Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Thiết kế và đánh giá của mã khối không gian - thời gian phân bố trong mạng cảm biến vô tuyến

Ta biết rằng là đối với các hệ thống không bị hạn chế nhiều về mặt kích thước chế tạo thì một trong những cách thức phổ biến để tăng tốc độ cũng như độ tin cậy trong việc truyền dữ liệu

DAI HOC QUOC GIA THÀNH PHÓ HỎ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

THIET KE VA DANH GIA HIEU QUA CUA MA KHOI

KHONG GIAN-THOI GIAN PHAN BO TRONG

MANG CAM BIEN VO TUYEN

CHUYEN NGANH: KY THUAT DIEN TỬ

MA SO CHUYEN NGANH: 60.52.70 oe cscs SN š P rane

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HÒ VĂN KHƯƠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM

sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

Sử" KT.TRƯỞNG KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỬ

lo PHÓ TRƯỞNG KHOA ngyới Động

Quản À«

TS Huỳnh Thai Hoang

DAI HOC QUOC GIA TP.HCM CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYEN NGỌC VŨ .- MSHV: 11140078 Ngày, tháng, năm sinh: 10/08/1986 T1 Hiei Noi sinh: Phan Thiet Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - ccceieierree Mã sô : 605270

I TÊN ĐÈ TÀI: Thiết kế và đánh giá hiệu quả của mã khối không gian-thời

gian phân bô trong mạng cảm biến vô tuyến . 56-5 2+cccrtererrrrree II NHIEM VU VA NOI DUNG:

- Tim hiéu vé mang cảm biến vô tuyến, nghiên cứu các phương pháp để tạo tập vector chữ ký node và các loại mã DSTBC

- St dung Matlab để mô phỏng BER trong quá trình truyền dan trong mang cảm biến vô tuyến khi sử dụng mã DTSBC

TỪ, NGÀY CIAO NUI?MVU : 140L ÍÃ QadekhHezti-zsaaiissaasenssesdasneasrie IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/06/2013 -.:-:cc+-cccseterie

Vv CANBO HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): -‹ < «-¿

TS Huỳnh Thái Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Hồ Văn Khương đã

(rực tiếp hướng dan, tan tinh chi bdo va tao moi điều kiện thuận lợi nhái, giúp đố lôi

trong quá trình thực hiện Luận Văn này

Tôi xin gởi lời cảm ơn Quý Thây Cô chuyên ngành Kỹ Thuật Điện Tủ - Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã hết lòng giảng dạy, truyên dat kiến thức và giúp đỗ tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường

Tôi cũng xin chân thành cám ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Trưởng Đại

Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt cho tôi về trang thiết bị và tài

liệu học tập trong suốt khóa học

Cuối cùng, tôi cám ơn các bạn học viên cao học K2011 và gia dinh da ung ho,

giúp đỡ tôi để hoàn thành Luận Văn này

TP.HCM ngày 2Š tháng 06 năm 2013

Nguyễn Ngọc Vũ

ABSTRACT For MIMO systems, one of popular methods to archive higher reliability is using STBC coding But it is impossible for Wireless Sensor Networks (WSNs) due to restricted number of antennas for each sensor node This dissertation proposes a new class of code which is called the Distributed Space-Time Block Codes (DSTBCs) to reduce bit error rate when relay nodes transmit data in WSNs DSTBC codes are designed for decentralized cooperative networks such as large WSNs Each active

node transmitted the signal which is the product of a TxN,STBC information-

carrying matrix B[k] which is the same for all Ns active nodes and a unique node signature vector g,, We show that the diversity order of proposed DSTBCs asymptotic to diversity order of STBCs if Ns is large enough and the set of node signature vector are optimized

TOM TAT

Đối với các hệ thống MIMO thì một trong những cách để tăng độ tin cậy trong việc truyền dẫn trong hệ thống là sử dụng mã khối không gian thời gian STBC Tuy nhiên điều này lại không thích hợp trong các mạng cảm biên vô tuyến do số lượng ăng-ten

trên mỗi thiết bị cảm biến thường bị hạn chế Để giảm tỉ lệ bit bị lỗi khi các node relay

truyền dữ liệu, luận văn đề xuất một loại mã mới được gọi là mã không gian thời gian

phân bố DSTBC Các mã DSTBC được thiết kế cho các mạng hợp tác không tập trung

chăng hạn như mạng cảm biến vô tuyến diện rộng Mỗi node hoạt động phát di tín hiệu là tích của một ma trận mang thông tin SŠTBC BỊ[k| kích thước là TxN, giống nhau cho tất cả Ms node hoạt động với vector chữ ký node g„ của riềng node đó Chúng ta chứng minh rằng bậc phân tập của các mã DSTBC tiền về bậc phân tập của các mã

STBC khi Ms đủ lớn và tập các vector chữ ký node được tối ưu hóa

-VI-

ES

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan rang luận văn này là sản phâm do chính tôi tự thực hiện

không có sự sao chép kêt quả trong các bât cứ tài liệu hay bài báo nào đã công bô trước đây Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan nói trên

mean

MUC LUC DANE SACH CAC FINE VE cxsvercorsevarisvsqcssseanscsrnesstnssinecessesesesensaecnecvemmarnecnnsenresian x DANE SACH CAC BANG isesissssssevseisvescssericensinenssseiorssesssesmecisssevessescansssnmaceusisnuienss xii DANH SACH CAC TU VIET TAT ccssicscsnvssnasessceenssssevesesvancesascassisanesiusincssancessmneaasis xiii b MO DA titi Ci CRENCRARETEIO l

I Ly do chon UE 108, sie Kiet HORTON CHW cocscessccrsciniivennsaszaninracnniasievnimnntnnnsavaesenssennien I D DG GO HENIEN CĂN cccccrasincsarassavccrncinnccr orcecarrsoneinineennniparnemmniuanenimainannniienss 2 3 Phạm vỉ HghiÊH CỨU .eoseo-«seesseeesoikennSA640560956108600969064909996894600080000000099000019000900 2 4 Khao St cdc CONG trin lÏÊH (TH(H ecceĂvăSĂĂVĂ nh n9 111196 18150165 8101161 0110161010 a 5 Đóng góp ÏHẬNH VĂN .srcscvesssereerseverserceerserscseesenssntecnacesessrecenneseasseanensesseusnsennensessrsnseness 4 6 Bỗ cnc luỄn VỐN eoseesssesssseseseseisnoareeiiDirdeigliissgbfnsg2i30AiG486148100/4168asix6idl 61/144G0 4

CHUONG 1 TONG QUAN VE MẠNG CẢM BIÉN VÔ TUYÉN 6 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến vô tuyÊn -.«- «5s sxersetxerrsrrtrerrrrrrrrre 6

1.2 Mô tả hệ thống tổng quat . s- 5< < 5< Sex vkgxgtrkerkrrrisrrrrterrsersrrsre 7

1.3 Các đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến vô tuyến . « s -s+©s< 8

1.4 Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến vô tuyến -c‹s-ss+5«2 10 1.5 Các ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyÊn - - s5 s+5s+cesevceeexeexee 12 1.6 Một số thách thức trong mạng cảm biến vô tuyẾn c-s-+ssese5sessc: IS

CHUONG 2 TONG QUAN VE KENH TRUYEN VÔ TUYÉN - - 19

2.1 Giới thiệu chưng ce-coosn s19 121109064566856089416456005060909000400600050000009560 19 2.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền ERP 21 2.2.1 Hiệu ứng đa đường (Multipat) « con n 0242 0 C04 04001620 0666 21 2.9.2 Hiệu: Ủftg DŨDĐÏF ¿- e-cserabrseisiisbiduSisvekikereog hy bầy HI.1489 0091008101 4931 T90 n0 n1 22 2.2.3 Hiệu ứng bổng LĂNHH se eeeieserenieeebdA die Die l6 0416661064460Ay3660113860004146AdLẠgg Los4g0Ể: 23 2.3 Các dạng kênh truyền mm" " tHrreirrrrriirrtiiee 23 2.3.1 Kênh truyền chọn lọc tân sô và kênh truyên không chọn lọc tân sô 23 2.3.2 Kênh truyén chọn lọc thời gian và kênh truyên không chọn lọc thời gian 25 3; (Áo mỗ kĩnh kêuh trưyền C6 Dit cindiccimomnnmnmnmananmnmnnmnnen 26

2.4.1 Mô hình kênh truyền theo phân Hộ RHVIGISỈ tuucgnnoey HH Gà tá He ga dien die 26

2.4.2 Mô hình kênh truyền theo phân bố Rician c-cc55c5cccxsrcercee2 28

CHƯƠNG 3 MÃ KHÓI KHÔNG GIAN-THỜI GIAÌN eo csccs+ 5s 30

ST TH TH Ta ngyngse esbsgpepgireroaeprgtannnaniion00000110000E0000000E0000900000N060000m0fnGmeA 30 3.2 Mã hóa không øian-thời gian liên kết . e«-csecsereseeerrrsrrsssssee 31

3.3 MA hoa khOng gian-thOi Gian Vi Sai .eereeceeseeresseeressensessesessessnsssnerssensens 34

3.4 Mã hóa không gian-thời gian không liên kết -cseceeereeceee 35

CHUONG 4 MA KHOI KHONG GIAN-THỜI GIAN PHẨN BÓ 38 45 CAG CUB canccicccarinnaamnnnennncnmnanmmecemnnsenennmnmsnccescmeencen 38

1 34 Cheb Chat Nà cát ng oto giiö 10100À00069360101641000/6C164 0-1840 n218ia-gldgnuàt Gabddúkhin thingguggg 47

AA, Thikt ké tip Vector Chỉ? Wey NODE saisssesssnssincascennaoncrosicrienecnisroninsanrsensaneniseasceescen 48

4.4.1 DO mat mat phan bO ccccccecsesseseeseeseeeceseseeseeseeesneessesesseesecesaeseesesseeneensen 48

LAS CRs Bp IHL THÍ TÄ, aisdildg8t8110153600161054160/0000190100H041407202280.080 0480.cA.nde 49

4.4.3 Ảnh hưởng của tham số thiết KEN, c.cccceccscessesseseeseesesnecteeeserssesseeseenesseseensen 50

4.4.4 Các (Ập gradienL Ở „„„„ ‹ -‹-c-c-cccccct sinh Hư tr HH 50 4.4.5 Các tập Grassmannian Ở „„ -cccreienheterrrerrrerrrrrrrrrrrrree 32

hh Cie ii bÃI ỔI seeseeseee=eensse=onisdkbnibi MARAE 53

CHUONG & CÁU NẾT DH MÔ PHÙ NNG tàuadtsaeediiisioaeonastsseindoisonoseh 56

CHUONG ø KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẾN ĐẺ TÀI 70

Tá TIỂU THHT NHI «e-eseiisee=eiGkGGGSiiidilislagttiittesitol00030328000100010082080030836 7I

-lX-

DANH SACH CAC HINH VE

Hình 1.1: 08 hilt tbe Neha Pratt WEN scistcisasersseniscirsccncissnetasinccrasiatanmsananmenennmanco 7

Hình 1.2: Các thành phần của một node cảm SAEED ox vereyremeverecenr nnn sor nnmnlone iS AGRA MISS 8

Hình 1.3: Ngăn xếp giao thức trong mạng W§N -ccsscccsieiiririei §

Hình 1.4: Sơ đồ khối của một node cảm biến trong dự án Knaian -‹- 13 Hinh 1.5: Cac thanh phan xử lý của một võng mạc nhân tạo .- -‹- 15

Hình 2.1: Sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống thông tin vô tuyến - 19 Hình 2.2: Phân loại kênh truyền fading SNARE SATE 20

Hình 2.3: Fading đa đường trong truyền sóng vô LH IỂN « RT NMR

ink 2.4: Kieth treet Chott 10 tain 80 ( Be <A) secpescerisce civ cssnsvassnncnsnsannsnauncsesnisvennensin 24

Hinh 2.5: Kénh truyén khéng chon loc SDT A, BOY enrnricnrnrnd MARUI 25

Hình 2.6: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh . -+5s+5cccsxcsrs 28 Hình 2.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rician theo biến k -. - 29

Hình 3.1: Mô hình hệ thống thông tin với N ăng-ten phát, M ăng-ten thu trong môi trường {Án XẠ «s2 01001 tàn tà ng hà Hi 0110141101741111111110011171101111 30 Hình 3.2: Bộ mã hóa STBC gồm X, ăng-ten - - -5-ccc+2ctzetsrerrerreerrrrrrree 32 Hình 4.1: Mô tả cách thức truyền dẫn từ node nguồn đến trạm cơ sở 38 Hình 4.2: Mô hình mạng WSN gồm W=8 node relay DaF và N, =2 node hoạt động

Hình 5.1: Đường hội tụ của giải thuật gradient với N=30 và À,= ÁN, =2 c 56

Hình 5.2: Biểu diễn độ mát mát phân bố cực đại L„„„(2) và độ mat mát phần bố trung bình Lạu;(2) của hệ thống gồm N node relay theo tap Goraq Va Gham- Duong mau do

biểu diễn biên dưới của độ mất mát mát phân bó cực đại theo biéu thite (4.26) 59

Hình 5.3: Biểu diễn độ mắt mát phân bố cực đại và độ mất mát phân bố trung bình của

một hệ thống gồm N node với số nút hoạt động Ns khác nhau (trong đó tập vector chữ

ký node Ggrag được ti dữ đai ÁN SN =HỦ Guda dang t0 iit0s)g4060486 03 G01800422222a8s.6 sả 60

Hình 5.4: Biểu diễn độ mắt mát phân bố cực đại và độ mắt mát phân bố trung bình của một hệ thống gồm N node được tôi ưu cho W„= W, =3 theo tập G „„ Và G„„ 61

Hình 5.5: Biểu dién BER của hệ thống sử dụng mã DSTBC liên kết trong một mạng

sồm N=30 node relay, với số node relay hoạt động N, khác nhau, trong đó các node

sử dụng vector chữ ký node được xây dựng băng tập Goraq duge tối ưu cho N, =N, =2 Gà TS s06 2266 S9 cá GV dồ à G0 tg§ LVY ca tuy dạt bảo đan xoá Giá Loš thay ii ha qa 5008 058.003:930009 409 1901948 RULERS ErEEraR ERR 64

Hình 5.6: Biểu diễn BER của hệ thống sử dụng mã DSTBC liên kết trong một mang

gồm N=30 node relay, với số node relay hoạt động X, khác nhau, trong đó các node

sử dụng vector chữ ký node được xây dựng băng tập Gham due toi uucho NV, =N, =2

VÀ N [co LeccsneoeeeeevesdekeectdEtsA6KGTEELAokábskcgeC40x93/0444sã6013500293835si6464395864655.0490680.0sesdÀ4esaislsgi 65

Hình 5.7: Biểu diễn BER của một hệ thống st dung ma DSTBC vi sai trong một mạng

gồm N =30 node relay voi s6 node hoạt déng N, khác nhau, trong đó các node relay sử dụng vector chữ ký node được xây dựng bằng tập Ging được tối ưu cho NV, = N =3 GR PISO), ccacecvossosexencerveneuevesecooreyreseoncendannbssibasinnnig cossusinanssvebuilahebuunpsbaveedeiiesnudinaeuestiestseasions 66

Hình 5.8: Biểu điễn BER của một hệ thống sử dụng mã DSTBC vi sai trong một mạng

gồm X =30 node relay với số node hoạt động N, khác nhau trong đó các node relay sử dụng vector chữ ký node được xây dựng băng tập G,„„ được tôi ưu cho À,=À, =3 VỀ GỐI cá Go va dt di há c0 it 0t GOR58 6\iGãG Gisbš4i60/Jpo§2à6taài25Z8052064844340010.X45)0102f3791099/EEGXeSSSiEG51-56001018007%0% 67

Hình 5.9: Biểu diễn BER của một hệ thống sử dụng mã DSTBC không liên kết trong

một mạng gồm N=30 node relay, với số node hoạt động Ns khác nhau trong đó các node sử dụng vector chữ ký node được xây dựng bằng tập Gerag Auge tối ưu cho Ñ:=Ñ =7 và Ni Ga Guá gi on 00g 201186635046 36-633xàd5854dkã dai ghiZs S834 0SEREAGSSGA/08/.0694400 68 Hình 5.10: Biểu diễn BER của một hệ thống sử dụng mã DSTBC không liên kết trong

một mạng gồm N=30 node relay, với số node hoạt động Ns khác nhau, trong đó các node sử dụng vector chữ ký node được xây dựng bằng tập Gnam„ được tối ưu cho N,=N,.=2 và N=30 HH 1111101111100 nnnn0n 69

-XI-

DANH SACH CAC BANG

Bang 5.1: Kết quả xây dựng tập vector chữ ký node G „„ khi N=30, N,=X, =2 tại bước lặp ¡=0 và ¡„„ = 14091 -certrrieriterrtrierieeirirriieiitritritrirerirriteirrrerrrrrriir 58 Bảng 5.2: Kết quả xây dựng tập vector chữ ký node theo tap G,,,,, cho hé théng gom

N =30 node relay, t0i ru Cho N, = W, =Â -cerrrreeereeeererrerrerrrrrrrrrrrrrrre 62 Bang 5.3: Kết quả xây dựng tập vector chữ ký node theo tập G,„„ cho hệ thống gồm N=30 node relay, tối ưu cho ÄM„ = M, =3 ecccceerrerrreerrrreirdrrerrrrrrrrrrrree 64

-Xii-

DANH SACH CAC TU VIET TAT

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DaF Decode-and-Forward Giải mã và chuyên tiép

DFT Discrete Fourier Transform Biến đôi Fourier roi rac

DSTBC Distributed Space-Time Block | Ma khôi không gian-thời gian

GLRT Generalized likelihood ratio test Kiểm tra tỉ lệ hợp lý tông quát MIMO Multi Input Multi Output Nhiéu dau vao nhiéu dau ra ML Maximum Likelihood Hợp lý cực đại

PAPR Peak to Average Power Ratio Ti số công suât đỉnh trên trung

bình Pdf Probability density function Hàm mật độ xác suât

PEP Pairwise error probability Xác suất lỗi cặp

STBC Space time Block Code Mã khôi không gian-thời gian SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiều USTM Unitary space-time modulation Điều chê không gian thời gian

unita WPAN Wireless Personal Area Network | Mang cá nhân không dây WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biên vô tuyên

I MO DAU GVHD: TS Hé Van Khương

I MO DAU

1 Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu

Ngày nay, với những tiến bộ trong thông tin vô tuyến và điện tử đã cho phép thực hiện được các mạng cảm biến vô tuyến WSN giá thành thấp Mạng WSN có thé hiểu đơn giản là mạng gồm các node liên kết với nhau bằng kết nối vô tuyến trong đó các node thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, được phân bế một cách ngẫu nhiên trong một phạm vi hoạt động rộng Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng trong thực tế, ví dụ như dùng để thu thập các thông số môi trường (ứng dụng trong việc giám sát lũ lụt, mưa, bão, động đất hay là dùng để phát hiện sự ô nhiễm, khí thải, ); hoặc trong lĩnh

vực quân sự (ví dụ như: giám sát chiến trường, phát hiện mìn, chất độc hoặc theo dõi

sự dịch chuyển các thiết bị của đối phương ); hoặc trong lĩnh vực công nghiệp điều

khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh | Tuy nhiên một trong những nhược điểm của mạng WSN đó là tốc độ truyền tải

dữ liệu từ node nguồn về node đích hay trạm cơ sở (base station) thường thấp và tỉ lệ lỗi bit cao Ta biết rằng là đối với các hệ thống không bị hạn chế nhiều về mặt kích thước chế tạo thì một trong những cách thức phổ biến để tăng tốc độ cũng như độ tin cậy trong việc truyền dữ liệu đó là sử dụng kỹ thuật MIMO kết hợp với mã khối không gian-thời gian STBC (Space Time Block Code) Tuy nhiên cách này lại không phù hợp nếu sử dụng trong mạng WSN do mỗi thiết bị trong mạng cảm biến vô tuyến bị hạn chế nhiều về mặt kích thước chế tạo và mỗi thiết bị cảm biến thông thường chỉ sử dụng duy nhất một ăng-ten

Do đó yêu cầu cấp thiết đặt ra là cần phải tìm ra một cách thức truyền thông mới

để có thể tăng độ tin cậy của quá trình truyền dan trong mang WSN mà không làm tăng

kích thước chế tạo cũng như số lượng ăng-ten phát của mỗi node trong mạng WSN

——-———————

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -l-

I.MỞ ĐẦU GVHD: TS Hồ Văn Khương

2 Đối tượng nghiên cứu

Luận văn tập trung tìm hiểu các phương pháp để tạo tập các vector chữ ký node và đánh giá hiệu quả của các mã DSTBC trong một mạng cảm biến gồm node relay

Trong mô hình này các tín hiệu mà các node relay phát đi là tích của một ma trận mã

STBC và vector chữ ký node có chiều dài XM„ và chứng minh rằng bằng việc sử dụng

các mã STBC hiện có sẽ cho độ lợi phân tập bằng đ=min{MN.,Ns} néu cé N, node

relay hoat dong va N, 1a chiéu dai không gian của bộ mã STBC Đặc điểm của mô hình mạng cảm biến mà luận văn khảo sát là:

- Các node relay chỉ sử dụng một ăng-ten

- Ma trận mã SŠTBC là giống nhau và biết trước ở tất cả các node relay - Kênh truyền bị ảnh hưởng bởi fading Reyleigh phẳng (kênh truyền không chọn

lọc tần số)

3 Pham vi nghiên cứu

= Nghiên cứu các mã SŠTBC, mã DSTBC và các kỹ thuật truyền thông hợp tác «= Su dung MATLAB để xây dựng tập vector chữ ký node và so sánh hiệu suất của

hệ thống sử dụng các tập vector chữ ký này 4 Khảo sát các công trình liên quan

Đề thực hiện việc truyền thông hợp tác người ta thường sử dụng mô hình mã hóa không gian-thời gian phân bố tập trung hay không tập trung tùy thuộc và quy mô triển khai mạng là nhỏ hay lớn Tập các mã được đề xuất trong trong [I] được sử dụng cho mô hình tập trung Tuy nhiên mô hình mã hóa không gian-thời gian phân bố tập trung không phù hợp với các mạng WSN có phân bố diện rộng Trong [2], [3], [4] dua ra các mô hình mã hóa không gian-thời gian phân bố không tập trung, trong đó các

——————er n————————

HƯTH: Nguyễn Ngọc Vũ -2-

—.

MỞ ĐẦU: GVHD: TS Hồ Văn Khương

| node relay không cần biết trước vị trí các các node relay khác trong mạng Ví dụ trong

[2] Laneman và Wornell sử dụng các mã STBC trực giao để thực hiện việc mã hóa

không gian-thời gian phân bố, trong đó vector phát của mỗi node relay khác nhau được gan bang một cột khác nhau của ma trận STBC Trong [5] người ta chứng minh rằng đối với các mạng có tổng số node relay M<X,, trong dé N, là chiều dài không gian của các mã STBC thì bậc phân tập sẽ là đ= M; với M¿<W<®, là số node hoạt động trong mạng Tuy nhiên khi N > JN, thi sé xuất hiện các node relay được gán cùng một cột của ma trận STBC và trong [3] chứng minh rằng điều này sẽ dẫn tới bậc phân tập d=1 Do đó các mã STBC trực giao mà Laneman và Wornell đề xuất trong [2] chỉ thích hợp trong các mạng có số node relay là nhỏ Để khắc phục giới hạn của mô hình Laneman, [6] đưa ra môi trường hợp tác phân theo nhóm (cluster) trong đó mỗi nhóm có một node đóng vai trò là một trưởng nhóm (cluster head) dùng để chon ra N, =N,

node hoạt động trong nhóm đó Hiển nhiên, trong một cluster người ta sử dụng mô

hình tập trung để thực hiện việc truyền thông Có nhiều công trình nghiên cứu về việc sử dụng mã STBC trong mô hình không tập trung Ví dụ trong [7] khảo sát hiệu suất của mô hình Alamouti trong một mạng hợp tác gồm 2 node relay ứng với các độ trễ lan truyền và độ suy hao đường truyền khác nhau Trong [8] nghiên cứu về hiệu suất của các mã STBC trực giao vi sai trên các kênh truyền fading Rayleigh khối có phân bố gần đồng dạng Trong [9], [10] sử dụng các mô hình chuyển tiếp hợp tác cơ hội, tức là sau khi kết thúc giai đoạn phát quảng bá dữ liệu thì chỉ node relay nào có độ lợi kênh truyền tới trạm cơ sở lớn nhất sẽ được chọn để phát Do đó trong các mô hình này thông tin trang thái kênh truyền CSI cần phải biết trước Tuy nhiên, trong thực tế với những kênh truyền có fading thay doi nhanh thì giải pháp này không thực tế Trong [11] đưa ra mô hình mã hóa không gian- thời gian phân bố vi sai để tránh việc phải ước lượng kênh truyền Tuy nhiên, nếu các

—————————

HVTH: Nguyên Ngọc Vũ -3-

eo

I MO DAU GVHD: TS Hồ Văn Khương node hợp tác không biết trước, kỹ thuật này chỉ đảm bảo phân tập đầy đủ trong các

mạng với N=2 node

Trong [12] đưa ra mô hình truyền thông hợp tác mới được gọi là mô hình STNC-ONS (Space-Time Network Coding with Optimal Node Selection) Qua trinh

truyén thông trong mô hình này được chia thành hai giai đoạn Giai đoạn đầu tiên được

gọi là “giai đoạn phát quảng bá”, trong giai đoạn này mỗi node phát quảng bá thông tin của nó tới tất cả các node khác trong khe thời gian được cấp phát riêng cho node đó Giai đoạn thứ hai được gọi là “giai đoạn hợp tác”, trong đó node tối ưu tương ứng với khe thời gian riêng của nó Các biểu thức giải tích được dẫn ra trong [12] chỉ ra rằng đối với một mạng gồm X node, thì hệ thống có thể đạt được bậc phân tập đầy đủ bằng

(N-1) néu sử dụng mô hình truyền thông hợp tác STNC-ONS Trong [13] đề cập

phương pháp để tính dung lượng kênh truyền trong mạng WSN sử dụng cơ chế chuyển tiếp DaF

$ Đóng góp luận văn

Bằng việc ứng dụng mã khối không gian-thời gian phân bố DSTBC đề tài này chứng minh được rằng nó sẽ giúp giảm được tỉ lệ bit sai khi truyền dữ liệu trong mạng WSN Noi mot cách tổng quát thì các mã DSTBC này được thiết kế cho các mạng

WSN gồm N node relay va st dung một tập con SN các node nay dé thuc hién viéc

phân tập phát trong quá trình truyền dẫn từ node nguồn về trạm cơ sở Dựa vào điều này ta có thể đạt được độ lợi phân tập gần giống như trong các hệ thống MIMO mà không cần phải sử dụng nhiều ăng-ten cho mỗi thiết bị trong mạng cảm biến vô tuyến

WSN

———

HVTH: Nguyên Ngọc Vũ -4-

I MO DAU GVHD: TS Hồ Văn Khuong

6 Bỗ cục luận văn

Chương ï: Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến vô tuyến, trình bày các thành phần

cấu tạo của một node cảm biến trong mạng, cơ chế hoạt động, các ứng dụng và thách

thức cần phải giải quyết trong mạng cảm biến vô tuyến Chương 2: Giới thiệu tổng quan về các loại kênh truyền vô tuyến trong thực tế, các mô hình phân bố của các loại kênh truyền

Chương 3: Giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật phân tập Sau đó trình bày về các loại mã khối không gian-thời gian tương ứng là: mã không gian-thời gian liên kết, mã không gian-thời gian vi sai và mã không gian-thời gian không liên kết Với mỗi loại mã này ta đưa ra giới hạn về xác suất lỗi cặp, độ lợi mã hóa và độ lợi phân tập tương ứng Chương 4: Giới thiệu cách thức thực hiện mã hóa không gian-thời gian phân bố trong một hệ thống hợp tác gồm nhiều node relay, trình bày về giải thuật tạo các tập vector

chữ ký node, giới thiệu về các mã DSTBC liên kết, không liên kết và vi sai, các tiêu

chuẩn tối ưu hóa và các kỹ thuật tách sóng cho từng loại mã này Chương 5: Trình bày các kết quả mô phỏng về độ mắt phân bố cực đại L„„„ và độ mat mat phan bố trung bình L„y của các tập vector chữ ký node Sau đó trình bày các kết quả mô phỏng thông số BER của từng loại mã DSTBC liên kết, không liên kết và vi sai

tương ứng

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -5-

7

Chuong 1: Tổng quan về mạng GVHD: TS Hồ Văn Khương cảm biên vô tuyên

“` “s-.- ————.=ễẳ.>=szyryasaswsaynanananaaawwuuợxni

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến vô tuyến

Mạng cảm biến vô tuyến bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử

dụng các liên kết không dây (RE, hồng ngoại hoặc quang học) được phân bố phân tán trong không gian để thực hiện chức năng thu thập thông tin hoặc phát hiện các

sự kiện đặc biệt Các node cảm biến vô tuyến có thể được triển khai cho các mục

đích chuyên dụng như giám sát môi trường, chăm sóc sức khoẻ, trong quân sự hoặc sử dụng trong gia đình Ưu điểm nổi bật của mạng cảm biến vô tuyến là có

thể triển khai được trên hầu hết mọi loại địa hình, kể cả trong các địa hình phức

tạp mà mạng cảm biến có dây không thể triển khai được Các bộ vi cảm biến với

bộ vi xử lý được gan trong một thiết bị có kích thước nhỏ được gọi là một node

mạng Giữa các node mạng liên lạc với nhau bằng các kết nối vô tuyến Việc kết

hợp các thiết bị cảm biến thành mạng lưới tạo ra nhiều khả năng mới cho con

người, nó đã giúp con người giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp và khám phá được nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây

Ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến là rất nhiều tuy nhiên thách thức lớn nhất van 1a van dé nang lugng cung cap cho mỗi thiết bi trong mạng bị hạn chế Những tiến bộ gần đây trong VLSI điện năng thấp, điện toán nhúng, kích thước ngày càng nhỏ gọn và tốc độ xử lý ngày cành nhanh của các bộ vi xử lý và nói chung sự hội tụ giữa máy tính và truyền thông làm cho mạng cảm biến ngày càng được ứng dụng rộng rãi Ngoài ra, những tiến bộ trong công nghệ nano và vi hệ thống cơ điện tử (MEMS) cho phép chế tạo ra các node cảm biến có kích thước nhỏ cũng như giá thành chế tạo ngày càng rẽ đã góp phần thúc đây sự phổ biên của các mạng WSN

al

Chuong 1: Téng quan về mạng GVHD: TS Hồ Văn Khương cảm biến vô tuyến

1.2 Mô tả hệ thống tổng quát Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) như trên Hình 1.1 Mỗi node cảm biến được phân tán trên mạng có khả

năng thu thập số liệu, định tuyến số liệu về các trạm cơ sở (base station) Số liệu

được chuyển tiếp tới các trạm cơ sở theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infracstructureness Architecture) Dữ liệu thu thập mà các trạm cơ sở thu nhận được có thé truyền về người dùng để xử lý, phân tích hay lưu trữ tiếp thông qua môi trường Internet

——ố

HVƯTH: Nguyễn Ngọc Vũ -7-

Chương 1: Tông quan về mạng GVHD: TS Hồ Văn Khương

cảm biên vô tuyên

rằng năng lượng trong bộ nguồn của một node cảm biến thường rất hạn chế do kích thước của một node cảm biến thường là nhỏ Do đó, để tăng thời gian sống của một node người ta thường sử dụng thêm thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tắm pin năng lượng mặt trời Và để các node có thể định tuyến trong mạng đòi hỏi cần phải có hệ thống tìm vị trí Ngoài ra trong một số mạng cảm biến được thiết kế cho những mục đích đặc biệt thì cần có thêm thiết bị di động để các node có thể di chuyển được

802.11 để truyền tải dữ liệu Tuy nhiên hiện nay trong giải pháp mạng cảm biến

không dây dùng trong thương mại và trong các trường đại học người ta chủ yếu

—————

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -8-

Chuong 1: Tông quan về mạng GVHD: TS Hồ Văn Khương cảm biên vô tuyên

str dung chuan IEEE 802.15.4 Đây là chuẩn dùng trong mạng WPAN tốc độ

thấp Chuẩn này được dùng trong các sản phẩm đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng

thấp, không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin và QoS e Kích thước vật lý phải nhỏ

Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu

thụ luôn chỉ phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở Việc

thiết kế phần cứng cho các mạng cảm biến không dây phải chú trọng đến việc thu nhỏ kích cỡ và công suất tiêu thụ phù hợp với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động của một node

e_ Hoạt động đông thời với độ tập trung cao Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng WSN là cảm biến và truyền tải thông tin tốc độ thấp Thông tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng Hoặc node cảm biến có thể nhận dữ liệu từ các node cảm biến khác Do đó, các node trong mạng

WSN thường phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần nhiều thời gian xử

lý e_ Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển đơn giản

Đối với các hệ thống thông thường, bộ vi xử lý kết nối với các thành phần

khác băng một cấu trúc bus phức tạp Còn đối với các node trong mạng WSN cau trúc bus liên kết giữa bộ vị xử lý và các thành phần khác như bộ cảm biến hay bộ truyền động (actuator) thường đơn giản và có kết nối trực tiếp

e Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Các thiết bị trong mạng WSN có khuynh hướng dành riêng cho một ứng

dụng cụ thể, tức là phần cứng được thiết kế riêng cho ứng dụng đó Vì mạng cảm

a

Chương 1: Tổng quan về mạng GVHD: TS Hồ Văn Khương cảm biến vô tuyến

biến có rất nhiều ứng dụng do đó có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Do đó cần có một môi trường phát triển chung để cho phép các thiết bị có nhiều ứng dụng khác nhau mà không cần giao diện phức tạp

1.4 Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến vô tuyến Bộ giao thức sử dụng ở các node cảm biến được minh họa trong Hình 1.3 Bộ giao thức này đảm bảo việc phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, đảm bảo việc truyền tin hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các node cảm biến Bộ giao thức chia theo lớp gôm có:

- Lớp ứng dụng (Application Layer): bao gồm các kiểu phần mềm ứng dụng dùng riêng cho nhiệm vụ của mạng WSN

- Lớp giao vận (Transport Layer): nhiệm vụ của lớp này là giúp duy trì luồng dữ liệu khi lớp ứng dụng yêu cầu

- Lớp mạng (Network Layer): nhiệm vụ của lớp này là giúp định tuyến luồng dữ liệu mà lớp giao vận cung cấp

- Lớp liên kết dữ liệu (Datalink Layer): lớp này giúp giảm thiểu sự đụng độ trong việc phát quảng bá giữa các node

- Lớp vật lý (Physical Layer): bao gồm các kỹ thuật điều chế để truyền và nhận dữ liệu

Bộ giao thức chia theo mặt phẳng gồm có: - Mặt phẳng quản lý nguồn (Power Management Plane): quản lý việc một node cảm biến sử dụng năng lượng của nó như thế nào Ví dụ, node cảm biến có thẻ tắt bộ phận xử lý dữ liệu nhận sau khi nhận được bản tin từ một trong các node lân cận Điều này có thể tránh được việc nhận các bản tin trùng lặp Ngoài

——————=

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -10-

ra khi mức năng lượng của một node cảm biến gần cạn kiệt, node cảm biến sẽ

thông báo tới các node lân cận rằng mức năng lượng của nó đã gần hết nên không thể tham gia tiếp vào quá trình định tuyến các bản tin

- Mặt phăng quản lý tính di động (Mobility Management Plane): giúp dò

tìm và ghi lại chuyền động của node cảm biến đảm bảo một node luôn có thể định tuyên được tới các node khác lân cận

- Mặt phăng quản lý đa tác vụ (Task Management Plane): giúp cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể Trong thực tế không phải tất cả các node trong cùng một vùng thực hiện nhiệm vụ như nhau mà kết quả là trong

vùng đó sẽ có một số node hoạt động nhiều hơn các node khác tùy theo mức năng

rl

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -11-

Monitoring) ví dụ như các tòa nhà, cau, duong ham,

Mục đích của việc này là giúp cảnh báo sớm những bất thường trong các câu trúc này từ đó có thể tránh được thảm họa, tai nạn đáng tiếc do chúng gây ra

Ví dụ Wisden là dự án mạng WSN đầu tiên để theo dõi tình trạng của các câu trúc xây dựng Các đặc điểm chính của Wisden là:

- Định tuyến đa chặng tự cầu hình: xây dựng truyền thông theo dạng cầu trúc hình cây với các trạm cơ sở là các góc

- Chuyển giao dữ liệu tin cậy: Khôi phục mất mát theo từng chặng và giữa điểm đầu với điểm cuối bằng cơ chế NACK ở lớp ứng dụng

- Đồng bộ dữ liệu: Dễ dàng thực hiện được việc truyền dữ liệu đồng bộ theo

thời gian tại trạm cơ Sở

- - Triển khai thuận tiện và linh hoạt

-_ Hỗ trợ việc lấy mẫu dữ liệu cảm biến gia tốc lên tới tần số 200Hz theo 3 trục

Wisden được thực hiện trên các mote MicaZ hoặc Mica2 và nó đã được

triển khai, kiểm tra trong cả hai môi trường thực tế là '“Tòa nhà bốn mùa” và “Cấu trúc kiểm tra dư chấn” Các kết quả chứng tỏ rằng Wisden có thể truyền đồng bộ

theo thời gian các dữ liệu rung động trên một mạng đa chặng và nó có thê bắt

được các đáp ứng tân sô chính của một câu trúc e_ Giúp kiêm soát và điễu khiên giao thông

Ta biết răng trong các thành phố lớn với mật độ giao thông dày đặc thì việc kiểm soát tình trạng giao thông là một công việc hêt sức khó khăn và tôn

|———————— -s -———————————_—=

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ 13

Power | | Temperature

Sensor Instrumentation

AMR Magnetic : Sensor = Ope a

Channel 5

Hình 1.4: Sơ đồ khôi của một node cảm biến trong du an Knaian

Năm 2000, trường đại học MIT có đưa ra dự án Knalan nhăm ứng dụng mạng WSN để giám sát, theo dõi tình trạng giao thông trong các thành phó lớn

Hình 1.4 là sơ đồ khối của một node cảm biến trong dự án Knalan Điểm nổi bật của node cảm biến là sử dụng vi điều khiển TMS430 với ưu điểm là tiêu thụ công

suất rất thấp Cầu tạo một node bao gồm 2 cảm biến từ AMR để phát hiện tốc độ xe cộ bằng cách quan sát sự thay đổi từ trường trong môi trường do xe cộ di

—————————— —.-rc——=====ỶỶ=—=Ÿ===ỶŸ-Ỷ-.Ỷ-sễỶ-ễỶzỶï`r.z yờzaờa ẳẳằẳễmơơợcy-Ỷ-Ỷ-.m

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -13-

Chuong 1: Téng quan vé mang GVHD: TS Hé Van Khuong

cảm biên vô tuyến

chuyển tạo ra, một cảm biến nhiệt độ dùng để phát hiện sự xuất hiện của tuyết

hay băng đá trên duong

e Chăm sóc sức khỏe

Đây là lĩnh vực có nhiều ứng dụng của mạng WSN ví dụ như để giúp theo dõi tình trạng sức khỏe của bệnh nhân mắc các chứng bệnh như Parkinson, bệnh tim, Ngoài ra nó còn giúp giảm chi phí điều trị cho người bệnh do giúp phát hiện sớm các triệu chứng của bệnh

Một ứng dụng khác của mạng WSN trong lĩnh vực này là dự án võng mạc nhân tạo (Artificial Retina) dùng để trợ giúp cho người khiếm thị Hệ thống này bao gồm một vi mạch và một mảng các cảm biến Vi mạch được phủ vật liệu dé chống việc đào thải ra ngoài cơ thể, một bộ dồn kênh với các khóa được gắn trên chip Nó hỗ trợ một lưới kết nối 10x10, hoạt động ở tần số 40khz Ngoài ra nó còn có một bộ thu phát nhúng dược dùng cho các truyền thông có dây và không

dây Mỗi cảm biến trong mảng cảm biến phải đảm bảo đủ nhỏ, nhẹ và khoảng

cách giữa 2 cảm biến là 70um Mạng cảm biến tạo ra các tín hiệu điện tỉ lệ với lượng ánh sáng được phản xạ từ đối tượng được nhận biết Sau đó hạch và các mô bổ xung biến đổi năng lượng điện thành thành năng lượng hóa học Sau đó năng lượng hóa học được chuyên thành các tín hiệu quang và truyền tới não thông qua các dây thần kinh quang học

Sơ đồ khối của hệ thống này được mô tả trên Hình 1.5 Hệ thông này là hệ thống song công (full-duplex) tức là mảng cảm biến vừa cho phép chuyến tín hiệu điện thành tín hiệu quang vừa có thé thu các tín hiệu thần kinh và truyền tới các bộ xử lý tín hiệu bên ngoài

—

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -14-

Camera image tot

: Retina Neural stile DSP (RF) wireless hi ;

CCD camera (1000 x 1000 image)

Hình 1.5: Các thành phân xử lý của một võng mạc nhân tạo 1.6 Một số thách thức trong mạng cảm biến vô tuyến

e Về mặt năng lượng

Đối với các node trong mạng WSN sử dụng các nguồn pin không có khả năng tự nạp lại thì các node chỉ có thể hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định cho đến khi người ta thay thế bằng nguồn pin khác Ngoài ra việc thiết kế

node và thiết kế mạng cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng của một node

-_ Đối với lớp mạng thì năng lượng mất mát là do quá trình định tuyến để tìm

đường đi tối ưu nhất

Các thiết kế mạng sau đây sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng:

—=

Chuong 1: Téng quan vé mang GVHD: TS Hồ Văn Khương

+ ˆ k cảm biên vô tuyến

Hệ điều hành: đảm bảo chiếm ít bộ nhớ và chuyển đổi các tác vụ một cách

hiéu qua

Bảo mật: cần những giải thuật nhanh, đơn giản dé mã hóa và xác thực, Middleware: các phần mềm riêng được cài đặt ở các node đóng vai trò thu thập dữ liệu (navigation node) để loại bỏ dữ liệu thừa từ các node cảm biến khác gởi tới

- Đối với mạng cảm biến dùng để theo dõi bệnh nhân trong vùng bị thảm

họa thì các node cảm biến phải có thể đặt ở bất kỳ chỗ nào mà ta cần

Để triển khai ad-hoc thì node cảm biến phải có một số chức năng sau đây: - _ có khả năng xác định vị trí của nó

- - xác định được các node lan can của nó

- _ có thể cầu hình được tham số của node

- _ có thể khám phá đường đi tới trạm gốc

- có thể khởi tạo được độ nhạy cảm biến

Hoạt động vô chủ:

| - _ có thể hoạt động mà không cần có sự điều khiển của con người

- các thiết bị thích nghỉ theo cấu hình mạng, mật độ và tải truyền thông với nhau

- _ thiết bị thích nghi khi có hư hỏng

——

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -16-

khoảng cách truyền lớn

Vì mạng WSN sử dụng phương thức truyền thông đa chặng do đó nó sẽ làm gia tăng các ảnh hưởng sau đây:

- tăng độ trễ - tăng xác suất lỗi

- _ tăng độ phức tạp trong một chu kỳ nhiệm vụ e Su phan tan

Ta biết rằng mô hình quản lý tập trung không thích hợp cho mạng WSN do các mạng WSN thường được triển khai trong một vùng không gian rộng lớn Do đó đối với mạng WSN người ta sử dụng mô hình quản lý phân tán mặc dù điều

này sẽ dẫn tới việc định tuyến khó khăn hơn so với mô hình quản lý tập trung

e_ Các hạn chế về thiết kế Các hạn chế về phần mềm, phần cứng có thể ảnh hưởng tới thiết kế của mạng cảm biến không dây Cụ thể là:

-_ tốc độ xử lý thấp dé tiết kiệm năng lượng - khả năng lưu trữ thấp (để cho phép kích thước chế tạo nhỏ và tiết kiệm

năng lượng) -_ thiếu các thành phần xuất nhập ví dụ như các bộ thu GPS (để giảm giá

thành, kích thước chế tạo và năng lượng tiêu thụ) - _ thiếu những đặc tính phần mềm như xử lý đa luồng

e Su bao mat

HVTH: Nguyén Ngoc Vii -17-

Chuong 1: Téng quan vé mang GVHD: TS Hé Van Khương cảm biên vô tuyên

Các mạng cảm biến thường thu thập các thông tin hạ tầng quan trọng hoặc thông tin nhạy cảm do đó chúng dễ trở thành mục tiêu bị tấn công Hơn nữa, việc

tấn công có thể dễ dàng được thực hiện hơn là do:

- mạng cảm biến không dây hoạt động mà không cần sự giám sát của con người hoặc xa tầm kiểm soát của con người

- sit dung kết nỗi không dây - thiếu những đặc tính bảo mật cải tiến nhằm giảm thiểu giá thành, kích

thước hoặc năng lượng tiêu thụ của một node Các kỹ thuật bảo mật truyền thống thường không khả thi do các yêu cầu về bộ nhớ, truyền thông và tính toán Do đó cần phải có những giải pháp mới để phát

hiện sự xâm nhập trái phép, các kỹ thuật mã hóa, thiết lập khóa, phân bố, bảo mật

và xác thực node được tôi ưu riêng cho mạng cảm biên không dây

|—————P— ——<@——

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -I#-

Máy phát »ị Kênh truyền “ r Máy thu

Hình 2.1: Sơ đò khối cơ bản của một hệ thống thông tin vô tuyến Trong một hệ thống thông tin vô tuyến thì kênh truyền là một trong ba thành phần cơ bản và phức tạp nhất Nó là môi trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu Trong kênh truyền vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được ở máy thu chỉ gồm một tia light- 0f-sipht Tuy nhiên không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu phát đi truyền qua kênh truyền vô tuyến sẽ va chạm vào các vật cản như xe cộ, nhà cửa, cây côi làm cho tín hiệu bị phản xạ, tán xa, nhiễu xạ Kết quả là ở máy thu ta sẽ được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Các hiện tượng này được gọi chung là fading Fading ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc

năm vững các đặc tính kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể lựa chọn một

cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống kích thước các thành phần và các thông số tôi ưu của hệ thong

Hiện tượng fading trong hệ thống thông tin vô tuyến có thể được chia thành hai loại fading tầm rộng và fading tầm hẹp như Hình 2.2:

SSS

HVTH: Nguyén Ngoc Vũ -19-

Large-scale fading Smaii-scale fading

| Path loss Shadowing Multi-path fading Time variance

Cd _—_ ]

F sesso Flat fading Fast fading | | Slow fading

(đôi núi, rừng, các tòa nhà cao tang, )

giữa máy phát và máy thu Người ta nói phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao Các thong kê về fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của | Fading tim hep (small-scale fading) dién ta sy thay doi ding kể ở cả biên độ và - pha tín hiệu Điều này xảy ra là do sự thay đổi trong vị trí không gian (cỡ khoảng nửa | bước sóng) giữa máy phát và máy thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý: sự trải thời gian ; (Iime-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh

HVT H: Nguyén Ngoc Vit

lớn so với chiêu đài bước sóng tín hiệu RF

-20-

- Phản xạ (reflection): khi sóng đập vào các bề mặt bằng phẳng có kích thước rất

————

đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản không thể truyền xuyên qua

- Tan xạ (scaterring): khi sóng đập vào một mặt phăng lớn, gO ghé làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng

2.2 Cac hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 22.1 Hiéu ứng da dudng (Multipath)

Trong hệ thống thông tin vô tuyến thực tế thường không tồn tại tia light-of-sight giữa máy phát và máy thu vì luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do

vậy tín hiệu ở máy thu chỉ là các bản sao của tín hiệu RF ban đầu với biên độ và độ trễ

khác nhau Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propogation) Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu là tổng của các bản sao của tín hiệu phát Các bản sao này có độ suy hao, độ trễ và sự dịch pha khác nhau Tùy thuộc vào biên độ và pha

của các bản sao mà tín hiệu chồng chập có thé được khôi phục lại hoặc hư hỏng hoàn

Hinh 2.3: Fading da duong trong truyén sóng vô tuyến

2.2.2 Hiéu ung Doppler Khi may phat va may thu chuyên động tương đối so với nhau thì tần số tín hiệu ở máy thu không giống như bên phát Khi chúng di chuyền cùng chiều (hướng về nhau) thì tin số nhận được lớn hơn so với tín hiệu phát và ngược lại khi chúng di chuyên ra Xa

nhau thì tần số tín hiệu thu bị giảm xuống Sự dịch tần của tín hiệu thu do sự di chuyển

trơng đối đó được gọi là hiệu ứng Doppler Lượng dịch tần Doppler của tín hiệu thu được cho bởi công thức sau:

Yo c

ông quan về kênh truyền vô tuyến GVHD: TS Hé Van Khwong

Sự thay đổi về pha và biên độ của sóng tới do sự thay đổi vị trí của đối tượng dẫn

tới hiện tượng đa đường biến đổi theo thời gian Người ta gọi hiện tượng đa đường này là hiệu ứng fading nhanh (fast fading)

22.3 Hiệu ứng bóng râm

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các tòa nhà cao

tang, nui, đồi, làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn nên tốc độ biến đổi chậm Do đó hiệu ứng này được gọi là

fading cham (slow fading) 13 Các dạng kênh truyền

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có

các dạng kênh truyền sau:

- Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số (kênh truyền fading phẳng)

- Kênh truyền chọn lọc thời gian hay còn gọi là kênh truyền fading nhanh (Fast Fading Channel) và kênh truyền không chọn lọc thời gian hay còn gọi là kênh truyền fading chậm (Slow Fading Channel)

131 Kênh truyền chon lọc tân số và kênh truyền không chon lọc tan so Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong đó đáp ứng tần số của kênh truyền là như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi lì băng thông liên kết (coherent bandwidth) B, Nói cách khác băng thông liên kết là dải [ èn số mà trong đó sự tương quan biên độ của hai thành phần tần số là lớn Trong trường hợp hai tín hiệu sin có khoảng cách lớn hơn Z thì kênh truyền sẽ gây ảnh hưởng khác

nhau cho 2 tín hiệu này

Nếu tương quan tần số của 2 tín hiệu sin lớn hơn 0.9 thì băng thông liên kết được

xác định như sau:

———————————>————— ——ES=

HƯTH: Nguyễn Ngọc Vũ -23-

với ơ là trải trễ hiệu dụng

Nếu tương quan tần số của hai tín hiệu sin lớn hơn 0.5 thì băng thông liên kết được

tính theo công thức sau:

Có mối quan hệ ti lệ nghịch giữa băng thông liên kết và trải trễ hiệu dụng, tương tự như các tham số trải trễ trong miền thời gian, người ta sử dụng băng thông liên kết để mô tả kênh truyện trong miên tân sô

băng thông

nh tín hiệu B mật Ỷ truyền W ae

Ngược lại trên Hình 2.5 ta thấy rằng băng thông của tín hiệu cần truyền W<ð,, mọi thành phần tần số của tín hiệu được truyền qua kênh truyền này chịu sự suy giảm và dich pha gần như nhau Do đó kênh truyền này được gọi là kênh truyền không không

chọn lọc tần số

HITH: Nguyễn Ngọc Vũ -24-

Thời gian liên kết 7, được tính theo công thức sau:

(2.4)

vOi f = fame = “ là độ dịch tần Doppler cực đại

Nếu tương quan thời gian lớn hơn 0.5 thì thời gian liên kết được tính theo công

(hức sau:

HVTH: Nguyén Ngoc Vii -25-

không chọn lọc thời gian

1.4 Các mô hình kênh truyền cơ bản

141 Mô hình kênh truyền theo phân bó Rayleish

Trong kênh truyền vô tuyến di động người ta thường dùng phân bố Rayleigh để

mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc lường bao của một thành phần đa đường riêng rẽ Ta biết rằng đường bao của tổng các tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh cho bởi công thức sau:

_P -rl2g >0

p(r)=‡ơ' m= (2.6)

0 r<0

với ơ là giá trị hiệu dụng của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách sóng

lường bao, ø? là công suất trung bình theo thời gian

Giá trị trung bình m của phân bố Rayleigh được tính theo công thức:

ông quan về kênh truyền vô tuyến —==— GVHD:TS Hồ Văn Khương

Nếu hàm mật độ phân bố trong biểu thức (2.6) được chuẩn hóa để công suất tín

hiệu trung bình (E[z Ì) bằng 1, khi đó phân bố Rayleigh chuẩn hóa được cho bởi công

| thức: '

| của biên độ fading được cho bởi công thức:

l

—— ,|Í|X|Í¿ns

Trong đó ƒ là tần số và /,„„ là tốc độ fading cực đại Giá trị ƒ¿„„7; là tốc độ

fading cực đại được chuẩn hóa bằng tốc độ ký tự Nó được dùng như một tiêu chuẩn của

bộ nhớ kênh Với kênh fading tương đương hệ số này nằm trong dải 0< ƒ„„„7, < lchỉ ra một bộ nhớ kênh giới hạn Hàm tự tương quan của quá trình fading được cho bởi công

thức:

| HVTH: Nguyén Ngoc Vi -27-

Hình 2.6: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 42 Mô hình kênh truyền theo phân bố Rieian

Trong một vài trường hợp như đường truyền vệ tỉnh về cơ bản là tôn tại thành phần light-of-sight với công suất vượt trội hơn so với các thành phần còn lại Khi có đường bao của tín hiệu fading sẽ có phân bố là dạng phân bố Rician Khi thành phần light-of-sight bi suy yếu, tín hiệu tổng hợp sẽ trở về dạng phân bố Rayleigh Hàm mật độ xác suât của phân bô Rician cho bởi công thức:

r?+a4? TT € +ơ |2] r>0

HVTH: Nguyễn Ngọc Vũ -28-