Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài báo cáo mạng cảm biến dưới nước (UWSN) Đề tài báo cáo mạng cảm biến dưới nước (UWSN) I Tổng quan Underwater Sensor Networks là các mạng lưới gồm nút với khả năng cảm biến, giao tiếp và xử lý mà.
Đề tài báo cáo: mạng cảm biến nước (UWSN) I Tổng quan Underwater Sensor Networks mạng lưới gồm nút với khả cảm biến, giao tiếp xử lý mà hoạt động nước Là hệ thống cảm biến khơng dây nước hình dung cho ứng dụng điều khiển loại xe tự hành nước (AUVs) độc lập, bổ sung cho hệ thống cáp Tuy nhiên môi trường mang lại thách thức mới, chẳng hạn suy giảm tín hiệu độ trễ cao Ngày nay, hai công nghệ phương tiện công nghệ cảm biến đủ khả để thúc đẩy ý tưởng mạng cảm biến nước Để biến ý tưởng thành thực, nhiên, người ta phải đối mặt với vấn đề truyền thông Hệ thống thông tin liên lạc nước chủ yếu sử dụng cơng nghệ âm Vì người ta đề suất kỹ thuật giao tiếp bổ sung, chẳng hạn quang tần số vô tuyến, chí giao tiếp điện, đề xuất cho liên kết tầm ngắn (thường 1-10 m), nơi băng thơng cao ( MHz hơn) khai thác Những tín hiệu suy hao nhanh, vòng vài mét (radio) hàng chục mét tín hiệu (quang học), địi hỏi phải có hai công suất cao ăng-ten lớn Trong số hệ thống âm nước hệ thống thông tin liên lạc tàu ngầm phát triển Mỹ vào khoảng cuối Chiến tranh giới thứ hai Nó sử dụng điều chế tương tự (Điều chế biên độ) Nghiên cứu từ tiên tiến hơn, đưa kỹ thuật điều chế phát kỹ thuật số vào vị trí hàng đầu truyền thơng âm đại Hiện nay, số loại modem âm có sẵn thị trường, thường cung cấp với tốc độ lên đến vài kilobits giây (kbps) phạm vi hoạt động (khoảng cách) lên đến vài km Thông tin liên lạc Acoustic cung cấp phạm vi xa hơn, bị hạn chế ba yếu tố: giới hạn băng thông khoảng cách phụ thuộc, thời gian khác đa đường truyền tốc độ thấp âm Cùng với đó, khó khăn dẫn đến kênh truyền thơng có chất lượng độ trễ cao Về việc xây dựng mạng cảm biến nước Mạng cảm biến nước xây dựng dựa việc kết nối tập hợp nút cảm biến đặt chìm nước với độ sâu khác Đây la hình ảnh nút cảm biến đặt đáy biển.( hình ảnh slide) I Kiến trúc mạng cảm biến nước (Phùng Đức Anh) Kiến trúc UWSN có loại kiến trúc gồm kiến trúc chiều kiến trúc chiều Kiến trúc chiều: sử dụng để theo dõi môi trường nơi nút cảm biến gắn vào đáy đại dương Những nút kết nối với để chìm nước Các trạm có phí chuyển tiếp thông tin từ nước đến trạm bề mặt Chúng có thu phát âm dọc thu phát âm ngang Thu phát ngang giao tiếp trực tiếp với nút cảm biến để gửi lệnh, cấu hình, thu thập liệu giám sát Các thu phát dọc chuyển tiếp liệu trở lại mặt đất Trên bờ trạm có thu phát xử lý tín hiệu truyền từ trạm Các trạm kết nối với cảm biến nước cách liên kết trực tiếp đa hợp đường Cách đơn giản để kết nối với cảm biến thông qua liên kết trực tiếp Bằng cách sử dụng liên kết trực tiếp, băng thông giảm can thiệp acoustic Sự khác biệt quan trọng hệ thống đa hợp đường thông tin chuyển tiếp qua trung gian cảm biến đạt đến trạm Điều làm tăng mạng công suất tiết kiệm lượng, hai khía cạnh quan trọng mạng cảm biến nước Các kiến trúc ba chiều thường sử dụng bạn muốn xác định quan sát diễn biến khơng thể nhìn với nút cảm biến gắn vào đáy đại dương Trong mạng này, nút cảm biến độ sâu khác để thực hiện tượng xảy Những cảm biến đặt phao với độ dài dây khác để đạt độ sâu khác Ngồi ra, cịn phương pháp Khi neo, thiết bị gắn chứa đầy khơng khí để đạt thay đổi vị trí sâu Độ sâu xác định chiều dài dây, nút có động điện riêng mà thây đổi độ dài dây theo yêu cầu Tuy nhiên, có nhược điểm dịng chảy đại dương làm cản trở khả hệ thống để trì độ sâu mong muốn II Ứng dụng UWSN Các lĩnh vực phạm vi ứng dụng Các ứng dụng mạng nước rơi vào mục tương tự mạng cảm biến mặt đất Ứng dụng khoa học quan sát mơi trường: từ q trình địa chất đáy đại dương, đến đặc tính nước (nhiệt độ, độ mặn, nồng độ ôxy, nội dung chất ô nhiễm vi khuẩn khác, vấn đề giải thể, vv) để đếm hình ảnh sống động vật (vi sinh vật, cá, động vật) Ứng dụng công nghiệp dõi kiểm soát hoạt động thương mại, chẳng hạn thiết bị nước liên quan đến dầu khai thác khoáng sản, đường ống ngầm nước bắt cá thương mại Ứng dụng công nghiệp thường liên quan đến kiểm soát thành phần dẫn động tốt Các ứng dụng an ninh quân đội quê hương liên quan đến bảo đảm giám sát sở cảng tàu cảng nước ngoài, để khai thác mỏ liên lạc với tàu ngầm thợ lặn Các công nghệ mang lại cách thức để giám sát cảm nhận môi trường nước Giám sát hàng hải, thu thập liệu hải dương học cần thiết để khám phá, bảo vệ khai thác thương mại môi trường nước Nhiều ứng dụng tiềm năng, khảo cổ học biến sâu, dự báo địa chấn, sống thần,v.v Ứng dụng có yêu cầu khác nhau: cố định di động, ngắn hạn lâu dài Triển khai mạng di động nước Tính di động mật độ hai thông số mà thay đổi so với loại khác việc triển khai mạng cảm biến nước Hình minh họa vài cách để triển khai mạng lưới cảm biến nước ( hình ảnh slide) Triển khai nối dây, cố định thả neo không dây, điện thoại di động (trên AUVs_xe tự điều khiển.), có liên kết khác vào bờ Mạng lưới cảm biến nước thường tĩnh: nút riêng lẻ thuộc bến cảng, phao neo hay tới đáy biển (như cảm biến đáy biển sử dụng cáp khơng dây) Ngồi ra, mạng lưới nước bán điện thoại di động neo từ phao triển khai tàu sử dụng tạm thời, sau lại chỗ nhiều nhiều ngày Các cấu trúc liên kết mạng tĩnh cho thời lượng dài, cho phép kỹ thuật mơ hình mạng để thúc đẩy kết nối Tuy nhiên, kết nối mạng thay đổi chuyển động quy mơ nhỏ (như tiến động phao neo nó) động lực nước (như dịng chảy, sóng bề mặt hiệu ứng khác thay đổi) Khi pin, triển khai tĩnh lượng hạn chế Mạng lưới nước điện thoại di động, với cảm biến gắn vào AUVs, tàu lượn-năng có lượng thấp Mobility hữu ích để tối đa hóa bảo hiểm cảm biến với phần cứng hạn chế, đặt thách thức cho địa phương trì kết nối mạng Năng lượng cho truyền thơng dồi AUVs, mối quan tâm cho tàu lượn hay drifters Như với mạng lưới bề mặt cảm biến , mật độ mạng lưới , vùng phủ sóng số nút thông số liên quan đến mà đặc trưng cho triển khai Triển khai nước nhìn chung dày đặc , có tầm phát xa sử dụng nút đáng kể so với mạng cảm biến mặt đất Ví dụ , việc triển khai Seaweb vào năm 2000 liên quan đến 17 nút trải diện 16 km2 , với trung bình năm vùng nút Vấn đề cuối cùng, với mạng mặt đất từ xa , kết nối vào Internet quan trọng khó khăn Hình cho thấy số tùy chọn , bao gồm cáp nước , dây point - to-point vệ tinh Cuối cùng, việc triển khai cảm biến nước diễn khoảng thời gian ngắn (một vài giờ), ngày đến vài tháng vài năm chung cảm biến mặt đất Lý chi phí triển khai với khu vực rộng lớn với lãi suất khả pin hạn chế Ngoài ra, việc triển khai nước khắc nghiệt so với cảm biến bề mặt, đòi hỏi bảo dưỡng thiết bị định kỳ Kết ứng dụng Ngày nay, mạng cảm biến nước cho thấy ứng dụng thiết thực vào lĩnh vực sơng nghành công nghiệp, phục vụ nghiên cứu khoa học an ninh quân III Lớp vật lý IV Những ảnh hưởng tác động đến mạng cảm biến âm nước Bên ngồi mơi trường nước, quang phổ điện từ sử dụng chủ yếu truyền thông, kể từ đài phát phương pháp quang học cung cấp thông tin liên lạc đường dài (mét đến hàng trăm km) với băng thông cao (kHz đến hàng chục MHz), chí cơng suất thấp Ngược lại, nước hấp thụ phân tán gần tất tần số điện từ, làm cho sóng âm lựa chọn ưa thích cho thơng tin liên lạc nước hàng chục mét Sự lan truyền sóng âm dải tần số cho thơng tin liên lạc mơ tả nhiều giai đoạn Suy hao mô tả tổn thất điện mà âm tần số f từ nơi đến nơi khác Việc (giai đoạn bản) đưa vào tài khoản tổn thất xảy khoảng cách truyền dẫn d Giai đoạn thứ hai đưa vào tài khoản mạng cụ thể thiệt hại phản xạ bề mặt đáy khúc xạ xảy thay đổi tốc độ âm có chiều sâu, cung cấp dự báo chi tiết lĩnh vực âm xung quanh truyền định Giai đoạn thứ ba giải thay đổi dường ngẫu nhiên quy mô lớn nhận sức mạnh (trung bình khoảng thời gian) gây thay đổi chậm trung tuyên truyền Những tượng có liên quan để xác định cơng suất truyền cần thiết để đóng liên kết đưa Một giai đoạn riêng biệt mơ hình cần thiết để giải quy mơ nhỏ, thay đổi nhanh chóng cơng suất tín hiệu tức thời Hình ảnh minh họa ảnh hưởng kết hợp suy giảm tiếng ồn giao tiếp âm SNR hàm tần số cho truyền khoảng cách khác Hấp thụ âm giới hạn phạm vi tần số sử dụng làm cho phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn Truyền lan đa đường tạo tiếng vang tín hiệu đến với chậm trễ khác Chậm trễ lan truyền phụ thuộc vào vị trí hệ thống, từ vài mili giây đến vài trăm mili giây Trong hệ thống băng rộng, điều dẫn đến lựa chọn chức chuyển kênh tần số thành phần tần số khác biểu suy giảm đáng kể khác Các phản ứng kênh công suất tức thời thường thể quy mô nhỏ, thay đổi nhanh chóng, thường gây tán xạ chuyển động nhanh chóng bề mặt nước biển (sóng) hệ thống Trong biến quy mơ lớn ảnh hưởng đến kiểm sốt quyền lực máy phát, biến quy mô nhỏ ảnh hưởng đến việc thiết kế thuật tốn xử lý tín hiệu thích ứng người nhận Chuyển động hướng gây biến đổi thời gian bổ sung hình thức hiệu ứng Doppler Một vận tốc AUV điển hình vào thứ tự vài mét giây, tảng tự đình trơi dạt với dịng điện tốc độ tương tự Bởi âm lan truyền chậm, tỷ lệ tương đối vận tốc truyền / nhận với tốc độ âm cao tới 0,1 phần trăm, giá trị cực mà ngụ ý cần thiết để đồng hóa chun dụng Tình trạng hoàn toàn trái ngược với hệ thống vô tuyến Để tránh chậm trễ lan truyền giai đoạn biến dạng thời gian khác dài, hệ thống tập trung vào việc điều chế tần số số (tần số-shift keying) tín hiệu thu khơng mạch lạc (năng lượng) Mặc dù phương pháp không làm cho hiệu sử dụng băng thông, chúng ap cho gia dụng cho giao tiếp mạnh tốc độ bit thấp (thường số thứ tự 100 bps qua vài số) Trọng khía cạnh vật lý truyền âm quan trọng xử lý tín hiệu thành cơng; hiểu ý nghĩa điều cần thiết cho thiết kế mạng thích hợp Như hình ảnh minh họa, băng thơng có sẵn giảm theo khoảng cách, thực tế xây dựng trường hợp mạnh mẽ cho đa-hopping, với mạng vô tuyến dựa đất Trong môi trường âm thanh, chia link dài thành số bước nhảy ngắn không cho phép giảm điện năng, cho phép việc sử dụng băng thông lớn V Giải pháp thay Sóng EM có nhiều lợi sóng âm sử dụng để truyền tín hiệu nước Họ cung cấp thông tin liên lạc nhanh chóng hiệu nút mạng, và, họ sử dụng tần số làm việc cao hơn, họ cung cấp tốc độ liệu cao Có số yếu tố hạn chế việc sử dụng sóng EM nước Sóng EM lan truyền theo cách khác tùy thuộc vào loại nước nơi mà hệ thống truyền thông thực Tốc độ lan truyền tín hiệu c Xe: độ cảm điện môi trường μr:độ từ thẩm môi trường Các hệ số hấp thụ công tác tuyên truyền EM xấp xỉ vơi σ độ dẫn điện, Xe độ cảm điện môi trường μr độ từ thẩm môi trường (trong trường hợp này, nước) Phương trình (1) (2) cho thấy truyền sóng hấp thu hệ số nước độc lập với tần số làm việc tín hiệu truyền VI Kết mơ Nhóm em thử mơ matlap khơng có kết VII Kết luận nhận định Ứng dụng đẩy phát triển cảm biến nước kết nối mạng Không tốn máy tính, viễn thơng kích hoạt cảm biến cạn mạng thời gian dài; hy vọng điện toán giá rẻ, kết hợp với chi phí thấp tiên tiến cơng nghệ âm thanh, truyền thông cảm biến, cho phép ứng dụng cảm biến nước tốt Trong nghiên cứu mạng cảm biến nước tăng đáng kể năm gần đây, rõ ràng số thách thức để giải Với loạt phương pháp tiếp cận để giao tiếp, truy cập trung bình, mạng ứng dụng, phân tích hiệu quả, tích hợp thử nghiệm ý tưởng tối quan trọng, trường phải phát triển hiểu biết bản, hiểu đứng lên thực tế Đối với lý này, tin phát triển mơ hình lý thuyết (cả phân tích tính tốn) cần thiết, sử dụng nhiều testbeds thí nghiệm điều cần thiết; cơng việc hỗ trợ xác phân tích hiệu suất hệ thống mơ tả đặc điểm, đưa vào hệ thơng tin liên lạc nước cảm biến Ngồi ra, hội nhập thử nghiệm ý tưởng nhấn mạnh đường nối mà thường giấu phịng thí nghiệm nghiên cứu tập trung hơn, chẳng hạn tổng chi phí hệ thống, yêu cầu lượng sức mạnh tổng thể điều kiện khác ... thuộc, thời gian khác đa đường truy? ??n tốc độ thấp âm Cùng với đó, khó khăn dẫn đến kênh truy? ??n thơng có chất lượng độ trễ cao Về việc xây dựng mạng cảm biến nước Mạng cảm biến nước xây dựng dựa việc... Triển khai mạng di động nước Tính di động mật độ hai thơng số mà thay đổi so với loại khác việc triển khai mạng cảm biến nước Hình minh họa vài cách để triển khai mạng lưới cảm biến nước ( hình... hợp với chi phí thấp tiên tiến công nghệ âm thanh, truy? ??n thông cảm biến, cho phép ứng dụng cảm biến nước tốt Trong nghiên cứu mạng cảm biến nước tăng đáng kể năm gần đây, rõ ràng số thách thức