Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 1

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





TRẦN TRỌNG NGHĨA




NGHIÊN CỨU MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY








LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, 2012


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 2


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



TRẦN TRỌNG NGHĨA

NGHIÊN CỨU MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY



Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên Ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70




LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ
ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. VƯƠNG ĐẠO VY






Hà Nội - 2012


Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 4

MỤC LỤC
Danh mục các thuật ngữ 3
Danh mục các hình vẽ 5
Danh mục các bảng 6
Mở đầu 7
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11
1. Mạng cảm biến không dây 11
1.1. Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 11
1.2. Thách thức trong mạng cảm biến không dây 21
1.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 24
1.4. Kiến trúc và giao thức phân tầng mạng cảm biến không dây 25
2. Giới thiệu chuẩn không dây IEEE 802.15.4 30
2.1. Lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.15.4 30
2.2. Lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4 tại dải tần 2.4 GHz 32
3. Kết luận chương 34
CHƢƠNG 2.MÃ SỬA LỖI 35
1. Giới thiệu về hệ truyền tin 35
1.1. Mô hình hệ truyền tin 35
1.2. Phân loại kênh truyền 36
1.3. Hiệu suất kênh truyền 37
2. Mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây 37
2.1. Mã khối tuyến tính 38
2.2. Hội chứng lỗi và sửa lỗi 41
2.3. Khoảng cách tối thiểu của mã khối tuyến tính 45
2.4. Khả năng phát hiện lỗi và khả năng sửa lỗi của mã khối tuyến tính 45
2.5. Mã Hamming 47
2.6. Mã dịch vòng tuyến tính 50

3. Kết Luận Chương 55
CHƢƠNG 3.ÁP DỤNG MÃ SỬA LỖI - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 56
1. Đặc trưng lỗi trong mạng cảm biến không dây 56
2. Ứng dụng mã sửa lỗi trong việc khắc phục mẫu lỗi 1 bit, mẫu lỗi 2 bit 58
3. Hiệu quả kênh truyền khi áp dụng mã sửa lỗi 61
4. Kết luận Chương 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59









Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 5

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ

Chữ viết tắt
Chữ đầy đủ
Nghĩa tiếng Việt
WSNs
Wireless Sensor Networks
Mạng cảm biến không dây

GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
WINS
Wireless Integrated Network Sensors
Cảm biến mạng tích hợp không
dây
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
CSMA
Carrier Sense Multiple Access
Truy cập đường truyền có lắng
nghe sóng mang.
SPIN
Sensor protocols for information via
negotiation
Giao thức cho thông tin dữ liệu
thông qua đàm phán
LEACH
Low-energy adaptive clustering
hierarchy
Giao thức phân cấp theo cụm
thích ứng năng lượng thấp
PEGASIS
Power-efficient Gathering in Sensor

Information Systems
Tổng hợp năng lượng trong các
hệ thống thông tin cảm biến
GAF
Geographic adaptive fidelity
Giải thuật chính xác theo địa lý
GEAR
Geographic and Energy-Aware
Routing
Định tuyến theo vùng địa lý sử
dụng hiệu quả năng lượng
TEEN
Threshold sensitive Energy Efficient
sensor Network protocol
Giao thức hiệu quả về năng
lượng nhạy cảm với mức
ngưỡng
APTEEN
Adaptive Threshold sensitive Energy
Efficient sensor Network protocol
Giao thức hiệu quả về năng
lượng nhạy cảm với mức
ngưỡng thích ứng
SPEED
A Spatiotemporal Communication
Protocol for Wireless Sensor
Network
Giao thức truyền tin không
gian-thời gian cho mạng cảm
biến không dây

QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 6

SMP
Sensor Management Protocol
giao thúc quản lí mạng cảm
biến
TADAP
Task Assignment and Data
Advertisement Protocol
giao thức quảng bá dữ liệu và
chỉ định nhiệm vụ cho từng
sensor
SQDDP
Sensor Query and Data
Dissemination Protocol
giao thức phân phối dữ liệu và
truy vấn cảm biến
ADC
Analog-to-Digital Converter
Bộ chuyển đổi tương tự - Số
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy nhập môi
trường

ADV
Advertise
Bản tin quảng bá
REQ
Request
Bản tin yêu cầu
DS - SS
Directed-Sequence Spread Spectrum
Trải phổ tuần tự
BS
Base Station (Sink)
Trạm gốc
CH
Cluster Head
Nút chủ cụm
ECC
Error Correcting Code
Mã sửa lỗi
FEC
Forward Error Correction
Mã sửa lỗi chuyển tiếp
ARQ
Auto Repeat Request
Tự động yêu cầu phát lại

Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong quân sự[6] 12
Hình 1.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong chăm sóc sức khỏe[6] 15
Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây[6]. 23
Hình 1.4: Giao thức phân tầng trong mạng cảm biến không dây[6]. 24
Hình 1.5: Các dải tần vật lý trong chuẩn không dây IEEE 802.15.4[6]. 29
Hình 1.6: Mô hình mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4[6] 30
Hình 1.7: Điều chế trong lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4[4] 31
Hình 1.8: Các pha điều chế trong O-QPSK[4] 32
Hình 2.1: Mô hình hệ truyền tin[7]. 33
Hình 2.2: xác suất a) kênh truyền đối xứng nhị phân; b) kênh truyền nhị phân có
xóa[7] 34
Hình 2.3: Hai kiểu truyền giữa đầu phát và đầu thu[7] 35
Hình 2.4: Định dạng của một từ mã[7]. .37

Hình 2.5: Mạch điện tử mã hóa cho mã khối tuyến tính[7] 39
Hình 2.6: Mạch điện tử với hội chứng lỗi cho hệ thống mã hóa tuyến tính
(n,k)[7] 41
Hình 2.7 : Mạch điện mã hóa cho mã dịch vòng tuyến tính (n,k) với đa thức
sinh[7] 51
Hình 2.8: Mạch điện mã hóa cho mã dịch vòng tuyến tính dựa trên đa thức kiểm
lỗi h(X)=1+h
1
X+…+X
k
[7] .51
Hình 2.9: Mạch điện logic với n-k trạng thái lỗi[7] 52
Hình 3.1: Tỉ lệ mất gói khoảng cách[9] .55
Hình 3.2: Chiều dài khối lỗi [10]. 56
Hình 3.3: Ảnh hưởng lỗi bit dẫn đường lên tỉ lệ gói tin[10] 57
Hình 3.4: Cách chèn bit dư thừa trong mã Hamming 58
Hình 3.5: Giản đồ kênh truyền 56












Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây

2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế
ISM 27
Bảng 1.2: Dải tần số và tốc độ của lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4[6] 29
Bảng 1.3 : Ánh xạ các ký tự sang giá trị chip[4]. 31
Bảng 2.1 : Bảng từ mã Hamming (7,4,3). 46
Bảng 2.2: Bảng các giá trị của mẫu lỗi e 48
Bảng 2.3: Bảng giải mã cho mã dịch vòng tuyến tính (7,4) với đa thức sinh
g(X)=1+X+X
3
[7] 53





Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 9

MỞ ĐẦU
Trong quá trình phát triển khoa học, những cuộc các mạng về công nghệ đóng
một vai trò rất quan trọng, làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con
người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển ấy, những thay

đổi theo chiều hướng xấu, do chính tác động của con người đối với tự nhiên, đối
với môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động ngược trở lại; như ô nhiễm môi
trường, thay đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, v.v Áp dụng các công nghệ của
các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc
sống là yêu cầu cấp thiết nhằm đạt được chất lượng cuộc sống tốt hơn. Công
nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các công nghệ: kỹ thuật điện tử, tin
học và viễn thông, được ứng dụng rộng rãi phục vụ các nhu cầu, các mục đích
khác nhau của con người. Rất nhiều chuẩn công nghệ không dây ra đời: chuẩn
không dây IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, bluetooth, IEEE
802.15.4 trong đó các chuẩn không dây phù hợp với mức tiêu thụ năng lượng
thấp được chú trọng nghiên cứu và phát triển, giải quyết được nhiều vấn đề từ sự
tương tác giữa con người với tự nhiên.
Tuy nhiên quá trình truyền tin trong công nghệ mạng không dây luôn xảy ra
tình trạng lỗi, truyền sai thông tin do tác động nhiễu của môi trường. Trên cơ sở
đó các kỹ thuật sửa lỗi được nghiên cứu để phục vụ cho việc tối ưu kênh truyền,
tối ưu năng lượng, tăng độ tin cậy kênh truyền trong hệ thống mạng cảm biến
không dây. Với mục đích đó, em đã quyết định nghiên cứu và xây dựng luận văn
tốt nghiệp: “Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây ”.
Nội dung tìm hiểu của luận văn gồm 3 chương, trình bày các vấn đề sau:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây: Trong đó nêu rõ vai trò
phạm vi ứng dụng, cũng như những thách thức gặp phải. Chương 1 cũng tìm
hiểu các chức năng nhiệm vụ của từng phân lớp trong mô hình kiến trúc mạng,
đồng thời giới thiệu về chuẩn không dây thường được sử dụng trong mạng cảm
biến: chuẩn không dây IEEE 802.15.4.
Chương 2: Mã sữa lỗi
Chương 2 giới thiệu những kiến thức cơ bản về mô hình truyền tin, điều kiện
các kênh truyền, và các kỹ thuật sửa lỗi được sử dụng cho mạng truyền dữ liệu
nói chung và mạng không dây nói riêng. Chương này sẽ tập trung giới thiệu kỹ
thuật mã sửa lỗi chuyển tiếp, thường được sử dụng để sửa các mẫu lỗi đơn bit,

sửa các mẫu lỗi hai bit trong truyền dữ liệu. Trong đó, sẽ đi sâu tìm hiểu mã khối
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 10

tuyến tính, mã Hamming, mã dịch vòng được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật sửa
lỗi chuyển tiếp.
Chương 3: Áp dụng mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
Chương này sẽ khảo sát những tình huống lỗi đặc trưng của mạng cảm biến
không dây, đồng thời tính toán giải quyết bài toán sửa lỗi truyền dữ liệu trong
mạng cảm biến không dây; đánh giá hiệu quả các kỹ thuật sửa lỗi được áp dụng.
Với khuôn khổ và mục tiêu của đề tài khá rộng lớn, nhưng kinh nghiệm của
bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót.
Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn bè đồng
nghiệp để luận văn có thể hoàn thiện hơn.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Vƣơng Đạo Vy
đã định hướng, hướng dẫn, quan tâm giúp đỡ em trong quá trình thực hiện và
hoàn thành bản luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong
khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại Học Công Nghệ, đã hỗ trợ những kiến
thức quí báu.
Xin chân thành cảm ơn tất cả !

Hà Nội, ngày 12 tháng 05 năm 2012
Học viên



Trần Trọng Nghĩa

Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 11

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1. Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) là một mạng cảm biến,
tập hợp nhiều thiết bị cảm biến, sử dụng cách thức liên kết truyền tin không dây
(sóng vô tuyến,) để thực hiện kết nối các nút mạng với nhau. Các nút mạng cảm
biến thực hiện tương tác với môi trường tự nhiên, như giám sát các chỉ số môi
trường; cập nhật trạng thái của các sự kiện, hoặc các hiện tượng xảy ra trong môi
trường khác nhau. Môi trường tương tác có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh
học. Các thông số cần cập nhất thông qua mạng cảm biến thường là: nhiệt độ, độ
ẩm, hướng gió, cường độ sáng, cường độ rung, cường độ âm thanh, mức điện áp,
nồng độ hóa chất, mức độ ô nhiễm, hay các chức năng trên cơ thể sống.
Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng hoạt động độc lập, thực hiện
cảm biến, tương tác với môi trường, có khả năng điều khiển, đo lường các thông
số vật lý. Các nút mạng liên kết với nhau để hoàn thành tất cả các tác vụ, bởi nếu
một nút mạng hoạt động đơn lẻ thì không thể đảm nhận hết các nhiệm vụ: cảm

biến môi trường, xử lý, truyền tin Lý do chính phải sử dụng kết nối không dây
là hệ thống các mạng cảm biến thường được xây dựng từ hàng trăm đến hàng
nghìn nút mạng, nên việc đi dây cho từng nút mạng là không khả thi.
Mạng cảm biến không dây rất hữu ích, hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau trong
thế giới thực, trong đó lợi ích to lớn do mạng cảm biến không dây mang lại
chính là khả năng triển khai trên bất kỳ các loại địa hình, địa lý nào, ngay cả
trong những môi trường nguy hiểm, mà việc đi dây cho các nút mạng cảm biến
được không thể tiến hành được. Tính năng tự tổ chức, tự cấu hình, là tính năng
đặc trưng trên mỗi nút mạng, tăng khả năng mềm dẻo linh hoạt cho hệ thống
mạng cảm biến không dây. Vì thế, rất phù hợp khi phải triển khai mạng cảm biến
không dây cho những ứng dụng trong khu vực rộng lớn, đảm bảo khả năng xử
lý, tính toán hiệu quả cao. Từ sự trợ giúp của hệ thống mạng cảm biến không
dây, con người đã thực hiện nhiều mô hình tương tác, khám phá ra nhiều hiện
tượng, bản chất của các sự vật trong tự nhiên, mà trước đây chưa có điều kiện
tìm hiểu nghiên cứu.
1.1. Các ứng dụng mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Dựa vào những đặc điểm cơ bản của từng nút mạng, sự khác nhau trong vai trò,
nhiệm vụ, có thể phân chia các nút mạng trong mạng cảm biến không dây thành
những nút mạng chính như sau: nút mạng đóng vai trò nút mạng cảm biến, hoạt
động cảm biến môi trường và truyền dữ liệu; nút mạng đóng vai trò nút mạng
chuyển tiếp, cũng có thể gọi là nút mạng gốc, có nhiệm vụ điều khiển, nhận dữ
liệu và chuyển tiếp dữ liệu tới hệ thống xử lý. Dựa trên mối quan hệ, liên kết,
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 12

tương tác giữa các nút mạng, cho phép xây dựng các mô hình mạng cảm biến
phục vụ cho mục đích nghiên cứu hay nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống:

 Mô hình phát hiện sự kiện:
Khi các nút mạng cảm biến hoạt động, cảm biến tương tác với môi trường,
cập nhật về tần suất xuất hiện của một sự kiện cần theo dõi theo quy chuẩn,
sau đó xử lý và truyền thông tin tới các nút mạng nguồn, nút mạng nguồn tập
hợp các thông tin này từ nhiều nút mạng cảm biến, xử lý và chuyển tiếp
thông tin này về hệ thống xử lý cao hơn. Sự kiện có thể là một sự kiện đơn
giản do một nút mạng cảm biến đơn lẻ phát hiện hoặc có thể là một sự kiện
phức tạp, do nhiều nút cảm biến cùng đảm nhận
 Mô hình cập nhật, tính toán giá trị đo hoặc thông số môi trường:
Có những giá trị vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, có thể thay đổi từ giá trị này
sang giá trị khác. Mạng cảm biến sẽ thực hiện việc cảm biến, ghi nhận lại
những thay đổi giá trị và xấp xỉ hoặc tính gần đúng các biến đổi của giá trị
đo, thành những hàm toán học trong việc giới hạn mẫu đo tại các nút cảm
biến.
 Mô hình theo dõi những đối tượng di động:
Có nhiều nguồn sự kiện, đối tượng cần nghiên cứu có tính di động, vì vậy
việc nghiên cứu các sự kiện này là rất khó khăn. Mạng cảm biến không dây
có thể hỗ trợ cho hướng nghiên cứu này, cập nhật thông số đối tượng nghiên
cứu, kể cả khi các đối tượng di chuyển, và truyền dữ liệu về các nút mạng
nguồn. Trong mô hình này, các nút mạng cảm biến sẽ liên kết với nhau,
thường xuyên cập nhật kết quả trước khi gửi đến nút mạng nguồn.
Thông qua các mô hình ứng dụng của mạng cảm biến không dây, tùy theo mục
đích nghiên cứu khoa học, khám phá thế giới tự nhiên cho đến mục đích phục vụ
chất lượng cuộc sống con người, có thể lựa chọn mô hình phù hợp với từng ứng
dụng cụ thể. Có rất nhiều ứng dụng từ mạng cảm biến không dây đã được triển
khai trong dịch vụ chăm sóc sức khỏe tại các bệnh viện, phát triển hệ thống ngôi
nhà thông minh, hoặc là giảm thiểu những hy sinh của con người khi có chiến
tranh xảy ra
1.1.1. Ứng dụng trong quân sự
Mạng cảm biến không dây là một phần ứng dụng không thể thiếu trong các

hoạt động quân sự ngày nay, cho phép xây dựng các hệ thống quân sự hiện đại
(C4ISRT): phục vụ hệ thống chỉ huy quân sự; phục vụ hệ thống tính toán số liệu;
thu thập tin tức tình báo, liên lạc, thiết lập vùng theo dõi, trinh sát và xác định
mục tiêu. Nhờ đặc tính triển khai nhanh chóng, có khả năng tự tổ chức, tự cấu
hình, nên mạng cảm biến rất phù hợp với nhiều hoạt động trong môi trường
squân sự. Có nhiều lợi ích khi áp dụng mạng cảm biến không dây, nổi bật nhất là
triển khai mạng với mật độ nút mạng cao, rất nhiều nút mạng trên một diện tích,
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 13

giá rẻ, chỉ sử dụng một lần, cho dù bị phía đối địch phá huỷ một phần các nút
mạng cảm biến cũng không ảnh hưởng tới hoạt động chung của mạng. Triển
khai với mật độ cao giúp tăng cường mục tiêu tiếp cận chiến trường, thuận tiện
cho việc đánh giá tình hình, ra lệnh chỉ huy kịp thời, nhanh chóng với những
thay đổi trên chiến trường. Các ứng dụng mạng cảm biến không dây đã được
triển khai trong lĩnh vực quân sự thường là các ứng dụng trong kiểm tra lực
lượng, trong kiểm tra trang bị khí tài quân sự, giám sát tình hình chiến trường,
trinh sát vùng đóng quân và lực lượng địch, xác định mục tiêu cần tiêu diệt, phát
hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân (NCB).
 Ứng dụng kiểm tra lực lượng, trang bị khí tài quân sự:
Các nhà lãnh đạo trung ương và các chỉ huy ở chiến trường có thể kiểm tra
thường xuyên tình trạng của quân lính, điều kiện và khả năng sẵn sàng chiến
đấu của các trang bị, khí tài quân sự trên các chiến trường chính. Khi đó mỗi
người lính, phương tiện chiến tranh, trang bị khí tài quân sự đều được gắn
một cảm biến, thông tin về tình hình, trạng thái sẽ được các nút mạng này cập
nhật thường xuyên. Các cập nhật này được tập hợp tại một nút nguồn và
được gửi tới người chỉ huy chính, hoặc hệ thống xử lý có thẩm quyền. Các số
liệu này có thể được chuyển tiếp tới các bộ phận chỉ huy cấp cao hơn cùng

với các số liệu từ các đơn vị khác.
 Ứng dụng theo dõi chiến trường :
Tại các vùng có vị trí chiến lược quan trọng: các tuyến tiếp cận, các con
đường và eo biển, triển khai mạng cảm biến không dây có thể theo dõi hoạt
động của đối phương một cách rõ ràng, bí mật. Trên bản đồ thao tác chiến
trường, thông tin từ những vị trí chiến lược được các nút mạng cảm biến cập
nhật thường xuyên, giúp cho việc theo dõi tình hình chiến sự được chính xác,
kịp thời đưa ra chiến sách đúng.
 Ứng dụng trinh sát lực lượng đối phương:
Khi các cảm biến không dây được triển khai tại các vùng chiến lược, sẽ thu
thập thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và kịp thời về tình hình phía địch rất
nhanh chóng trong một vài phút trước khi bị đối phương ngăn chặn, phá hủy.
 Ứng dụng xác định mục tiêu:
Mạng cảm biến có thể được kết hợp chặt chẽ với các hệ thống hướng đạo
trong các quân trang thông minh để xác định mục tiêu quân sự chính xác.
 Ứng dụng đánh giá thiệt hại của trận đánh:
Ngay trước hoặc sau khi tấn công diễn ra, các cảm biến có thể được triển
khai trong vùng mục tiêu, từ các số liệu tổng hợp có thể đánh giá thiệt hại
trận chiến một cách nhanh chóng.
 Ứng dụng trinh sát, phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân:
Trong các cuộc chiến tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và
kịp thời các tác nhân chính của vũ khí sinh hóa được sử dụng là điều rất quan
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 14

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

cảnh báo cho người lính được biết, nhằm trang bị các khí tài phòng độc trước
khi vào chiến trường. Mạng cảm biến còn được dùng để giám sát các vùng
sau khi xảy ra các cuộc tấn công sinh, hóa và hạt nhân. Với mạng cảm biến
không dây có thể thu thập được những thông tin trinh sát về vũ khí hạt nhân,
vũ khí hóa học chính xác mà không phải đưa các đội trinh sát vào vùng bức
xạ nguy hiểm, gây ra thương vong về con người.


Hình 1.1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong quân sự[6]
 Ứng dụng triển khai hệ thống chiến tranh thông minh:
Mạng cảm biến có thể được triển khai trên xe không người lái, xe tăng, máy
bay chiến đấu, tàu ngầm, tên lửa hoặc ngư lôi, đưa ra hướng dẫn, chỉ đường
cho chúng tiến tới mục tiêu, đồng thời phối hợp cùng với các thiết bị quân sự
khác để tham gia tấn công hoặc phòng thủ theo chiến lược
1.1.2. Ứng dụng giám sát môi trường
Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự
di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi
trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới nông nghiệp;
các công cụ vệ tinh cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các
hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi
trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và
địa lý; phát hiện lũ lụt, động đất; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và
nghiên cứu ô nhiễm .
 Ứng dụng cảnh báo, phát hiện cháy rừng:
Các nút cảm biến có thể triển khai dày đặc, tự do ở các vị trí cần thiết nên
chúng có thể cung cấp tin tức chính xác về nhiệt độ thu được so với ngưỡng
báo động tại những khu vực có nguy cơ cháy rừng cao và đưa ra cảnh báo về
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 15

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

liệu trung tâm, để phân tích, đánh giá và đưa ra cảnh báo phù hợp.
 Ứng dụng trong nông nghiệp:
Ứng dụng cơ bản của việc sử dụng mạng cảm biến không dây trong nông
nghiệp là xây dựng một lối canh tác thông minh. Trong canh tác nông nghiệp
quan trọng nhất là nguồn nước tưới. Các trang trại trồng trọt và các trang trại
chăn nuôi lớn có thể có diện tích canh tác vượt quá vài hecta, trên diện tích
lớn như vậy chỉ có một vài phần diện tích nhận được lượng mưa, các phần
diện tích còn lại chỉ có mưa ít hoặc không nhận được mưa. Nguồn nước tưới
cần phải tiết kiệm và cung cấp vừa đủ cho cây trồng, vì vậy quan trọng cần
phải biết được các cánh đồng nào đã nhận được lượng nước tưới đầy đủ,
những cánh đồng nào không nhận được mưa thì cần phải được tưới thêm
nước. Triển khai mạng cảm biến không dây sẽ thu thập các số liệu cần thiết
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 16

về cảm biến lượng nước, các thông số sinh hóa khác trên các cánh đồng, từ
đó thiết lập việc tưới nước tự động một cách phù hợp.
Mạng cảm biến không dây cũng được áp dụng đo lường độ ẩm của đất, về
các thông số hoá học và sinh học trong đất nông nghiệp. Dữ liệu thu thập này
giúp cho người nông dân có cái nhìn sinh động, đầy đủ về độ ẩm của đất
trồng; nhiệt độ trên diện tích canh tác của mình, từ đó lựa chọn các phương
thức chăm sóc phù hợp, khi nào cần sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, và
phân bón; tỉ lệ chiếu sáng từ mặt trời; và nhiều con số khác. Kiểu ứng dụng
này rất quan trọng, đặc biệt trong các vườn nho, nơi mà những thay đổi môi
trường nhạy cảm có thể ảnh hưởng lớn đến giá trị vụ mùa, chất lượng nho
Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các
trang trại chăn nuôi. Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến
trong quá trình xác định vị trí của vật nuôi trong trang trại, các cảm biến được

gắn theo mỗi vật nuôi, từ các thông số cập nhật được về chỉ số sinh hóa trên
vật nuôi, sẽ giúp cho người chăn nuôi có các biện pháp, kỹ thuật phù hợp
như điều trị phòng chống các động vật ký sinh trên mỗi vật nuôi, tăng hay
giảm lượng thức ăn cho phù hợp. Người chăn nuôi lợn hoặc chăn nuôi gà sử
dụng mạng cảm biến không dây để theo dõi thông số chuồng nuôi thoáng
mát, thoáng khí. Nhờ mạng cảm biến không dây có thể giám sát nhiệt độ
khắp chuồng nuôi, giữ cho an toàn cho đàn.
1.1.3. Ứng dụng trong dịch vụ y tế chăm sóc sức khỏe
Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả
năng giao tiếp chăm sóc với người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân,
chẩn đoán, quản lý dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ
chế sinh học bên trong của các loại động vật tham gia trong những thử nghiệm
thuốc mới; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các
bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.
 Ứng dụng kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý bệnh nhân:
Các số liệu về sinh lý được thu thập bằng mạng cảm biến có thể được lưu trữ
trong thời gian dài và có thể được sử dụng để làm tư liệu y học. Mạng cảm
biến còn được sử dụng để kiểm tra và phát hiện tình trạng hiện thời của người
cao tuổi như khi bị đột quỵ, bệnh nan y. Dựa trên các nút cảm biến nhỏ này
được gắn vào bệnh nhân cho phép các đối tượng đang được điều trị có thể di
chuyển tự do trong phạm vi rộng và các bác sĩ có thể không cần ở bên cạnh,
nhưng vẫn có thể phát hiện các hội chứng dấu hiệu bệnh để ra phương án,
phác đồ điều trị phù hợp. Các mạng cảm biến này tạo thuận lợi hơn cho các
bệnh nhân so với việc phải đến các trung tâm, các bệnh viện và phải điều trị
trong thời gian dài. Một hệ thống có tên là “Health Smart Home” được tổ
chức tại khoa y học của Grenoble – France đã được đánh giá, công nhận,
triền khai trên nhiều bệnh viện, trung tâm y tế.
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 17

 Ứng dụng giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện:
Mỗi bệnh nhân có các nút cảm biến nhỏ và nhẹ được gắn với họ. Mỗi nút
cảm biến có một nhiệm vụ riêng. Ví dụ, một nút có thể theo dõi nhịp tim,
trong khi một nút khác theo dõi huyết áp. Các bác sĩ cũng có thể mang theo
các nút cảm biến để các bác sĩ khác biết được vị trí của họ trong bệnh viện.

Hình 1.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong chăm sóc sức
khỏe[6]
 Ứng dụng quản lý dược phẩm trong bệnh viện:
Các bệnh nhân được gắn các nút cảm biến có thể nhận biết các dị ứng thuốc
và các dược phẩm cần thiết. Như vậy, có thể giảm tối đa các sai sót trong
việc kê đơn thuốc và sử dụng thuốc của bệnh nhân
1.1.4. Ứng dụng trong phát triển ngôi nhà thông minh
Ngôi nhà thông minh là không gian ứng dụng rất lớn đối với mạng cảm biến
không dây. Nhiều ứng dụng công nghiệp được mô tả cũng có thể áp dụng trong
ngôi nhà thông minh. Chẳng hạn như một hệ thống điều nhiệt, điều hòa không
khí (HVAC) được trang bị với các bộ ổn nhiệt và chống rung không dây có thể
bảo vệ các căn phòng dưới ánh nắng mặt trời. Hoặc áp dụng các hệ thống điều
khiển chiếu sáng thông minh cho gia đình, mang đến sự tiện nghi, tự động hóa,
tiết kiệm.
 Ứng dụng kết hợp với các thiết bị cầm tay thông minh
Mọi ứng dụng cảm biến đều được điều khiển chung từ xa, từ các thiết bị hỗ
trợ cá nhân thông minh PDA, thông qua hệ thống mạng cảm biến không dây,
không chỉ điều khiển TV, đầu đĩa DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện
tử gia đình khác mà còn điều khiển các bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ
khoá, khi được trang bị, kết nối với mạng cảm biến không dây. Hấp dẫn nhất
đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ cùng được điều khiển thông qua mạng cảm
biến không dây, giống như các cánh cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc

có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi có một cuộc gọi đến trên
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 18

máy điện thoại hoặc chuông cửa kêu. Kết hợp chiếc cân và máy tính cá nhân
thông qua một mạng cảm biến không dây, sức nặng của một vật có thể được
tự động ghi lại không cần phải sử dụng sức lao động để kiểm tra.
 Ứng dụng khác giám sát việc sử dụng nước.
Hệ thống giám sát nguồn nước giúp cho việc sử dụng nước một cách tiết
kiệm. Các nhà máy nước thông qua hệ các bộ cảm biến đặt tại đường ống
nước mỗi gia đình có thể thu thập thông tin về lượng nước sử dụng tại gia
đình đó, vượt hay không vượt hạn mức sử dụng mà không phải mất công sức
đi đến tận nơi để ghi lại.
 Ứng dụng tự động hóa cho ngôi nhà thông minh
Triển khai ngôi nhà thông minh với bộ mở rộng điều khiển RKE (Remote
Keyless Entry) được lắp đặt . Thông qua các mạng cảm biến không dây với
các cảm biến được triển khai, các ổ khoá không dây, cảm biến cửa ra vào và
cửa sổ, và các bộ điều khiển bóng đèn không dây. Khi bấm nút điều khiển,
thực hiện khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các bóng
đèn trong nhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các bóng đèn an toàn ngoài
nhà, chuyển chế độ cho bộ điều khiển điều nhiệt và không khí sang chế độ
“nghỉ”. Người sử dụng nhận một tiếng beep một lần hồi đáp, thể hiện tất cả
các yêu cầu đã thực hiện thành công, và ngôi nhà như “nghỉ ngơi” hoàn toàn.
Khi một cánh cửa hỏng không thể mở, hoặc vấn đề phát sinh, một màn hình
hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng. Mạng cảm biến không dây thậm trí
có thể tích hợp với một hệ thống an ninh gia đình đầy đủ để phát hiện một
cửa sổ bị gãy hoặc chỗ hỏng khác.
Bên ngoài ngôi nhà, khả năng so sánh, định vị theo vị trí thực khi sử dụng

các mạng cảm biến không dây rất phù hợp cho các các hoạt động liên quan
tới người tiêu dùng, bao gồm đi du lịch và đi mua sắm. Trong các ứng dụng
này, quá trình định vị có thể được sử dụng để cung cấp thông tin theo ngữ
cảnh cụ thể đến người tiêu dùng. Trong trường hợp của người hướng dẫn
viên du lịch, người sử dụng chỉ được cung câp thông tin liên quan đến quang
cảnh hiện tại, trong trường hợp của nhân viên bán bán hàng, người sử dụng
được cung cấp thông tin liên quan đến sản phẩm trước mặt. bao gồm các
khoản mua bán và khấu hao đặc biệt.
1.1.5. Ứng dụng giám sát và điều khiển công nghiệp
Trong công nghiệp ứng dụng của mạng cảm biến có dây đã được sử dụng từ
lâu, sử dụng trong điều khiển công nghiệp, tính tự động hóa, Tuy nhiên chi phí
vận hành cũng như giới hạn của các ứng dụng này đã hạn chế sự phát triển của
chúng. Thêm vào đó, đối với một hệ thống cảm biến có dây đã được triển khai,
chi phí nâng cấp hệ thống xấp xỉ bằng chi phí cho việc triển khai hệ thống mới.
Ngoài ra để vận hành, quản trị, giám sát hệ thống này phải yêu cầu người có kinh
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 19

nghiệm, sử dụng các thiết bị cầm tay kết nối với hệ thống, dựa trên thông tin
giám sát tại phòng trung tâm để phân tích. So với mạng cảm biến có dây trong
trường hợp này thì mạng cảm biến không dây có những lợi ích: dễ dàng triển
khai, tính chi tiết và độ chính xác cao
 Ứng dụng điều khiển ánh sáng quảng cáo.
Rất nhiều chi phí trong quá trình lắp đặt các bóng đèn chiếu sáng trong các
toà nhà lớn, và cũng liên quan đến việc điều khiển hệ thống chiếu sáng này
sao cho phù hợp – sửu dụng hệ thống điều khiển toàn bộ bóng đèn chiếu sáng
này với yêu cầu các bóng đèn được điều khiển bật và tắt cùng nhau, nhịp
nhàng, sử dụng ánh sáng tiết kiệm mà vẫn gây được ấn tượng quảng cáo tối

đa. Một hệ thống cảm biến không dây có tính mềm dẻo kết hợp với bộ điều
khiển từ thiết bị cầm tay, được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng
đèn theo nhiều cách khác nhau, trong khi vẫn đảm bảo mức độ ánh sáng phù
hợp cho những quảng cáo chuyên nghiệp.
 Ứng dụng quản lý an toàn công nghiệp.
Các mạng cảm biến không dây có thể phát hiện sự hiện diện của các chất độc
hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc
phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm
trọng có xảy ra (và trước khi các chất độc này vượt ra ngoài vùng kiểm soát).
Nhờ khả năng triển khai linh hoạt, với khả năng phân tán, tự cấu hình và tự
duy trì, nên mạng cảm biến không dây có thể triển khai ở những nơi có địa
hình phức tạp, những khu vực có các điều kiện ngặt nghèo về môi trường làm
việc trong những nhà máy quy mô lớn, đảm bảo điều kiện an toàn lao động.
 Ứng dụng giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động
Trong các ứng dụng dụng giám sát và điều khiển cơ cấu quay, các cảm biến
có dây và các bộ truyền động thường không thực hiện được, điều rất quan
trọng để giám sát nhiệt độ, dao động, dòng bôi trơn, của các thành phần trục
quay của các máy để tối ưu hoá thời gian giữa các chu kỳ bảo trì, khi máy
phải được giữ ở chế độ nghỉ. Để làm được điều này, quan trọng là hệ thống
cảm biến không dây có khả năng thực hiện đánh giá trong khoảng thời gian
nghỉ hoặc giữa các chu kỳ bảo trì, với yêu cầu mức năng lượng rất thấp.
 Ứng dụng trong hệ thống điều nhiệt và không khí (HVAC) trong các toà
nhà.
Các hệ thống điều nhiệt và không khí cổ điển được điều khiển thông qua một
số lượng nhỏ các máy ổn nhiệt và máy điều hòa (độ ẩm, tạo gió). Số lượng
các máy ổn nhiệt và điều hòa này bị giới hạn, vì để xây dựng hệ thống điều
nhiệt và không khí trên những thiết bị này phải đi dây cho những cảm biến.
Thêm vào đó, các bộ điều khiển không khí và chống rung được điều khiển
trực tiếp trong môi trường phạm vi phòng cũng phải đi dây, điều này dẫn đến
ứng dụng từ mạng cảm biến có dây điều khiển hệ thống điều nhiệt và không

Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 20

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

kết hợp bộ chống rung điều khiển thay đổi toàn bộ thân nhiệt toà nhà.
Hệ thống cảm biến điều nhiệt và không khí không dây cũng có thể đáp ứng
một trong những vấn đề: Cân bằng nhiệt ấm và tình trạng không khí. Với
trường hợp mà các nguồn nhiệt được phân tán không đều nhau. Trong ngôi
nhà, khu vực nhà bếp có khuynh hướng ấm hơn, bởi vì nhiệt độ của bếp nấu
ăn, trong khi các khu vực phòng ngủ có khuynh hướng lạnh hơn. Vào mùa
đông, không khí ấm hơn yêu cầu được tăng cường đến khu vực phòng ngủ,
nơi mà không khí lạnh hơn, và nguồn không khí mát yêu cầu được gửi đến
khu vực nhà bếp, nơi không khí ấm hơn. Trong mùa hè, ngược lại – không
khí lạnh yêu cầu được gửi đến nhà bếp, nơi mà không khí nóng, và không khí
ấm yêu cầu được gửi đến phòng ngủ, nơi mà không khí lạnh hơn. Sự khác
biệt này giữa các quá trình phân tán không khí của nhiệt ấm và tình trạng
không khí là một vấn đề khó và có chi phí cao khi triển khai hệ thống điều
khiển có dây, bởi vì một bộ chống rung âm lượng đến mỗi phòng trong căn
nhà phải được điều khiển độc lập. Với các cảm biến và các thiết bị điều khiển
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 21

không dây trong hệ thống điều nhiệt và không khí, sẽ giải quyết vấn đề này
ổn thỏa về mặt công nghệ và chi phí.
1.2. Thách thức trong mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây có rất nhiều vấn đề, thách thức thu hút sự nghiên cứu
của các nhà khoa học.
1.2.1. Vấn đề năng lượng
Khó khăn đầu tiên nhất là vấn đề cấp nguồn hoạt động cho các nút mạng
trong mạng cảm biến không dây, vì các nút mạng có sự hạn chế về cấp nguồn.
Thông thường các nút mạng sử dụng kỹ thuật cấp nguồn truyền thống, sử dụng
pin, và để cấp nguồn liên tục thì pin phải được sạc hoặc thay mới. Đối với một

số ứng dụng có thể loại bỏ nút mạng cảm biến khi hết năng lượng, hoặc muốn sử
dụng tiếp phải thay thế pin. Chiều dài của nhiệm vụ tùy thuộc vào mục đích của
ứng dụng. Chẳng hạn đối với ứng dụng nghiên cứu chuyển động băng trôi cần
những nút mạng có thể hoạt động trong nhiều năm, còn đối với ứng dụng quân
sự trong các kịch bản chiến trường các nút mạng chỉ cần hoạt động trong vài giờ
hoặc vài ngày.
Kết quả thách thức đầu tiên và thường là quan trọng nhất cho mạng cảm biến
không dây là thiết kế sử dụng năng lượng sao cho hiệu quả. Nhiều giải pháp đã
được nghiên cứu, chẳng hạn thiết kế lớp vật lý của nút mạng cảm biến có thể ảnh
hưởng đến công suất tiêu thụ trên toàn bộ nút mạng hoặc các phân lớp cao hơn.
Lớp điều khiển truy cập thường chịu trách nhiệm điều khiển các nút cảm biến
truy cập vào kênh truyền không dây. Rắc rối sẽ nảy sinh khi các nút mạng cố
gắng truy cập vào kênh truyền, khi đó đụng độ sẽ xảy ra và lớp điều khiển truy
cập phải giải quyết và đảm bảo việc truyền thông tin trên kênh truyền luôn
thành công. Nút mạng sẽ tốn nhiều năng lượng để lắng nghe lớp điều khiển truy
cập để đảm bảo không gói tin nào truyền lỗi, thêm vào đó cũng tốn năng lượng
để phục hồi truyền tin từ những nút mạng khi xảy ra đụng độ. Vì vậy một số giao
thức điều khiển truy cập của mạng cảm biến không dây phải loại bỏ được những
đụng độ từ các nút mạng, cho phép các nút mạng chuyển sang chế độ nghỉ,
không phát sóng vô tuyến khi không thực hiện truyền thông tin.
Lớp mạng trong mạng cảm biến không dây chịu trách nhiệm xác định đường đi
ngắn nhất cho các nút mạng cảm biến đến nút mạng nguồn, với những yêu cầu
đặc trưng về định tuyến: chiều dài, công suất cho các nút mạng thực hiện chức
năng chuyển tiếp (relay) trong mô hình truyền đa đường.
Bên cạnh các giải pháp tiết kiệm năng lượng trên những giao thức truyền có thể
loại những năng lượng vô ích trên thiết kế phần cứng nút mạng, giảm những tác
vụ chuyển đổi không cần thiết, các cơ chế bảo mật đảm bảo cân bằng giữa
việc tính toán dữ liệu cảm biến và truyền thông.
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 22

1.2.2. Đảm bảo chi phí sản xuất thấp
Mạng cảm biến không dây thường bao gồm một số lượng lớn các nút cảm
biến nên chi phí sản xuất một nút mạng rất quan trọng, ảnh hưởng đến giá thành
toàn mạng. Nếu chi phí của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến
truyền thống thì mạng cảm biến là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành
một nút mạng cảm biến cần phải giữ ở mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của
một nút cảm biến phải thấp hơn 1 USD thì triển khai mạng mới có thể thực hiện
được. Các nút cảm biến ngoài các thành phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng,
hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý, nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các
thành phần khác để có khả năng xác định vị trí, hoặc hỗ trợ tính di động, tái tạo
năng lượng, tuỳ theo từng ứng dụng cụ thể. Do đó, chi phí sản xuất trở thành
một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá thành
thấp hơn 1 USD.
1.2.3. Tích hợp hệ thống định vị
Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, như: các thẻ
hành lý không dây, hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng có khả
năng định vị, chính xác cao khi các các tàu hàng ở bất kỳ đâu trên thế giới. Hơn
nữa, để giám sát tất cả chu trình sản phẩm, trong quá trình đóng gói, vận chuyển
với mạng cảm biến không dây thì các sản phẩm có thể được nhúng các nút mạng
cảm biến, liên kết được về trung tâm, đảm bảo quá trình hoạt động rộng khắp
trên toàn cầu của sản phẩm. Theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử dụng
bởi việc tích hợp bộ thu nhận định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System)
hoặc GLONASS (Global Navigation Satellite System) trên mỗi nút mạng, và
hiển thị vị trí sản phẩm theo nút mạng. Tuy nhiên thách thức này vướng phải quy
định riêng tại mỗi quốc gia trong việc xây dựng một tiêu chuẩn về thiết kết
chung về không dây, áp dụng mạng cảm biến không dây.
1.2.4. Kiểu mạng triển khai

Đối với kiểu mạng hình sao, thông thường sử dụng một thiết bị đóng vai
trò chủ (master) và một hoặc nhiều thiết bị đóng vai trò phụ (slave) có thể thoả
mãn nhiều ứng dụng trong phạm vi ngắn. Bởi vì công suất truyền của các thiết bị
mạng bị giới hạn, phụ thuộc thời gian sống của pin, thiết kết mạng kiểu này sẽ
phụ thuộc bộ nhớ và khả năng xử lý của nút mạng chủ và hoạt động trong phạm
vi ngắn. Đối với kiểu mạng đa đường (kiểu mạng lưới mesh hoặc kiểu chùm
cluster), bộ nhớ tăng và khả năng tính toán cho các bảng hoặc thuật toán định
tuyến, với điều kiện công suất sử dụng thấp. Kiểu mạng này đáp ứng cho nhiều
ứng dụng ở khoảng cách lớn, mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>256 nút);
mật độ nút mạng cao.
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 23

1.2.5. Bảo mật
Mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào mức năng lượng, khả năng tính
toán và môi trường truyền thông. Ngược lại trong các mạng cảm biến truyền
thống các nút mạng thường được triển khai trong những khu vực không có bảo
vệ nên phải đối mặt với những cuộc “tấn công”. Đối với mạng cảm biến không
dây có nhiều thách thức về chế độ bảo mật, khả năng xác thực, chống các cuộc
tấn công từ chối dịch vụ, định tuyến an toàn Hệ thống muốn an toàn, thì vấn đề
an ninh phải được xem xét tích hợp vào mỗi thành phần kể cả những thành phần
tưởng chừng như không cần bảo mật. Chẳng hạn khi xảy ra cuộc tấn công gây
nhiễu, tín hiệu với mức năng lượng cao được sử dụng để ngăn chặn việc truyền
thông giữa nhiều nút mạng. Hậu quả có thể rất nghiêm trọng phụ thuộc vào kiểu
ứng dụng, có thể gây ra tắc nghẽn toàn bộ. Ngoài ra thách thức về nghe trộm và
giả mạo trên truyền thông không dây cũng là vấn đề cần nghiên cứu kỹ lưỡng.
1.2.6. Khả năng mềm dẻo, linh hoạt
Số lượng các nút cảm biến được triển khai có thể lên đến hàng trăm đến

hàng nghìn nút mạng. Phụ thuộc vào tính chất ứng dụng có thể gia tăng số lượng
nút cảm biến lên đến con số hàng triệu. Vì vậy yêu cầu đặt ra là xây dựng mô
hình hoạt động có tính linh hoạt và mềm dẻo có thể tăng số lượng nút mạng lớn
nhưng giữ nguyên tính chất về mật độ nút mạng. Mật độ nút mạng có thể có
khoảng vài nút mạng cho đến hàng trăm nút mạng. Chẳng hạn trong ứng dụng
đánh giá môi trường giám sát mật độ nút mạng từ 25 đến 100 nút mạng trên một
khu vực. Còn trong ứng dụng theo dõi lưu lượng xe có khoảng 20 nút mạng trên
m
3
.
1.2.7. Thách thức về thiết kế
Trong khi khả năng xử lý tính toán của hệ thống truyền thống ngày càng
tăng thì mục tiêu chính của mạng cảm biến không dây là tạo những nút mạng
ngày càng nhỏ hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn. Yêu cầu về tốc độ xử lý cho những
ứng dụng chuyên dụng với mức công suất thấp, các nút cảm biến có các thành
phần không đổi so với cách đây mấy thập kỷ, về tốc độ xử lý, khả năng lưu trữ.
Yếu tố kích thước nhỏ, mức công suất thấp đã loại bỏ những thành phần không
mong muốn như: bộ định vị GPS. Những hạn chế này cùng với những yêu cầu
riêng sẽ ảnh hưởng đến thiết kế nút mạng ở các mức độ khác nhau. Tuy nhiên
điều này mở ra hướng đi mới về việc thiết kế các hệ điều hành nhỏ cho nút mạng
cảm biến. Ảnh hưởng rõ rệt từ phần cứng nhỏ của các nút mạng cảm biến là khả
năng xây dựng bảng định tuyến, hay thực thi các thuật toán. Với phần cứng nhỏ
gọn của nút cảm biến sẽ đưa ra thách thức về việc xây dựng các kiến trúc phần
mềm phù hợp
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 24

1.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

1.3.1. Kích thước vật lý nhỏ
Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất
tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của nút mạng cơ sở.
Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ
và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng
phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.
Chẳng hạn nút mạng do hãng TelosB sản xuất sử dụng pin 2AA một bộ vi điều
khiển 8 MHz và bộ nhớ RAM 10kB, phát sóng theo chuẩn IEEE 802.15.4. Ngoài
ra còn được tích hợp thêm kết nối USB các bộ cảm biến về ánh sáng, độ ẩm hay
nhiệt độ.
1.3.2. Hoạt động đồng thời
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm
biến, xử lý thông tin và truyền các luồng thông tin này với khối lượng xử lý thấp,
gồm các hoạt động: nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Thông tin
cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và
truyền lên mạng, hoặc dữ liệu có thể được nút cảm biến nhận từ các nút cảm biến
khác và được chuyển tiếp, hướng tới nút mạng nguồn thông qua định tuyến đa
liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối
lượng lớn dữ liệu giữa luồng thông tin vào, với luồng thông tin ra là không khả
thi. Hơn nữa, mỗi luồng thông tin lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức
thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo
dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều
công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
1.3.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển
Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự
tinh vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn
nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động
(actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển
chip đơn. Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân
tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được

liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất,
khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ
quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp
1.3.4. Tính đa dạng trong thiết kế
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho
ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó.
Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 25

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

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

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây [6]
Giao thức phân tầng được sử dụng cho cấu trúc mạng cảm biến không
dây. Giao thức phân tầng phối hợp tính toán về vấn đề định tuyến, năng lượng
kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin tin cậy, tăng hiệu quả sử dụng
năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự liên kết giữa các
Nghiên cứu mã sửa lỗi trong mạng cảm biến không dây
2012

Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 26

nút mạng. Giao thức phân tầng bao gồm: lớp ứng dụng (Application Layer), lớp
giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu
(Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt phẳng quản lý năng lượng
(Power Management Plane), mặt phẳng quản lý di động (Mobility Management
Plane) và mặt phẳng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane).

Hình 1.4: Giao thức phân tầng trong mạng cảm biến không dây [6]
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây
dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi
các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định
tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút
cảm biến có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng
lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá tới các nút lân cận. Lớp

vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng
mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ
điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các
nút cảm biến. Các mặt phẳng này giúp cho các nút cảm biến có thể phối hợp
trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ.
Mặt phẳng quản lý năng lượng, quản lý việc một nút cảm biến sử dụng
năng lượng như thế nào. Chẳng hạn, nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau
khi nhận một bản tin từ một trong các nút lân cận. Điều này có thể tránh được
việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của nút cảm biến
thấp, nút cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lượng
thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản
tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến.
Mặt phẳng quản lý di động, dò tìm và ghi lại chuyển động của nút cảm
biến, vì thế một tuyến đường hướng tới nút user luôn được duy trì và các nút
cảm biến có thể theo dõi được các nút cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được
các nút cảm biến lân cận, nút cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng
lượng sử dụng.