WSNs dùng để giám sát các hiện tượng trong thế giới thực nên việc thiết kế mạng phải thích ứng với các các đặc trưng của môi trường mà nó cảm nhận. WSNs được dùng cho các ứng dụng khác nhau như là kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng… nên phải được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng. Ví dụ như sensor có thể dùng để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm và tùy từng loại ứng dụng sẽ quyết định dùng loại sensor nào.
Thách thức lớn nhất trong mạng cảm ứng là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại, hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong mạng cảm ứng, năng lượng được sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động.
Hiện nay người ta cũng đang mong muốn phát triển quá trình xử lý năng lượng một cách hiệu quả mà giảm tối thiểu các yêu cầu về năng lượng qua qua việc xử lý lỗi, đồng thời tối thiểu hóa các bản tin truyền qua mạng để điều khiển và phối hợp mạng.
Chương 2: PHÁT HIỆN VÀ SỬA LỖI TRONG MẠNG CẢM BIẾN WSN 2.1 Giới thiệu
Cũng như trong các hệ thống mạng không dây khác, khi truyền dữ liệu từ vị trí này đến vị trí khác. Có nhiều yếu tố tác động trên đường truyền như môi trường, ồn, nhiễu đường truyền,… có thể làm hỏng một hay nhiều bit của khối dữ liệu đang truyền. Do đó muốn thông tin ở nơi nhận, nhận được chính xác thì phải có cơ chế phát hiện và sửa lỗi các đó hoặc là yêu cầu truyền lại nếu lỗi quá lớn.
Hình 2.1 Giao tiếp các node trong mạng cảm biến
Một nút cảm nhận không dây giao tiếp với các nút cảm nhận khác bằng việc sử dụng Network- Stack như hình trên.
Ở lớp ứng dụng (Application), dữ liệu có thể được gửi ở dạng gói , do chip radio ở lớp phần cứng có thể truyền và nhận dữ liệu dạng byte, nên các gói tin này cần được phân đoạn trước khi chúng có thể được gửi và phải được gép lại sau khi chúng được nhận.
Lớp điều khiến đa truy cập Media – Access – Control (MAC) chuyển tiếp lớp ứng dụng với radio chip :
+ Khi 1 gói tin được gửi đi nhờ 1 ứng dụng, gói tin được phân nhỏ thành các byte. 1 chuỗi liên tiếp các byte đặc biệt được gọi là Preamble (phần mở đầu) được gửi đi trước các byte dữ liệu do đó phía thu có thể đồng bộ và xác định phần bắt đầu của 1 gói tin.
+ Sau khi nhận 1 byte, radio chip mã hoá bit dữ liệu và truyền chúng. Ở phía nhận, radio chip báo hiệu việc đến của các byte sau khi xác định và giải mã các bit dữ liệu.
+ Sau đó lớp MAC hợp lại gói đầu tiên sau gói preamble. Tiếp theo lớp MAC báo hiệu việc đến của gói tin cho lớp trên.
Các byte dữ liệu có thể được mã hoá một cách tuỳ ý sau khi được phân đoạn cùng với mã sửa lỗi (ECC – Error correction code) để khôi phục các bit dữ liệu trong trường hợp có số lượng nhỏ các bit bị lỗi. Có một hay nhiều các byte dữ liệu được xếp về phía trong của chuỗi các byte dữ liệu khác cái mà sau đó cũng đã được truyền qua radio chip. Ở phía bộ thu, các byte dữ liệu đã được nhận , và được mã hoá để trở về dạng các byte dữ liệu gốc.
Bộ điều biến bit chuyển 1 bit vào thành 1 chuỗi bit trong dạng tương tự. Lược đồ điều biến bit đơn giản nhất là mã hoá NRZ (Non-Return to Zero). Mã hoá NRZ 1 cách đơn giản tạo ra 1 dạng sóng (của tín hiệu) với mức điện áp tương ứng: A cho đầu vào bit 0 và B cho đầy vào bit 1. Bộ thu phát radio giữ vết của tín hiệu tương tự có nghĩa để phân biệt với các bit đang dồn đến. Bằng việc so sánh các tính hiệu thu được với mức trung bình, bộ thu phát truyển đổi dạng sóng tương tự thành bit nhị phận 0 hay 1. Việc này có thể sinh ra 1 vấn đề khi có một chuỗi dài là 0 hay 1, cái mà lệch với mức tín hiệu tương tự có nghĩa, do đó giảm khả năng phiên dịch đúng của bộ thu phát đối với tính hiệu số được truyền. Trong mã hoá NRZ, việc nhồi bit, chính là chúng ta thêm vào phần bổ sung sau chính bit đầu vào đó, nó là cần để thực hiện loại bỏ vấn đề này. Mã hoá Manchester loại bỏ vấn đề này nhờ việc tạo ra các số 0 và 1 giống nhau cho bất kỳ chuỗi bit nào. Lược đồ mã hoá này mã hoá một 0 thành sự chuyển đổi từ A B và 1 thành sự chuyển đổi từ B A. Ví dụ được chỉ ra ở hình.
Hình 2.2 Mã hoá NRZ và mã hoá Manchester
ChipCon radio là bộ thu phát radio mà hiện tại được sử dụng trong phiên bản mới nhất của các nút mạng cảm nhận không dây. Được so sánh với radio RFM cái mà được sử dụng trong platform sớm hơn, ChipCon radio có một số đặc tính được cải tiến. Đầu tiên, đó là các nút cảm biến không dây với các radio ChipCon có phạm vi lớn hơn radio RFM. Trong quá trình kiểm nghiệm ngoài trời, các nút cảm biến ChipCon đã có phạm vi khoảng 1000 feet, trong khi các nút cảm biến RFM vào khoảng 400 feet. Thứ 2 đó là, các bit dữ liệu được điểu chế sử dụng FSK (Frequency Shift Keying) khiến cho dữ liệu truyền đi có tính đàn hồi so với ồn (noise). Cuối cùng , radio ChipCon hỗ trợ mã hoá Manchester ở thiết bị phần cứng, cho phép các bit dữ liệu được truyền dẫn mà không cần phải rõ ràng ; phần mềm sử dụng cân bằng DC (software-level DC balancing).
Mã sửa lỗi của radio RFM không phù hợp so với radio ChipCon bởi vì nó nhồi bít một cách không cần thiết cho sự cân bằng DC. Hình trên chỉ ra cách mà 1 byte được mã hoà thành 3 byte từ mã. Ví dụ, nếu bit thứ 8 của byte dữ liệu là 1, thì từ mã có 1 trong bit thứ 8 của byte thứ 3 và 0 trong bit thứ 7. Nếu bít thứ 8 của byte là 0, thì từ mã có 0 và 1 trong bit thứ 8 và 7 trong byte thứ 3.