(LUẬN VĂN THẠC SĨ) Nghiên cứu mã điều khiển lỗi trong mạng cảm biến không dây để nâng cao hiệu quả việc sử dụng năng lượng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ    NGUYỄN VĂN BA NGHIÊN CỨU MÃ ĐIỀU KHIỂN LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VIỆC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG Ngành: Chuyên ngành: Mã ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn Thông Kỹ thuật điện tử 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Pgs.Ts Vương Đạo Vy HÀ NỘI - 2010 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) 1.1 Giới thiệu 1.2 Cấu trúc cho mạng cảm biến 1.2.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture) .6 1.2.2 Cấu trúc tầng (Tiered Architecture) 1.2.3 Lựa chọn cấu trúc cho mạng cảm biến .9 1.3 Các giao thức đặc trưng mạng cảm biến 11 1.3.1 Giao thức đồng thời gian .11 1.3.1.1 Đồng hồ node cảm biến .12 1.3.1.2 Đồng thời gian mạng cảm biến .12 1.3.2 Giao thức vị trí 14 1.3.2.1 Định vị dựa vào mốc có sẵn 15 1.3.2.2 Định vị dựa vào vị trí tương đối 15 1.3.3 Định tuyến mạng cảm biến 16 1.3.3.1 Định tuyến trung tâm liệu (Data Center Protocol) 17 1.3.3.1.1 SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) 17 1.3.3.1.2 Truyền trực tiếp Directed Diffusion 18 1.3.3.2 Định tuyến phân cấp 20 1.4 Kiến trúc giao thức mạng .22 1.5 Lỗi trình tuyền tin 25 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 1.6 Một số ứng dụng mạng cảm biến 28 1.6.1 Ứng dụng quân đội 29 1.6.2 Ứng dụng môi trường 31 1.6.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 32 1.6.4 Ứng dụng gia đình 34 1.6.5 Ứng dụng giao thông .35 1.7 Những khó khăn việc phát triển mạng WSN 36 1.7.1 Giới hạn lượng 36 1.7.2 Bị giới hạn dải thông 36 1.7.3 Bị giới hạn phần cứng 36 1.7.4 Kết nối mạng không ổn định .37 1.7.5 Sự kết hợp chặt chẽ sensor môi trường tự nhiên 37 Chương 2: PHÁT HIỆN VÀ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN WSN 38 2.1 Giới thiệu 38 2.2 Các loại lỗi bit 41 2.3 Phát lỗi 41 2.4 Sửa lỗi 45 Chương 3: MÃ ĐIỀU KHIỂN LỖI SỬ DỤNG TRONG WSN .52 3.1 Giới thiệu 52 3.2 Lý thuyết mã hoá .52 3.3 Phương pháp sửa lỗi chuyển tiếp FEC 54 3.3.1 Mã hoá khối tuyến tính Linear Block Codes 56 3.3.1.1 Cách mã hoá 58 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3.3.1.2 Cách giải mã 58 3.3.1.3 Các phát lỗi 59 3.3.1.4 Cách sửa lỗi 60 3.3.2 Kỹ thuật ghép xen Interleaving 64 3.3.2.1 Khối xen liệu 65 3.3.2.2 Kỹ thuật xen chập Convolution Interleaving .67 3.3.3 Mã sửa lỗi kép - Double error correction codes 68 3.4 Hiệu việc sử dụng lượng .70 3.4.1 Kiểm tra trời 71 3.4.2 Kiểm tra nhà 72 Chương ĐIỀU KHIỂN LỖI ỨNG DỤNG CHIPCON CC1010 73 4.1 Giới thiệu 73 4.2 Tìm hiểu chương trình truyền nhận liệu CC1010 74 4.2.1 Quá trình truyền liệu nút mạng [14]: 74 4.2.2 Quá trình nhận liệu nút mạng [14]: 77 4.3 Đề xuất sử dụng FEC cho tuyến truyền nhận liệu node mạng CC1010 82 4.3.1 Giả định tốn cách tính từ mã 83 4.3.2 Chương trình truyền liệu sử dụng từ mã .85 4.4 Kết luận chương 86 KẾT LUẬN 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Tên tiếng anh ADC Analogue-to-Digital Converter APL Application Layer CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CPU Central Processing Unit D-MAC Data-Gathering Media Access Control FEC Forward Error Correction FIFO First-In, First-Out GPS Global Positioning System 10 I/O Input/Output 11 LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy 12 LED Light-Emitting Diode 13 MAC Medium Access Control 14 OS Operating System 15 OSI Open Systems Interconnection 16 RF Radio Frequency 17 ROM Read Only Memory 18 RSSI Received Signal Strength Indicator 19 TCP Transmission Control Protocol TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 21 WSN Wireless Sensor Network MỞ ĐẦU Với phát triển không ngừng công nghệ, người muốn ứng dụng công nghệ tiên tiến phục vụ cho sống Xu hướng mạnh phát triển công nghệ không dây để thuận tiện hơn, kỹ sư, nhà nghiên cứu nghiên cứu hệ thống mạng cảm biến khơng dây nói làm thay đổi sống, bao gồm cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nhận ý đáng kể Hiện người ta tập trung triển khai mạng cảm biến để áp dụng vào sống hàng ngày Đó lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong tương lai không xa, ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống người phát huy hết điểm mạnh mà khơng phải mạng có mạng cảm biến Tuy nhiên mạng cảm ứng phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn nguồn lượng bị giới hạn nạp lại Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Đề tài “Nghiên cứu mã điều khiển lỗi mạng cảm biến không dây để nâng cao hiệu việc sử dụng lượng” PGS.TS Vương Đạo Vy hướng dẫn, tác giả nghiên cứu thực với mục tiêu đưa phương pháp phát sửa lỗi, từ đưa phương pháp phù hợp cho mạng cảm biến Luận văn gồm bốn chương Chương giới thiệu mạng cảm biến WSN Chương nghiên cứu phương pháp phát sửa lỗi Chương nghiên cứu mã điều khiển lỗi WSN Dựa sở lý thuyết chương 1, nghiên cứu phương pháp phát sửa lỗi ứng dụng mạng cảm biến chương TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com chương 3, tác giả đưa kết luận khách quan hiệu việc sử dụng lượng Mặc dù cố gắng nhiều hạn chế tài liệu, trình độ nên tác giả cịn nhiều thiếu sót Tác giả mong thầy, bạn đóng góp ý kiến để đề tài hồn thiện Trong suốt q trình làm luận văn này, tác giả nhận giúp đỡ nhiều người Đầu tiên, tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Vương Đạo Vy , người ln tận tình bảo giúp đỡ tác giả từ tác giả bắt tay vào thực đến hồn thành Khơng có hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy, chắn tác giả khơng thể hồn thành đề tài Tác giả xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, người ln động viên tác giả suốt trình học tập nghiên cứu để hoàn thành luận văn Học viên TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) 1.1 Giới thiệu Một mạng cảm biến không dây WSN bao gồm nhiều node cảm biến nhỏ có giá thành thấp tiêu thụ lượng thấp, giao tiếp thông qua kết nối không dây có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính tốn, xử lý thông tin thành phần liên lạc Tạo khả quan sát, phân tích phản ứng lại với kiện tượng xảy mơi trường cụ thể Mơi trường tự nhiên hay hệ thống sinh học Các ứng dụng mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập liệu, giám sát, theo dõi ứng dụng y học Tuy nhiên ứng dụng mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng cịn đa dạng khơng bị giới hạn Mơ hình mạng cảm biến chia thành nhiều tầng, tầng có nhiệm vụ riêng: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 1.1 Mơ hình phân tầng mạng WSN + Tầng ứng dụng (Application Layer): cung cấp giao diện (interface) đến người sử dụng + Tầng hỗ trợ ứng dụng (Application Support Layer): có nhiệm vụ phân chia quản lý truyền thông hai node hoạt động + Tầng mạng (Network Layer): làm nhiệm vụ định tuyến truyền thông mạng + Tầng MAC (MAC Sub-Layer): thực hai nhiệm vụ là: - Sử dụng kỹ thuật đóng khung phép tầng truy cập môi trường - Sử dụng kỹ thuật truy nhập mơi trường dị lỗi để điều khiển cho liệu đặt vào môi trường nhận từ môi trường + Tầng vật lý (Physical Layer): có nhiệm vụ mã hóa bit nhị phân frame tầng liên kết liệu thành tín hiệu thực truyền nhận tín hiệu qua mơi trường vật lý (mơi trường khơng dây) Q trình đóng gói liệu mạng cảm biến sau: Dữ liệu đưa xuống ngăn xếp giao thức đường để truyền qua mơi trường mạng, giao thức khác thêm thông tin vào liệu với mức khác TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 1.2 Q trình đóng gói liệu Trong mạng cảm biến không dây, node mạng liên tục nhận truyền liệu node trung tâm để xử lý Các node trung tâm sau nhận khung liệu từ node mạng phải thực nhiệm vụ tách thành phần thơng tin có ích khung Để tách thơng tin có ích phải có đồng dạng khung liệu node truyền node trung tâm Q trình đồng hồn tồn thực bên truyền bên nhận lập trình người sử dụng Do đó, lập trình viên định nghĩa dạng khung cố định cho khung liệu truyền mạng Nhờ vậy, node mạng phân biệt rõ trường liệu khung nhận trình chọn lọc để tách thơng tin có ích trở nên nhanh chóng đơn giản.[10] Khi nghiên cứu mạng cảm biến không dây, đặc điểm quan trọng then chốt thời gian sống node cảm biến giới hạn lượng chúng Do truyền liệu mạng cảm biến có lỗi xảy ra, phải có chế phù hợp để làm tăng thời gian sống node mạng lên 1.2 Cấu trúc cho mạng cảm biến TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com command result_t decode(char data); event result_t decodeDone(char data, char error); event result_t encodeDone(char data); } Mã hoá thực lớp MAC (ChannelMonC module) cho byte liệu gói tin Dữ liệu vào thơng qua thông số lưu trữ cấu trúc liệu mô-đun ECC Sau số lượng đủ byte liệu vào – input nhận, byte liệu đầu vào mã hoá hàm radio_encode_thread (mạch mã hoá radio) từ mã chuyển tới ChannelMonC qua hàm encodeDone Tương tự trên, ChannelMonC đưa trình giải mã cho byte gói tin nhận Sau đủ số lượng byte liệu vào nhận, byte liệu nhận giải mã nhờ hàm radio_decode_thread ( mạch giả mã radio ) byte liệu gốc gửi tới ChannelMonC qua DecodeDone Quá trình thực thi radio_encode_thread radio_decode_thread phụ thuộc vào loại mã sửa lỗi radio_encode_thread tính tốn bit chẵn lẻ nhờ vào việc so sánh bit byte liệu đầu vào Quá trình tương đương với uG Trong u thơng tin cần truyền G ma trận sinh Trong trình radio_decode_thread , syndrome – s tính nhờ vào bit liệu nhận Việc tương đương với thực vHT , với v liệu nhận HT ma trận chuyển vị ma trận H Nếu syndrome – s khác không (s # 0) có nghĩa tồn lỗi vị trí bit lỗi tìm thấy việc so sánh syndrome – s với vec-tơ cột ma trận H Và trình tìm kiếm thực cách nhanh chóng với việc sử dụng biểu đồ tương ứng giá trị syndrome – s với vị trí bit lỗi tương ứng 4.2 Tìm hiểu chương trình truyền nhận liệu CC1010 Thuật toán để xác định sửa lỗi cho liệu CRC – 16 Ta xem xét trình truyền nhận hai nút mạng 4.2.1 Quá trình truyền liệu nút mạng [14]: - Sử dụng hàm halRFSendPacket (…) để điều khiển việc gửi gói tin sử dụng cấu hình RF thời: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com void halRFSendPacket(byte numPreambles, byte* packetData, byte length) { byte crcData, i; word crcReg; // Set the first byte to transmit & turn on TX RFCON|=0x01; // Ensure that bytemode is selected RF_SEND_BYTE(RF_PREAMBLE_BYTE); RF_START_TX(); // Send remaining preambles while ( numPreambles) RF_WAIT_AND_SEND_BYTE(RF_PREAMBLE_BYTE); // Send sync byte + length byte RF_WAIT_AND_SEND_BYTE(RF_SUITABLE_SYNC_BYTE); RF_WAIT_AND_SEND_BYTE(length); - Nếu xuất lệnh yêu cầu truyền ( tức hàm halRFSendPacket gọi ) với cặp RX/TX phù hợp với chế độ RF_TX trình truyền thực : byte đồng truyền để đảm bảo đồng bên truyền bên nhận, sau byte Preamble ( byte có vai trị báo hiệu phần bắt đầu gói tin ) tiếp sau liệu cần truyền Phần kiểm lỗi CRC đặt vị trí cuối gói tin để thuận tiện cho việc kiểm tra sau word culFastCRC16(byte crcData, word crcReg) { return (crcReg > 8)) ^ crcData]; } // culFastCRC16 word culFastCRC16Block(byte *crcData, word length, word crcReg) { word i; for (i = 0; i < length; i++) { TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com crcReg = (crcReg > 8)) ^ crcData[i]]; } return crcReg; } // culFastCRC16Block crcReg=CRC16_INIT; // Update CRC RF_WAIT_AND_SEND_BYTE(crcData); for (i=0; i>8) ^ (crcData&0x80) ) crcReg=(crcReg