Báo cáo môn đa truy nhập vô tuyến đề tài mạng cảm biến dưới nước (uwsn)

Đề tài báo cáo mạng cảm biến dưới nước (UWSN) Đề tài báo cáo mạng cảm biến dưới nước (UWSN) I Tổng quan Underwater Sensor Networks là các mạng lưới gồm nút với khả năng cảm biến, giao tiếp và xử lý mà.

Đề tài báo cáo: mạng cảm biến dưới nước (UWSN)

I Tổng quan

Underwater Sensor Networks là các mạng lưới gồm nút với khả năng cảm biến, giao tiếp và xử lý mà hoạt động dưới nước

Là hệ thống cảm biến không dây dưới nước được hình dung cho các ứng dụng và điều khiển các loại xe tự hành dưới nước

(AUVs) độc lập, và là một bổ sung cho hệ thống cáp

Tuy nhiên môi trường này cũng mang lại những thách thức mới, chẳng hạn như suy giảm tín hiệu và độ trễ cao

Ngày nay, cả hai công nghệ phương tiện và công nghệ cảm biến

đã đủ khả năng để thúc đẩy ý tưởng về mạng cảm biến dưới nước Để biến ý tưởng này thành hiện thực, tuy nhiên, người ta phải đối mặt với vấn đề của truyền thông Hệ thống thông tin liên lạc dưới nước hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ âm thanh Vì vậy người ta đã đề suất các kỹ thuật giao tiếp bổ sung, chẳng hạn như quang và tần số vô tuyến, hoặc thậm chí giao tiếp điện, đã được đề xuất cho các liên kết tầm ngắn (thường là 1-10 m), nơi băng thông rất cao ( MHz hoặc hơn) có thể được khai thác Những tín hiệu suy hao rất nhanh, trong vòng vài mét đối với (radio) hoặc hàng chục mét đối với tín hiệu (quang học), đòi hỏi phải có một trong hai hoặc công suất cao hoặc ăng-ten lớn

Trong số các hệ thống âm thanh dưới nước đầu tiên là hệ thống thông tin liên lạc tàu ngầm phát triển tại Mỹ vào khoảng cuối của Chiến tranh thế giới thứ hai Nó sử dụng điều chế tương tự (Điều chế biên độ)

Nghiên cứu đã từ tiên tiến hơn, đưa kỹ thuật điều chế phát hiện

kỹ thuật số vào vị trí hàng đầu của truyền thông âm thanh hiện đại Hiện nay, một số loại modem âm có sẵn trên thị trường, thường cung cấp với tốc độ lên đến một vài kilobits mỗi giây (kbps) và phạm vi hoạt động (khoảng cách) lên đến vài km Thông tin liên lạc Acoustic cung cấp phạm vi xa hơn, nhưng bị hạn chế bởi ba yếu tố: giới hạn băng thông và khoảng cách phụ thuộc, thời gian khác nhau đa đường truyền và tốc độ thấp của

âm thanh Cùng với đó, những khó khăn này dẫn đến một kênh truyền thông có chất lượng kém và độ trễ cao

Về việc xây dựng mạng cảm biến dưới nước Mạng cảm biến dưới nước được xây dựng dựa trên việc kết nối một tập hợp các nút cảm biến được đặt chìm trong nước với độ sâu khác nhau Đây la hình ảnh của một nút cảm biến được đặt dưới đáy biển.( hình ảnh trong slide)

I Kiến trúc mạng cảm biến dưới nước (Phùng Đức Anh)

Kiến trúc UWSN có 2 loại kiến trúc gồm kiến trúc 2 chiều và kiến trúc 3 chiều

Kiến trúc 2 chiều: được sử dụng để theo dõi môi trường nơi các nút cảm biến được gắn vào đáy đại dương Những nút được kết nối với nhau để chìm dưới nước Các trạm có trong phí chuyển tiếp thông tin từ dưới nước đến trạm bề mặt Chúng có một bộ thu phát âm thanh dọc và một bộ thu phát âm thanh ngang Thu phát ngang giao tiếp trực tiếp với các nút cảm biến

để gửi lệnh, cấu hình, và thu thập dữ liệu giám sát Các bộ thu phát dọc chuyển tiếp dữ liệu trở lại mặt đất Trên bờ các trạm cũng có một bộ thu phát đó sẽ xử lý tín hiệu truyền từ trạm nổi

Các trạm có thể được kết nối với cảm biến dưới nước bằng cách hoặc là một liên kết trực tiếp hoặc bằng một đa hợp đường Cách đơn giản nhất để kết nối với các cảm biến là thông qua một liên kết trực tiếp

Bằng cách sử dụng các liên kết trực tiếp, băng thông cũng giảm

do sự can thiệp acoustic

Sự khác biệt quan trọng trong hệ thống đa hợp đường là thông tin được chuyển tiếp qua trung gian cảm biến cho đến khi nó đạt đến trạm Điều này làm tăng mạng công suất và tiết kiệm năng lượng, đó là hai khía cạnh quan trọng trong các mạng cảm biến dưới nước

Các kiến trúc ba chiều thường được sử dụng khi bạn muốn xác định hoặc quan sát diễn biến đó không thể được nhìn với các nút cảm biến gắn vào đáy đại dương Trong các mạng này, các nút cảm biến nổi tại độ sâu khác nhau để thực hiện bất kỳ hiện tượng xảy ra Những cảm biến có thể được đặt trên phao với độ dài dây khác nhau để đạt được độ sâu khác nhau

Ngoài ra, còn một phương pháp nữa là Khi neo, các thiết bị được gắn nổi có thể được chứa đầy không khí để đạt được một sự thay đổi trong vị trí sâu

Độ sâu được xác định bởi chiều dài dây, nhưng các nút ở đây có động cơ điện của riêng mình mà có thể thây đổi độ dài dây theo yêu cầu

Tuy nhiên, vẫn có một nhược điểm là dòng chảy đại dương có thể làm cản trở khả năng của hệ thống để duy trì độ sâu mong muốn

II Ứng dụng của UWSN

1 Các lĩnh vực và phạm vi ứng dụng

Các ứng dụng của mạng dưới nước rơi vào các mục tương tự như đối với các mạng cảm biến trên mặt đất Ứng dụng khoa học quan sát môi trường: từ quá trình địa chất dưới đáy đại dương, đến đặc tính của nước (nhiệt độ, độ mặn, nồng độ ôxy, nội dung chất ô nhiễm và vi khuẩn khác, vấn đề giải thể, vv) để

đếm hoặc hình ảnh sống động vật (vi sinh vật, cá, hoặc động vật) Ứng dụng công nghiệp dõi và kiểm soát các hoạt động thương mại, chẳng hạn như thiết bị dưới nước liên quan đến dầu hoặc khai thác khoáng sản, đường ống ngầm dưới nước và bắt cá thương mại Ứng dụng công nghiệp thường liên quan đến kiểm soát và các thành phần dẫn động là tốt Các ứng dụng

an ninh quân đội và quê hương liên quan đến bảo đảm hoặc giám sát các cơ sở cảng hoặc tàu ở cảng nước ngoài, để khai thác mỏ và liên lạc với tàu ngầm và các thợ lặn

Các công nghệ mới đã mang lại những cách thức mới để giám sát

và cảm nhận môi trường dưới nước Giám sát hàng hải, thu thập dữ liệu hải dương học là cần thiết để khám phá, bảo vệ và khai thác thương mại trong môi trường nước Nhiều ứng dụng tiềm năng, khảo cổ học biến sâu, dự báo địa chấn, sống thần,v.v

Ứng dụng có thể có những yêu cầu rất khác nhau: cố định hoặc di động, ngắn hạn hoặc lâu dài

2 Triển khai mạng di động dưới nước

Tính di động và mật độ là hai thông số mà thay đổi so với các loại khác nhau của việc triển khai các mạng cảm biến dưới nước

Hình minh họa một vài cách để triển khai một mạng lưới cảm biến dưới nước ( hình ảnh trong slide)

Triển khai có thể được nối dây, cố định và thả neo không dây, điện thoại di động (trên AUVs_xe tự điều khiển.), và có thể có các liên kết khác nhau vào bờ

Mạng lưới cảm biến dưới nước thường tĩnh: các nút riêng lẻ thuộc bến cảng, phao neo hay tới đáy biển (như trong các bộ

cảm biến dưới đáy biển sử dụng cáp hoặc không dây) Ngoài ra, mạng lưới dưới nước bán điện thoại di động có thể được neo từ phao được triển khai bởi một con tàu và sử dụng tạm thời, nhưng sau đó lại tại chỗ trong nhiều giờ hoặc nhiều ngày Các cấu trúc liên kết của các mạng này là tĩnh cho thời lượng dài, cho phép kỹ thuật của mô hình mạng để thúc đẩy kết nối Tuy nhiên, kết nối mạng vẫn có thể thay đổi do chuyển động quy

mô nhỏ (như là một tiến động trên phao neo của nó) hoặc động lực nước (như dòng chảy, sóng bề mặt hoặc các hiệu ứng khác thay đổi) Khi pin, triển khai tĩnh có thể là năng lượng hạn chế Mạng lưới dưới nước cũng có thể là điện thoại di động, với cảm biến gắn vào AUVs, tàu lượn-năng có lượng thấp Mobility là hữu ích để tối đa hóa bảo hiểm cảm biến với phần cứng hạn chế, nhưng nó đặt ra những thách thức cho các địa phương và duy trì một kết nối mạng Năng lượng cho truyền thông là dồi dào trong AUVs, nhưng nó là một mối quan tâm cho tàu lượn hay drifters

Như với các mạng lưới bề mặt cảm biến , mật độ mạng lưới , vùng phủ sóng và số nút là các thông số liên quan đến nhau mà đặc trưng cho một triển khai Triển khai dưới nước cho đến nay nhìn chung ít dày đặc , có tầm phát xa hơn và sử dụng các nút ít hơn đáng kể so với các mạng cảm biến trên mặt đất Ví

dụ , việc triển khai Seaweb vào năm 2000 liên quan đến 17 nút trải trên một diện 16 km2 , với trung bình năm vùng mỗi nút

Vấn đề cuối cùng, như với các mạng mặt đất từ xa , kết nối vào Internet là quan trọng và có thể khó khăn Hình 1 cho thấy một

số tùy chọn , bao gồm cả cáp dưới nước , dây point - to-point và

vệ tinh

Cuối cùng, việc triển khai cảm biến dưới nước diễn ra trong khoảng thời gian ngắn (một vài giờ), chứ không phải là ngày đến vài tháng hoặc vài năm chung trong cảm biến trên mặt đất

Lý do chính là chi phí triển khai cùng với một khu vực rộng lớn với lãi suất và khả năng của pin hạn chế Ngoài ra, việc triển khai dưới nước có thể khắc nghiệt hơn so với cảm biến bề mặt, đòi hỏi bảo dưỡng thiết bị định kỳ

3 Kết quả ứng dụng

Ngày nay, mạng cảm biến dưới nước đã cho thấy những ứng dụng thiết thực của nó vào các lĩnh vực trong cuộc sông như trong nghành công nghiệp, phục vụ nghiên cứu khoa học và trong an ninh quân sự

III Lớp vật lý

IV Những ảnh hưởng tác động đến mạng cảm biến âm

thanh dưới nước

Bên ngoài môi trường nước, quang phổ điện từ được sử dụng chủ yếu trong truyền thông, kể từ khi đài phát thanh hoặc các

phương pháp quang học cung cấp thông tin liên lạc đường dài (mét đến hàng trăm km) với băng thông cao (kHz đến hàng chục MHz), thậm chí ở công suất thấp Ngược lại, nước hấp thụ

và phân tán gần như tất cả các tần số điện từ, làm cho sóng âm thanh một lựa chọn ưa thích cho thông tin liên lạc dưới nước ngoài hàng chục mét

Sự lan truyền của sóng âm thanh trong dải tần số cho thông tin liên lạc có thể được mô tả trong nhiều giai đoạn Suy hao cơ bản mô tả các tổn thất điện năng mà một âm thanh ở tần số f khi

nó đi từ nơi này đến nơi khác Việc đầu tiên (giai đoạn cơ bản)

sẽ đưa vào tài khoản tổn thất cơ bản này xảy ra trên một

khoảng cách truyền dẫn d Giai đoạn thứ hai sẽ đưa vào tài khoản các mạng cụ thể thiệt hại do phản xạ bề mặt đáy và khúc

xạ xảy ra thay đổi tốc độ như âm thanh có chiều sâu, và cung cấp một dự báo chi tiết hơn về lĩnh vực âm thanh xung quanh

một truyền nhất định Giai đoạn thứ ba giải quyết những thay đổi dường như ngẫu nhiên trong quy mô lớn nhận được sức mạnh (trung bình trên một khoảng thời gian) được gây ra bởi

sự thay đổi chậm trong trung tuyên truyền Những hiện tượng này có liên quan để xác định công suất truyền cần thiết để đóng một liên kết đưa ra Một giai đoạn riêng biệt của mô hình là cần thiết để giải quyết các quy mô nhỏ, sự thay đổi nhanh chóng của công suất tín hiệu tức thời

Hình ảnh minh họa ảnh hưởng kết hợp của sự suy giảm và tiếng

ồn trong giao tiếp âm thanh

SNR như là một hàm của tần số cho truyền ở khoảng cách khác nhau Hấp thụ âm thanh giới hạn phạm vi tần số có thể sử dụng

và làm cho nó phụ thuộc vào khoảng cách truyền dẫn

Truyền lan đa đường tạo ra tiếng vang tín hiệu đó đến với sự chậm trễ khác nhau Chậm trễ lan truyền phụ thuộc vào vị trí

hệ thống, và có thể từ một vài mili giây đến vài trăm mili giây Trong một hệ thống băng rộng, điều này dẫn đến một lựa chọn chức năng chuyển kênh tần số như các thành phần tần số khác nhau có thể biểu hiện suy giảm đáng kể khác nhau Các phản ứng kênh và công suất tức thời thường thể hiện ở quy mô nhỏ,

sự thay đổi nhanh chóng, thường gây ra bởi tán xạ và chuyển động nhanh chóng của bề mặt nước biển (sóng) hoặc của chính

hệ thống Trong khi các biến quy mô lớn ảnh hưởng đến kiểm soát quyền lực ở máy phát, biến quy mô nhỏ ảnh hưởng đến việc thiết kế các thuật toán xử lý tín hiệu thích ứng ở người nhận

Chuyển động hướng gây ra sự biến đổi thời gian bổ sung trong các hình thức của hiệu ứng Doppler Một vận tốc AUV điển hình

là vào thứ tự của một vài mét mỗi giây, trong khi các nền tảng

tự do đình chỉ có thể trôi dạt với dòng điện ở tốc độ tương tự Bởi vì những âm thanh lan truyền chậm, tỷ lệ tương đối vận tốc truyền / nhận với tốc độ của âm thanh có thể cao tới 0,1 phần trăm, một giá trị cực mà ngụ ý sự cần thiết để đồng bộ hóa chuyên dụng Tình trạng này là hoàn toàn trái ngược với các hệ thống vô tuyến

Để tránh sự chậm trễ lan truyền và giai đoạn biến dạng thời gian khác nhau dài, hệ thống tập trung vào việc điều chế tần số

số (tần số-shift keying) và tín hiệu thu không mạch lạc (năng lượng) Mặc dù những phương pháp này không làm cho hiệu quả sử dụng băng thông, chúng được ap cho gia dụng cho giao tiếp mạnh ở tốc độ bit thấp (thường là số thứ tự của 100 bps qua một vài cây số)

Trọng các khía cạnh vật lý của truyền âm thanh là quan trọng đối với xử lý tín hiệu thành công; hiểu ý nghĩa của nó là điều cần thiết cho thiết kế mạng thích hợp Như hình ảnh trên minh họa, băng thông có sẵn sẽ giảm theo khoảng cách, và thực tế này xây dựng một trường hợp mạnh mẽ cho đa-hopping, cũng như với các mạng vô tuyến dựa trên đất Trong một môi trường

âm thanh, chia một link dài thành một số bước nhảy ngắn hơn

sẽ không chỉ cho phép giảm điện năng, nhưng cũng sẽ cho phép việc sử dụng băng thông lớn hơn

V Giải pháp thay thế

Sóng EM có nhiều lợi thế hơn các sóng âm thanh khi sử dụng để truyền tín hiệu trong nước Họ cung cấp thông tin liên lạc nhanh chóng và hiệu quả giữa các nút mạng, và, bởi vì họ sử dụng tần số làm việc cao hơn, họ cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn Có một số yếu tố hạn chế việc sử dụng các sóng EM trong nước Sóng EM được lan truyền theo những cách rất khác nhau tùy thuộc vào loại nước nơi mà các hệ thống truyền thông được thực hiện

Tốc độ lan truyền của tín hiệu c

Xe: độ cảm điện của môi trường

μr:độ từ thẩm của môi trường

Các hệ số hấp thụ đối với công tác tuyên truyền của EM có thể xấp

xỉ

vơi σ là độ dẫn điện, Xe độ cảm điện của môi trường và μr là độ

từ thẩm của môi trường (trong trường hợp này, nó là nước)

Phương trình (1) và (2) cho thấy sự truyền sóng và hấp thu các hệ

số trong nước ngọt là độc lập với tần số làm việc của các tín hiệu truyền đi

VI Kết quả mô phỏng

Nhóm em đã thử mô phỏng trên matlap nhưng không có kết quả VII Kết luận và nhận định

Ứng dụng đẩy sự phát triển của cảm biến dưới nước và kết nối mạng Không tốn kém máy tính, viễn thông và đã kích hoạt cảm biến trên cạn mạng trong một thời gian dài; hy vọng rằng điện toán giá rẻ, kết hợp với chi phí thấp tiên tiến công nghệ âm thanh, truyền thông và cảm biến, sẽ cho phép các ứng dụng cảm biến dưới nước là tốt

Trong khi nghiên cứu về mạng cảm biến dưới nước đã tăng đáng kể trong những năm gần đây, rõ ràng là một số thách thức vẫn còn để được giải quyết Với loạt các phương pháp tiếp cận mới để giao tiếp, truy cập trung bình, mạng và các ứng dụng, phân tích hiệu quả, tích hợp và thử nghiệm những ý tưởng này

là tối quan trọng, các trường phải phát triển những hiểu biết cơ bản, cũng như hiểu được những gì đứng lên trong thực tế Đối với những lý do này, chúng tôi tin rằng sự phát triển của các

mô hình lý thuyết mới (cả phân tích và tính toán) là rất cần thiết, và sử dụng nhiều hơn testbeds và thí nghiệm là điều cần thiết; công việc này sẽ hỗ trợ chính xác hơn phân tích hiệu suất

hệ thống và mô tả đặc điểm, đó sẽ được đưa vào các thế hệ tiếp theo của thông tin liên lạc dưới nước và cảm biến Ngoài ra, hội nhập và thử nghiệm các ý tưởng hiện tại sẽ nhấn mạnh các

đường nối mà thường được giấu trong phòng thí nghiệm

nghiên cứu tập trung hơn, chẳng hạn như tổng chi phí hệ thống, yêu cầu năng lượng và sức mạnh tổng thể trong các điều kiện khác nhau