Một số điểm quyết định ảnh hƣởng đến thiết kế PHY trong WSN là:
• Tiêu thụ năng lƣợng thấp.
• Công suất phát nhỏ sẽ tạo ra dải truyền dẫn nhỏ. Điều này sẽ tạo ra một chu
trình hoạt động có công suất thấp. Đa số phần cứng phải tắt hoặc hoạt động ở chế độ
standby công suất thấp trong hầu hết thời gian sử dụng.
• Tốc độ dữ liệu tƣơng đối thấp, yêu cầu khoảng vài chục đến vài trăm kbit/s.
• Giá thành và tính phức tạp trong quá trình thực hiện thấp. • Mức độ thay đổi thấp…
Thông thƣờng, trong các mạng cảm biến, rất khó để tìm ra sơ đồ điều chế và cấu trúc bộ thu phát đơn giản, giá rẻ nhƣng vẫn đủ mạnh để tạo cung cấp dịch vụ mong muốn.
a. Lựa chọn công suất phát:
Lựa chọn công suất phát thấp để tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm biến
không dây khác với các thiết bị vô tuyến khác. Một số khác biệt cơ bản bao gồm:
Thứ nhất, công suất phát nhỏ, thƣờng có bậc bằng 0 dBm (tƣơng ứng với 1 mW).
Mặt khác, năng lƣợng tiêu thụ của bộ thu phát (bao gồm phần đầu vào RF và phần băng
gốc) lớn hơn nhiều so với công suất phát thực tế. Wang at al. ƣớc tính một bộ thu phát
làm việc ở tần số trên 1 GHz cần công suất 10 đến 100 mW để phát đi 1 mW.
Thứ hai, với công suất phát nhỏ thì các chế độ thu phát tiêu thụ nhiều hoặc ít năng lƣợng nhƣ nhau, thậm chí quá trình thu sử dụng nhiều năng lƣợng hơn quá trình phát. Phụ thuộc vào cấu trúc bộ thu phát mà tiêu thụ năng lƣợng ở chế độ nghỉ có thể ít hơn hoặc bằng công suất thu. Để giảm năng lƣợng tiêu thụ trung bình trong WSN lƣu lƣợng thấp, phải giữ bộ thu phát ở chế độ nghỉ trong tất cả thời gian. Vì vậy, điều quan trọng là phải đặt bộ thu phát ở trạng thái ngủ thay vì chỉ ở trạng thái nghỉ.
Tuy nhiên, vấn đề đặt ra ở đây là thời gian/ năng lƣợng khởi động mà bộ thu
phát sử dụng để chuyển từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt động (thức). Trong thời
80
thời gian khởi động là 466 µs và tiêu thụ công suất là 58 mW. Vì vậy, chuyển sang trạng
thái ngủ sẽ không có lợi khi trạng thái hoạt động sắp xảy ra. Phụ thuộc vào lƣu lƣợng và
hoạt động của các giao thức MAC để thiết lập các trạng thái hoạt động cho bộ thu phát.
Nếu có thể, không chỉ một mà nhiều gói tin đƣợc gửi đi ở chế độ đánh thức để chia giá
thành khởi động cho nhiều gói tin.
Thứ ba, cần xem xét chi phí truyền dẫn so với chi phí tính toán trên một nút cảm
biến. Rõ ràng, khi so sánh các chi phí cần quan tâm đến nhiều yếu tố nhƣ: phần chi phí
truyền thông phụ thuộc vào yêu cầu về BER, phạm vi phát, loại bộ thu phát… Phần chi
phí tính toán phụ thuộc vào loại bộ xử lý, số câu lệnh… Ví dụ, với các nút Rockwell’s
WIN, có 1500 đến 2700 câu lệnh đƣợc thực hiện trên một bit truyền; với các nút
MEDUSA II, tỉ số này nằm trong khoảng từ 220:1 đến 2900:1; với các nút WINS NG, tỉ số này vào khoảng 1400:1. Nhƣ vậy, tính toán rẻ hơn truyền dẫn.
b. Lựa chọn sơ đồ điều chế:
Các nhân tố sau phải đƣợc coi trọng nhƣ nhau khi lựa chọn sơ đồ điều chế: tốc độ dữ liệu/ tốc độ ký hiệu yêu cầu và mong muốn, độ phức tạp thực hiện, mối quan hệ giữa công suất phát và BER và các đặc tính mong đợi của kênh truyền. Thời gian bộ thu phát ở chế độ ngủ càng nhiều thì thời gian truyền càng ít. Tốc độ dữ liệu của bộ thu phát/ điều chế càng cao thì thời gian yêu cầu để truyền dữ liệu đã cho càng thấp, do đó năng lƣợng tiêu thụ càng ít. Điểm quan trọng thứ hai là tiêu thụ năng lƣợng của sơ đồ điều chế phụ thuộc vào tốc độ ký hiệu nhiều hơn tốc độ dữ liệu. Ví dụ, các phép đo năng
lƣợng tiêu thụ của WLAN (Wireless Local Area Network) IEEE 802.11b chỉ ra rằng năng
lƣợng tiêu thụ phụ thuộc vào sơ đồ điều chế, điều chế khoá mã bù (CCK -
Complementary Code Keying) càng nhanh thì tiêu thụ năng lƣợng càng nhiều so với DBPSK và DQPSK. Tuy nhiên, sự chênh lệch sẽ dƣới 10% và tất cả các sơ đồ này có cùng tốc độ ký hiệu.
c. Ăng-ten:
Một đặc điểm cần chú ý của tất cả các nút cảm biến là hạn chế về kích thƣớc và
số lƣợng ăng-ten. Nếu ăng-ten nhỏ hơn rất nhiều độ dài sóng mang thì rất khó đạt đƣợc
hiệu suất cao, do đó, những ăng-ten kích thƣớc không phù hợp này phải sử dụng nhiều
năng lƣợng truyền hơn để đạt đƣợc cùng năng lƣợng bức xạ.
Thứ hai là, với trƣờng hợp nút cảm biến nhỏ, rất khó để đặt hai ăng-ten có
khoảng cách phù hợp để có đƣợc phân tập thu. Các antenna phải cách nhau ít nhất là 40-
50% độ dài bƣớc sóng để có hiệu quả tốt từ phân tập. Ở dải 2.4 GHz, khoảng cách này sẽ nằm trong khoảng 5 đến 6 cm.
Thêm vào đó, sóng vô tuyến phát ra từ các ăng-ten gần đất, trong một số ứng
dụng, sẽ có các hệ số suy hao đƣờng truyền cao hơn, giá trị thƣờng thấy là α =2 cho
truyền thông trong không gian. Hệ số đó trong các môi trƣờng có chƣớng ngại vật (nhƣ các toà nhà, tƣờng…) là 4.
Hơn nữa, phụ thuộc vào ứng dụng mà ăng-ten không đƣợc nhô lên khỏi vỏ bọc
của nút để tránh bị hỏng. Thông thƣờng, hạn chế này sẽ làm giảm chất lƣợng và các đặc
81
Ví dụ, các nút đƣợc phân bố rải rác trên mặt đất sẽ nằm ở các vị trí ngẫu nhiên, ăng-ten của chúng sẽ tiếp xúc với đất hoặc các vật cản khác. Điều này sẽ làm cho việc
truyền sóng vô tuyến không đẳng hƣớng, tức là cƣờng độ tín hiệu phát theo các hƣớng
khác nhau là khác nhau. Thiết kế của ăng-ten cũng có thể gây ra hiện tƣợng này, kết quả là tạo ra các khác biệt lớn trong các đặc tính truyền sóng không gian (còn đƣợc gọi là
các vấu của ăng-ten).