Mụ hỡnh nhiễu khi cú sự tham gia từ ba nỳt mạng trở lờn và nằm trong giới hạn truyền thụng của nhau.
Mụ hỡnh lý tưởng thường được sử dụng trong phõn tớch và thiết kế của cỏc giao giao thức MAC. Trong mụ hỡnh này, nhiễu là nguyờn nhõn gõy ra bởi việc truyền vụ tuyến cỏc nỳt sẽ được mụ hỡnh giống như giới hạn truyền thụng vũng trũn lý tưởng (hỡnh a). Khi một nỳt mạng đang truyền thỡ khụng một nỳt mạng nào khỏc trong phạm vi truyền cú thể nhận được một gúi tin thành cụng do xung
đột. Một điểm khỏc biệt của mụ hỡnh này là bề mặt nhiễu cú bỏn kớnh lớn hơn bỏn kớnh truyền thụng. Những mụ hỡnh này chỉ truyền tốt trờn một liờn kết nhưng cỏc quỏ trỡnh truyền trờn liờn kết này luụn luụn xung đột với cỏc đường
- 35 -
truyền khỏc đến nỳt nhận. Giả thuyết đơn giản này cú ớch cho việc thiết kế và phõn tớch nhưng chỳng cú thể cú khả năng sai lệch cao.
Hỡnh 2.6: Nhiễu trong mụi trường khụng dõy thụng thường (Hỡnh a): mụ hỡnh lý tưởng húa: xung đột, khụng nhận được gúi tin (Hỡnh b): mụ hỡnh hiệu ứng thu: cú thể nhận thành cụng
Trong thực tế, truyền vụ tuyến cú khả năng nhận một gúi tin lỗi tự do, thậm chớ khi cỏc gúi khỏc đang được truyền bởi nỳt lõn cận. Đõy được gọi là hiệu ứng thu được (capture). Mụ hỡnh thực tế kết hợp hiệu ứng thu được như sau:
Đặt là độ tăng kờnh trờn liờn kết giữa hai nỳt i và j (kết hợp suy hao
đường truyền là một hàm của khoảng cỏch như thành phần phading log-normal), P
j i
g,
i là cụng suất truyền đầu ra tại nỳt I, Ni là cụng suất nhiễu tại nỳt i
Nỳt 1 cú thể nhận thành cụng một gúi tin từ nỳt 0 thậm chớ cú nhiễu của một tập cỏc nỳt I đồng thời truyền cỏc gúi tin nếu:
c N P g g P I i i i > + ∑ ∈ 1 1 , 1 , 0 0
Trong bất đẳng thức trờn, biểu thức bờn trỏi được gọi là tỉ lệ tớn hiệu trờn tạp õm nhiễu SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio), c là tỉ lệ thu được hay ngưỡng thu được. Tỉ lệ c phụ thuộc vào cỏc đặc tớnh điều chế và mó húa của quỏ trỡnh truyền vụ tuyến. Khi giỏ trị c nhỏ, việc thu một gúi tin sẽ dễ dàng hơn, thậm chớ trong cỏc quỏ trỡnh truyền nhiễu.
Hiệu ứng thu này được đo kiểm trong cỏc thiết bị cảm ứng. Qua cỏc thực nghiệm trờn thiết bị CC1000 nền tảng Mica 2, cỏc nhà khoa học đó tỡm ra rằng 70% tất cả cỏc quỏ trỡnh truyền vụ tuyến đồng thời tồn tại hiện tượng thu. So sỏnh với mụ hỡnh lý tưởng húa, hiện tượng này cú hiệu quả thực tế trong việc giảm mức gúi tin mất trong sự tranh chấp ở lớp MAC.
- 36 -
Trờn đõy là một số đặc điểm cơ bản về mạng cảm biến khụng dõy, và cỏc
đặc tớnh truyền thụng vụ tuyến của nú. Việc thực hiện xõy dựng phương phỏp
đỏnh giỏ hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến khụng dõy sẽ được tiến hành trong chương 3 của đề tài trờn cơ sở xõy dựng cỏc nỳt mạng cảm biến khụng dõy và tiến hành thực nghiệm đo kiểm vụ tuyến giữa cỏc nỳt mạng.
- 37 -
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TRUYỀN NHẬN CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHễNG DÂY
Như đó nghiờn cứu trong chương 2, cỏc đặc tớnh cơ bản của mạng cảm biến khụng dõy được thể hiện ở ba mụ hỡnh: Mụ hỡnh chất lượng liờn kết khụng dõy, mụ hỡnh năng lượng và mụ hỡnh nhiễu.
Trong chương này, tỏc giả xõy dựng phương phỏp đỏnh giỏ hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến khụng dõy dựa trờn cơ sở lý thuyết là mụ hỡnh chất lượng liờn kết khụng dõy đó được nghiờn cứu trong phần trước của đề tài.
Theo đú, cấu trỳc của chương này sẽ bao gồm cỏc phần chớnh như sau: - Cơ sở lý thuyết của phương phỏp đỏnh giỏ hiệu quả truyền nhận của mạng - Thiết lập cỏc nỳt mạng cảm biến khụng dõy sử dụng vi điều khiển CC1010, cú khả năng truyền nhận vụ tuyến, xử lý thụng tin và hiển thị kết quả. Đõy là cơ
sở thiết bị phần cứng để tiến hành thực nghiệm.
- Viết phần mềm nhỳng cho nỳt mạng thực hiện quỏ trỡnh truyền nhận vụ tuyến, xử lý thụng tin và hiển thị kết quả.
- Thực hiện cỏc thớ nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy của quỏ trỡnh truyền nhận giữa cỏc nỳt mạng.
- Thực nghiệm đo kiểm cỏc thụng số của quỏ trỡnh truyền nhận giữa cỏc nỳt mạng cảm biến khụng dõy trong cỏc mụi trường.
- Rỳt ra kết luận
3.1. Cơ sở lý thuyết của phương phỏp
Cơ sở lý thuyết của phương phỏp đỏnh giỏ hiệu quả truyền nhận của mạng cảm biến khụng dõy dựa trờn cơ sở mụ hỡnh chất lượng liờn kết khụng dõy đó
được nghiờn cứu ở trong chương 2. Mụ hỡnh này đỏnh giỏ hiệu quả truyền nhận của mạng thụng qua cỏc thụng số:
- Cụng suất nhận được tớn hiệu khi truyền nhận giữa cỏc nỳt mạng. - Tỉ lệ nhận được gúi tin khi truyền nhận giữa cỏc nỳt mạng.
Áp dụng mụ hỡnh suy hao của quỏ trỡnh truyền thụng vụ tuyến khi cú thụng số cụng suất tớn hiệu nhận được ta cú thể tớnh được chỉ số suy hao đường truyền trong cỏc mụi trường.
- 38 -
Tỏc giả H.T. Friss đưa ra phương trỡnh tớnh toỏn cụng suất nhận được của mỏy thu ở khoảng cỏch d so với mỏy phỏt trong một khụng gian tự do như sau:
L d G G P d P t t r r 2 2 2 ) 4 ( ) ( π λ = Trong đú: - Pt là cụng suất tớn hiệu truyền - Pr: cụng suất nhận được
- Gt và Gr là độ lợi của anten phỏt và anten thu - L là hệ số suy giảm của hệ thống (L>=1) - λ: là bước súng
- d: khoảng cỏch giữa nỳt truyền và nỳt nhận
Từ phương trỡnh trờn ta thấy cụng suất tớn hiệu nhận được tỉ lệ với cụng suất phỏt tớn hiệu và tỉ lệ nghịch với bỡnh phương khoảng cỏch truyền nhận
Thụng thường chọn Gt = Gr = 1 và L = 1 trong mụ phỏng
Từ phương trỡnh trờn ta thấy cụng suất nhận được tại khoảng cỏch d tỉ lệ
với cụng suất phỏt và tỉ lệ nghịch với bỡnh phường khoảng cỏch d giữa nỳt truyền và nỳt nhận.
Hệ số suy giảm đường truyền PL (path loss) tại khoàng cỏch d>>λ, cỏc giỏ trị Gt = Gr = 1 và L = 1, như sau: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = − = = 22 2 2 ) 4 ( log 10 ) 4 ( log 10 log 10 ) ( d d G G P P dB PL t r r t π λ π λ
Hai thụng số trờn khụng những quan trọng và cũn thể hiện được tương đối
đầy đủ cỏc đặc tớnh của quỏ trỡnh truyền nhận vụ tuyến vỡ những lý do sau:
- Quỏ trỡnh truyền nhận vụ tuyến của mạng cảm biến khụng dõy gồm hai quỏ trỡnh: quỏ trỡnh truyền vụ tuyến và quỏ trỡnh thu vụ tuyến.
- Trong quỏ trỡnh truyền vụ tuyến, thụng số cụng suất nhận được tớn hiệu rất quan trọng vỡ nú thể hiện được hiệu quả của quỏ trỡnh truyền tin. Cụng suất tớn hiệu nhận được càng lớn thỡ quỏ trỡnh truyền tin càng tốt và ngược lại.
- 39 -
- Trong quỏ trỡnh thu vụ tuyến, thụng số tỉ lệ nhận được gúi tin tại nỳt mạng thu cho ta biết mỏy thu cú thu được chớnh xỏc gúi tin hay khụng?
Như vậy, hai thụng số trờn đặc trưng và quan trọng cho hai quỏ trỡnh truyền và nhận vụ tuyến. Do đú, việc khảo sỏt và đo kiểm được cỏc thụng số này một cỏch chớnh xỏc, chỳng ta cú thểđỏnh giỏ được hiệu quả truyền nhận giữa cỏc nỳt mạng trong hệ thống mạng cảm biến khụng dõy.
Để thu thập dữ liệu về thụng số cụng suất nhận được tớn hiệu và tỉ lệ nhận
được gúi tin, chỳng ta phải xõy dựng cỏc nỳt mạng cú khả năng thực hiện quỏ trỡnh truyền nhận vụ tuyến. Sau đú thử nghiệm quỏ trỡnh truyền nhận vụ tuyến giữa cỏc nỳt mạng tại cỏc mụi trường khỏc nhau và ghi lại kết quả của cỏc thụng số đo được.
3.2. Xõy dựng cỏc nỳt mạng cảm biến khụng dõy
3.2.1. Vi điều khiển
3.2.1.1. Tiờu chuẩn lựa chọn
Việc lựa chọn loại vi điều khiển để xõy dựng nỳt mạng là một vấn đề
quan trọng. Nếu việc lựa chọn vi điều khiển hợp lý sẽ làm cho quỏ trỡnh xõy dựng hệ thống được rỳt ngắn, hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy và đạt cỏc chỉ tiờu đề ra.
Với cỏc chỉ tiờu yờu cầu đối với cỏc nỳt mạng, cỏc tiờu chớ quan trọng để
chọn vi điều khiển như sau[3]: - Tiờu thụ năng lượng thấp.
- Tớch hợp ADC để cú thể ghộp nối với cảm biến tương tự.
- Bộ nhớ chương trỡnh cũng như bộ nhớ dữ liệu cú kớch thước hợp lý. - Kớch thước vật lý nhỏ.
- Cú cụng cụ phỏt triển giỳp người phỏt triển xõy dựng hệ thống dễ dàng và thuận tiện như: sử dụng ngụn ngữ bậc cao, cú cỏc thư viện hỗ trợ cho việc cảm nhận cũng như truyền nhận khụng dõy, hỗ trợ gỡ lỗi.
- Giỏ thành rẻ.
Hiện nay cú ba họ vi điều khiển trờn thị trường cú thể thoả món cỏc tiờu chớ trờn là họ vi điều khiển MSP430 của Texas, họ vi điều khiển ATMEGA của Atmel. Tuy nhiờn, họ vi điều khiển của Texas và họ vi điều khiển của Atmel
- 40 -
khụng cú tớch hợp truyền nhận khụng dõy. Nếu sử dụng hai loại vi điều khiển trờn sẽ phải cú thờm mạch truyền nhận khụng dõy bờn ngoài, quỏ trỡnh xõy dựng hệ thống sẽ phức tạp. Chỉ cú vi điều khiển CC1010 của hóng Chipcon chứa nhõn CPU 8051 được tớch hợp bộ thu phỏt súng vụ tuyến, cựng cỏc thành phần phụ trợ khỏc và cú mức tiờu thụ năng lượng thấp. Do đú, vi điều khiển CC1010 được lựa chọn để xõy dựng nỳt mạng cảm biến khụng dõy.
Vi điều khiển CC1010 cú một số cỏc đặc điểm cơ bản như sau: - Thu phỏt khụng dõy 300 -1000 MHz. - Dũng tiờu thụ rất thấp (9,1 mA trong chế độ nhận) - Độ nhạy cao (-107 dBm) - Cụng suất phỏt cú thể lập trỡnh được (cú thể lờn tới +10dBm) - Tốc độ thu phỏt dữ liệu RF cú thểđạt 76.8 kbit/s.
- Đo được cường độ RF (RSSI) - Tương thớch họ vi điều khiển 8051 - 32 kB Flash, 2048 + 128 Byte SRAM
- 3 kờnh ADC 10 bit, 4 timers / 2PWMs, 2 UARTs, RTC, Watchdog, SPI, mó hoỏ DES, 26 cổng I/O
- Cú khả năng gỡ lỗi sử dụng chương trỡnh dịch Keil àVision2.0/3.0 IDE qua cổng nối tiếp
- 41 -
3.2.1.2. Cỏc thành phần chớnh của vi điều khiển CC1010
Hỡnh 3.1: Sơđồ khối vi điều khiển CC1010
Dựa vào sơđồ khối [5] ở trờn, cú thể thấy cỏc thành phần chớnh của vi điều khiển CC1010 bao gồm:
- Bộ thu phỏt khụng dõy (RF Transceiver):
Bộ thu phỏt CC1010 UHF (Ultra High Frequency) RF (Radio Frequency)
được thiết kế để sử dụng cho ứng dụng tiờu thụ năng lượng và điện ỏp thấp. Mạch thu phỏt dựng cho cụng nghiệp, khoa học và y học ISM (Industrial Scientific Medical) và cỏc thiết bị giới hạn nhỏ trờn cỏc dải tần số 315 Mhz, 433
- 42 -
Mhz, 868 Mhz, 915 Mhz nhưng cú thể lập trỡnh được để hoạt động được trờn dải tần từ 300 Mhz đến 1000 Mhz. Cỏc thụng số chớnh của vi điều khiển CC1010 cú thể lập trỡnh được thụng qua cỏc thanh ghi cú chức năng đặc biệt SFRs (Special Function Registers) giỳp cho CC1010 rất linh hoạt và sử dụng dễ dàng bộ thu phỏt vụ tuyến. Hoạt động của bộ thu phỏt RF đũi hỏi rất ớt cỏc thành phần tớch cực.
Hỡnh 3.2: Sơđồ khối của bộ thu phỏt khụng dõy RF + Hoạt động của bộ thu phỏt khụng dõy như sau:
Trong chế độ nhận: tớn hiệu vào RF được khuếch đại bởi bộ khuyếch
đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier), sau đú sẽ được chuyển thành trung tần IF (Intermediate Frequency) bởi bộ trộn MIXER. Trong IF STAGE tớn hiệu được khuếch đại và lọc trước khi đưa tới bộ giải
điều chế DEMOD. Khi cú tựy chọn, một tớn hiệu RSSI hoặc IF sau khi trộn được đưa vào AD2. Sau khi giải điều chế tớn hiệu số được đưa tới thanh ghi RFBUF. Cỏc ngắt cú thể được sinh ra cho mỗi bit hay mỗi byte nhận được (EXIF.RFIF).
Trong chế độ truyền: tớn hiệu ra từ bộ tạo dao động được điều khiển bởi
điện ỏp VCO được đưa trực tiếp tới bộ khuếch đại cụng suất PA (Power Amplifier). Đầu ra RF là khúa dịch tần FSK (Frequency Shift Keyed) bởi luồng bit được đưa tới thanh ghi RFBUF. Cỏc ngắt cú thể được sinh
- 43 -
ra cho mỗi bit hay mỗi byte được truyền (EXIF.RFIF). Bằng việc sử
dụng một ớt thành phần thụ động, mach chuyển bờn trong T/R giao tiếp với anten dễ dàng.
Bộ tổ hợp tần số tạo ra dao động bờn trong được đưa tới bộ MIXER trong chế độ nhận và đưa tới bộ PA trong chế độ truyền. Bộ tổ hợp tần số bao gồm một dao động thạch anh XOSC (Crystal Oscillator), bộ
nhận biết pha PD (phase detector), bơm nạp (CHARGE PUMP), bộ lọc LFP (Internal Loop Filter), VCO, và cỏc bộ chia tần (/R và /N). Một tinh thể ngoài cú thể được nối vào XOSC. VCO với chỉ một cuộn cảm ngoài. Điều khiển bộ thu phỏt và quản lý năng lượng: Thanh ghi RFMAIN điều khiển chế độ hoạt động: nhận (RX) hay truyền (TX), sử
dụng hai thanh ghi tần số và cỏc chế độ tiết kiệm năng lượng (power down). Theo cỏch này, vi điều khiển CC1010 cú được sự linh hoạt để
quản lý cụng suất RF để đạt được chớnh xỏc năng lượng tiờu thụ cần thiết trong cỏc ứng dụng chỉ sử dụng pin. Cỏc chế độ tiết kiệm năng lượng khỏc nhau được điều khiển thụng qua cỏc bit riờng biệt trong thanh ghi RFMAIN. Cú sự phõn cụng cỏc bit để điều khiển phần RX, TX, bộ tổ hợp tần số và dao động thạch anh. Sự điều khiển riờng biệt này cú thể được dựng để tối ưu hoỏ dũng tiờu thụ thấp nhất cú thể trong cỏc ứng dụng nào đú.
- 44 -
Truyền và nhận dữ liệu: Trong cỏc chế độ Transparent hay UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), dữ liệu vào/ra được
định tuyến trực tiếp đến bộ điều chế trong chế độ truyền và định tuyến trực tiếp từ bộ giải điều chế trong chế độ nhận. Trong cỏc chế độ mó húa NRZ hay Manchester, dữ liệu được lưu lại tại bộ đệm RFBUF. Việc lưu vào bộ đệm sẽ cú những ảnh hưởng cần được xem xột trong quỏ trỡnh truyền và nhận dữ liệu, nhất là trong chếđộ bytemode.
Hỡnh 3.4: Bộ đệm dữ liệu RF, đường nột đứt biễu diễn bytemode
Hoạt động của quỏ trỡnh truyền và nhận dữ liệu trong bộ thu phỏt RF như
sau:
Quỏ trỡnh truyền dữ liệu: Khi truyền dữ liệu trong bytemode (RFCON.BYTEMODE = 1), bộ đệm dịch cỏc bit đến thanh ghi 8 bit (bit cao trước) đến bộ điều chế với tốc độ baud. Khi thanh ghi dịch trống nú sẽ tải thờm một byte mới từ bộ đệm và tiếp tục dịch cỏc bit ra ngoài. Nội dung của RFBUF khụng thay đổi sau mỗi lần tải. Với mỗi ngắt yờu cầu được sinh ra thỡ RFBUF cú thể được tải byte dữ liệu mới. Nếu một byte mới khụng được ghi với cỏc chu kỳ 8 bit thỡ tại thời điểm kế tiếp, thanh ghi dịch rỗng sẽ tải lại dữ liệu cũ từ RFBUF.
Trong chế độ bitmode (RFCON.BYTEMODE = 0), quỏ trỡnh đệm cũng xảy ra tương tự, nhưng mỗi lần chỉ lưu một bit. Do đú, sau mỗi lần truyền một bit, một ngắt RF được tạo ra và thanh ghi dịch sẽ tải thờm một bit mới từ RFBUF.0. Để cú thể ghi bit kế tiếp theo một chu kỳ, với