Thông tin tài liệu
Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ *** TRẦN TRỌNG NGHĨA NGHIÊN CỨU MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội, 2012 Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ *** TRẦN TRỌNG NGHĨA NGHIÊN CỨU MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên Ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS VƯƠNG ĐẠO VY Hà Nội - 2012 Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 MỤC LỤC Danh mục thuật ngữ Danh mục hình vẽ Danh mục bảng Mở đầu CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 Mạng cảm biến không dây 11 1.1 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 11 1.2 Thách thức mạng cảm biến không dây 21 1.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 24 1.4 Kiến trúc giao thức phân tầng mạng cảm biến không dây 25 Giới thiệu chuẩn không dây IEEE 802.15.4 30 2.1 Lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4 30 2.2 Lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4 dải tần 2.4 GHz 32 Kết luận chương 34 CHƢƠNG 2.MÃ SỬA LỖI 35 Giới thiệu hệ truyền tin 35 1.1 Mơ hình hệ truyền tin 35 1.2 Phân loại kênh truyền 36 1.3 Hiệu suất kênh truyền 37 Mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 37 2.1 Mã khối tuyến tính 38 2.2 Hội chứng lỗi sửa lỗi 41 2.3 Khoảng cách tối thiểu mã khối tuyến tính 45 2.4 Khả phát lỗi khả sửa lỗi mã khối tuyến tính 45 2.5 Mã Hamming 47 2.6 Mã dịch vịng tuyến tính 50 Kết Luận Chương 55 CHƢƠNG 3.ÁP DỤNG MÃ SỬA LỖI - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 56 1 Đặc trưng lỗi mạng cảm biến không dây 56 Ứng dụng mã sửa lỗi việc khắc phục mẫu lỗi bit, mẫu lỗi bit 58 Hiệu kênh truyền áp dụng mã sửa lỗi 61 Kết luận Chương 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ Chữ đầy đủ Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu WINS Wireless Integrated Network Sensors Cảm biến mạng tích hợp không dây CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian CSMA Truy cập đường truyền có lắng Carrier Sense Multiple Access nghe sóng mang SPIN Sensor protocols for information via Giao thức cho thông tin liệu thông qua đàm phán negotiation LEACH Low-energy adaptive clustering Giao thức phân cấp theo cụm thích ứng lượng thấp hierarchy PEGASIS Power-efficient Gathering in Sensor Tổng hợp lượng Information Systems hệ thống thông tin cảm biến GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật xác theo địa lý GEAR Geographic and Energy-Aware Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng hiệu lượng Routing TEEN Threshold sensitive Energy Efficient Giao thức hiệu lượng nhạy cảm với mức sensor Network protocol ngưỡng APTEEN Adaptive Threshold sensitive Energy Giao thức hiệu Efficient sensor Network protocol lượng nhạy cảm với mức ngưỡng thích ứng SPEED A Spatiotemporal Communication Giao thức truyền tin không Protocol QoS for Wireless Sensor gian-thời gian cho mạng cảm Network biến không dây Quality of Service Chất lượng dịch vụ Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến khơng dây SMP 2012 giao thúc quản lí mạng cảm Sensor Management Protocol biến TADAP Task Assignment and Data giao thức quảng bá liệu định nhiệm vụ cho Advertisement Protocol sensor SQDDP Sensor Query and Data giao thức phân phối liệu Dissemination Protocol truy vấn cảm biến ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - Số MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường ADV Advertise Bản tin quảng bá REQ Request Bản tin yêu cầu DS - SS Directed-Sequence Spread Spectrum Trải phổ BS Base Station (Sink) Trạm gốc CH Cluster Head Nút chủ cụm ECC Error Correcting Code Mã sửa lỗi FEC Forward Error Correction Mã sửa lỗi chuyển tiếp ARQ Auto Repeat Request Tự động yêu cầu phát lại Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến khơng dây 2012 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ứng dụng mạng cảm biến không dây quân sự[6] 12 Hình 1.2: Ứng dụng mạng cảm biến khơng dây chăm sóc sức khỏe[6] 15 Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây[6] 23 Hình 1.4: Giao thức phân tầng mạng cảm biến không dây[6] 24 Hình 1.5: Các dải tần vật lý chuẩn không dây IEEE 802.15.4[6] 29 Hình 1.6: Mơ hình mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4[6] 30 Hình 1.7: Điều chế lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4[4] 31 Hình 1.8: Các pha điều chế O-QPSK[4] 32 Hình 2.1: Mơ hình hệ truyền tin[7] 33 Hình 2.2: xác suất a) kênh truyền đối xứng nhị phân; b) kênh truyền nhị phân có xóa[7] 34 Hình 2.3: Hai kiểu truyền đầu phát đầu thu[7] 35 Hình 2.4: Định dạng từ mã[7] 37 Hình 2.5: Mạch điện tử mã hóa cho mã khối tuyến tính[7] 39 Hình 2.6: Mạch điện tử với hội chứng lỗi cho hệ thống mã hóa tuyến tính (n,k)[7] 41 Hình 2.7 : Mạch điện mã hóa cho mã dịch vịng tuyến tính (n,k) với đa thức sinh[7] 51 Hình 2.8: Mạch điện mã hóa cho mã dịch vịng tuyến tính dựa đa thức kiểm lỗi h(X)=1+h1X+…+Xk[7] .51 Hình 2.9: Mạch điện logic với n-k trạng thái lỗi[7] 52 Hình 3.1: Tỉ lệ gói khoảng cách[9] .55 Hình 3.2: Chiều dài khối lỗi [10] 56 Hình 3.3: Ảnh hưởng lỗi bit dẫn đường lên tỉ lệ gói tin[10] 57 Hình 3.4: Cách chèn bit dư thừa mã Hamming 58 Hình 3.5: Giản đồ kênh truyền 56 Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các dải tần dành cho ứng dụng Công nghiệp, khoa học y tế ISM 27 Bảng 1.2: Dải tần số tốc độ lớp vật lý chuẩn IEEE 802.15.4[6] 29 Bảng 1.3 : Ánh xạ ký tự sang giá trị chip[4] 31 Bảng 2.1 : Bảng từ mã Hamming (7,4,3) 46 Bảng 2.2: Bảng giá trị mẫu lỗi e 48 Bảng 2.3: Bảng giải mã cho mã dịch vịng tuyến tính (7,4) với đa thức sinh g(X)=1+X+X3[7] 53 Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 MỞ ĐẦU Trong trình phát triển khoa học, mạng cơng nghệ đóng vai trò quan trọng, làm thay đổi ngày sống người, theo hướng đại Đi đơi với q trình phát triển ấy, thay đổi theo chiều hướng xấu, tác động người tự nhiên, môi trường sống diễn ra, tác động ngược trở lại; nhiễm mơi trường, thay đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, v.v Áp dụng cơng nghệ ngành điện tử, công nghệ thông tin viễn thông vào thực tiễn sống yêu cầu cấp thiết nhằm đạt chất lượng sống tốt Công nghệ cảm biến không dây tích hợp từ cơng nghệ: kỹ thuật điện tử, tin học viễn thông, ứng dụng rộng rãi phục vụ nhu cầu, mục đích khác người Rất nhiều chuẩn công nghệ không dây đời: chuẩn không dây IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, bluetooth, IEEE 802.15.4 chuẩn khơng dây phù hợp với mức tiêu thụ lượng thấp trọng nghiên cứu phát triển, giải nhiều vấn đề từ tương tác người với tự nhiên Tuy nhiên trình truyền tin cơng nghệ mạng khơng dây ln xảy tình trạng lỗi, truyền sai thông tin tác động nhiễu mơi trường Trên sở kỹ thuật sửa lỗi nghiên cứu để phục vụ cho việc tối ưu kênh truyền, tối ưu lượng, tăng độ tin cậy kênh truyền hệ thống mạng cảm biến khơng dây Với mục đích đó, em định nghiên cứu xây dựng luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây ” Nội dung tìm hiểu luận văn gồm chương, trình bày vấn đề sau: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến khơng dây: Trong nêu rõ vai trò phạm vi ứng dụng, thách thức gặp phải Chương tìm hiểu chức nhiệm vụ phân lớp mô hình kiến trúc mạng, đồng thời giới thiệu chuẩn không dây thường sử dụng mạng cảm biến: chuẩn không dây IEEE 802.15.4 Chương 2: Mã sữa lỗi Chương giới thiệu kiến thức mơ hình truyền tin, điều kiện kênh truyền, kỹ thuật sửa lỗi sử dụng cho mạng truyền liệu nói chung mạng khơng dây nói riêng Chương tập trung giới thiệu kỹ thuật mã sửa lỗi chuyển tiếp, thường sử dụng để sửa mẫu lỗi đơn bit, sửa mẫu lỗi hai bit truyền liệu Trong đó, sâu tìm hiểu mã khối Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến khơng dây 2012 tuyến tính, mã Hamming, mã dịch vòng ứng dụng nhiều kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp Chương 3: Áp dụng mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây Chương khảo sát tình lỗi đặc trưng mạng cảm biến khơng dây, đồng thời tính tốn giải tốn sửa lỗi truyền liệu mạng cảm biến không dây; đánh giá hiệu kỹ thuật sửa lỗi áp dụng Với khuôn khổ mục tiêu đề tài rộng lớn, kinh nghiệm thân cịn nhiều hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo bạn bè đồng nghiệp để luận văn hồn thiện Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Vƣơng Đạo Vy định hướng, hướng dẫn, quan tâm giúp đỡ em trình thực hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại Học Công Nghệ, hỗ trợ kiến thức quí báu Xin chân thành cảm ơn tất ! Hà Nội, ngày 12 tháng 05 năm 2012 Học viên Trần Trọng Nghĩa Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 10 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây CHƢƠNG 1 2012 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) mạng cảm biến, tập hợp nhiều thiết bị cảm biến, sử dụng cách thức liên kết truyền tin khơng dây (sóng vơ tuyến,) để thực kết nối nút mạng với Các nút mạng cảm biến thực tương tác với môi trường tự nhiên, giám sát số môi trường; cập nhật trạng thái kiện, tượng xảy môi trường khác Môi trường tương tác giới vật lý, hệ thống sinh học Các thông số cần cập thông qua mạng cảm biến thường là: nhiệt độ, độ ẩm, hướng gió, cường độ sáng, cường độ rung, cường độ âm thanh, mức điện áp, nồng độ hóa chất, mức độ ô nhiễm, hay chức thể sống Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng hoạt động độc lập, thực cảm biến, tương tác với mơi trường, có khả điều khiển, đo lường thông số vật lý Các nút mạng liên kết với để hoàn thành tất tác vụ, nút mạng hoạt động đơn lẻ khơng thể đảm nhận hết nhiệm vụ: cảm biến môi trường, xử lý, truyền tin Lý phải sử dụng kết nối khơng dây hệ thống mạng cảm biến thường xây dựng từ hàng trăm đến hàng nghìn nút mạng, nên việc dây cho nút mạng không khả thi Mạng cảm biến khơng dây hữu ích, hỗ trợ nhiều ứng dụng khác giới thực, lợi ích to lớn mạng cảm biến khơng dây mang lại khả triển khai loại địa hình, địa lý nào, môi trường nguy hiểm, mà việc dây cho nút mạng cảm biến tiến hành Tính tự tổ chức, tự cấu hình, tính đặc trưng nút mạng, tăng khả mềm dẻo linh hoạt cho hệ thống mạng cảm biến khơng dây Vì thế, phù hợp phải triển khai mạng cảm biến không dây cho ứng dụng khu vực rộng lớn, đảm bảo khả xử lý, tính tốn hiệu cao Từ trợ giúp hệ thống mạng cảm biến không dây, người thực nhiều mơ hình tương tác, khám phá nhiều tượng, chất vật tự nhiên, mà trước chưa có điều kiện tìm hiểu nghiên cứu 1.1 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây áp dụng nhiều lĩnh vực sống Dựa vào đặc điểm nút mạng, khác vai trò, nhiệm vụ, phân chia nút mạng mạng cảm biến khơng dây thành nút mạng sau: nút mạng đóng vai trị nút mạng cảm biến, hoạt động cảm biến môi trường truyền liệu; nút mạng đóng vai trị nút mạng chuyển tiếp, gọi nút mạng gốc, có nhiệm vụ điều khiển, nhận liệu chuyển tiếp liệu tới hệ thống xử lý Dựa mối quan hệ, liên kết, Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 11 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 2.6.3 Mã hóa cho mã dịch vịng tuyến tính Q trình mã hóa cho mã dịch vịng tuyến tính tiến hành ba bước: (1) Nhân tin u(X) với Xn-k nk (2) chia Xn-k u(X) cho g(X): X u ( X ) a ( X ) g ( X ) b( X ) (3) tính dạng từ mã b( X ) X n k u ( X ) Trong trình giải mã hệ số 1, X, , Xn-k-1 bit dư thừa; hệ số Xn-k,Xn-k+1, ,Xn-1 bit thông tin Mạch điện tử logic cho q trình giải mã mã dịch vịng tuyến tính: Hình 2.7 : Mạch điện mã hóa cho mã dịch vịng tuyến tính (n,k) với đa thức sinh g(X)=1+g1X2+…+gn-k-1Xn-k-1+Xn-k [7] Hình 2.8: Mạch điện mã hóa cho mã dịch vịng tuyến tính dựa đa thức kiểm lỗi h(X)=1+h1X+…+Xk [7] Ví dụ 2.12: Mã dịch vịng tuyến tính C(7,4) có đa thức sinh g(X)=1+X+X3 Bản tin u(X)=1+X3 cần mã hóa (bản tin u=(1001)) Nhân X3 u(X)=X3+X6 Chia X3 u(X) cho đa thức g(X): X3u(X)=(X3+X)g(X) + (X+X2) Từ mã tương ứng cho việc mã hóa tin u , v(X)=X+X2 +X3+X6 Như mã dịch vịng tuyến tính C(7,4) với đa thức sinh g(X)=1+X+X3 mã hóa tin u=(1001) thành từ mã v=(0111001) 2.6.4 Tính tốn hội chứng lỗi sửa lỗi Trong mã khối tuyến tính dịch vịng, vectơ thu khối thu r coi đa thức bậc n-1 r ( X ) r0 r1 X rn1 X n1 Học viên: Trần Trọng Nghĩa (2.28) Trang 53 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 Chia đa thức r(X) cho đa thức sinh g(X) ta thu r ( X ) a( X ) g ( X ) s( X ) s(X) đa thức bậc n-k-1, a(X) bậc n-k Khi n-k hệ số s(X) hình thành nên hội chứng lỗi s Hình 2.9: Mạch điện tử logic với n-k trạng thái lỗi [7] Mẫu lỗi e(X)=e0+e1X+…+en-1Xn-1 Đa thức nhận r(X)=v(X)+e(X); Mối quan hệ mẫu lỗi hội chứng lỗi e( X ) a ( X ) b ( X ) g ( X ) s ( X ) (2.29) với b(X)g(X)=v(X) Quá trình giải mã cần ước lượng e(X) dựa hội chứng lỗi s Đối với mã dịch vòng tuyến tính C(n,k): khoảng cách tối thiểu với trọng số tối thiểu với bậc tối thiểu đa thức sinh g(X) n-k Mã dịch vịng tuyến tính C(n,k) có khả sửa xác d 1 n k 1 t lỗi Ví dụ 2.13: Xét mã dịch vịng tuyến tính (7,4) với đa thức sinh g(X)=1+X +X3 Hội chứng lỗi s Đa thức hội chứng lỗi Mẫu lỗi e Đa thức lỗi s(X) e(X) 000 0000000 100 1000000 010 X 0100000 X 001 X 0010000 X2 110 1+X 0001000 X3 011 X+X2 0000100 X4 111 1+X+X2 0000010 X5 101 1+X2 0000001 X6 Bảng 2.3: Bảng giải mã cho mã dịch vịng tuyến tính (7,4) với đa thức sinh g(X)=1+X+X3 Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 54 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 Giả sử thu vectơ r=(0110111) đầu thu Hội chứng lỗi r s=(010) Tra bảng ta thấy lỗi tương ứng với hội chứng lỗi s=(010) mẫu lỗi với bit lỗi vị trí thứ (0100000) Vì từ mã truyền v=r+e=(0110111) + (0100000)= (0010111) Kết Luận Chƣơng Chương trình bày trình bày tổng quan đặc tính mã hóa giải mã, mã khối tuyến tính Điều kiện khoảng cách dmin mã khối tuyến tính, mối liên hệ khả sửa t lỗi : t =[(dmin-1)/2] Chương tập trung tìm hiểu mã Hamming, mã có vai trị sửa mẫu lỗi bit truyền liệu mã dịch vịng tuyến tính có khả sửa mẫu lỗi bit trở lên Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 55 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây CHƢƠNG 2012 ÁP DỤNG MÃ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sau hai chương nghiên cứu lý thuyết mạng cảm biến không dây, tìm hiểu kỹ thuật sửa lỗi cho mạng truyền liệu nói chung mạng cảm biến khơng dây nói riêng, chương tập trung vào số ngữ cảnh đặc biệt yêu cầu giải quyết, sau vận dụng lý thuyết sửa lỗi làm sáng tỏ vấn đề đặt Đặc trƣng lỗi mạng cảm biến không dây Dữ liệu mạng cảm biến không dây nút cảm biến thu thập thực truyền từ nút mạng sang nút mạng khác; trình truyền tiếp tục truyền tới nút mạng sở liệu chuyển tiếp tới máy tính xử lý Lỗi xuất trình truyền thường lỗi chùm, lỗi khối gây phá hủy byte truyền gói Để đánh giá xác đinh đặc trưng lỗi truyền liệu mạng cảm biến khơng dây, có nhiều phương pháp đo đạc, ước lượng, tiến hành Các tác giả Shen Abedi [9] nghiên cứu mơ hình sửa lỗi giải toán tăng hiệu suất kênh truyền theo kết nối không dây chuẩn IEEE 802.15.4, thí nghiệm phụ thuộc tỉ lệ gói theo khoảng cách nút mạng Mơ hình thí nghiệm tiến hành với nút cảm biến Telos-B, mơi trường nhà Thí nghiệm tiến hành số gói tin nút mạng gửi N=50000 N =10000, nút mạng cách với khoảng cách 3m tiến hành với khoảng cách tăng dần Tốc độ truyền liệu 200 gói tin giây với kích thước gói tin 31 byte Tại đầu thu thực việc đếm gói tin nhận so sánh với số gói tin truyền, từ suy tỉ lệ gói tin Lặp lại q trình thí nghiệm này, tăng khoảng cách nút mạng lên 1.5m lần Hình 3.1: Tỉ lệ gói theo khoảng cách [9] Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 56 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 Kết thống kê từ hình vẽ 3.1 [9] cho thấy tỉ lệ gói trung bình vào khoảng 10-2 khoảng cách tăng lên 4.5m Đây khoảng cách trung bình nút mạng mạng cảm biến khơng dây, tỉ lệ 10-2 đảm bảo độ tin cậy việc truyền gói tin nút mạng, nên việc truyền lại gói tin trường hợp không cần thiết Các nút cảm biến Telos sử dụng chipcon cho truyền nhận sóng vơ tuyến Ưu điểm truyền nhận sóng vơ tuyến Chipcon khoảng cách truyền sóng khơng dây tăng lên đạt tới 300m so với khoảng cách 100m truyền nhận sóng vơ tuyến thông thường; ưu điểm Chipcon sử dụng điều chế bit dịch tần (FSK) tăng tốc độ truyền liệu độ tin cậy; Chipcon cịn sử dụng mã hóa bit Manchester phần cứng, giúp cân thành phần điện áp chiều tốt Trong nghiên cứu mạng cảm biến không dây, tác giả Jaein Jeong, Chang Tie Ee [10] trường đại học California đưa thí nghiệm kiểm tra đặc trưng lỗi chipcon cách gửi 10000 gói tin từ nút mạng phát, nút mạng thu có truy cập máy tính để so sánh tính tốn theo khoảng cách nút mạng thay đổi từ 6.75 ft ~ m 135 ft ~ 41.75 m Hình 3.2: Chiều dài khối lỗi [10] Kết hiển thị hình 3.2 [10] cho thấy Chipcon có đặc trưng lỗi, khối lỗi chủ yếu lỗi đơn bit lỗi hai bit, khối lỗi có chiều dài lớn chiếm tỉ lệ thấp, gần khơng đáng kể Vì Chipcon sử dụng hầu hết ứng dụng mạng cảm biến khơng dây nên coi đặc trưng lỗi với chiều dài khối lỗi đơn bit bit đặc trưng lỗi mạng cảm biến không dây Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 57 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 Một phần quan trọng đặc trưng lỗi truyền liệu không dây, lỗi phần mở đầu, lỗi bit dẫn đường (premble) (mỗi gói tin truyền bao gồm phần: bit dẫn đường, ký tự bắt đầu, truyền tải, kiểm tra tổng) Hình 3.3: Ảnh hưởng lỗi bit dẫn đường tỉ lệ gói tin [10] Hình 3.3 [10] cho thấy kết ảnh hưởng lỗi bit dẫn đường đến tỉ lệ gói tin nhỏ; vào khoảng 0.4% cho khoảng cách 41.1m Điều có nghĩa lỗi bit dẫn đường khơng ảnh hưởng đến tỉ lệ gói tin, coi lỗi xuất chipcon hầu hết lỗi hỏng bit, hỏng bit gói tin truyền Vì để nâng cao hiệu cho mạng cảm biến không dây sử dụng kỹ thuật sửa lỗi phải đảm bảo sửa lỗi Ứng dụng mã sửa lỗi việc khắc phục mẫu lỗi bit, mẫu lỗi bit Lỗi xuất kênh truyền mạng cảm biến không dây chủ yếu khối lỗi: lỗi 1-bit, lỗi 2-bit Áp dụng mã sửa lỗi để sửa mẫu lỗi 1-bit mã sửa lỗi phải có khoảng cách Hamming tối thiểu dmin=3 từ mã; sửa mẫu lỗi 2-bit mã sửa lỗi phải có khoảng cách Hamming tối thiểu dmin=5 từ mã Với m bit liệu, đạt yêu cầu khoảng cách tối thiểu dmin, thực kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp, chèn thêm r bit dư thừa vào m bit liệu tạo thành từ mã với chiều dài n Câu hỏi đặt phải chèn r bit vào khối m bit liệu để sửa lỗi đầu thu? Điều kiện r bit dư thừa nào? Giải câu hỏi giải ngữ cảnh truyền liệu mạng cảm biến không dây “Khi truyền liệu qua mạng cảm biến khơng dây, phải chèn bít dư thừa để đảm bảo chắn mẫu lỗi – bit mẫu lỗi – bit khắc phục xác nút mạng nhận?” Quá trình sửa lỗi theo kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp, nút mạng nhận gói tin, thực trình sửa lỗi dựa vào bit dư thừa chèn vào bit liệu Như trình bày chương 2, khoảng cách Hamming từ mã d, ln ln tạo từ mã từ từ mã cho, cách thay đổi giá trị d bit từ mã biết Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 58 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến không dây 2012 Để phát sửa d lỗi từ mã từ mã mã phải có khoảng cách 2d+1 Vậy với khoảng cách 2d+1 thay đổi giá trị 2d+1 bit để chuyển đổi từ mã sang từ mã Nếu thay đổi giá trị d bit từ mã thu từ mã ban đầu Vậy với trình sửa lỗi, cần chèn số bit dư thừa bao nhiêu? Với m bit liệu r bit dư thừa mã sửa lỗi có chiều dài n=m+r Bằng việc chuyển đổi giá trị bit n bit, thu từ mã so với từ mã cũ, trường hợp khoảng cách từ mã từ mã cũ Như chiều dài n bit mã sửa lỗi có m bit có giá trị, thực thay đổi giá trị “1” bit bất kỳ, tạo thành n từ mã với khoảng cách so với từ mã giá trị làm tiêu chuẩn Vậy để xác định 2m từ mã giá trị 2n từ mã: ( n 1)2 m n (3.1) n + bao gồm n từ mã (được tạo với bit bị thay đổi giá trị ) có khoảng cách so với từ mã giá trị làm tiêu chuẩn Mà n=m+r, suy phương trình (3.1) viết lại sau: (m r 1)2m 2m r m r 2r (3.2) Nhờ phương trình (3.2) xác định số bit dư thừa cần thiết biết số bit liệu m, để thực sửa mẫu lỗi bit Áp dụng mã Hamming để sửa lỗi bit, bit dư thừa chèn vào vị trí 2x chiều dài n khối mã Hình 3.4: Cách chèn bit dư thừa mã Hamming Trên hình vẽ 3.4, bit thứ 11 kiểm lỗi bit dư thừa vị trí 1, 2, Bit dư thừa chèn vào vị trí thứ thực kiểm lỗi với bit liệu vị trí 3, vị trí 5, vị trí 7, vị trí 9, vị trí 11 Bit dư thừa chèn vào vị trí thứ thực kiểm lỗi bit liệu vị trí 2, vị trí 3, vị trí 6, vị trí 7, vị trí 10, vị trí 11 Bit dư thừa chèn vào vị trí thực kiểm lỗi bit liệu vị trí 4, vị trí 5, vị trí 6, vị trí 7, vị trí 12 Để bảo vệ bit mã ASCII xảy lỗi bit số bit dư thừa cần chèn 24 Như chèn bit dư thừa vị trí 1; vị trí 2; vị trí 4; vị trí để đảm bảo lỗi bit trình truyền bit mã ASCII sửa xác Các mẫu lỗi 1-bit mạng cảm biến khơng dây tiến hành sửa bit dự phòng, trường hợp mẫu lỗi lỗi 2-bit lỗi 1-bit cần chèn bit dư thừa để tiến hành sửa lỗi nút mạng nhận? Học viên: Trần Trọng Nghĩa Trang 59 Nghiên cứu mã sửa lỗi mạng cảm biến khơng dây 2012 Giống q trình xác định điều kiện cho lỗi bit, việc xác định điều kiện bit dư thừa r cho mẫu lỗi 2-bit, tiến hành với lập luận tương tự Với m bit liệu r bit dư thừa, mã sửa lỗi có 2m+r từ mã 2m từ mã từ mã giá trị, lại 2m+r – 2m từ mã thường Trong khối n bit từ mã, bit lỗi có n khả Đối với bit lỗi thứ hai có n-1 khả Khả bit lỗi n bit n(n-1) Từ từ mã giá trị cần thay đổi giá trị bit ngẫu nhiên, thiết lập từ mã với khoảng cách so với từ mã giá trị Tuy nhiên xét đến vị trí bit lỗi có mẫu lỗi bit có vị trí lỗi giống Ví dụ mẫu lỗi 2-bit có vị trí lỗi 1, trùng với mẫu lỗi 2-bit có vị trí lỗi 2, 1; nên xem mẫu lỗi 2-bit Vì khả xảy bit lỗi n bit xác phải là: n(n-1)/2 Theo đó, muốn xác định 2m từ mã giá trị 2n từ mã: n(n 1) 1)2m 2m r (m r )(m r 1) (m r 1) 2r (n (3.3) hay m r (m r ) 2r (3.4) Bất phương trình (3.4) điều kiện số bit dư thừa r cần chèn để sửa mẫu lỗi 2-bit mẫu lỗi 1-bit Xét mã liệu có mã 16 bit, để bảo vệ mã xảy lỗi 1-bit lỗi 2-bit sử dụng chèn tối đa bit dư thừa, theo phương trình (3.4) kiểm tra 16 (16 9)2 29 Hay 326
Ngày đăng: 23/09/2020, 22:35
Xem thêm:
