát lại WSN 53 3.2.1 Phát biểu toán 53 3.2.2 Nhận định từ toán 53 3.2.3 Giải toán 54 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu -4 - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung nút cảm biến không dây Hình 1.2 Thành phần kiến trúc dạng chuẩn WirelessHART 11 Hình 1.3 Kiến trúc mạng WSN 14 Hình 1.4 Giao thức Stack WSN 14 Hình 1.5 Mơ hình số dự án ứng dụng WSN 16 Hình 1.6 Mức độ tiêu thụ lƣợng nút cảm biến MicaZ 20 Hình 1.7 Đơn giản hóa lƣợng tiêu thụ cho cặp nút 24 Hình 2.1 Tổng quan lớp liên kết liệu 27 Hình 2.2 Mơ hình xử lý WSN 29 Hình 2.3 Sơ đồ mã hóa byte liệu 29 Hình 2.4 Biểu đồ tần suất lỗi bít nút cảm biến phát 10000 gói tỷ lệ lỗi gói tin mở đầu theo khoảng cách 30 Hình 2.5 Sơ đồ quy trình giải mã - truyền - mã hóa 32 Hình 2.6 Trung bình tỉ lệ mục tiêu nhận gói tin, đồ thị (a) ARQ (N = 7) (b) FEC (BCH (128, 78, 7)) cho nút MicaZ 36 Hình 2.7 So sánh hiệu FEC với ARQ 37 Hình 2.8 Mơ hình tham chiếu WSN 38 Hình 2.9 Trung bình khoảng cách bƣớc nhẩy (MicaZ) .48 Hình 2.10 Năng lƣợng tiêu thụ lƣu lƣợng với ψTh (MicaZ) 48 Hình 2.11 PER Tổng thể với ψTh (MicaZ) 49 Hình 2.12 Độ trễ trung bình tổng thể với ψTh (MicaZ) 50 Hình 2.13 (a) Năng lƣợng tiêu thụ trung bình luồng (b) Độ trễ tổng thể trung bình với ngƣỡng (ψTh) cho Pt khác 51 SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu -5 - DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt ARQ Automatic Repeat Request Tự động phát lại ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít DC Drection Current Dòng điện chiều DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số ECC Error Correct Code Mã sửa lỗi FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trƣớc truyền HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Tự động phát lại lai ghép FEC PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PER Packet Error Rate Tỷ lệ lỗi gói tin SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ nhiễu tín hiệu VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ điều khiển điện áp dao động WSN Wireless sensor networks Mạng cảm biến không dây SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu -6 - LỜI CẢM ƠN Cám ơn thầy cô giáo trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng, dạy dỗ chúng em nhiều năm qua Cám ơn thầy Trần Hữu Nghị cho em mái trƣờng chúng em có hội học đƣợc kiến thức bổ ích để trở thành cơng dân có ích cho xã hội Xin chân thành cám ơn thày cô môn Tin học truyền đạt kiến thức công nghệ thơng tin, mơn học bổ ích, hành trang vững để em tự tin công việc sau Cám ơn thầy Vƣơng Đạo Vy, trƣờng đại học công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ em trình viết đồ án nhƣ trình học tập ghế nhà trƣờng Để em đem kiến thức học đƣợc ghế nhà trƣờng áp dung vào thực tiễn để em nhận thấy trang bị đƣợc thiếu hành trang Cám ơn gia đình ngƣời thân, tận tình giúp đỡ, chu cấp tài chính, động viên em suốt thời gian học tập trƣờng Xin cám ơn bạn bè lớp bạn khoa nhƣ sinh viên trƣờng giúp đỡ thời gian học tập nhƣ thời gian làm thực tập tốt nghiệp Hải Phòng, tháng năm 2011 Sinh viên Hồ Anh Tuấn SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu -7 - MỞ ĐẦU Wireless Sensor Networks (WSN) hay mạng cảm biến không dây, xu hƣớng phát triển thời đại ngày Với khả cảm nhận, cung cấp thông tin thực tế triển khai, mở rộng phạm vi dễ dàng nhờ triển khai mơ hình mạng truyền thơng khơng dây WSN gồm tập hợp nút cảm biến nhỏ, hoạt động độc lập nguồn nuôi thông qua hàng loạt nút cảm biến để nắm bắt thông tin liệu.Với xử lý riêng, nút cảm biến đƣợc lập trình để hồn thành nhiệm vụ phức tạp việc xử lý đơn giản nhƣ thu, phát, chuyển tiếp liệu Tuy nhiên, Một thách thức sống WSN vấn đề lƣợng, tạo nên thách thức lớn với WSN giảm thiểu tối đa tiêu thụ lƣợng nhằm giữ hoạt động lâu dài cho nút mạng Mục đích đồ án cung cấp nhìn tổng quan WSN Chƣơng giới thiệu toàn diện WSN, bao gồm nút cảm biến kiến trúc mạng, cung cấp nhìn tồn diện đặc điểm, yếu tố thiết kế quan trọng, khó khăn WSN, đồng thời đƣa số ứng dụng có WSN quân sự, y tế, công nghiệp ứng dụng nhà Chƣơng tập trung sâu vào kỹ thuật kiểm sốt lỗi WSN nhƣ tác động lên truyền thông, tiết kiệm lƣợng Cuối cùng, chƣơng giải vấn đề cụ thể tốn để từ thấy đƣợc tầm quan trọng sửa lỗi truyền liệu WSN SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu -8 - CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 1.1 Cái nhìn ban đầu WSN Hiện nay, công nghệ vi mạch, truyền thông không dây điện tử kĩ thuật số phát triển ngày mạnh mẽ Nhờ thiết kế q trình triển khai với giá ngày thấp, lƣợng tiêu thụ đƣợc giảm thiểu tạo điều kiện cho nút cảm biến đa chức có kích thƣớc nhỏ giao tiếp khoảng cách ngắn trở nên khả thi Khả nút cảm biến ngày tăng bao gồm: cảm biến, xử lý liệu giao tiếp với lƣợng lớn nút cảm biến WSN cấu thành từ lƣợng lớn nút cảm biến, truyền thông multi-hop chủ yếu Do đó, có khả triển khai với quy mơ lớn, tƣơng tác nhanh chóng đáng tin cậy nhờ tổng hợp thông tin hiệu nút Hơn nữa, không truyền thông tin thô, nút cảm biến có khả tự xử lý tính tốn trƣớc truyền Về triển khai, mạng cho phép triển khai cách ngẫu nhiên thích hợp với vùng thiên tai địa hình phức tạp Tuy nhiên, WSN gặp số thách thức định để trở thành mạng hồn thiện Thơng thƣờng giao thức truyền thông yêu cầu cung cấp lƣợng với hiệu suất cao tập trung vào thơng lƣợng độ trễ với WSN với nguồn cung cấp lƣợng hạn chế mà thách thức tìm cách để giảm lƣợng tiêu thụ Qua mà việc phát triển WSN phải tập trung vào giảm thiểu tối đa lƣợng nguồn cấp Trong chƣơng sau này, yếu tố sửa lỗi mạng đƣợc nghiên cứu kĩ nhàm giải vấn đề Những phần tiếp sau, sâu vào yếu tố quan trọng tạo lên WSN Đó là, nút cảm biến khơng dây: góp phần tạo nên sở hạ tầng vật lý cho WSN, kiến trúc giao thức: yếu tố khơng thể thiếu mạng lƣới ứng dụng WSN thực tế từ rút số yếu tố ảnh hƣởng cách giải trình thiết kế triển khai WSN 1.2 Nút cảm biến không dây WSN bao gồm hệ thống nhúng có khả năng: tƣơng tác với môi trƣờng thông qua cảm biến khác nhau, xử lý thông tin chỗ, giao tiếp không dây nút Một nút cảm biến tập hợp phần cứng, phần mềm chuẩn SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu -9 - 1.2.1 Phần cứng nút cảm biến khơng dây Mơ-đun khơng dây: (hay gọi motes) Motes thành phần nút cảm biến Có khả thu phát vơ tuyến Một motes bao gồm:  Một vi điều khiển  Bộ phận thu phát  Nguồn điện (thƣờng PIN)  Đơn vị nhớ  Đầu đo cảm biến Ngồi số thành phần nhƣ: Bảng mạch cảm biến (sensor board): đƣợc gắn motes, chứa vùng thử cho khách hàng nối loại đầu đo cảm biến khác họ vào motes Bảng mạch lập trình (programming board): đƣợc gọi bảng cổng, cung cấp giao tiếp Ethernet, Wi-Fi, USB.Với mục đích thu thập thơng tin, nhúng chƣơng trình tải ứng dụng cho motes Sơ đồ cấu tạo nút cảm biến: Cụ thể hơn, nút cảm biến khơng dây gồm bốn thành phần chính: đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý, đơn vị thu phát đơn vị lƣợng thể sơ đồ (hình 1.1) Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung nút cảm biến không dây Đơn vị cảm biến: thành phần nút, gồm số cảm biến, truyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số (ADC) Nhiệm vụ, thu thập thơng tin mơi trƣờng, chuyển thành tín hiệu số gửi đơn vị xử lý SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 10 Đơn vị xử lý: gồm vi xử lý nhớ bo mạch Nhiệm vụ, quản lý hoạt động nút, chạy thuật toán liên quan, phối hợp với nút khác thông qua mạng tuyền thông không dây Bộ thu phát vô tuyến: chuyển đổi bít thơng tin để trun thơng qua tần số vô tuyến (RF) phục hồi đầu Đơn vị lượng: thành phần quan trọng định tuổi thọ WSN, gồm pin thêm phát điện (tùy ứng dụng) Nhiệm vụ, điều phối lƣợng tiêu thụ thành phần khác kéo dài Hệ thống định vị vị trí: gồm mơ-đun tính tốn phân tán giúp xác định vị trí GPS (nút cao cấp) Nhiệm vụ, xác định vị trí nút nhằm cung cấp thơng tin xác cho mạng Bộ phận chuyển động: Giúp nút di chuyển dƣới đạo vi xử lý Máy phát điện: gồm thành phần thu lƣợng mặt trời thu lƣợng nhờ rung động Nhiệm vụ, cung cấp phụ trợ cho pin ứng dụng đòi hỏi thời gian hoạt động lâu Đặc điểm: kích cớ bao diêm nhỏ tùy vào ứng dụng cụ thê, trọng lƣợng nhẹ đến nhẹ (có thể bay lơ lửng khơng khí) Do Tiêu thụ lƣợng, hoạt động mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, tự trị, hoạt động không cần giám sát thích nghi với mơi trƣờng tốt 1.2.2 Chuẩn cho nút cảm biến khơng dây Mục đích: không đồng loại nút cảm dẫn đến khơng tƣơng thích mạng ứng dụng khác Phân loại chuẩn: IEEE 802.15.4: Truyền thông với băng tần: toàn cầu (2.4GHz), Châu Mỹ (915MHz) Châu Âu (868MHz) Tầng Vật lý, sử dụng phƣơng án điều chế binary phase shift keying (BPSK) dải tần 868/915MHz offset quadrature phase shift keying (O-QPSK) băng tần 2.4GHz Tầng MAC cung cấp cấu trúc liên kết dạng sao, lƣới Phạm vi truyền nút 10 đến100m với tốc độ liệu 20-250 kbps ZigBee: bật việc gắn địa cho thiết bị tham gia mạng (địa ngắn ID thiết bị) mà nâng cao hiệu suất truyền thông Sử dụng kiến trúc dạng cho định tuyến SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 44 Năng lượng tiêu thụ nút truyền: Theo đó, lƣợng tiêu thụ cho nút truyền ETX đƣợc cho công thức tƣơng ứng với ARQ, FEC HARQ Với nret ARQ, FEC, HARQ, tƣơng ứng là: Các giá tri nret số lƣợng dự kiến truyền lại với ARQ, FEC HARQ, lại đƣợc giới hạn số lƣợng tối đa cho phép truyền lại; lƣợng truyền nhận gói tin, đó: R, C, D A tƣơng ứng với RTS, CTS, DATA, ACK; Esense mức tiêu thụ lƣợng cho cảm nhận khu vực Hai thành phần cuối dấu ngoặc đơn công thức thể lƣợng tiêu thụ với độ trễ cho CTS ACK trƣờng hợp lỗi gói tin Ngồi ra, lƣợng giải mã, D1 D2 (2.24) tƣơng ứng với gói liệu truyền cho lần lần thứ hai HARQ Hoạt động truyền gói tin: Nếu kênh cảm biến trạng thái tốt, nút truyền gói tin RTS nhận đƣợc gói tin CTS khơngva chạm gói tin RTS đƣợc nhận thành cơng đích đến Tƣơng tự, gói liệu đƣợc gửi gói tin CTS đƣợc nhận thành cơng, tiếp tiếp nhận gói tin ACK Năng lượng tiêu thụ nút nhận: Sử dụng phƣơng pháp tƣơng tự, mức lƣợng tiêu thụ nút nhận, ERX (2.17), đƣợc tính nhƣ sau: SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 45 Năng lượng tiêu thụ cho nút lân cận: Trong mạng không dây, nút lân cận nút truyền nút nhận bị ảnh hƣởng thông tin liên lạc tính chất quảng bá kênh khơng dây Do đó, kí hiệu cuối (2.17), Eneigh, lƣợng tiêu thụ nút láng giềng nút truyền nhận Đƣợc tính băng cơng thức sau: 2.3.4 Phần tích độ trễ dự kiến Các biểu thức xác định độ trễ tổng thể luồng phát sử dụng phƣơng pháp tƣơng tự nhƣ Độ trễ bƣớc nhẩy đƣợc cho công thức 2.32 (2.32) (2.33) Trong đó, Tcomm độ trễ để truyền thơng với ARQ, FEC HARQ, đƣợc tính cơng thức: Trong đó, Tsense thời gian dành cho cảm biến, T Ctrl truyền gói kiểm sốt gói liệu, T t /o thời gian chờ, T D thời gian độ trễ giải mã cho gói kiểm sốt gói liệu Độ trễ giải mã lượng: Một chi phí quan trọng mã FEC ngồi truyền nhận bit dƣ thừa tiêu thụ lƣợng để mã hóa giải mã gói liệu nhƣ độ trễ liên quan đến Nhƣ biết lượng mã hóa cho mã khối khơng đáng kể Do đó, lượng giải mã độ trễ SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 46 giải mã nên đƣợc xem xét phân tích Các độ trễ giải mã cho mã khối (n, k, t) đƣợc cho cơng thức: (2.37) Trong đó, Tadd Tmult độ trễ cộng nhân tƣơng ứng, trƣờng m GF(2 ), với m=[log2n + 1] Cả hai nút Mica2 MicaZ đƣợc thực với vi điều khiển 8-bit, thực cộng nhân bit chu kỳ hai, tƣơng ứng Kết là: (2.38) Trong đó, tcycle chu kỳ thời gian, thƣờng 250 ns Do đó, việc tiêu thụ lƣợng cho giải mã xử lý, V điện áp cung cấp Iproc cƣờng độ dòng cho độ trễ cho giả mã 2.3.5 Phân tích BER PER Việc tiêu thụ lƣợng độ trễ phụ thuộc vào PER truyền thông Trong phần này, cung cấp biểu thức cho BER PER cho nút Mica2 MicaZ Bởi phƣơng án điều chế đƣợc sử dụng nút khác nhau, cần thiết để nghiên cứu tác động FEC HARQ vào nút cách riêng biệt Tính BER: Với nút Mica2: đƣợc thực với phƣơng án điều chế không quán FSK Các BER phƣơng án án đƣợc cho cơng thức: (2.39) Trong ψ SNR nhận, BN băng thông nhiễu R tốc độ liệu Với nút MicaZ: đƣợc điều chế phƣơng án khóa dịch pha cần phƣơng lệch (O-QPSK) với trái phổ trực tiếp (DSSS) Các BER phƣơng án đƣợc cho công thức: (2.40) Trong đó, N số lƣợng chip/bit, K số nút sử dụng đồng thời truyền tải SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 47 Tính PER: Căn vào BER (Pb) tính trên, PER cho phƣơng án kiểm sốt lỗi đƣợc tính nhƣ sau Đối với ARQ, chế phát lỗi CRC-16 đƣợc triển khai hai loai nút Mica Giả sử tất lỗi gói đƣợc phát hiện, PER đơn truyền gói tin với trọng tải l bít đƣợc cho cơng thức: (2.41) Đối với mã BCH, giả sử đan xen hoàn thiện thu phát, tỷ lệ lỗi khối (BLER) đƣợc cho công thức: (2.42) Qua thuật tốn Berlekamp-Massey đƣợc thực mơ để tìm mối quan hệ BLER BER Khi gói tin lớn độ dài khối n, đặc biệt độ dài khối nhỏ đƣợc sử dụng, PER cho FEC đƣợc cho công thức: (2.43) Trong [l/k] số khối cần thiết để gửi l bit [.] Hàm mức trần Sử dụng (2.41), (2.42), (2.43), PER với phƣơng án HARQ đƣợc tìm thấy Xác suất thành cơng gói tin, đƣợc sử dụng mục 2.3.3, mục 2.3.4 với gói kiểm sốt gói liệu sau đƣợc tìm thấy cách sử dụng l=lC l = lD, tƣơng ứng 2.4 So sánh phƣơng án kiểm soát Lỗi WSN Trong phần này, minh họa tác động phƣơng án FEC HARQ với PER, lƣợng tiêu thụ độ trễ tổng thể mạng multi-hop thông qua đánh giá số liệu MATLAB mô Để thực so sánh này, hai loại nút cảm biến đƣợc sử dụng Mica2 MicaZ ngồi có số trƣờng khác, thơng số Bảng 2.1, đƣợc sử dụng cho số liệu kết Bảng 2.1 Các tham số SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 48 Các kí hiệu sử dụng, khoảng cách bƣớc nhẩy dự kiến d hop, đƣợc xác định (2.5), SNR nhận (ψTh), lƣợng truyền (Pt) Khả tăng khoảng cách bước nhẩy FEC HARQ: Hình 2.9 Trung bình khoảng cách bƣớc nhẩy (MicaZ) Từ hình 2.9, nhận thấy ψTh nhỏ độ dài bƣớc nhẩy lớn số lƣợng bƣớc nhẩy từ nút tới sink giảm Hơn nữa, truyền tải điện nút giảm, khoảng cách bƣớc nhẩy dự kiến giảm Hình 2.10 Năng lƣợng tiêu thụ lƣu lƣợng với ψTh (MicaZ) SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 49 Trong hình 2.10, lƣợng tiêu thụ luồng giảm giá trị ψTh giảm từ 15dB Điều khoảng cách bƣớc nhẩy dự kiến tăng hình 2.9 Tuy nhiên, mức tiêu thụ lƣợng cho ARQ tăng đáng kể ψTh giảm nhỏ giá trị cụ thể, ví dụ, dB Vì chất lƣợng kênh thấp dẫn đến truyền lại xảy ra, làm tăng tiêu thụ lƣợng bƣớc nhẩy Lưu ý: ARQ, đƣờng cong tiêu thụ lƣợng đạt đến đỉnh cao giảm ψTh giảm Điểm tƣơng ứng với trƣờng hợp truyền lại với số lƣợng tối đa, khơng đủ để truyền thơng tin cậy Trong hình 2.10, với mã FEC, chất lƣợng kênh truyền tốt lƣơng tiêu thụ nhiều với ARQ phải truyên thêm bít dƣ thừa chi phí giải mã, nhƣng hiệu lƣợng với ψTh~2dB khả phục hồi lỗi Theo hình 2.11, nhận thấy PER mã FEC giảm giá trị SNR nhận thấp, từ thấy khả phục hồi lỗi FEC giúp mạng hoạt động tốt kênh truyền có chất lƣợng kênh khơng tốt, mà đảm bảo độ tin cậy cho gói tin Trong hình 2.12, lại thấy với SNR thấp, mã FEC hoạt động với độ trễ tốt hơm ARQ nhiên SNR cao độ trễ tăng nhanh cao ca ARQ Nguyên nhân, việc giải mã bít dƣ thừa tạo Tuy nhiên, xét tổng thể tốt với ARQ SNR thấp, độ trễ FEC nhiều so với ARQ Hình 2.11 PER Tổng thể với ψTh (MicaZ) SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 50 - Hình 2.12 Độ trễ trung bình tổng thể với ψTh (MicaZ) Ví dụ, PER mục tiêu ứng dụng 10 -2, giá trị tối thiểu cho ψTh tƣơng ứng với 6.1dB cho ARQ, 3dB cho BCH(128, 78, 7), 4.8dB cho RS(15, 9, 3), 2.5dB cho HARQ-I Kết là, hình 2.10 có BCH(128, 78, 7) tiết kiệm lƣợng chút so với ARQ Mặt khác, mã RS(15,9,3) kết lƣợng tiêu thụ cao so với ARQ Rõ ràng lƣợng đƣợc tiêu thụ bƣớc nhẩy với mã FEC gồm truyền bit dƣ thừa giải mã Tuy nhiên, khả phục hồi lỗi đƣợc cải thiện với mã FEC, giá trị SNR thấp đƣợc hỗ trợ Kết khoảng cách bước nhẩy dài đạt đến lượng tiêu thụ tổng thể thấp Khả kiểm soát lượng truyền tải FEC HARQ: Để kiểm chứng ảnh hƣởng lƣợng truyền (Pt) đến phƣơng án kiểm soát lỗi FEC xem xét ba cấp điện áp: 0,-5 -15 dBm Khi giảm lƣợng tryền nâng cao hiệu lƣợng cho phƣơng án FEC (hình 2.13 a) vì: - Tiêu thụ lƣợng cho việc truyền gói liệu mã hóa dài - Phạm vi giao thoa nút giảm, số lƣợng nút láng giềng tiêu thụ lƣợng nhàn rỗi giảm SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 51 - Làm tăng số lƣợng bƣớc nhẩy Thể hình 2.13(b), nơi mà độ trễ tổng thể đƣợc thể Trái ngƣợc với mở rộng khoảng cách bƣớc nhẩy, kiểm sốt lƣợng truyền khơng ảnh hƣởng đến thời gian cần thiết để truyền gói tin, độ trễ tổng thể phụ thuộc vào số lƣợng bƣớc nhẩy Nhƣ nêu giảm lƣợng truyền làm tăng số lƣợng bƣớc nhẩy, dẫn đến tăng đáng kể độ trễ, đặc biệt ảnh hƣởng lớn với mã BCH FEC Hình 2.13 (a) Năng lƣợng tiêu thụ trung bình luồng (b) Độ trễ tổng thể trung bình với ngƣỡng (ψTh) cho Pt khác Kết luận từ việc so sánh: phƣơng án kiểm soát lỗi đƣợc sử dụng WSN có ƣu nhƣợc điểm khác Tuy nhiên, WSN phƣơng án kiểm soát lỗi FEC đƣợc coi trọng Ngoài ra, phƣơng án HARQ đƣợc xem xét kĩ ứng dụng khác SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 52 - CHƢƠNG 3: BÀI TOÁN KIỂM SOÁT LỖI TRONG WSN 3.1 Vấn đề giải pháp WSN Trong chƣơng đồ án đề cập đến nhiều nội dụng xung quanh WSN, từ cấu tạo nút cảm biến không dây ứng dụng, yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế Nhƣng có điểm chung xoay xung quanh vấn đề lƣợng tiêu thụ Có thể nói, phần cứng với khả hoạt động độc lập nút cảm biến khơng dây làm WSN hầu nhƣ thích hợp với ứng dụng, địa hình Tuy nhiên, độc lập tạo yếu tố sống WSN, với nguồn ni vơ hạn chế từ Pin khiến ngƣng hoạt động nút mạng bị “hết điện” Các giải pháp đƣợc đƣa ra, để cho nút tiêu thụ lƣợng thấp nhât mà phải đảm bảo độ tin cậy liệu cho mạng Cuối cùng, phƣơng án giảm thiểu truyền thông nút mạng đƣợc lựa chọn cả, theo thực nghiệm, nhà nghiên cứu rút kết luận lượng tiêu thụ cho truyền thông tốn nhiều so với xử lý (đƣợc nói cụ thể mục 1.5.7) Khi đó, hƣớng tập trung đẩy vào vấn đề kiểm sốt lỗi, kiểm sốt lỗi tốt giúp mạng hoạt động hiệu dẫn đến sử dụng lƣợng tiết kiệm Trong kiểm soát lỗi lại chia hai hƣớng chính, ARQ FEC đƣợc trình bầy chi tiết mục 2.1.2 2.1.3 Cụ thể rút gon nội dung là, với phƣơng án ARQ, gặp lỗi nơi nhận thực phát lại, với FEC gặp lỗi phục hồi lỗi nơi nhận truyền tiếp Chính đặc điểm mà WSN, FEC lựa chọn hàng đầu khơng tốn chi phí cho phát phát lại nhiều lần thích hợp với WSN Một vấn đề đƣợc nghĩ tới, thuật toán sửa lỗi phức tạp, đặc biệt với lỗi đa bít Do đó, số nghiên cứu đƣợc thực kết luận, WSN lỗi thường gặp lỗi đơn bít hai bít lỗi đa bít có ít, trình bầy mục 2.1.3 Vậy là, FEC hồn tồn đƣợc sử dụng cách hiệu WSN Sau đây, toán cụ thể nhằm củng cố nhận định lý thuyết hai phƣơng án kiểm soát lỗi ARQ FEC WSN SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 53 - 3.2 Bài toán so sánh sửa lỗi phát lại WSN 3.2.1 Phát biểu toán Bài toán (a): Đối với kênh truyền dẫn có trung bình lỗi 4000 bit Những lỗi bit đơn lẻ đƣợc thống kê độc lập Một gói sở bao gồm 128 byte Nó đƣợc truyền: đầy đủ, xác khơng Nút nhận phát đƣợc lỗi gói tin truyềnkhơng chi phí bổ sung Nếu lỗi xuất nút nhận yêu cầu nút gửi phát lại lần Các yêu cầu phát lại đƣợc coi nhƣ gói thơng thƣờng 128 byte Nếu lỗi xảy yêu cầu coi nhƣ khơng có u cầu đƣợc gửi Làm có đƣợc tỷ lệ liệu tổng thể cao trƣờng hợp (theo phần trăm tỷ lệ liệu mặt lý thuyết đạt đƣợc, khơng có lỗi)? Bài tốn (b): Để cho dễ dàng giả định bít lỗi xẩy lần gói Thay yêu cầu nút gửi phát lại chọn phƣơng pháp sửa lỗi trƣơc truyền (FEC) với mã Hamming (mã không quan trọng tập này) Làm có đƣợc tỷ lệ liệu thực tế cao trƣờng hợp (theo phần trăm) so với tính tốn theo mặt lý thuyết khơng sửa lỗi trƣớc khơng có lỗi? 3.2.2 Nhận định từ toán Bài toán đƣợc chia hai phần, với hai phƣơng án kiểm sốt lỗi thơng dụng WSN Mục tiêu hai phần hƣớng vào tốc độ liệu Trong trƣờng hợp (a), khơng nói trực tiếp nhƣng dễ dàng nhận thấy phƣơng án kiểm sốt lỗi đƣợc sửa dụng ARQ có lỗi xuất gói thực truyền lại gói Còn trƣờng hợp (b), nêu trực tiếp phƣơng án sửa lối FEC Trong trƣờng hợp (b), thực chất việc so sánh tốc độ liệu đạt đƣợc sửa dụng phƣơng án FEC với ARQ Để qua đó, có nhìn xác hai phƣơng án Bổ sung thêm khảng định mặt lý thuyết nêu chƣơng SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 54 - 3.2.3 Giải toán Giải toán (a): Để giải toán này, ta phải tập trung vào số kiện mà đề cho dƣới (1) Dữ kiện thứ nhất: “Đối với kênh truyền dẫn có trung bình lỗi 4000 bit” Từ ta suy ra: - Tỷ lệ lỗi bít (BER) là: pb = / 4000 - Tƣơng ứng bit đƣợc truyền xác với xác suất = 3999/4000 (2) Dữ kiện thứ hai: “Một gói sở bao gồm 128 byte” Ta chuyển sang tải trọng bít lần truyền (l): l = 128×8=1024 bít Nhữ biết chƣơng 2, ARQ chủ yếu sử dụng phƣơng án CRC-16 để phát lỗi kết hợp với hai kiện kiện ta xác định tỷ lệ lỗi gói (PER) Theo đó, có trƣờng hợp đặt ra: - Trong mơi trƣờng lý thuyết, tức khơnglỗi xẩy thì: Từ đó, tính tỷ lệ lỗi gói lý thuyết = (1 – 1/4000) 1024 77,4 % - Khi có lỗi xẩy trƣờng hợp Thì sử dụng cơng thức 2.41 Ta tính tỷ lệ lỗi gói = - (1 – 1/4000) 1024 22,6 % (3) Dữ kiện thứ 3: “Gói truyền đầy đủ, xác khơng Nếu lỗi xuất nút nhận yêu cầu nút gửi phát lại lần Các yêu cầu phát lại coi gói thơng thường 128 byte Nếu lỗi xảy u cầu coi khơng có yêu cầu gửi đi” Từ kiện này, ta lập sơ đồ trƣờng hợp xẩy thực chu kì gửi gói tin kiểm sốt gói tin với phƣơng án ARQ nhƣ sau: SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 55 - Quá trình thực sau: Ban đầu gửi gói tin, có trƣờng hợp xẩy có lỗi khơnglỗi Nếu khơnglỗi coi nhƣ truyền thành cơng Nếu có lỗi xẩy ra, yêu cầu phát lại đƣợc truyền Đối với yêu cầu phát lại, lỗi xẩy với u cầu phát lại dừng khơng phát nữa, ngƣợc lại u cầu thành cơng bên gửi thực phát lại lần nhât (theo đề bài) Với gói tin phát lại tƣơng ứng xẩy hai trƣờng hợp nhƣ lần đầu gửi nhiên lại có lỗi xẩy ngừng phát Từ q trình hoạt động, gửi gói tin trƣờng hợp xẩy với gói trình gửi Với tỷ lệ lỗi gói tin hai trƣờng hợp khơng lỗi (0.774) có lỗi (0.226) Kết quả, ta tìm đƣợc liệu hữu ích dấu “( )” số lƣợng byte truyền thông dấu “< >” Từ sở đồ hoạt động kết nhận đƣợc ta xác định đƣợc: - Số lƣợng byte hiệu (payload) dự kiến là: 0,774 × 128 + 0,135 × 128 = 116 (byte) - Số lƣợng byte mát dự kiến là: 0,135 × × 128 + 0,04 × × 128 + 0,05 × × 128 = 63 (byte) Khi đó, tận dụng khả tối đa kênh ta có đƣợc tỷ lệ liệu tổng thể: Tỷ lệ liệu tổng thể = 116 / (116 + 63) SV- Hồ Anh Tuấn - CT1101 64,8% WSNĐặc điểm sửa lỗi truyền liệu - 56 Giải toán (b): Nhƣ biết FEC phƣơng pháp chèn thêm bít dƣ thừa vào gói liệu để sau có lỗi xẩy bên nhận sử dụng bít dƣ thừa để phục hồi liệu nguyên gốc Cụ thể cách phục hồi lỗi FEC đƣợc trình bầy mục 2.1.3 Ở vào yếu tố FEC ảnh hƣởng đến tỷ lệ liệu tổng thể Với kiện toán (b) “giả định bít lỗi xảy lần gói”, tức tốn có lỗi đơn bít xẩy Bởi nằm khả sửa lỗi FEC trình bầy mục 2.1.3 Do việc truyền lại FEC khơngliệu có trƣờng hợp gói ln đến nút nhận Tuy nhiên, nhƣ nói trên, FEC cần chèn thêm bít dƣ thừa vào liệu, tỷ lệ liệu hƣu ích phải loại bỏ thành phần Để tính toán số lƣợng bít dƣ thừa, cách: từ kiện tốn (a), ta có tải trọng gói tin là: 1024 bit Qua đó, để bảo vệ 1024 bit liệu chống lại lỗi bit phải thêm số lƣợng bít dƣ thừa (r) theo bất đẳng thức sau đây: 1024 + r +
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu mạng cảm biến không dây WSN và những đặc điểm sửa lỗi truyền dữ liệu , Nghiên cứu mạng cảm biến không dây WSN và những đặc điểm sửa lỗi truyền dữ liệu

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay