Bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp VCO Mạng cảm biến không dây WSN Mạng cảm biến không dây. Xin cảm ơn thầy Vương Đạo Vy, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình viết đồ án cũng như trong quá trình học tập tại trường. Mạng cảm biến không dây (WSN) hay mạng cảm biến không dây, một xu hướng phát triển của thời đại ngày nay.
WSN bao gồm một tập hợp các nút cảm biến rất nhỏ, hoạt động độc lập với nguồn điện và thông qua một loạt các nút cảm biến để thu thập thông tin dữ liệu. Với bộ xử lý riêng, các nút cảm biến có thể được lập trình để hoàn thành các tác vụ phức tạp hơn so với xử lý đơn giản như nhận, truyền và chuyển tiếp dữ liệu.
TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
- Cái nhìn ban đầu về WSN
- Nút cảm biến không dây
- Phần cứng của nút cảm biến không dây
- Chuẩn cho nút cảm biến không dây
- Phần mềm cho nút cảm biến không dây
- Một số loại nút cảm biến không dây
- Kiến trúc và giao thức
- Kiến trúc mạng của WSN
- Giao thức Stack
- Ứng dụng của WSN
- Các yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế
- Hạn chế phần cứng
- Khả năng chịu lỗi
- Khả năng mở rộng
- Chi phí sản xuất
- Cấu trúc liên kết
- Phƣơng tiện truyền thông
- Năng lƣợng tiêu thụ
Nhiệm vụ điều phối tiêu thụ năng lượng của các thành phần khác còn dài. Năng lượng tiêu thụ của cảm biến có thể được tính theo công thức 1.1. Tìm mức tiêu thụ điện năng cao nhất để kiểm soát điện áp hoạt động.
Một nút cảm biến không dây dành phần lớn năng lượng của nó cho việc truyền thông. Năng lượng tiêu thụ khi thu sóng chỉ phụ thuộc vào máy thu điện tử. Trong đó Etx(k, d) và Erx(k): năng lượng tiêu thụ bởi các nút phát và nút thu.
KIỂM SOÁT LỖI TRONG WSN
Tổng quan về vấn đề kiểm soát lỗi trong WSN
Các phƣơng án kiểm soát Lỗi trong WSN
- Kiểm soát năng lƣợng
- Tự động phát lại (ARQ)
- Sửa lỗi trƣớc khi truyền (FEC)
- ARQ lai ghép (HARQ)
Bên gửi, sử dụng sơ đồ phát hiện lỗi, tạo ra các bit dư thừa và nối chúng vào gói dữ liệu được truyền và chờ phản hồi từ phía nhận. Bên nhận sau khi nhận được gói dữ liệu sẽ sử dụng phương án phát hiện lỗi tương ứng để kiểm tra gói dữ liệu. Một tùy chọn khác để kiểm tra lỗi được đề xuất. Để tránh việc truyền lại khi gói dữ liệu bị lỗi thì việc sửa lỗi ngay tại nút nhận là giải pháp hợp lý nhất.
Hơn nữa, các nút cảm biến có khả năng tự xử lý làm cho phương án này trở nên khả thi hơn. Ở phía gửi, các gói dữ liệu được phân mảnh thành các byte được mã hóa và sau đó được gửi đi. Do đó, đối với tính năng này, sơ đồ FEC tập trung vào sửa lỗi một bit và hai bit chứ không tập trung vào sửa lỗi nhiều bit.
Cách phát hiện lỗi: Ma trận kiểm tra (H) của bộ mã có ma trận thế hệ Gk×n. Đặc biệt, nếu G là ma trận tạo hệ thống, thông tin gốc có thể được lấy từ k-bit đầu tiên hoặc k-bit cuối cùng của từ mã nhận được. Giải pháp này chỉ có thể sửa các lỗi 1 bit và 2 bit; Lỗi 3 bit chỉ được phát hiện và chuyển lên các lớp trên.
Trên đây là những lý thuyết cơ bản về phương pháp FEC và các phương pháp sửa lỗi 1 bit, 2 bit của nó. Nội dung: ARQ lai (HARQ) kết hợp sơ đồ FEC và ARQ bằng cách cải thiện khả năng khôi phục lỗi trong gói thông qua truyền lại.
Lợi ích của tăng khả năng phục hồi lỗi
Trong khi Loại II giảm mức sử dụng băng thông, Loại I không yêu cầu lưu trữ các gói dữ liệu đã gửi trước đó ở đầu nhận. Bằng chứng nâng cao hiệu quả mạng với FEC: xét FEC để so sánh với ARQ thông qua PER trong mạng (Hình 2.7). Nút A sử dụng truyền tải điện PtARQ để gửi gói đến nút B, cách đó một khoảng dARQ.
Trong trường hợp điều khiển công suất truyền: Hình 2.7 (c), nút A vẫn sử dụng nút B làm bước nhảy tiếp theo, tức là. dFEC=dARQ. Tuy nhiên, khi sử dụng công suất truyền tải thấp hơn, tức là. PtFEC < PtARQ, SNR vẫn thấp hơn. Ngoài những ưu điểm này, các sơ đồ FEC và HARQ còn loại bỏ mức tiêu thụ năng lượng và độ trễ mã hóa/giải mã, giúp quá trình liên lạc kéo dài hơn.
Phần tiếp theo trình bày phân tích về “mô hình xuyên lớp” để thấy được ưu và nhược điểm của các tùy chọn này.
Phân tích mô hình lớp chéo
- Mô hình tham chiếu của WSN
- Khoảng cách bƣớc nhẩy dự kiến
- Phân tích năng lƣợng tiêu thụ dự kiến
- Phần tích độ trễ dự kiến
- Phân tích BER và PER
Cần xác định năng lượng thu được ở khoảng cách d tính từ nút phát Pr(d), cho theo công thức 2.8. Mức tiêu thụ năng lượng dự kiến được tính bằng cách xem xét nút j, như trong Hình 2.8. Mức tiêu thụ năng lượng dự kiến giữa nút i và nút j được ký hiệu là E[Ej], là hàm của γ và α.
Một nút có thể trở thành bước nhảy tiếp theo nếu giá trị SNR nhận được lớn hơn ngưỡng, mức tiêu thụ năng lượng dự kiến E[Ej], được tính theo công thức 2.15. Trong đó ETX là năng lượng tiêu thụ của nút truyền (nút i), ERX là năng lượng tiêu thụ của nút nhận (nút j) và Eneigh là năng lượng tiêu thụ của các nút lân cận. Ba giá trị tiêu thụ điện năng phụ thuộc vào sơ đồ kiểm soát lỗi và MAC được cài đặt trên mỗi nút.
Khi truy cập kênh truyền, mức tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào xác suất nhận thành công gói dữ liệu và gói điều khiển ở khoảng cách d(i, j) với giá trị SNR ψ. Tiêu thụ năng lượng của nút truyền: Theo đó, mức tiêu thụ năng lượng cho nút truyền ETX được tính theo công thức tương ứng với ARQ, FEC và HARQ. Hai thành phần cuối cùng trong ngoặc của ba công thức biểu thị mức tiêu thụ năng lượng có độ trễ cho CTS và ACK trong trường hợp lỗi gói.
Do đó, mục cuối cùng trong (2.17), Eneigh, là năng lượng tiêu thụ bởi các nút lân cận của nút truyền và nút nhận. Mức tiêu thụ điện năng và độ trễ này phụ thuộc vào PER trong giao tiếp.
So sánh các phƣơng án kiểm soát Lỗi trong WSN
Trong hình 2.10, năng lượng mà dòng điện tiêu thụ giảm khi giá trị ψTh giảm từ 15 dB. Tuy nhiên, mức tiêu thụ điện năng của ARQ tăng đáng kể khi ψTh giảm xuống dưới một giá trị nhất định, chẳng hạn như 5 dB. Do chất lượng kênh thấp nên việc truyền lại xảy ra, làm tăng mức tiêu thụ năng lượng trên mỗi bước nhảy.
Lưu ý: Đối với ARQ, đường cong tiêu thụ điện năng đạt cực đại và giảm khi ψth giảm. Trong hình 2.10, với mã FEC, khi chất lượng kênh tốt, nó sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn với ARQ do phải truyền các bit dư thừa và tốn chi phí giải mã, nhưng lại tiết kiệm năng lượng hơn với ψTh~2dB do khả năng phục hồi từ các lỗi . khả năng. Rõ ràng là năng lượng tiêu thụ trong HOPS với mã FEC bao gồm cả việc truyền quá mức và giải mã.
Để xác minh ảnh hưởng của năng lượng truyền đi (Pt) đến sơ đồ kiểm soát lỗi FEC, hãy xem xét ba mức điện áp: 0, -5 và -15 dBm. Khi giảm năng lượng truyền tải, hiệu quả sử dụng năng lượng của phương án FEC có thể được cải thiện (Hình 2.13 a) vì:. Tiêu thụ ít năng lượng hơn để truyền gói dữ liệu được mã hóa lâu hơn.
Khi lượng nhiễu của một nút giảm, số lượng nút lân cận có thể tiêu thụ năng lượng nhàn rỗi cũng giảm. Vì việc điều khiển công suất truyền không ảnh hưởng đến thời gian cần thiết để truyền một gói, ngược lại với việc tăng khoảng cách bước nhảy, tổng độ trễ phụ thuộc vào số bước nhảy.
BÀI TOÁN KIỂM SOÁT LỖI TRONG WSN
Vấn đề và giải pháp trong WSN
Bài toán so sánh giữa sửa lỗi và phát lại trong WSN
- Phát biểu bài toán
- Nhận định từ bài toán
- Giải quyết bài toán
Khi gửi gói tin ban đầu sẽ xảy ra 2 trường hợp là có lỗi và không có lỗi. Đối với gói được truyền lại tương ứng, có hai trường hợp xuất hiện như đối với lần truyền đầu tiên. Ở đây chúng ta sẽ chỉ đi sâu vào các yếu tố FEC ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu tổng thể.
Với dữ liệu chính xác từ bài toán trên, chúng ta thấy giải pháp kiểm soát lỗi FEC và ARQ với cùng tải trọng gói, cùng điều kiện truyền dẫn nhưng với FEC có khả năng khôi phục lỗi trực tiếp tại bộ thu tín hiệu, hiệu quả hơn ARQ rất nhiều. . Bằng chứng là thông qua tốc độ dữ liệu tổng thể cho ARQ chỉ là 64,8%. Như vậy có thể khẳng định rằng trong WSN, kế hoạch FEC hoàn toàn lấn át kế hoạch ARQ về mặt hiệu quả dữ liệu.
Tìm hiểu các đặc điểm lỗi chính mà WSN gặp phải, đó là lỗi một bit và lỗi hai bit. Mặt khác, đề xuất các phương án kiểm soát lỗi từ đơn giản đến phức tạp, với dữ liệu chính xác từ các thử nghiệm hoặc mô hình xen kẽ. , cung cấp sự so sánh công bằng giữa các tùy chọn kiểm soát lỗi. Để củng cố lý thuyết nêu ra, một bài toán cụ thể được giải quyết nhằm tăng tính thuyết phục khi so sánh hai phương án chính về kiểm soát lỗi trong mạng cảm biến không dây ARQ và FEC. Trong số các lựa chọn kiểm soát lỗi trong mạng cảm biến không dây, HARQ hoặc ARQ lai thực sự hiệu quả hơn FEC trong một số thử nghiệm.
Điều này cho thấy giải pháp HARQ có thể là một giải pháp rất tốt khi áp dụng cho WSN. Tuy nhiên, chỉ với một vấn đề so sánh ARQ và FEC thông qua tốc độ dữ liệu tổng thể thì không thể chứng minh đầy đủ sự thống trị của FEC trong WSN.