Ứng dụng mã sửa lỗi cho mạng cảm biến không dây

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................ 1
1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây ........................................................ 1
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến ................................................................................ 1
1.3. Các thông số đánh giá hệ thống mạng cảm biến không dây ........................... 3
1.4. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ....................................................... 5
1.5. Kiến trúc giao thức mạng .............................................................................. 6
1.6. Các hiệu ứng trên kênh truyền của mạng cảm biến không dây ....................... 7
1.6.1. Suy hao ................................................................................................... 7
1.6.2. Hiệu ứng đa đường .................................................................................. 8
1.6.3. Nhiễu và tạp âm ...................................................................................... 8
1.7. Thách thức của mạng cảm biến không dây .................................................... 9
1.8. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây .................................................... 10
1.9. Kết luận chương .......................................................................................... 14
CHƯƠNG 2: MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..... 15
2.1. Mã CRC ...................................................................................................... 15
2.1.1. Giới thiệu .............................................................................................. 15
2.1.2. Cơ chế ................................................................................................... 15
2.2. Mã Hamming .............................................................................................. 25
2.3. Mã Reed-Solomon ....................................................................................... 27
2.3.1. Xác suất lỗi của mã RS.......................................................................... 29
2.3.2. Mã hoá Reed-Solomon .......................................................................... 30
2.3.3. Giải mã Reed-Solomon ......................................................................... 32


2.4. Kết luận chương .......................................................................................... 39

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HOÁ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG
MÃ SỬA LỖI ...................................................................................................... 40
3.1. Mô hình hoá mô phỏng................................................................................ 40
3.1.1. Mã RS ................................................................................................... 40
3.1.2. Mã hoá các mã RS................................................................................. 41
3.1.3. Mô hình đề xuất .................................................................................... 42
3.1.4. Kịch bản mô phỏng ............................................................................... 47
3.2. Mô hình hoá năng lượng tiêu thụ ................................................................. 48
3.3. Kết luận chương .......................................................................................... 49
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................... 50
4.1. Thiết lập các thông số cho mạng cảm biến không dây ................................. 50
4.2. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 52
4.3. Nhận xét và đánh giá kết quả mô phỏng ...................................................... 61
4.4. Kết luận chương .......................................................................................... 62
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 64


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu trong luận văn là của riêng tôi và chưa
được công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào.
Hà Nội, ngày 22 tháng 09 năm 2015
Học viên

Phạm Thị Hà


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu,
viết tắt

Tên đầy đủ

Giải thích

1

WSN

Wireless sensor network

Mạng cảm biến không dây

2

CRC

Cyclic Redundancy Check

Kiểm tra dư thừa tuần hoàn

3

RS

Reed Solomon

Mã Reed-Solomon

4

QoS

Quality of Service

Chất lượng ảnh


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3-1: Kịch bản mô phỏng ............................................................................... 47
Bảng 4-1: Kết quả mô phỏng truyền ảnh vơi 1 nút nguồn ...................................... 54
Bảng 4-2: Kết quả mô phỏng truyền ảnh với 4 nút nguồn đồng thời ...................... 56


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Cấu trúc của mạng cảm biến không dây ................................................... 2
Hình 1-2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây ........................................................ 6
Hình 2-1: Sơ đồ bộ tạo mã CRC ............................................................................ 18
Hình 2-2: Sơ đồ mã hóa RS ................................................................................... 31
Hình 3-1: Mô hình truyền thống truyền ảnh trong mạng cảm biến không dây ........ 41
Hình 3-2: Mô hình đề xuất triển khai mã RS(7,3) trong mạng cảm biến không dây43
Hình 3-3: Mô hình đề xuất triển khai mã RS(7,3) trong mạng cảm biến không dây43
Hình 4-1: Giao diện chương trình mô phỏng ......................................................... 51
Hình 4-2: Ảnh Lena đầu vào kích thước 64x64 pixel và 256x256 pixel ................. 52
Hình 4-3: Ảnh đầu ra truyền qua kênh AWGN với trường hợp ảnh đầu vào Lena
64x64 pixel: a. không mã hoá (BER = 2.54.10-2 và PSNR = 23.38 dB) và b.Mã hoá
RS đa chặng 1 nút (BER = 0 và PSNR = 47.89 dB) ............................................... 53

Hình 4-4: Ảnh đầu ra truyền qua kênh AWGN với trường hợp ảnh đầu vào Lena
256x256 pixel: a. không mã hoá (BER = 3.64.10-2 và PSNR = 24.09 dB) và b. mã
hoá RS đa chặng 1 nút nguồn (BER = 1.053.10-5 và PSNR = 36.86 dB) ................ 53
Hình 4-5: Ảnh đầu ra truyền trên kênh AWGN với trường hợp ảnh đầu vào Lena
512x512 pixel: a. không mã hoá (BER = 3.72.10-2 và PSNR = 24.55 dB) và b. mã
hoá RS đa chặng 1 nút nguồn (BER = 1.01.10-4 và PSNR = 33 dB) ....................... 54
Hình 4-6: Thời gian truyền của mạng WSN trong trường hợp sử dụng 1 nút nguồn
.............................................................................................................................. 55
Hình 4-7: Số ảnh truyền trong mạng WSN trong trường hợp 1 nút nguồn.............. 55
Hình 4-8: Năng lượng còn lại trong toàn mạng trong trường hợp 1 nút nguồn ....... 56
Hình 4-9: Thời gian truyền của mạng trong trường hợp 4 nút nguồn ..................... 57
Hình 4-10: Tổng số ảnh nhận được tại nút đích trong trường hợp truyền 4 nút nguồn
.............................................................................................................................. 57
Hình 4-11: Năng lượng còn lại của mạng khi truyền 4 nút nguồn .......................... 58


Hình 4-12: Thời gian truyền của mạng cảm biến không dây với 2 trường hợp: a. 4
nút nguồn và b. 1 nút nguồn .................................................................................. 59
Hình 4-13: Tổng số ảnh nhận được ở nút đích của WSN trong 2 trường hợp: a. 4 nút
nguồn và b. 1 nút nguồn ........................................................................................ 60
Hình 4-14: Năng lượng của toàn mạng WSN khi truyền 1 nút nguồn sử dụng mã
hóa RS đa chặng .................................................................................................... 61
Hình 4-15: Năng ượng của toàn mạng WSN khi truyền 4 nút nguồn đồng thời sử
dụng mã hóa RS đa chặng ..................................................................................... 61


MỞ ĐẦU
Với sự phát triển vũ bão của công nghệ khoa học, mạng cảm biến ngày càng trở
thành lĩnh vực đón nhận sự quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học trong và
ngoài nước. Những ưu điểm vượt trội của mạng cảm biến không dây [1], việc triển

khai mạng không dây trong thực tiễn có tính khả thi cao. Nhưng đối với truyền dẫn
WSNs đặc trưng của nó là truyền dẫn không tin cậy vì vậy dữ liệu nhận được có thể
bị lỗi trên kênh truyền và không thể khôi phục hay dữ liệu nhận được có chất lượng
thấp ở phía thu. Để giải quyết vấn đề tin cậy trong truyền dẫn chúng ta sử dụng mã
sửa lỗi, dữ liệu truyền đi sẽ được thêm vào phần dữ liệu dư thừa (quá trình mã hoá)
trước khi đưa lên kênh truyền để truyền đi và ở phía thu sau khi nhận dữ liệu sẽ
thực hiện quá trình giải mã để phát hiện và sửa lỗi. Nghiên cứu mã sửa lỗi trong
WSNs là lĩnh vực vô cùng rộng lớn và trong phạm vi luận văn đánh giá các thông
số của mạng sử dụng mã sửa lỗi Reed-Solomon so với việc truyền ảnh không sử
dụng mã sửa lỗi về chất lượng ảnh qua tỷ lệ bít lỗi BER, tỷ lệ công suất tín hiệu trên
nhiễu PSNR và năng lượng của mạng. Luận văn cũng đề xuất mô hình mã hoá
Reed-Solomon đa chặng giúp cải thiện năng lượng của mạng. Năng lượng của mạng
gắn với thời gian sống, còn năng lượng thì mạng còn hoạt động và ngược lại hết
năng lượng thì mạng cũng ngừng hoạt động. Vì vậy, khi sử dụng mã sửa lỗi cho ta
cải thiện về chất lượng dữ liệu ở phía thu đồng nghĩa với việc tiêu tốn năng lượng
của các nút mạng hơn, mô hình truyền ảnh sử dụng mã Reed Solomon mã hoá đa
chặng vừa giải quyết được vấn đề truyền tin cậy vừa đưa ra phương thức giúp
WSNs đạt được độ cân bằng về năng lượng dẫn tới đạt độ lợi tối đa về thời gian
sống sẽ vô cùng thiết thực với việc triển khai các mạng cảm biến.
Dựa trên những nghiên cứu của thầy TS. Nguyễn Hữu Phát về truyền dẫn ảnh
trên mạng cảm biến không dây với những kết quả đã được công nhận tại tạp chí
IEEE [2]. Mô hình truyền ảnh sử dụng mã hóa Reed-Solomon đa chặng trong mạng
cảm biến không dây để cải thiện chất lượng ảnh, cân bằng năng lượng toàn mạng so
với mô hình truyền thống.


Trong luận văn này, ứng dụng của mã sửa sai trong mạng cảm biến không dây
mà cụ thể là sử dụng mã Reed-Solomon đa chặng đồng thời sửa lỗi và giải quyết
vấn đề cân bằng năng lượng trong mạng. Ở phần nghiên cứu[2] trước đây, mô hình
truyền ảnh sử dụng mã hóa RS đa chặng sử dụng một nút nguồn. Việc sử dụng năng

lượng của mạng có thể được cải thiện hơn khi ta truyền đồng thời nhiều nút nguồn
sử dụng cùng thuật toán mã hóa RS đa chặng. Ảnh thu được chất lượng tốt hơn,
năng lượng cân bằng hơn, thời gian truyền giảm đáng kể và số ảnh truyền được
nhiều hơn là những kết quả nghiên cứu mà tôi đã đóng góp trong luận văn này. Kết
quả của việc nghiên cứu được đúc kết thành bài báo và đã gửi lên Tạp chí Khoa học
và Công nghệ Đà Nẵng.
Dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Hữu Phát đi từ ý tưởng sử dụng mã
Reed Solomon mã hoá đa chặng để cải thiện chất lượng ảnh truyền đi song song với
việc cân bằng năng lượng trong mạng và giải quyết vấn đề năng lượng cũng như
thời gian sống của mạng. Từ ý tưởng ban đầu, tôi tiếp tục đóng góp vào phát triển
phần mềm mô phỏng để xác thực các kết quả với hướng đề tài đã chọn.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Hữu Phát đã giúp đỡ và chỉ dẫn
cho tôi để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi cũng cảm ơn gia đình đặc biệt là
chồng tôi đã luôn giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu cũng như thực
hiện luận văn này.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) là tập hợp các thiết bị cảm biến không dây
có kích thước rất nhỏ. Mỗi thiết bị được gọi là một nút cảm biến được trang bị với
các cảm biến, bộ vi xử lý, các thành phần giao tiếp và nguồn. Mạng này có thể kết
nối trực tiếp với nút quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu
(Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh.
Đặc trưng của 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) thấp, thời gian hoạt động lâu dài.
Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như phát
hiện cháy rừng, cảnh báo lũ lụt, giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn, ứng

dụng chăm sóc sức khoẻ, ứng dụng smart home, trong công nghiệp, quân đội, …Lợi
ích của mạng cảm biến không dây là khả năng triển khai được trong bất kì loại hình
địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có
dây được.

1.2. Cấu trúc mạng cảm biến
Mạng cảm biến được xây dựng từ hàng trăm hoặc hàng nghìn nút cảm biến
trong một môi trường cảm biến và mỗi nút cảm biến được kết nối với một hay một
vài nút khác. Đặc trưng của mạng cảm biến không dây là các nút phát tán ngẫu
nhiên và mỗi nút có khả năng thu thập thông tin, định tuyến về phía nút thu (Sink).
Sink có thể giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng
Internet hay vệ tinh. Dữ liệu được định tuyến và truyền đi theo cấu trúc đa chặng
không qua trạm cơ sở hay trung tâm điều khiển.

1


Cấu trúc cơ bản của một nút trong mạng cảm biến không dây bao gồm:
 Bộ cảm biến
 Bộ vi xử lý
 Bộ thu phát không dây
 Bộ nguồn
Tuỳ theo ứng dụng mà mạng cảm biến không dây có thể có thêm các thành phần
khác: bộ định vị, bộ phát nguồn và bộ phận di động như Hình 1-1.

Bộ phận di động

Bộ định vị

Bộ xử lý

Bộ cảm biến

Bộ thu phát

Bộ
phát
nguồn

Bộ nguồn

Hình 1-1: Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Thành phần tùy chọn
Thành phần bắt buộc
Bộ cảm biến gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ
chuyển đổi tương tự/số (ADC). Tín hiệu từ bộ cảm biến sẽ được chuyển đổi sang tín
hiệu số và được đưa tới bộ xử lý để phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thao
tác làm việc với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo
thông tin giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây. Và thành phần đóng
vai trò hết sức quan trọng của một nút cảm biến đó là bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là
pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến và không thay thế được
2


nên nguồn năng lượng của nút bị giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các
thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ. Ngoài ra, bộ định vị là
cần thiết để hỗ trợ định tuyến trong mạng để các nút cảm biến có thể di chuyển tới
vị trí mong muốn.

1.3. Các thông số đánh giá hệ thống mạng cảm biến không dây

Các thông số để đánh giá một mạng cảm biến không dây bao gồm thời gian
sống, độ bao phủ, chi phí và khả năng triển khai, thời gian đáp ứng, độ chính xác,
độ bảo mật và tốc độ lấy mẫu hiệu quả.
 Thời gian sống
Giới hạn với bất kì mạng cảm biến không dây nào đó là thời gian sống mong
muốn. Yếu tố giới hạn cơ bản của thời gian sống của một mạng cảm biến là năng
lượng cung cấp. Mỗi nút phải được thiết kế để quản lý năng lượng cung cấp của nó
để đạt được thời gian sống tối đa cho toàn mạng. Thời gian sống trung bình của toàn
mạng không quan trọng bằng thời gian sống tối thiểu của nút cảm biến.
Trong một vài trường hợp, năng lượng bên ngoài có thể được tận dụng cho một
vài nút hoặc tất cả các nút. Tuy nhiên, một trong những lợi ích của hệ thống không
dây là dễ dàng cài đặt và nếu như năng lượng được cung cấp từ bên ngoài tới tất cả
các nút sẽ đi ngược ưu điểm trên.
Trong hầu hết ứng dụng, phần lớn các nút sẽ có năng lượng của chính nó.
Chúng phải chứa đủ năng lượng lưu trữ cho vài năm hoặc chúng phải có khả năng
lấy năng lượng từ môi trường thông qua các thiết bị như là pin năng lượng mặt trời
hay các bộ phát áp điện.
Yếu tố ảnh hưởng lớn tới việc xác định thời gian sống của một nguồn cấp là
tiêu thụ năng lượng vô tuyến. Trên một nút cảm ứng không dây sóng radio tiêu thụ
một lượng lớn năng lượng hệ thống.

3


 Độ bao phủ
Độ bao phủ là thông số cơ bản đánh giá một mạng không dây. Ưu điểm của
mạng là có thể triển khai trên một vùng rộng lớn và quan trọng là phải giữ độ bao
phủ của mạng lớn hơn vùng các liên kết không dây được sử dụng. Kỹ thuật truyền
dẫn đa chặng có thể mở rộng độ bao phủ của mạng. Tuy nhiên, các giao thức mạng
đa chặng sẽ làm tăng công suất tiêu thụ của các nút dẫn đến giảm thời gian sống của

mạng. Khả năng bao phủ của mạng gắn với số các nút cảm biến.
 Chi phí và khả năng triển khai
Chi phí và khả năng dễ triển khai là một trong những ưu điểm của mạng cảm
biến không dây. Mạng có khả năng tự cấu hình lại trong thời gian sống. Mạng cảm
biến không dây không tốn chi phí cơ sở hạ tầng mà chỉ cần trang bị các nút cảm
biến với một khoảng cách nhỏ là có thể đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu.
 Thời gian đáp ứng
Đối với các ứng dụng cảnh báo, thời gian đáp ứng là thông số hiệu năng cực kì
quan trọng. Một cảnh báo phải được báo hiệu ngay khi một lệnh được phát hiện.
Mặc dù hoạt động với công suất thấp, các nút phải có khả năng ngay lập tức gửi các
bản tin.
Khả năng có thời gian đáp ứng thấp xung đột với các kỹ thuật tăng thời gian
sống của mạng. Thời gian sống của mạng bị giảm nếu các nút hoạt động theo các
chu kì thời gian của sóng vô tuyến.
Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bởi việc thêm năng lượng cho các nút tại mọi
thời điểm. Các nút này sẽ lắng nghe bản tin cảnh báo và chuyển tiếp chúng theo
đường định tuyến khi cần thiết.
 Độ chính xác

4


Đối với các ứng dụng về môi trường và dò tìm, các mẫu từ nhiều nút phải tương
quan chéo về thời gian để xác định hiện tượng tự nhiên cần đo lường. Độ chính xác
của cơ chế tương quan này sẽ phụ thuộc vào tốc độ truyền của hiện tượng đang đo
lường.
Để đạt được độ chính xác tức thời, mạng phải có khả năng xây dựng và duy trì
một thời gian xác định mà dựa trên nó có thể sử dụng để xác định thứ tự mẫu và sự
kiện.
 Độ bảo mật

Đối với các ứng dụng an ninh, vấn đề bảo mật là cực kì quan trọng. Hệ thống
không chỉ duy trì tính riêng tư mà còn phải xác thực dữ liệu truyền dẫn.
Sử dụng mã hoá và xác thực mã hoá đều yêu cầu năng lượng và băng thông của
mạng. Điều này sẽ ảnh hưởng tới hiệu quả của ứng dụng bởi việc giảm số mẫu so
với việc lấy thông tin từ một mạng cố định.
 Tốc độ lấy mẫu hiệu quả
Đối với mạng thu thập dữ liệu, tốc độ lấy mẫu là thông số hiệu năng cơ bản của
ứng dụng. Tốc độ lấy mẫu hiệu quả là tốc độ lấy mẫu mà dữ liệu cảm biến có thể
đạt được bởi từng cảm biến và được truyền tới điểm thu thập trong mạng thu thập
dữ liệu.

1.4. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
 Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con
người
 Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến đa
chặng
 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở
các nút mạng

5


 Các giới hạn về năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
Những đặc điểm trên đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay
đổi trong cải thiện mạng cảm biến.

1.5. Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc của mạng cảm biến bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý như
Hình 1-2:

Lớp liên kết dữ liệu
Lớp vật lý

Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ

Lớp mạng

Mặt phẳng quản lý di động

Lớp truyền tải

Mặt phẳng quản lý công suất

Lớp ứng dụng

Hình 1-2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây
 Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách thức cảm biến sử dụng nguồn
năng lượng của nó.
 Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút. Các nút theo dõi xem các nút lân cận của chúng là ai.
 Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến
giữa các nút trong vùng quan tâm.
 Lớp vật lý: Lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu điều
chế và mã hoá tín hiệu. Mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn Zigbee
(IEEE 802.15.4) với hai dải tần 2.4GHz, phạm vi truyền khoảng 10m, tốc độ
truyền 250kbps và dải tần 868MHz, 900MHz với phạm vi 75m và tốc độ

6

truyền 20kbps. Băng tần ISM 915 MHz được sử dụng rộng rãi trong mạng
cảm biến.
 Lớp liên kết dữ liệu: Ghép luồng dữ liệu, nhận dạng khung dữ liệu, cách
truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi.
 Lớp mạng: Lớp mạng có nhiệm vụ đảm bảo các yếu tố sau:
o Hiệu quả năng lượng
o Tập trung dữ liệu
o Tích hợp dữ liệu
 Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống cần truy cập thông qua mạng
Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
 Lớp ứng dụng: Các phần mềm ứng dụng được xây dựng dựa trên nhiệm vụ
cảm ứng.

1.6. Các hiệu ứng trên kênh truyền của mạng cảm biến không
dây
1.6.1. Suy hao
Khoảng cách truyền ảnh hưởng đến suy hao công suất trong truyền dẫn. Công
thức phía dưới biểu diễn suy hao:

( )

Trong đó

(

( )=

=

(

)

) là suy hao tại khoảng cách tham chiếu
( )[

]=

(

[

(1.1)
,

là số mũ suy hao.

+ 10 lg

(1.2)

Công suất thu tại khoảng cách d so với phía phát được tính theo công thức (1.3)
( )=

−

(

) − 10

(1.3)

Dựa trên công thức trên ta thấy nếu khoảng cách truyền càng xa thì công suất
phát càng lớn. Vì vậy, đối với mạng cảm biến không dây việc truyền dẫn ở khoảng

7


cách xa đòi hỏi bộ phát đủ mạnh. Khi công suất tỷ lệ với

với

≥ 2 thì sử dụng

truyền đa chặng rất hiệu quả. Như vậy, khi truyền đa chặng sẽ tối ưu về năng lượng
tiêu thụ tại mỗi nút cảm biến.
1.6.2. Hiệu ứng đa đường
Hiệu ứng đa đường trong mạng cảm biến không dây gây ra bởi các hiện tượng
phản xạ và tán xạ. Phản xạ và tán xạ tạo nên nhiều bản sao chép của tín hiệu với các
phương truyền khác nhau tạo ra các quỹ đạo tín hiệu không nhìn thẳng. Do đó, phía
thu sẽ nhận được nhiều tín hiệu từ các quỹ đạo khác nhau – gọi là hiệu ứng đa
đường.
Trong phạm vi truyền dẫn ngắn, hiệu ứng đa đường được xác định bởi một biến
ngẫu nhiên liên tục

với

(0, ) có phương sai

. Như vậy, việc truyền dẫn

thành công không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách giữa bên phát và bên thu mà còn
phụ thuộc vào số mũ suy hao và phương sai

.

1.6.3. Nhiễu và tạp âm
Ngoài yếu tố về công suất, nhiễu và tạp âm ảnh hưởng lớn tới việc truyền dẫn.
Đánh giá chất lượng của kênh truyền thông qua tỷ lệ lỗi bít (BER) và tỷ lệ mất gói.
Nguồn gây ra lỗi chính là nhiễu và tạp âm.
 Tạp âm: Là tín hiệu không mong muốn có phổ rơi trên vùng phổ của tín hiệu
mong muốn. Tạp âm phụ thuộc vào máy thu và điều kiện nhiệt độ.
 Nhiễu: Có 2 loại đồng kênh và liền kề kênh. Nhiễu đồng kênh gây ra bởi
nhiều nút cùng phát đi tín hiệu cùng lúc. Nhiễu liền kề kênh gây ra bởi các
thiết bị khác phát ra tín hiệu có phổ gần với phổ tần số phát của nút cảm
biến.
Thông số SNIR là tỷ lệ tín hiệu so với tạp âm và nhiễu sẽ đánh giá việc truyền
tín hiệu thành công hay không.
[

] = 10

8

∑

(1.4)

Trong đó

là công suất tạp âm,

là nhiễu phát sinh bởi nút và

là số nút hàng

xóm gây ra nhiễu.
SNIR càng cao, chất lượng kênh truyền càng tốt.

1.7. Thách thức của 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:
 Vấn đề năng lượng
Vấn đề năng lượng là vấn đề quan trọng của mạng cảm biến không dây. Khi quy
mô mạng lớn, việc giám sát và cung cấp năng lượng cho mạng cực kì khó khăn. Vì
vậy, để tối ưu sử dụng năng lượng cho các nút mạng cần phải sử dụng các thuật
toán và kỹ thuật trong truyền dẫn không dây.
 Khả năng lưu trữ
Các cảm biến lấy mẫu từ môi trường liên tục. Với khả năng lưu trữ hạn chế của
các cảm biến trên mạng, dữ liệu không thể lưu trữ lâu dài. Dữ liệu được nén, lọc và
tổng hợp từ các nút sau đó dữ liệu cũ phải được xoá đi. Dữ liệu mà lưu trữ sẽ được
chuyển tiếp tới máy chủ trung tâm.
 Tích hợp bộ định vị
Sử dụng mạng không dây để xác định vị trí hay theo dõi, giám sát đang là vấn đề
được quan tâm. Tuy nhiên, nếu sử dụng GPS thì vấn đề năng lượng và chi phí cần
giải quyết. Vì vậy cần phải cân nhắc khi sử dụng các thiết bị định vị.
 Khả năng chịu lỗi
Một số nút cảm biến có thể ngừng hoạt động do thiếu năng lượng, hư hỏng vật

lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi của mạng thể hiện ở việc

9


mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì các chức năng của nó ngay cả khi một số
nút mạng không hoạt động.
 Khả năng bảo mật
Trong các ứng dụng an ninh, cần có cơ chế xác thực và bảo mật dữ liệu. Mạng
chỉ cho phép những người dùng xác thực thành công truy nhập thông tin. Ngoài ra,
dữ liệu truyền đi được mã hoá nên ảnh hưởng tới hiệu suất của mạng, năng lượng và
thời gian sống sẽ bị ảnh hưởng lớn bởi khả năng triển khai tính bảo mật của dữ liệu.
 Khả năng mở rộng
Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm biến được triển khai có
thể lên tới hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể
vượt quá hàng triệu. Do đó, cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể
làm việc với số lượng lớn các nút này.

1.8. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
 Ứng dụng trong môi trường
Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim
muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm;
theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào,
cháy rừng, lũ lụt…. Một số ứng dụng quan trọng như:
Phát hiện cháy rừng: bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một
mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều
thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập
được truyền đa chặng tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện
và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.

10


Cảnh báo lũ lụt: hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực
nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh
báo lụt sớm.
Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: các cảm biến về độ rung đặt
rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các
núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào.
 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân,
các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý
bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và
bệnh nhân trong bệnh viện.
Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện: mỗi bệnh nhân được gắn một nút
cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút
cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác
sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ
trong bệnh viện.
 Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo
nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này
đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.
 Ứng dụng trong công nghiệp
Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ
hàng hóa. Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời
kì lưu trữ và bảo quản. Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng
bản tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ các đặc điểm
của chúng. Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có

11


thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút. Vào ban đêm
chúng được đặt ở chế độ chống trộm. Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, sensor
sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo. Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc
bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn.
Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container
ở cảng. Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm biến và có thể ghi nhớ
thông tin của nó một cách xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thể
thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác. Tập hợp các
container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất quán. Nhờ
đó, tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và container thậm
chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy
nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database).
 Ứng dụng trong nông nghiệp
Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung
tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp.
Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các
cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát.
 Ứng dụng trong quân đội
Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược: Những người lãnh đạo, sĩ
quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của
các thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến.
Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến
nhỏ để có thể thông báo về trạng thái. Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại
các nút sink để gửi tới lãnh đạo trong quân đội. Dữ liệu cũng có thể được chuyển
tiếp đến các cấp cao hơn.

12


Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và các
chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thể
theo dõi các hoạt động của quân địch. Khi các hoạt động này được mở rộng và kế
hoạch hoạt động mới được chuẩn bị một mạng mới có thể được triển khai bất cứ
thời gian nào khi theo dõi chiến trường.
Giám sát địa hình và lực lượng quân địch: mạng cảm biến có thể được triển
khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biến cần
nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về trong vài phút trước
khi quân địch phát hiện và có thể chặn lại chúng.
Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường: trước và sau khi tấn công mạng cảm
biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy hiểm
của chiến trường. Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và
hạt nhân. Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất
quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến
triển khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa
học có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh
thương vong nghiêm trọng.

13


1.9. Kết luận chương
Chương này giới thiệu về mạng cảm biến không dây, cấu trúc, đặc điểm, các
thông số của mạng, những thách thức cũng như ứng dụng của mạng cảm biến không
dây trong thực tiễn. Mạng cảm biến không dây có những đặc tính vật lý hoạt động ở
băng tần cao chịu ảnh hưởng của các hiệu ứng trên kênh truyền vô tuyến gây ra các
thách thức như đã trình bày ở trên. Để giải quyết vấn đề truyền tin tin cậy, chúng ta

sẽ xem xét việc đưa các mã sửa lỗi trong quá trình truyền dữ liệu. Mặc dù, lỗi có
xảy ra nhưng ở phía thu nhờ vào mã sửa sai ta hoàn toàn có thể phát hiện lỗi và sửa
lỗi nâng cao chất lượng mạng. Chương kế tiếp sẽ trình bày 3 loại mã sửa lỗi từ đơn
giản chỉ phát hiện ra lỗi như CRC đến có thể phát hiện và sửa một lỗi như mã
Hamming và có thể sửa được nhiều lỗi như mã Reed Solomon. Chương hai sẽ đi
vào trình bày cơ chế mã hoá cũng như giải mã của các loại mã trên.

14


CHƯƠNG 2: MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY
2.1. Mã CRC
2.1.1. Giới thiệu
CRC là viết tắt của “Cyclic Redundancy Check”, nghĩa là “kiểm tra dư thừa
tuần hoàn”. Đây là một kĩ thuật phát hiện lỗi rất phổ biến trong truyền dẫn dữ liệu
số, tuy nhiên nó không có khả năng sửa lỗi. Theo phương pháp này, một số lượng
nhất định các bit kiểm tra được gọi là checksum được thêm vào chuỗi bit gốc trước
khi truyền đi, đây chính là các bit dư thừa mà phía nhận sẽ dùng để kiểm tra xem
trong quá trình truyền có lỗi hay không. Nếu có lỗi xảy ra, phía nhận sẽ gửi một bản
tin NACK (Negative Acknowledgement) lại phía truyền yêu cầu truyền lại dữ liệu.
CRC rất phổ biến bởi nó được thực hiện trong phần cứng nhị phân khá đơn
giản, dễ dàng tính toán và phát hiện được hầu hết các lỗi phổ biến gây ra bởi kênh
truyền có nhiễu. Kỹ thuật này đôi khi còn được ứng dụng cho các thiết bị lưu trữ dữ
liệu như là một driver của ổ đĩa. Trong trường hợp này, mỗi khối trên đĩa có các bít
kiểm tra, và phần cứng có thể tự động khởi tạo để đọc lại khối khi phát hiện ra lỗi
hoặc gửi lỗi tới phần mềm.
2.1.2. Cơ chế
2.1.2.1. Nguyên tắc tạo mã CRC
Xét khung dữ liệu gồm k bit và nếu ta dùng n bit cho khung kiểm tra FCS

(Frame check sequence) thì khung thông tin kể cả dữ liệu kiểm tra gồm ( + ) bit
sao cho ( + ) bit này chia đúng cho một số P có ( + 1) bit chọn trước (dùng
phép chia Modulo-2). Ở máy thu khi nhận được khung dữ liệu, lại mang chia cho số
P này và nếu phép chia đúng thì khung dữ liệu không chứa lỗi.

15


Kĩ thuật CRC dựa trên lí thuyết số học về đa thức, tất cả các chuỗi bit đều được
(2)(Gaulois Field (2)) với các hệ số 0

biểu diễn dưới dạng các đa thức trong

hoặc 1. Tính toán CRC chính là việc tính toán số dư của phép chia đa thức đầu vào
(bản tin cần truyền đi) cho đa thức CRC, số dư này chính là checksum cần thêm vào
cho bản tin được truyền đi. Việc tính toán checksum cho các bản tin có số bit rất lớn
trở nên phức tạp hơn, yêu cầu độ tin tưởng cao để có thể phát hiện được lỗi. Ví dụ,
ta có một chuỗi bit đầu vào là 11001001, với thứ tự từ trái qua phải được biểu diễn
là đa thức

+

+

+ 1. Bên gửi và bên nhận thống nhất với nhau về một đa

thức cố định, gọi là đa thức sinh, chẳng hạn như CRC-16 CCITT là loại CRC với 16
bit checksum được sử dụng rộng rãi hiện nay có đa thức sinh là

+

+

+

1. Để tính được checksum CRC r bit, đa thức sinh phải có bậc r. Phía gửi sẽ thêm r
bit 0 vào thông điệp gốc có

bit tạo thành đa thức có bậc

+ − 1. Thực hiện

phép chia đa thức này cho đa thức sinh, ta sẽ thu được đa thức dư có bậc bằng − 1
hoặc bé hơn. Đa thức số dư có hệ số, đây chính là checksum. Đa thức thương sẽ bị
loại bỏ. Dữ liệu được truyền chính là m bit thông điệp gốc và r bit checksum thêm
sau. Có 2 cách để phía nhận xác định quá trình truyền tin có xảy ra lỗi hay không.
Ta có thể tính checksum từ m bit đầu tiên của dữ liệu nhận được, sau đó xác nhận
xem checksum này có đồng nhất với

bit cuối cùng của dữ liệu nhận được hay

không. Ngoài ra, phía nhận còn có thể thực hiện chia

+ bit nhận được cho đa

thức sinh và kiểm tra xem số dư có bằng 0 hay không.
Việc lựa chọn được một đa thức sinh có khả năng phát hiện lỗi tốt là một việc
rất quan trọng. Có 2 nhận biết đơn giản đối với một đa thức sinh. Thứ nhất đó là nếu
cần một checksum có

bit thì bậc của đa thức sinh cũng sẽ bằng , vì nếu không thì

bit đầu tiên của check sum sẽ luôn luôn bằng 0 khiến cho chúng ta bị lãng phí mất
một bit trong checksum. Thứ 2 là hệ số tự do của đa thức luôn bằng 1, bởi nếu
không thì bit cuối cùng cũng sẽ luôn bằng 0. Và các định lí sau đây về đa thức sinh
G đã được chứng minh theo PerB và Tanen:
 Nếu

có 2 hạng tử trở lên, tất cả các lỗi đơn bit sẽ được phát hiện.

16