Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên đề tài truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến cooperation communication in wireless network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên Đề Tài:Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến - Cooperation Communication in Wireless Network Nội dung: Phần I.Lịch sử đời phát triển truyền thông hợp tác Phần II.Các khái niệm truyền thông hợp tác Phần III.Các giao thức hợp tác cố định truyền thông hợp tác Phần IV.Các giao thức hợp tác lựa chọn truyền thông hợp tác Phần V Những ứng dụng truyền thông hợp tác thông tin vô tuyến PhầnVI Ưu,Nhược điểm truyền thông hợp tác Phần VII Các hướng nghiên cứu truyền thông hợp tác tương lai Phần VIII.Tìm hiểu mạng Ad-hoc Mạng cảm biến Phần IX.Những ứng dụng thực tế truyền thông hợp tác giao thông thông minh Phần X.Tài liệu tham khảo Nội dung chi tiết Phần I.Tổng Quan Về Truyền Thông Hợp Tác I.1 giới thiệu Ngày bùng nổ khoa học kĩ thuật mà nhiều lĩnh khoa học kĩ thuật,kinh tế,y học,…có nhiều bước nhảy vọt,và lĩnh vực viễn thơng khơng nằm ngồi phát triển đó.Nhu cầu trao đổi thơng tin người ngày tăng lên đa dạng hóa theo nhiều cách khác nhau.Để đáp ứng nhu cầu có Truyền Thơng Hợp Tác Trong Thơng Tin Vơ Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học nhiều giải pháp công nghệ đưa phát triển nhằm tăng dung lượng hệ thống ,nâng cao chất lượng tín hiệu giảm hạn chế tác động nhiễu mà không gây tốn tài nguyên tần số,thời gian vấn đề nhức nhối Một cơng nghệ xây dựng truyền thông hợp tác thông tin vô tuyến.Ý tưởng Truyền Thông Hợp Tác đưa vào năm 1971, qua nhiều chặng đường phát triển công nghệ bước cho thấy vai trị thơng tin vơ tuyến Truyền thơng hợp tác thông tin vô tuyến (cooperation communication in wireless network) phương pháp hứa hẹn nhằm tăng hiệu sử dụng phổ,tăng hiệu công suất,mở rộng vùng phủ giảm xác suất outgate.Phương pháp phát triển tảng hệ thống MIMO phân tập anten (hệ thống MIMO-Mutipli Input Mutipli Output) việc truyền thu nhận tín hiệu Truyền thơng hợp tác kĩ thuật cho phép máy di động sử dụng anten môi trường đa người sử dụng chia sẻ anten mình,hình thành máy phát nhiều anten ảo đạt độ lợi phân tập phát Trong truyền thông hợp tác,các đường truyền dẫn độc lập người sử dụng trạm gốc tạo nên nhờ kênh chuyển tiếp mô tả Hình 1.1 Truyền Thơng Hợp Tác Trong Thơng Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Hình I.1.Mơ hìnhTruyền thơng hợp tác thông tin vô tuyến mở rộng vùng phủ Bài tốn xử lý truyền thơng hợp tác nằm q trình xử lý tín hiệu thu từ node nguồn thực node chuyển tiếp.Nhiều sơ đồ xử lý tín hiệu khác đề nghị dẫn đến có giao thức hợp tác khác nhau.Các giao thức truyền thơng hợp tác phân loại thành chiến lược hợp tác cố định chiến lược hợp tác thích nghi.Ở chiến lược hợp tác cố định ,các nguồn tài nguyên kênh phân chia node nguồn node chuyển phương thức cố định.Quá trình xử lý node chuyển tiếp khác theo phương thức hợp tác khác sử dụng.Trong chiến lược hợp tác cố định bao gồm giao thức hợp tác như: Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học +Giao thức AF (amplify and forward)-Giao thức khuếch đại chuyển tiếp:node chuyển tiếp đơn giản khuếch đại phiên tín hiệu thu phát tín hiệu khuếch đại tới đích +Giao thức DF ( decode and forward)-Giao thức giải mã chuyển tiếp:node chuyển tiếp giải mã tín hiệu thu sau lại mã hóa phát tới node đích +Giao thức EF (estimate and forward )-Giao thức ước lượng chuyển tiếp;sau nhận tín hiệu từ nguồn,node chuyển tiếp ước lượng tin tức sau phát chuyển tiếp tới node đích Do chuyển tiếp cố định có ưu điểm dễ dàng thực hiện,nhưng có nhược điểm hiệu sử dụng băng thơng thấp.Đó nửa nguồn tài nguyên kênh (băng thông) phân bổ cho kênh chuyển tiếp,làm giảm tốc độ tổng cộng.Điều rõ rệt kênh truyền dẫn từ nguồn tới đích khơng tồi,khi đầu thu thu xác gói với tỉ lệ cao,nên cách kênh truyền dẫn trở nên lãng phí.Các sơ đồ chuyển lựa chọn chuyển tiếp gia tăng,sẽ khắc phục nhược điểm hệ thống chuyển tiếp cố định +Chuyển tiếp lựa chọn:nếu tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR) thu node chuyển tiếp lớn ngưỡng xác định,node chuyển tiếp thực giải mã phát chuyển tiếp tín hiệu thu được.Cịn tỉ số nhỏ ngưỡng node chuyển tiếp rỗi khơng có tác vụ hệ thống +Chuyển tiếp gia tăng;khi node nguồn xác định biết node đích khơng giải mã tín hiệu xác node nguồn phát lặp lại thông tin node chuyển tiếp phát chuyển tiếp thông tin.Trường hợp yêu cầu kênh phản hồi từ node đích tới node nguồn node đích Phần I.2 Các thuật ngữ ngữ liên quan tới truyền thông hợp tác - Ý nghĩa Tên đề tài:Để hiểu rõ ý nghĩa đề tài tìm hiểu só khái niệm bên lề liên quan tới đề tài +Truyền thông kiện truyền đưa thông tin,tin tức từ điểm phát tin tới điểm nhận tin.Truyền thơng truyền theo cách thức điểm-điểm(poit- to Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học -poit) truyền liệu,thoại… theo truyền theo hình thức điểm-đa điểm ví dụ truyền hình quảng bá (vơ tuyến truyền hình,truyền hình vệ tinh….) +Hợp tác kiện vài thiết bị,cá nhân,tổ chức,doanh nghiệp hay rộng quốc gia,châu lục….cùng làm chung công việc làm cho cơng việc đạt số tiêu, chất lượng định mà người tổ chức đặt => Vậy truyền thông hợp tác điểm truyền đưa tin tức hợp tác để truyền đưa tin tức tới điểm nhận tin làm cho tin tức đạt chất lượng mong muốn( giải mã xác tin tức mà điểm nguồn đưa tới) - Kênh truyền dẫn: Là môi trường mà tín hiệu qua,Kênh truyền dẫn tùy vào loại hình truyền đưa tin tức mà có dạng khác nhau: + Dạng hữu tuyến bao gồm mơi trường truyền dẫn hữu cáp đồng trục,cáp đồng,cáp quang,ống dẫn sóng….Đặc điểm chung mơi trường truyền dẫn bị ảnh hưởng tạp âm,nhiễu (mà đặc biệt fading) độ an toàn tin tức bảo đảm,băng thông rộng….nhưng thiết thi công tuyến truyền dẫn gặp khó khăn nhiều mặt giá thành,địa hình triển khai… + Dạng vơ tuyến.Mơi trường truyền đưa tin tức khơng khí lớp cát bụi bao quanh trái đất ,đặc điểm môi trường tin tức bị ảnh hưởng nhiều nhiễu,vật cản địa hình,bị fadinh …nhưng ngược lại việc triển khai tuyến truyền dẫn trở nên đơn giản kinh tế so với loại hình hữu tuyến - Xác suất outage thông số để đánh giá chất lượng hệ thống truyền đưa tin tức.Xác suất outge hiểu xác suất tín hiệu bị mất,bị rớt(nếu thoại xác suất bị liên lạc hay rớt gọi,theo tiêu chuẩn quốc tế thời gian tháng thời gian rớt mạng cho phép 2,56s) -MIMO hệ thống sử dụng dãy anten hai đầu kênh truyền với nhiều anten cho phía thu nhiều anten cho phía phát [6] Truyền Thơng Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Hình I.2 Sơ đồ hệ thống MIMO - Kỹ thuật phân tập anten Kỹ thuật phân tập phương pháp dùng để hạn chế ảnh hưởng fading Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập sử dụng để hạn chế ảnh hưởng fading đa tia, tăng độ tin cậy việc truyền tin mà gia tăng công suất phát hay băng thông Các phương pháp phân tập thường gặp phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập khơng gian (phân tập anten) Trong đó, kỹ thuật phân tập anten quan tâm ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả khai thác hiệu thành phần không gian nâng cao chất lượng dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng fading, đồng thời tránh hao phí băng thông tần số – yếu tố quan tâm hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày khan Kỹ thuật phân tập cho phép thu (receiver) thu nhiều tín hiệu truyền Các chứa lượng thơng tin có tương quan fading Tín hiệu thu bao gồm kết hợp hợp lý phiên tín hiệu khác chịu ảnh hưởng fading nghiêm trọng so với phiên riêng lẻ Các phương pháp kết hợp thường gặp: Bộ tổ hợp theo kiểu quét lựa chọn (Scanning and Selection Combiners: SC) quét lựa chọn nhánh có tỷ số CNR tốt nhất; tổ hợp với độ lợi (Equal-Gain Combiners: EGC); Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combiners: MRC): tổ hợp tất nhánh, với hệ số ak tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng tín hiệu tỷ lệ nghịch với bình phương trung bình nhiễu nhánh thứ k Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Hình a: kĩ thuật SC; b: kĩ thuật EGC; c: kĩ thuật MRC -Fading -Entropy Phần II.Các giao thức hợp tác cố định Phần II.1 Giao thức khuếch đại phát chuyển tiếp cố định a.Mơ hình hệ thống: Hình a.1 mơ hình giao thức AF b.Cơ sở lý thuyết Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Ở giao thức chuyển tiếp AF cố định,node chuyển tiếp khuyếch đại tín hiệu thu phách phiên khuyếch đại tín hiệu tới node đích Kênh chuyển tiếp khuyếch đại phát chuyển tiếp mơ hình hóa sau Tín hiệu phát từ nguồn x thu node chuyển tiếp với node đích là: Trong hệ số kênh node nguồn node chuyển tiếp node đích tương ứng, mơ hình hóa kênh fading Rayleigh phẳng; tạp âm Gauss trắng cộng tính với trung bình khơng phương sai Ở giao thức này, node chuyển tiếp khuyếch đại tín hiệu thu từ node nguồn phát chuyển tiếp tín hiệu khuyếch đại tới node đích lý tưởng nhằm san ảnh hưởng suy giảm kênh node nguồn node chuyển tiếp Node chuyển tiếp thực điều kênh khuyếch đại tín hiệu thu hệ số khuyếch đại tỷ lệ nghịch với công suất thu sau: (2) Tín hiệu phát từ node chuyển tiếp có cơng suất P với cơng suất tín hiệu phát từ nguồn Để đánh giá mối quan hệ node nguồn với node đích cần tính tốn tỉ số tín hiệu nhiểu (SNR).Tỉ số tổng SNR từ node nguồn từ node chuyển tiếp tới node đích.Trong SNR truyền tín hiệu từ nguồn tới node đích là: (3) Với Cịn với kênh truyền từ node chuyển tiếp tới node đích với tỉ số SNR tính tốn sau:ta biết pha node nguồn phát tín hiệu tới node đích,cịn pha node chuyển tiếp phát tín hiệu tới đích với cơng suất phát P.thì tìn hiệu nhận node đích có dạng sau: (4) Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Với hệ số kênh truyền từ node chuyển tiếp tới node đích,và tạp âm Gauss trắng cộng tính với trung bình khơng phương sai Xét tổng qt tín hiệu nhận node đích từ node chuyển tiếp có dạng sau: (5) Trong ; (6) Và phương sai (7) Tín hiệu nhận node đích tín hiệu tổng node nguồn node chuyển tiếp,có nhiều phương pháp để tổng hợp tín hiệu node đích :Kĩ thuật Nhưng kĩ thuật tối ưu để tổng hợp tín hiệu node đích kĩ thuật tổ hợp với tỉ số tối đa MRC (Maximal Ratio Combiners).Như nói trên.Đây kĩ thuật tổ hợp tất thành phần với hệ số ,tỉ lệ thuận với giá trị hiệu dụng tín hiệu tỉ lệ nghịch với bình phương trung bình nhiễu nhánh thứ k.Kĩ thuật MRC cho phép cải thiện xác suất lỗi tốt Đầu kĩ thuật MRC (8) Với a1,a2 hệ số xây dựng để tối ưu hóa kết hợp tín hiệu nâng cao tỉ số SNR tính sau: Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học (9) Giả thiết tín hiệu phát x có lượng trung bình bắng 1,SNR tức thời đầu MRC : (10) Trong SNR từ liên kết trực tiếp từ nguồn xác định (11) SNR từ liên kết chuyển tiếp xác định (12) Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học trợ,thì trễ gây việc giải mã node chuyển tiếpsẽ nhược điểm lớn.Độ trễ tăng với số lượng chuyển tiếp với việc sử dụng ghép xen sử dụng lưu lượng thoại GSM.Để giảm độ trễ ,hoặc sơ đồ chuyển tiếp đơn giản phương pháp giải mã nhanh hiệu cần phải sử dụng -Đồng ngặt nghèo:Sự đồng ngặt nghèo yêu cầu để trì truyền thơng hợp tác.Điều u cầu phần cứng có giá thành cao phần mào đầu giao thức lớn node cần đồng thường xuyên cách sử dụng giải pháp đồng quan trọng -Các ước lượng kênh nhiều hơn:Việc sử dụng chuyển tiếp làm tăng hiệu số lượng kênh vô tuyến Điều yêu cầu ước lượng nhiều hệ số kênh yêu cầu nhiều ký hiệu hoa tiêu điều chế liên kết sử dụng Một thiết kế hệ thống cách cẩn thận,do đó,cần đạt độ lợi đầy đủ hệ thống chuyển tiếp hợp tác đảm bảo truyền thông hợp tác khơng làm suy giảm chất lượng hệ thống.Đó lý chủ yếu giải thích nhiều nghiên cứu sau truyền thông hợp tác tập trung vào giải vấn đề liệt kê -Thêm vào khái niệm ‘ăn cắp pin”.Đó node chuyển tiếp vừa đóng vai trò thiết bị thu thiết bị phát,sự kiện phát tín hiệu cho thiết bị đích(node đích) làm nhiều lượng,làm giảm tuổi thọ thiết bị V.3.Các cách tối ưu hệ thống Từ ưu nhược điểm truyền thông hợp tác,chúng ta thấy tham số thiết kế hệ thống ảnh hưởng lẫn nhau.Một số tối ưu hệ thống quan trọng cần xem xét là: -Vùng phủ dung lượng:Các hệ thống hợp tác đạt độ lợi vùng phủ lại không đạt độ lợi dung lượng ngược lại,tức outage chống lại tốc độ độ lợi phân tập chống lại độ lợi ghép kênh Do đó,nhà thiết kế hệ thống cần chọn hệ thống chuyển tiếp hợp tác để tăng dung lượng để tăng vùng phủ Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học -Độ phức tạp thuật toán độ phức tạp phần cứng:Giải vấn đề dung lượng vùng phủ nhiều trạm gốc yêu cầu phần cứng phức tạp làm tăng chi phí phần cứng,chưa kể tới chi phí đất bãi đắt đỏ để thuê vị trí lắp đặt trạm gốc.Các sơ đồ chuyển tiếp hợp tác ,ngược lại,lại có chi phí phần cứng thấp.Tuy nhiên,việc giảm độ phức tạp phần cứng truyền thông hợp tác lại làm tăng độ phức tạp thuật tốn việc việc định trình,đồng bộ,chuyển giao thuật tốn khác trở nên phức tạp hơn.Do đó,một giải pháp tối ưu cân độ phức tạp phần cứng độ phức tạp thuật toán cần phải định -Nhiễu chất lượng:Truyền thông hợp tác đạt độ lợi,và sử dụng để giảm công suất truyền dẫn giảm nhiễu sử dụng để tăng dung lượng /vùng phủ.Hơn nữa,truyền thông hợp tác tạo thêm lưu lượng nguồn nhiễu bổ sung -Dễ dàng triển khai chất lượng:Truyền thơng hợp tác triển khai theo kế hoạch không cần theo kế hoạch.Ở phương án triển khai theo kế hoạch,người thiết kế mạng tối ưu vị trí tham số hóa node chuyển tiếp tĩnh;đây nhiệm vụ phức tạp đạt chất lượng tốt.Ở phương án triển khai không theo kế hoạch,node chuyển tiếp tĩnh di động ;do việc triển khai đơn giản hóa đáng kể chất lượng lại không tốt phương án kế hoạch -Chi phí chất lượng:Giống việc tối ưu truyền thống,chi phí lựa chọn giải pháp truyền thông hợp tác tác động đáng kể đến chất lượng hệ thống.Rõ ràng việc triển khai node chuyển tiếp có độ phức tạp cao yêu cầu chi phí cao lại làm cải thiện đáng kể chất lượng hệ thống Sự tối ưu hệ thống truyền thơng hợp tác mơ tả Hình Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Phần VI.Một số hương nghiên cứu truyền thông hợp tác Truyền thông hợp tác dựa node chuyển tiếp phương pháp hứa hẹn nhằm tăng hiệu sử dụng phổ ,tăng hiệu sử dụng công suất,mở rộng vùng phủ giảm xác suất outage Nhu cầu thiết kế mạng vô tuyến hệ thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu truyền thông hợp tác năm gần đây.Tuy nhiên;rất nhiều khía cạnh truyền thơng hợp tác cịn vấn đề mở.Hơn nữa,hầu hết hệ thống truyền thông hợp tác đề nghị dựa giải thiết lý tưởng,như buộc đồng ngặt nghèo node chuyển tiếp khả dụng thông tin trạng thái kênh đơn vị phân bố nguồn tài nguyên.Do cần phải thiết thực.Một số hương nghiên cứu truyền thông hợp tác tiếp tục khám phá vấn đề lý thuyết tiên tiến truyền thông hợp tác,điều chế mã hóa truyền thơng hợp tác khám phá giới hạn thực tế hệ thống hợp tác thực,bao gồm: -Các khía cạnh lý thuyết thơng tin truyền thơng hợp tác -Phân tích chất lượng (phân tập/ghép kênh) tiệm cận có SNR hữu hạn -Các luật khuếch đại cho mạng hợp tác -Các giao thức chiến lược chuyển tiếp -Phân bố tài nguyên lựa chọn chuyển tiếp -Thiết kế mã không gian-thời gian cho truyền thông hợp tác Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học -Các mã khơng gian-thời gian ngẫu nhiên hóa chuyển tiếp hợp tác -Truyền thông hợp tác mạng vô tuyến nhiều chặng multihop -Các ảnh hưởng thơng tin trạng thái kênh phần khơng hồn thiện hệ thống hợp tác -Các vấn đề thực tế chiến lược hợp tác cho mạng adhoc di động mạng cảm biến sensor -Vấn đề đồng truyền thông hợp tác -Các thiết kế khơng đồng -Các chiến lược định trình định tuyến truyền thông hợp tác -Mã mạng tương tự cho mạng hợp tác -Các vấn đề điều chế mã hóa liên kết -Các sơ đồ khắc phục ảnh hưởng lỗi thời gian offset tần số từ node chuyển tiếp -Các thiết kế điều chế,mã hóa giao thức hợp tác -Các chiến lược chuyển tiếp thiết kế mã hóa/điều chế -Các mạng chuyển tiếp nhiều đường -Các thuật toán xử lý tín hiệu việc giải điều chế giải mã phân tán -Mã không gian-thời gian phân tán cho hệ thông OFDM hệ thống hợp tác -Thực thực tế kết đo lường mạng hợp tác -Truyền thông hợp tác hệ thống vô tuyến cognitive Phần VII.Tìm hiểu mạng cảm biến sensor mạng ad-hoc Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Trong khuôn khổ giới hạn đề tài ,chúng em xin trình bày số điều sơ lược mạng cảm biến sensor mạng ad-hoc dựa tảng truyền thông hợp tác: A.Mạng ad-hoc A.1 Giới thiệu B.Mạng cảm biến sensor B.1 Giới thiệu Điều mà thấy mạng cảm biến sensor mạng ad-hoc,nhưng có thêm có sensor để nhận biết vấn đề đó.Mạng cảm biến sensor tính di động nhiều so với mạng ad-hoc.Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) hiểu đơn giản mạng liên kết node với kết nối sóng vơ tuyến node mạng thường (thiết bị) đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố cách khơng có hệ thống (non-topology) diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) hoạt động môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ) Các node mạng thường có chức sensing : cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như;nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động Các node giao tiếp ad-hoc với truyền liệu trung tâm cách gián tiếp kỹ thuật multi-hop Lưu lượng liệu lưu thông WSN thấp ko liên tục (không hẳn với tracking localization aplication) Do để tiết kiệm lượng, sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) trạng thái nghỉ (sleep mode) khác Thông thường thời gian node trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều Như vậy, đặc trưng để phân biệt mạng cảm biến mạng wireless khác giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng Truyền Thơng Hợp Tác Trong Thơng Tin Vơ Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học (topology), lưu lượng liệu, lượng tiêu thụ thời gian trạng thái hoạt động (active mode) B.2 Đặc trưng cấu hình mạng cảm biến Một node mạng WSN thông thường bao gồm phần: phần cảm biến (sensor) điều khiển phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver) Do số lượng node WSN lớn không cần hoạt động bảo trì, nên u cầu thơng thường node mạng giá thành thấp (10 - 50 usd) kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2) Do giới hạn nguồn lượng cung cấp (pin ), giá thành yêu cầu hoạt động thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ lượng tiêu chí thiết kế quan trọng mạng cảm biến: Lớp vật lý (physical layer) tương đối đơn giản, gọn nhẹ ràng buộc kích thước khả tính tốn node Kỹ thuật điều chế tín hiệu số : O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất khuếch đại công suất Các kỹ thuật mã hóa sữa sai phức tạp Turbo Codes, LDPC không sử dụng, kỹ thuật trãi phổ sử dụng để cải thiện SNR thiết bị thu giảm tác động fading kênh truyền - Lớp MAC: kỹ thuật đa trua cập TDMA CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm lượng tiêu thụ Routing layer: "power aware" Routing Protocol, geography routing WSN thường triển khai phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn phân bố cách tương đối ngẫu nhiên, node mạng di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng WSN đò hỏi sơ đồ mạng (topology) linh động (adhoc, mesh, star ) node mạng có khả tự điều chỉnh, tự cấu hình (autoreconfigurable) Trong số WSN thơng dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ) địa ID node vị trí địa lý giải thuật routing dựa vào vị trí địa lý gọi Geography routing protocol (GRT) Đối với mạng với số lượng lớn node, sơ đồ mạng không ổn định GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm liệu bảng routing (routing table) lưu trữ node GRT phù hợp với WSN cố định, nhiên node di động (địa ID node thay đổi) giao thức Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học routing trở nên phức tạp khơng ổn định Cluster hố: phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành clusters để ổn định topology mạng, đơn giản hóa giải thuật routing, giảm đụng độ (collission) truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng cấp phát địa cho node mạng (theo cluster) Do giới hạn khả tính tốn node mạng để tiết kiệm lượng, WSN thường sử dụng phương pháp tính tốn xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết lượng) gửi liệu cần tính tốn cho base station (có khả xử lý tín hiệu mạnh ràng buộc tiêu thụ lượng) B.3 Môt số chuẩn mạng cảm biến Do phạm vi ứng dụng cua WSN rộng lớn, tính chất, đặc trưng mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể Do vậy, cơng ty, phịng thí nghiệm thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ) phù hợp cho ứng dụng cụ thể dựa thiết bị phần cứng (transceiver chip) thị trường Một số chuẩn WSN biết đến: ALOHA system (U of Hawaii) PRNET system (U.S Defense) WINS (U of California) PicoRadio (U of California) MicroAMPS (M.I.T) MANET (Mobile ad-hoc Network) Zigbee: dựa physical layer MAC layer chuẩn WPAN 802.15.4 B.4 Ứng dụng mạng cảm biến WSN ứng dụng lĩnh vực quân Cùng với phát triển ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế WSN ngày sử dụng nhiều hoạt động công nhiệp dân dụng Một số ứng dụng WSN: Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học - Cảm biến môi trường (quân sự: phát mìn, chất độc, dịch chuyển qn địch cơng nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phònh cháy, chống rò rỉ dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng ) - Điều khiển (quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí qn cơng nghiệp: điều khiển tự động thiết bị, robot ) - Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi dịch chuyển thiết bị, quân đội ) - Môi trường (giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa phát nhiễm, chất thải ) - Y tế (định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp ) - Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp biển báo phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thông - Gia đình (nhà thơng minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp điều khiển thiết bị thông minh ) WSN tạo môi trường giao tiếp thiết bị thông minh, thiết bị thông minh người giao tiếp thiết bị thông minh hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet ) Qua nghiên cứu truyền thông hợp tác dẫn đến ý tưởng thực tế áp dụng truyền thông hợp tác việc điều hành quản lý xe cộ lại thành phố lớn,trên đường cao tốc, nơi tham gia giao thông Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học nguy hiểm….Khi xã hội ngày phát triển nhu cầu lại xe cộ,(đặc biệt ô tô) dẫn tới phức tạp ngày gia tăng việc quản lý phương tiện.Việc ứng dụng truyền thông hợp tác việc quản lý xe cộ phần giải khó khăn tương lai.Các hướng phát triển cho tương lai hình thức nhưu sau: - Giao tiếp biển báo hiệu phương tiện giao thông.Vấn đề trở nên cần thiết mà địa hình nước ta phức tạp,có nhiều khu vực giao thông tỏ nguy hiểm cho phương tiện di chuyển qua lại qua khu vực này.Các biển báo cảnh báo nguy hiểm nhiều hạn chế bị vật cản thiên nhiên người che khuất,làm tầm quan sát người tham gia điều khiển phương tiện giao thông.Gây nên nhiều tai nạn thương tâm ,gây thiệt hại nhiều người tài sản.Đây vấn đề cấp thiết nay.Sau số hình ảnh thực tế đoạn giao thơng nguy hiểm: Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Những đoạn đường nguy hiểm Giải pháp đưa là:Trên phương tiện giao thông gắn thu phát sóng liên tục thu nhận phát chuyển tiếp tín hiệu nhận từ biển báo hiệu phương tiện giao thông trước đó.Ở biển báo hiệu phát tín hiệu cảnh báo phía phương tiện,hiển nhiên phương tiện gần thu sau giải mã tín hiệu cuối nhận tín hiệu cảnh báo khu vực nguy hiểm mà phương tiện điều khiển phải qua.Nhưng phương tiện xa biển báo,tín hiệu nhận từ biển báo bị tạp âm,can nhiễu đặc biệt fading làm cho tín hiệu nhận phương tiện xa chất lượng,người điều khiển sẽ phải qua vùng nguy hiểm,làm cảnh giác,gây nên nguy hiểm qua MƠ HÌNH giải pháp truyền thơng hợp tác phát huy hết tác dụng thân công nghệ.Xe phương tiện xa không nhận tín hiệu nhận từ biển cảnh báo mà cịn nhận từ tín hiệu phát chuyển tiếp từ phương tiện trước tín hiệu nhận tốt người điều khiển phương tiện nhận cảnh báo nguy hiểm qua khu vực -Tình đưa phương tiện tham gia giao thông đường quốc lộ với tốc độ nhanh,bất ngờ phương tiện giao thông bị tai nạn Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học chết máy nằm đường quốc lộ,nếu có cảnh báo mắt người xác suất xảy tai nạn phương tiện với phương tiện sau cao với vận tốc lớn,khoảng cách quan sát hẹp xử lý khó thời điểm này,điều dẫn tới vụ tai nạn liên hoàn gây tổn thất lớn người tài sản Hình ảnh tai nạn liên hồn Giải pháp: Qua miêu tả tình thấy gải pháp dùng truyền thơng hợp tác lại có hội thể vai trị mình.Chúng ta gắn thiết bị cảm biến lên phương tiện giao thông,chúng liên tục thu nhận phát chuyển tiếp tín hiệu cảnh báo nguy hiểm tai nạn giao thông chẳng hạn,các phương tiện sau nhận tín hiệu cảnh báo cự ly vừa đủ để tài xế có đủ thời gian để đưa biện pháp xử lý hợp lý tránh tình xấu Truyền Thơng Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học -Ở thành phố lớn hình ảnh tắc đường kéo dài gây nhiều thời gian trở thành quen thuộc với chúng ta.Vậy tình thứ đưa ở đô thị chặt hẹp đông đúc(Hà Nội,TP HCM…), phương tiện giao thông giao thơng liên tục gia tăng mà đường xá khó khăn để mở rộng nâng cấp.Ở cấp ngành liên quan có nhiều giải pháp nhằm hạn chế lưu lượng giao thông vào cao điểm đổi học,giờ làm,có biện pháp mạnh tăng mức phí đường,xá,cầu cống,tăng số lượng người điều hành giao thông … để hạn chế tối đa việc tham gia giao thông không cần thiết giảm tắc nghẽn giao thơng.Nhưng tất biện pháp xét lâu dài tỏ khơng tối ưu dân số tăng,nhu cầu lại,làm ăn,sản xuất ngày tăng mạnh Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Một số hình ảnh tắc đường Hà Nội Giải pháp đưa sử dụng thiết bị cảm biến gắn lên thiết bị giao thơng trạm thu phát tín hiệu gốc,tất tín hiệu gửi trung tâm điều hành giao thông,trung tâm quan sát có giải pháp xử lý,điều hành gửi tới phương tiện giao thông thông qua thiết bị cảm biến gắn xe.Đây giải pháp hứa hẹn nhằm khắc phục ,giải triệt để toán khó khăn giao thơng Truyền Thơng Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học MƠ HÌNH GIẢI PHÁP Phần VIII.Kết luận Báo cáo đề tài trình bày truyền thông hợp tác thông tin vô tuyến,truyền thông hợp tác phương án truyền thông mới,trong thiết bị đầu cuối mạng tế bào xem anten phân phối.Thơng qua truyền thông hợp tác node,các độ lợi đạt tăng độ lợi phân tập hệ thống.Báo cáo mô tả giao thức khác để thực truyền thông hợp tác phân tích chất lượng thuật tốn việc tính tốn dung lượng outage mơ tả độ lợi phân tập.Chất lượng sơ đồ chuyển tiếp thích nghi nói chung tốt chất lượng sơ đồ chuyển tiếp cố định chuyển tiếp thích nghi sử dụng thêm thơng tin phụ,như hiểu biết SNR thu chuyển tiếp lựa chọn thơng tin phản hồi từ node đích chuyển tiếp gia tăng ,để thực giao thức.Ngược lại,các sơ đồ chuyển tiếp cố định lại thực đơn giản so với sơ đồ chuyển tiếp thích nghi.Báo cáo phân tích ưu nhược điểm truyền thơng hợp tác,trình bày kịch ứng dụng truyền thông hợp tác thực tế hướng nghiên cứu truyền thơng hợp tác.Tìm hiểu sơ lược mạng ad-hoc,mạng cảm biến giải pháp ứng dụng thực tế truyền thông hợp tác giao thông thông minh Phần IX.Tài liệu tham khảo [1]Thông hợp tác thông tin vô tuyến Ths Phạm Đình Chung [2]Cooperation Cummunication and Networking K J R A Y L I U; AHMED K SADEK; WEIFENG SU; ANDRES KWASINSKI [3]Kĩ thuật phân tập anten TS Phan Hồng Phương, KS Lâm Chi Thương [4] On the Role of Estimate-and-Forward With Tim Sharing in Cooperative Communication , Ron Dabora and Sergio D Servetto Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học [5] Beyond Mobile Ad-hoc Networks …Towards cooperative networks , Montaigne Franỗois ;Schiel Jean-Christophe [6] DAVID TSE, Fundamentals of Wireless Communication, University of California, Berkeley & Pramod Viswanath, University of Illinois, UrbanaChampaign, September 10, 2004 Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network ... Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Báo Cáo Đề Tài Nghiên. .. utilized in implementing Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học the... node Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học đích.Sơ đồ hợp tác