Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây

Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ……….………….… Số hiệu sinh viên: ………

Khoá:……….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………

Họ và tên sinh viên: ……….………….… Số hiệu sinh viên: ………

Khoá:……….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………

1 Đầu đề đồ án: ……… ………

……… ………

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……… ……… …… ………

………

. 3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……… ….………

……… ………

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……… ….…….…

……… ……….………

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……… ………

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……….………

7 Ngày hoàn thành đồ án: ……… ………

Ngày tháng năm

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Ngành: Khoá:

Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cùngvới những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một thế hệmạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks-WSNs) Vớikích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm biến khôngdây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngàytrên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông

Trong một tương lai gần, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm biến được tíchhợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếutrong xã hội hiện đại nhằm mang lại sự tiện nghi và những ứng dụng thiết thực nângcao chất lượng cuộc sống cho con người

Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn không chỉ trong khoa học và nghiêncứu mà còn trong những ứng dụng thực tế Ngoài truyền dữ liệu, mạng cảm biếnkhông dây còn được ứng dụng trong truyền ảnh để tăng tính trực quan trong quá trìnhtheo dõi đối tượng Do sự giới hạn về công suất, bộ nhớ, tốc độ truyền nên kỹ thuậttruyền ảnh qua mạng cảm biến không dây trở nên phức tạp và đòi hỏi nghiên cứuchuyên sâu Nhận thức được tính cấp thiết của vấn đề này, Chúng em đã lựa chọn đề

tài“Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây“ để làm đồ án tốt nghiệp của mình.

Trong đồ án này, Chúng em sẽ trình bày chi tiết về cách thức truyền ảnh qua mạngcảm biến không dây, giới thiệu mã kênh truyền LDPC (Low Density Parity Check) vàcách thức chèn mã LDPC để nâng cao độ tin cậy đường truyền

Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Vũ Thắng, Ths Phùng Kiều Hà

và Ks Nguyễn Nam Phong đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn, cung cấp cho chúng emnhững điều kiện tốt nhất

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã sát cánh

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Để thực hiện đồ án này, chúng em nghiên cứu về phương pháp truyền ảnh quamạng cảm biến không dây và các phương pháp nâng cao truyền ảnh qua mạng cảmbiến không dây Cụ thể, mã hóa LDPC có khả năng ứng dụng cao trong nâng cao độ tincậy của kênh truyền trong mạng cảm biến không dây Mục đích của chúng em là ứngdụng thuật toán LDPC để nâng cao chất lượng truyền ảnh của mạng cảm biến khôngdây Vì vậy, chúng em đã đi tìm hiểu về thuật toán LDPC và các hướng triển khai phùhợp với cách thức truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây Để đánh giá được sự cảithiện của thuật toán LDPC, chúng em đã thực hiện quá trình mô phỏng theo 2 hướng:thực hiện truyền ảnh khi sử dụng mã hóa LDPC và truyền ảnh khi không sử dụng mãhóa LDPC Kết quả thu được sau khi thực hiện mô phỏng được xử lý và vẽ biểu đồ sosánh để đánh giá sự cải thiện của thuật toán LDPC dựa trên kết quả thực tế

ABSTRACT

In order to perform the thesis, we studied about image transmission overWireless Sensor Network and methods to improve quality of WSN tramission Inparticular, LDPC coding has high ability to improve the reliability of transmissionchannel in WSN Our purpose is using LPDC algorithm to improve image transmissionquality over WSN Hence, we studied the LDPC algorithm and implemented in theway that suitable for image transmission over WSN To evaluate the improvement ofLDPC algorithm, we simulate the WSN system in two ways: transmitting imageswithout LDPC and transmitting image with LDPC coding The results are processedand visualized to evaluate the improvement of LDPC algorithm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH SÁCHHÌNH VẼ

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

WSNs Wireless Sensor Networks

MAC Medium Access Control

LDPC Low Density Parity Check

LLR Log Likely-hood Ratio

PSNR Peak Signal to Noise Ratio

PDR Packet Delivery Ratio

PRR Picture Recovery Ratio

BEC Binary Erasure Channel

MAP MaximumA posteriori Probability

UDP User Datagram Protocol

CSMA Carrier Sense Multiple Access

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong đời sống con người bởichi phí rẻ và dễ triển khai Kỹ thuật truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây là mộthướng đi mới Tuy nhiên độ tin cậy về chất lượng chưa được cao Vì vậy các thuậttoán xử lý ảnh được ra đời để nâng cao độ tin cậy này Thuật toán LDPC là một thuậttoán mới đã được sử dụng phổ biến trong mạng cảm biến không dây để nâng cao độ tincậy của đường truyền Tuy nhiên, thuật toán này chưa được ứng dụng trong truyền ảnhqua WSNs Vì vậy, thông qua đồ án này, chúng em đi nghiên cứu chuyên sâu và triểnkhai thuật toán LDPC để nâng cao chất lượng truyền ảnh qua mạng cảm biến khôngdây Dựa vào lý thuyết về thuật toán LDPC, và các kiến thức liên quan về hệ điều hành

Contiki, chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4, chúng em thực hiện đề tài: “Truyền ảnh qua

mạng cảm biến không dây ” Đồ án được phân chia thành các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng

Chương 2: Truyền ảnh và phương pháp nâng cao chất lượng truyền ảnh qua hệ thống

Để thực hiện đề tài này, chúng em phân công nhiệm vụ như sau:

Ngô Cao Đại: Tìm hiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, tìm hiểu thuật

toán LDPC và triển khai thuật toán LDPC trên phần mềm

Hồ Đức Trung: Tìm hiểu về chuẩn Zigbee, kỹ thuật truyền ảnh qua chuẩn

Zigbee, xây dựng hệ thống kiểm tra, mô phỏng, xử lý, và đánh giá kết quả thu được

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG

DÂY VÀ ỨNG DỤNG

Chương này giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu trúc và đặcđiểm của nút cảm biến, cấu trúc và đặc điểm toàn mạng cảm biến, kiến trúc giao thứcmạng và các ứng dụng thực tiễn của mạng cảm biến không dây trong đời sống conngười

1.1 Giới thiệu chung

Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây và sự hội tụ của hệ thống cáccông nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ vi mạch thích hợp, giao tiếp không giây,công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói riêng, đã tạo tiền đềcho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng công suất tiêu thụ thấp rađời

Mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network ) có thể hiểu đơn giản

là mạng liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua truyền thông vô tuyến, trong đócác nút trong mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chứcnăng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn được phân bố một cách không có hệthống (non - topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử dụngnguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài có nhiệm vụ cảm nhận,

đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết đinh toàn cục về môitrường tự nhiên

Các thành phần cơ bản tạo nên mạng cảm biến không dây:

1- Các cảm biến được xây dựng theo mô hình tập trung hay phân bố, được kết nốibằng truyền thông vô tuyến

2- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (cluster)

3- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm

Các ứng dụng cả mạng gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi, và các ứng dụng

1.1.1 Mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến, nút cảm biến được xem là phần quan trọng nhất phục vụcho các ứng dụng Công nghệ cảm biến bao gồm các cảm biến trường điện từ, cảmbiến tần số vô tuyến: quang, hồng ngoại, radars, lasers, các cảm biến định vị dẫnđường, đo đạc các thông số môi trường và các cảm biến phục vụ trong ứng dụng sinhhóa, Ngày nay, cảm biến được sử dụng với số lượng lớn

Cảm biến có thể gồm một hay dãy cảm biến Kích thước rất đa dạng, từ 100nm), meso (100- 10000nm), micro (10 – 1000um), macro (vài mm - m)…

nano(1-Trước đây, do đặc tính của WSNs là di động và chủ yếu phục vụ cho các ứng dụngquân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao Ngày nay, các ứng dụng WSN được mở rộng chocác ứng dụng dân sự, thương mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thương mại caocho WSN

Các nghiên cứu gần đây về WSNs chủ yếu là phát triển truyền thông với công suấtthấp, phát triển các nút xử lý có giá thành thấp và có khả năng tự cấu hình, tự phân bố,thiết kế giao thức truyền thông nhằm hướng đến giải quyết bài toán quan trọng nhấtcủa mạng WSN là giới hạn về năng lượng cung cấp cho các nút Các mô hình truyềnthông vô tuyến của WSN về cơ bản dựa trên 3 tiêu chí:

• Chu kì hoạt động ngắn

• Xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền

• Mô hình mạng đa chặng để giảm chiều dài đường truyền qua đó giảm suy haotổng cộng, giảm tổng công suất cho truyền thông

• Khả năng xử lý dữ liệu ở các nút chuyển tiếp

• Một nút không cung cấp thông tin cho các nút khác

• Khoảng cách bé (vài trăm mét)

• Nút chuyển không có khả năng xử lý dữ liệu cho các nút khác

• Hệ thống tương đối đơn giản

Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho mạng cảm biến không dây là IEEE802.15.4 Hoạt động tại tần số 2.4 GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM),cung cấp đường truyền dữ liệu với tốc độ lến đến 250Kbps ở khoảng cách từ 9 – 61 m.Zigbee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây nhưBluetooth, Wifi, Ultrawideband (UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thươngmại

Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát triểntheo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh truyền đượctiêu chuẩn hóa

1.1.3 Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm cơ bản sau:

• Các nút cảm biến phân bố dày đặc có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặckhông có sự can thiệp của con người tuy nhiên cũng vì số lượng lớn nên cóthể không đồng nhất trên toàn hệ thống

• Truyền thông quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến đa chặng

• Cấu hình giao thức mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hưhỏng ở các nút

• Trên mỗi nút cảm biến đều có gắn những bộ xử lý bên trong, do đó thay vìgửi dữ liệu thô (chưa xử lý) tới đích thì chúng gửi dữ liệu đã qua tính toánđơn giản

• Các nút phân bố ngẫu nhiên trong những địa hình phức tạp, dễ bị hư hỏng.

1.2 Cấu trúc của nút cảm biến

Mạng cảm biến không dây được hình thành từ một số lượng lớn những nút cảmbiến riêng lẻ phân bố, bao phủ trong một vùng địa lý Trên mỗi nút gồm các bộ vi

xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồnnuôi Các nút có khả năng liên lạc vô tuyến với nút lân cận để truyền dữ liệu vềtrung tâm

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản xem hình 1.1:

• Đơn vị cảm biến (sensing unit)

• Đơn vị xử lý (processing unit)

• Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

• Bộ nguồn (power unit)Ngoài ra có thể thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng là hệthống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộphận di động (mobilizer)

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương

tự - số Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởisensor được chuyển sang trạng thái tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào

bộ xử lý

Hình 1.1: Cấu trúc nút cảm biến

Đơn vị xử lý thượng tầng được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyếtđịnh các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ địnhsẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.

Một trong các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn.Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như tế bào năng lượng mặttrời Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.Hầu hết các kỹ thuật có độ chính xác cao về vị trí Các bộ phận di động đôi lúc cầnphải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấnđịnh Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.Ngoài kích cỡ, các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như làphải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tựhoạt động và thích nghi với sự biến đổi của môi trường như trình bày cụ thể dướiđây:

Năng lượng: Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều

năm, các nút mạng cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp Việc tiêu thụ năng lượngthấp chủ yếu đạt được bằng cách kết hợp các thành phần cứng năng lượng thấp vàchu trình hoạt động ngắn Trong thời gian hoạt động, truyền thông radio sẽ tiêu thụmột phần năng lượng đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của nút mạng.Các thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm hoạt động truyền nhậnradio Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng sự tính toán cục bộ để giảmluồng dữ liệu nhận được từ cảm biến Ví dụ, các sự kiện từ nhiều nút cảm biến cóthể được kết hợp cùng nhau tạo thành một nhóm các nút trước khi truyền một kếtquả đơn lẻ qua mạng cảm nhận

Tính mềm dẻo : Các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp với

các ngữ cảnh khác nhau Mỗi một ứng dụng sẽ yêu cầu về thời gian sống, tốc độ lấymẫu, thời gian đáp ứng và xử lý nội mạng khác nhau Một kiến trúc WSN cần phải

đủ tính mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng Thêm vào đó, vì lý do chi

này đòi hỏi một mức độ cao về tính module của phần cứng và phần mềm trong khivẫn giữ được tính hiệu quả.

Sức mạnh: trong thực tế, hàng trăm nút mạng sẽ hoạt động trong nhiều năm Để

đạt được điều này, hệ thống cần được xây dựng để vẫn có thể hoạt động khi mộthoặc nhiều nút bị lỗi Module hóa hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệthống Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗichức năng có thể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành một ứngdụng hoàn chỉnh Để làm điều này, các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức

có thể và có giao tiếp chặt chẽ, để ngăn chặn các tương tác không mong đợi Đểtăng sức mạnh hệ thống khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có khả năng đối phó vớinhiễu ngoài Các mạng thường cũng tồn tạo cùng với các hệ thống không dây khác,chúng cần có khả năng để thích nghi theo các hành động khác nhau Nó cũng phải

có khả năng hoạt động trong môi trường đã có các thiết bị không dây khác hoạtđộng với một hay nhiều tần số Khả năng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu đểđảm bảo một sự triển khai thành công

Bảo mật : để đạt được mức độ bảo mật mà ứng dụng yêu cầu, các nút riêng lẻ

cần có khả năng thực hiện mã hóa phức tạp và thuật toán xác thực Truyền dữ liệukhông dây rất dễ bị chặn Chỉ có một cách bảo mật dữ liệu là mã hóa toàn bộ dữliệu truyền, các nút cần tự bảo mật dữ liệu của chúng Trong khi chúng không cólượng lớn dữ liệu lưu bên trong, chúng sẽ phải lưu các khóa mã hóa được sử dụngtrên mạng Nếu những khóa này bị lộ, tính bảo mật sẽ mất Để có được tính bảo mậttốt, cần phải rất khó để lấy được khóa mã hóa từ một nút

Truyền thông: Một chỉ tiêu đánh giá cho bất kì WSN là tốc độ truyền, năng

lượng tiêu thụ và khoảng cách Trong khi độ bao phủ của mạng không bị giới hạnbởi khoảng cách truyền của các nút riêng biệt, khoảng cách truyền có một ảnhhưởng quan trọng tới mật độ tối thiểu có thể chấp nhận được Nếu các nút được đặtrất xa nó không thể tạo được kết nối với mạng liên kết hoặc với một nút dự trữ để

có được độ tin cậy cao Nếu khoảng cách truyền radio thỏa mãn một mật độ nútcao, các nút thêm vào sẽ làm tăng mật độ hệ thống tới một mức độ nào đó cho

phép Tốc độ truyền cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của nút mạng Tốc độtruyền cao hơn làm cho khả năng lấy mẫu hiệu quả hơn và năng lượng tiêu thụ củamạng ít hơn Khi tốc độ tăng, việc truyền mất ít thời gian hơn và do đó đòi hỏi ítnăng lượng hơn Tuy nhiên, khi tăng tốc độ cũng thường làm tăng năng lượng tiêuthụ một radio Các yếu tố cần được cân nhắc tối ưu hóa, một tốc độ cao sẽ tăng hiệusuất hệ thống Tuy nhiên, tăng tốc độ có ảnh hưởng lớn tới năng lượng tiêu thụ vàyêu cầu tính toán của nút Tổng thể, lợi ích của việc tăng tốc độ có thể được bù lạibởi các yếu tố khác.

Tính toán: công việc tính toán tại nút mạng tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu

nội mạng và quản lý các giao thức truyền thông không dây mức thấp Có những yêucầu giới hạn về mặt thời gian thực đối với truyền thông và cảm biến Khi dữ liệu tớitrên mạng, CPU cần điều khiển đồng thời radio và ghi lại/ giải mã (record/decode)

dữ liệu tới Tốc độ truyền cao hơn đòi hỏi tính toán nhanh hơn Điều tương tự cũngđúng với xử lý tín dữ liệu cảm biến Các cảm biến tương tự có thể phát ra hàngngàn mẫu trong một giây Các thao tác xử lý cảm biến nói chung bao gồm lọc số,trung bình hóa, nhận biết ngưỡng, phân tích phổ,… Để tăng khả năng xử lý cục bộ,các nút láng giềng có thể kết hợp dữ liệu với nhau trước khi truyền đi trên mạng.Các kết quả từ nhiều nút mạng có thể được tổng hợp cùng nhau Xử lý nội mạngnày đòi hỏi thêm tài nguyên tính toán Ngoài ra, ứng dụng xử lý dữ liệu có thể tiêuthụ một lượng tính toán phụ thuộc vào các phép toán được thực hiện

Đồng bộ theo thời gian: Để hỗ trợ sự tương quan thời gian đọc cảm biến và chu

trình hoạt động ngắn của ứng dụng thu thập thông tin, các nút cần duy trì dồng bộthời gian chính xác với các thành viên khác trong mạng Các nút cần ngủ và thứcdậy cùng nhau để chúng có thể định kì truyền thông cho nhau Các lỗi trong cơ chếtính thời gian sẽ tạo nên sự không hiểu quả, dẫn đến làm tăng chu trình làm việc vàlàm giảm tuổi thọ của hệ thống mạng

Kích thước và chi phí: Kích thước vật lý và giá thành của mỗi nút riêng lẻ có

cao hơn, và thu thập được nhiều dữ liệu hơn Kích thước vật lý cũng ảnh hưởng tới

sự dễ dàng khi triển khai mạng Các nút nhỏ hơn có thể được đặt ở nhiều vị trí hơn

và được sử dụng trong nhiều tình huống hơn Trong tình huống theo dõi nút đốitượng, các nút nhỏ hơn, rẻ hơn sẽ tăng khả năng theo dõi nhiều đối tượng hơn

1.3 Cấu trúc của toàn mạng

Sink là một thực thể tại đó thông tin được yêu cầu Sink có thể là thực thể bêntrong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng có thể là mộtthiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặccũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi màcác yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến

Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, cácnút cảm biến có giới hạn và rành buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắckhe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống:

Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không hoạt

động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môitrường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động duy trì nhữngchức năng của nó ngay khi có một số nút mạng không hoạt động Ở đây, chúng ta dùngphân bố Poisson để xác định xác suất có sai hỏng trong khoảng thời gian(0,t):

Rk (t) = e –λ

Trong đó: λk : tỉ lệ lỗi của nút k

T : khoảng thời gian khảo sát

Rk(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm biến

Khả năng mở rộng (scale ability): Khi triển khai mạng cảm biến nghiên cứu

một hiện tượng nào đó, số lượng các nút cảm biến được triền khai có thể đến hàng trămnghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu, Những kiểumạng mới phải có khả năng làm việc với một số lượng các nút này và sử dụng đượctính chất mật độ cao của mạng cảm biến Mật độ có thể tính toán theo công thức:

µ( R ) = ( NπR2) /A (1.2)Trong đó N : Số lượng các nút cảm biến phân bố trong vùng A

R : Là phạm vi truyền sóng

Chi phí sản xuất (productio costs): Vì các mạng cảm biến bao gồm một số

lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điềuchỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triền khaisensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chiphí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp

Những ràng buộc về phần cứng(hardware constraints): Vì trong mạng có một

số lượng lớn các nút cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng:kích thước nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có nhiệt độcao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường,

làm việc với WSN Bởi để triển khai hệ thống thành công., WSN cần phải tự cấu hình.Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời giansống do sự thay đổi vị trí giữa các đối tượng lớn Lúc này, mạng cần có khả năng tựcấu hình lại để khắc phục những điều này.

Môi trường hoạt động (Environment): Các nút cảm biến được thiết lập rất dày

đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thườnglàm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bêntrong các máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm hóa học hoặcsinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

Phương tiện truyền dẫn (transmission media ): Ở những mạng cảm biến đa

chặng, các nút cảm biến trong mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoạihoặc những phương tiện quang học Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phùhợp trên toàn thế giới để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này Hiệntại phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biếnnăng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz

Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng

trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến Chúng được triển khaitrong vòng hàng chục feet của mỗi nút Mật độ các nút lên tới 20 nút/ m3 Do số lượngcác nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định

Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không dây, có

thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn(<0.5 Ah, 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thểthực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc vào thờigian sống của pin Ở mạng cảm biến multihop adhoc, mỗi nút đóng vai trò kép vừakhởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ranhững thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lạimạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng

Đó là lí do vì sao mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật vàgiao thức để tiết kiệm nguồn năng lượng như các phương pháp định tuyến nhận biết về

năng lượng (Energy – Aware – Routing )… Đồng thời người ta cũng đang nghiên cứu

và thiết kế nguồn cho mạng cảm biến có dung lượng lớn, và thiết kế cho các thànhphần của một nút cảm biến hoạt động hiệu quả về năng lượng để góp phần kéo dài thờigian sống của các nút nói riền và cả toàn mạng

Nhiệm vụ chính của nút cảm biến trong trường cảm biến là phát tín hiệu ra các

sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế

sự tiêu thụ năng lượng được chia làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp(communication), và xử lý dữ liệu (data processing)

Bảo mật (security): Các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi

trường dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin và rất quan trọng Các hoạtđộng của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt độánh sáng của tòa nhà đó Những thông tin này có thể được sử dụng để sắp xếp một kếhoạch tấn công vào một công ty Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật các thông tinthu thập được Trong các ứng dụng an ninh, giữ bảo mật trở nên rất quan trọng, khôngchỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền Sự kết hợptính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của của ba dạng ứng dụng Việc sử dụng

mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông Dữ liệu mã hóa vàgiải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin Điều đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứngdụng di giảm số lượng, dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi

1.3.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây

A Cấu trúc phẳng ( flat architecture)

Trong cấu trúc phẳng (flat architectute) (hình 1.4): tất cả các nút đều ngang hàng

và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với sink qua multihop sửdụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến

Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếpsóng đối với một số lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùngmột tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách này chỉ cóhiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thười gian, tần số

B Cấu trúc tầng ( tiered architecture)

Trong Cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5): các cụm được tạo ra giúpcác tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vàokích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head) Trong cấutrúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác địnhthực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệukhông đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấpnhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thựchiện phân phối dữ liệu (xem hình 1.6)

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với cấutrúc phẳng, vì một số lý do sau:

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các tàinguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Rõ ràng là nếu triển khai các phầncứng thống nhất Mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả cácnhiệm vụ

- Mạng cấu trúc tầng có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng Khi cần phải tínhtoán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầuthực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảngthới gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạtđộng hiệu quả hơn Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữacác phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ củamạng

kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0 Việc nghiên cứu cácmạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Một cách tiếpcận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơntạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Trong trường hợp này, dung lượng của mỗilớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lậpvới nhau.

Tóm lại, khi dùng cấu trúc tầng thì việc tương thích giữa các chức năng trongmạng có thể đạt được Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích vềtìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng

1.4 Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình 1.6.Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý nàylàm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữliệu trong mạng cảm biến và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến

Hình 1.6: Kiến trúc giao thức mạng

Mặt phẳng quản lý công suất: quản lý các cảm biến sử dụng nguồn năng lượng

của nó

Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động

của các nút Các nút giữ việc dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng

Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong

một vùng quan tâm Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảmnhận ở cùng một thời điểm

Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín

hiệu

Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện

các khung dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điểu khiển lỗi

Lớp mạng: Lớp mạng của cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:

• Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng

• Mạng cảm biến chủ yếu tập trung dữ liệu

• Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác cóhiệu quả của các nút cảm biến

Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông tin

qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

Lớp ứng dụng: Tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác

nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng

1.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và thường pháthuy hiệu quả cao trong các điều kiện:

• Môi trường khắc nghiệt, địa hình khó khăn (ví dụ: khu vực rừng núi,vùng nhiễm phóng xạ…)

• Cần giám sát các giá trị biến đổi theo thời gian (nhiệt độ, độ ẩm trongmôi trường…)

• Khu vực rộng lớn (ví dụ: rừng, các tòa nhà….)

Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong nông, lâm nghiệp, trong quân đội,sức khỏe gia đình và các lĩnh vực thương mại khác

1.5.1 Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp

Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộnglớn để đưa ra các cảnh báo kịp thời

Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểmtra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây… ( hình 1.7)

1.5.2 Giám sát trong y tế và chuẩn đoán từ xa

Trong tương lai, các nút cảm ứng có thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới

da và đo các thông số của máu để phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việcchữa bệnh sẽ dễ dàng hơn Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốtvào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này

đủ để hoạt động trong 24h Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con

người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật (hình 1.8) Các bác sĩ cóthể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị.

Hình 1.8: Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

1.5.3 Những ứng dụng trong thiên nhiên, môi trường

Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến dùng để theo dõi sự di cư củacác loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường màảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, phát hiện lũ lụt, cháy rừng, ônhiễm khí quyển (hình 1.9)

Cảnh báo lũ lụt: Với một số lượng lớn các cảm biến về lượng mưa, mực nước,

độ ẩm các dữ liệu của môi trường được truyền về trung tâm để phân tích, xử lý vàđưa ra những cảnh báo kịp thời Những hệ thống cảnh báo lũ này đã và đang được triểnkhai ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt thành công trên thị trường Mỹ

Hình 1.9: Ứng dụng trong môi trường

Phát hiện sớm thảm họa cháy rừng: Cũng tương tự như hệ thống cảnh báo lũ,

bằng việc phát tán các nút cảm biến trong rừng, những thông tin khác nhau liên quanđến sự cháy như nhiệt độ, nồng độ khói, tốc độ gió, độ ẩm sẽ được báo về trung tâmkhi xảy ra hỏa hoạn, giúp cho việc ngăn ngừa, khoanh vùng cũng như kiểm soát mộtcách kịp thời

1.5.4 Ứng dụng trong quân đội

Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn,chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạtđộng của quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệmmạng cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường

Một vài ứng dụng trong quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng,trang thiết bị, theo dõi chiến trường, do thám địa hình và lực lượng quân địch (hình1.10) để từ đó đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường, do thám và phát hiệnviệc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân một cách khá hiệu quả

Hình 1.10: Ứng dụng trong quân sự

1.5.5 Những ứng dụng trong giao thông

Các cảm biến được gắn trên các phương tiện giao thông để chúng có thể xácđịnh được vị trí của nhau, nhận biết được các biển báo, từ đó định tuyến nhằm giảmthiểu ách tắc, tai nạn giao thông cũng như những giúp cho việc điều khiển luồng tốthơn

1.5.6 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đạt ở các phòng để

đo nhiệt độ Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịchchuyển trong phòng và thông báo lại những thông tin này đến thiết bị báo động trongtrường hợp không có ai ở nhà (hình 1.11)

Hình 1.11: Ứng dụng trong gia đình

1.6 Những khó khăn trong việc phát triển WSN

Vì khó khăn trong việc phát triển mạng cảm biến không dây có những ứng dụng

vô cùng to lớn trong cuộc sống, và để tận dụng hết những thuận lợi này chúng ta phảixác định rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật mà ta sẽ gặp phảikhi triển khai:

 Bị giới hạn năng lượng

Khi các thiết bị tính toán tăng hiệu quả nhanh chóng thì sự tiêu thụ năng lượng củamạng cảm biến không dây giống như một nút cổ chai Do các sensor có kích cỡ nhỏ vàgiá thành rẻ nên có thể triển khai hàng nghìn sensor trong mạng, do đó ta không thể nốidây từ các sensor này đến nguồn năng lượng Đồng thời có thể vận hành tự động thìcác sensor cần phải có nguồn pin Vì lượng năng lượng có sẵn trong mỗi sensor chỉgiới hạn ở một mức nào đó nên sự đồng bộ hóa chỉ nhận được khi duy trì đủ nănglượng để các sensor này hoạt động hiệu quả

 Bị giới hạn về dải thông

Trong mạng cảm biến, năng lượng được dùng trong xử lý dữ liệu ít hơn nhiều so vớiviệc truyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệukhoảng 10 – 100 Kbits/s Sự giới hạn về băng thông này ảnh hưởng trực tiếp đến việctruyền thông tin giữa các sensor, và nếu không có sự truyền thông tin này thì không thểđồng bộ hóa được.

 Bị giới hạn về phần cứng

Phần cứng của các nút cảm biến thường bị giới hạn do kích cỡ nhỏ của nó Mộtnút cảm biến tiêu biểu như hạt bụi Berkekey Mica2 có một pin mặt trời nhỏ, CPU 8 bithoạt động ở tốc độ 10MHz bộ nhớ từ 128KB đến 1MB, và phạm vi truyền dưới 50m

sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ đặt ra một thách thức to lớn

Đó là không thể tăng kích cỡ của nút cảm biến vì như vậy sẽ tăng chi phí và tiêu thụthêm năng lượng, đồng thời sẽ gây khó khăn trong việc triển khai hàng nghìn nút trongmạng

Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục

Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nút nênviệc định lại cấu hình động trở nên cần thiết

 Sự kết hợp chặt chẽ giữa các sensor và môi trường tự nhiên

cho các ứng dụng khác nhau như là kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng… nênphải được thiết kế phù hợp với từng ứng dụng Ví dụ như sensor có thể dùng để đonhiệt độ , ánh sáng, âm thanh, hay độ ẩm và tùy từng loại ứng dụng sẽ quyết định dùngloại sensor nào.

Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lượng bị giới hạn vàkhông thể nạp lại, hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khảnăng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trong mạng cảmbiến, năng lượng được sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: truyền dữ liệu, xử lý ảnh vàđảm bảo cho phần cứng hoạt động

Hiện nay người ta cũng đang mong muốn phát triển qua trình xử lý năng lượngmột cách hiệu quả mà giảm tối thiểu các yêu cầu về năng lượng qua các mức củaprotocol stack, đồng thời tói thiểu hóa các bản tin truyền qua mạng để điều khiển vàphối hợp mạng

CHƯƠNG 2 TRUYỀN ẢNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ẢNH QUA HỆ THỐNG WSN

Chương này giới thiệu tổng quan về chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4, phương pháptruyền ảnh qua chuẩn Zigbee, khái niệm và các loại mã hóa kênh truyền được sử dụngtrong mạng cảm biến không dây

2.1 Giới thiệu

Do các nhược điểm của mạng cảm biến không dây như giới hạn về năng lượng,dải thông, phần cứng, kết nối không ổn định và với các môi trường khác nhau cần cómột mô hình theo dõi khác nhau Thông thường, mạng cảm biến không dây được sửdụng để truyền dữ liệu các bản tin Hiện nay với sự phát triển của công nghệ tích hợp,

hệ thống phần cứng được phát triển mãnh mẽ, công suất tiêu thụ thấp hơn Vì vậy,ngoài truyền dữ liệu công nghệ mạng cảm biến không dây được ứng dụng để truyềnảnh để tăng tính trực quan trong theo dõi đối tượng trong nông lâm nghiệp, y tế, quân

sự, giao thông, gia đình…

Hình ảnh được truyền trong WSN thông thường là các ảnh có chuẩn nén ảnhJPEG vì đây là chuẩn nén ảnh được sử dụng rất phổ biến nhất hiện nay Ảnh nén theochuẩn JPEG có kích thước tương đối nhỏ so với các chuẩn khác và vẫn đảm bảo đượcchất lượng hình ảnh và tính trực quan của người nhìn

Kỹ thuật truyền ảnh JPEG qua mạng cảm biến không dây gặp nhiều khó khănnhư tốc độ truyền chậm, ảnh kích thước nhỏ, truyền nhiều chặng, chịu tác động lớn củamôi trường nên trong quá trình truyền, tỉ lệ mất gói cao, khả năng khôi phục được hìnhảnh thấp Vì vây, các phương pháp nâng cao chất lượng truyền ảnh và khôi phục hìnhảnh được đưa ra nhằm cải thiện chất lượng ảnh nhận được Các phương pháp mã hóakênh truyền được nghiên cứu như mã Hamming, LPDC (Low- density parity-check).Phương pháp mã hóa LDPC mới nhất được sử dụng hiện nay do tiến sĩ Gallager tại

được xem như là phương pháp phù hợp nhất, tận dụng tối ưu nhất phần cứng của cácsensor Ở mục 2.4 sẽ nói rõ hơn về các loại mã hóa kênh truyền Hamming và LDPC.

2.2 Tổng quan về Zigbee IEEE 802.15.4

2.2.1 Sự phát triển của chuẩn Zigbee 802.15.4

Cho tới ngày nay, hầu hết các chuẩn giao thức không dây tập trung vào tốc độ cao

và khoảng cách xa và đã được ứng dụng hết sức thành công cho hệ thống kết nối diđộng và mạng dữ liệu theo khu vực Liên minh ZigBee (www.zigbee.org) là một liêndoanh của hơn 90 công ty lớn mà đang phát triển các chuẩn giao thức không dây chomục đích điều khiển thương mại và cá nhân và các ứng dụng tự động hóa Liên minhnày mới đây đã cho ra mắt đặc tả kĩ thuật của nó dùng cho mạng không dây mật độ dữliệu thấp Mục đích của thiết kế này là đáp ứng nhu cầu về giao tiếp giữa các thiết bịtrong một gói điều khiển và cảm biến nhỏ và đơn giản, đồng thời hướng tới việc giữcho giá của việc truyền nhận không dây ở mức thấp nhất Thêm vào đó, mạng này cókhả năng tự tổ chức do đó không cần, hoặc rất ít, phải thiết lập hệ thống Một cách lítưởng, những nút mạng riêng rẽ nên được cấp năng lượng bởi pin để hoạt động lâu vàgiảm giá thành Những ứng dụng cho kiểu mạng này là rất nhiều, bao gồm : quản líhàng tồn kho, quản lí chất lượng sản phẩm, quản lí dây chuyền nhà máy, quan sát thiêntai, quan sát vi sinh vật, và giám sát

Mạng Zigbee rất giống với mạng Ad-hoc nhất là việc Zigbee mượn các khảnăng tự tổ chức và kĩ thuật đi dây được phát triển bới các nghiên cứu về giao tiếp ad-hoc Tuy nghiên, mục đích lớn nhất của thiết kế Zigbee là giảm giá thành của mỗi nútmạng Với nhiều ứng dụng ở trên, giá thành mong muốn cho mỗi thiết bị không dây lànhỏ hơn 1$ Trong khi điều đó không phải là mục tiêu của Liên minh trong việc hỗ trợtruyền ảnh qua mạng, nó lại thực sự cần thiết, đặc biệt với các hệ thống giám sát Thêmvào đó, với sự ra đời của chuẩn Zigbee, người ta kì vọng là các hệ thống thu phát dễ sửdụng sẽ ra đời

2.2.2 Tổng quan về Zigbee 802.15.4

Zigbee là một mô hình hệ thống giao tiếp OSI 7 lớp Liên minh đã định nghĩa 3lớp cuối (Vật lí, liên kết dữ liệu, và mạng) cũng như giao thức lập trình ứng dụng(API) để cho phép người phát triển cuối có thể thiết kế ứng dụng tùy ý sử dụng cácdịch vụ dung cấp bới những lớp dưới Hình 2.1 cho thấy cấu trúc phân lớp của Liênminh đưa ra Cần chú ý là Liên minh Zigbee đã chọn sử dụng các thông số kĩ thuật cósẵn của lớp vật lí và lớp liên kết dữ liệu Gần đây, đã có những tiêu chuẩn cho mạng cánhân tỉ lệ dữ liệu thấp được đăng trên tạp chí IEEE 802.15.4 Chúng ta sẽ lần lượt mô

chế dịch pha cầu phương bù (O-QPSK) và thông thường được thực hiện với bảng tracác biểu tưởng kênh truyền để giảm chi phí của bộ thu phát.

Khoảng cách truyền thông thường là khoảng 30m trong phòng, với vật cản, vàtrên 80m trong điều kiện không vật cản Cần chú ý là tỉ lệ bit là một nhân tố bị giới hạnnếu các ứng dụng đòi hỏi truyền một lượng lớn thông tin qua các thiết bị của hệ thống

2.2.1.2 Lớp liến kết dữ liệu (Data Link)

IEEE 802.15.4 là một giao thức nhẹ, đơn giản dựa trên CSMA(Đa truy cập nhậnbiết kênh truyền) Nhiệm vụ của nó có thể bao gồm cả truyền khung báo hiệu, đồng bộ

và cung cấp cơ chế truyền đáng tin cậy Khía cạnh quan trọng của lớp liên kết dữ liệu

là các gói riêng rẽ được nhận biết do đó nó có thể đưa ra sự liên kết giữa các mức độnhận Tuy nhiên, không có một dịch vụ chất lượng hoặc một sự trợ giúp nào để xácđịnh ưu tiên khi xảy ra tắc nghẽn mạng Về cơ bản, Zigbee chỉ đưa ra các thức tốt nhất

để truyền cuối - đến –cuối các gói đơn lẻ

2.2.1.3 Lớp mạng (Network Layer)

Phần lớn các sự phát triển mới về mặt kĩ thuật diễn ra ở Liên minh Zigbee đều là

ở lớp mạng Chức năng của lớp mạng Zigbee bao gồm cơ chế thường được dùng đểghép và chia mạng, và để định tuyến các khung tới được địa chỉ cần thiết Sự địnhtuyến này có thể bao gồm sử dụng các thiết bị nhiều rơ-le bên trong mạng Thêm vào

đó, sự nghiên cứu và bảo dưỡng định tuyến giữa các thiết bị được trao cho lớp mạng

Sự phát hiện ra nút hàng xóm và lưu trữ trông tin thích hợp của nút hàng xóm cũngđược thực hiện ở đây

2.3 Truyền ảnh qua Zigbee IEEE 802.15.4

2.3.1 Những hạn chế của Zigbee:

Với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống giao tiếp phạm vi hẹp, các mạngcảm biến truyền ảnh trở nên quan trọng trong việc hỗ trợ bảo mật, quan sát và kiểm tra.Tuy nhiên, để thiết kế một hệ thống giao tiếp ảnh trong WSN một cách hiệu quả, vẫncòn rất nhiều thách thức Một số được gây ra bởi những hạn chế, như là nguồn cấp và

khả năng xử lí, và một vài nguyên nhân do điều kiện truyền không tốt và lỗi trong khảnăng phục hồi của thuật toán nén ảnh.

Vì sự thất thoát trên đường truyền, hiện tượng Fading nhỏ và Fading lớn, nhiễucùng kênh, và các loại nhiễu khác, khả năng lưu trữ của mạng không dây thấp hơnnhiều so với mạng dây, và tỉ lệ bit lỗi (BER) cao hơn Thêm vào đó, đầu ra có thể sẽdao động do tính chất của kênh truyền không dây thay đổi theo thời gian

Dải 2.4GHz mang lại tỉ lệ bit cao nhất 250kbps trong bản miêu tả chi tiết802.15.4 PHY Lớp vật lý chỉ hỗ trợ truyền những gói nhỏ có kích thước giới hạn là

127 Bytes Chính vì ở tầng trên, lớp MAC và lớp vật lý, mỗi gói chỉ có thế chứa khôngquá 89 Bytes Lớp mạng không thể phân mảnh Do đó, sự phân mảnh và ghép lại cầnđược thực hiện ở lớp ứng dụng Cơ chế điều khiển cũng cần phải được thông báo vàđòi truyền lại các gói bị mất trong lớp mạng

2.3.2 Truyền ảnh qua Zigbee

Do lớp mạng không thể phân mảnh được, vì vậy sự phân chia và ghép lại cầnthực hiện ở lớp ứng dụng Một bức ảnh sau khi được nén theo chuẩn JPEG được chia

ra thành nhiều gói có kích thước bằng nhau và trước mỗi gói được chèn thêm header cókích thước 5 Bytes để khi nhận đầu thu có thể nhận biết được chính xác gói trong quátrình nhận và khôi phục ảnh Dưới đây là cấu trúc của một gói khi truyền

Hình 2.13: Cấu trúc khung của gói truyền đi

Trong đó kích thước gói là kích thước mà ta đã định sẵn cho từng gói khi chưa

Bytes cho nên nó chúng ta chỉ cần biểu diễn kích thước của gói truyền đi bằng 1 Byte.Kích thước ảnh càng to thì số gói càng nhỏ và ID gói càng lớn vì vậy chúng ta cần biếudiễn chúng bằng 2 Bytes

2.4 Mã hóa kênh truyền

2.4.1 Khái niệm

Lý thuyết mã hóa là một ngành của toán học và khoa học điện toán nhằm giảiquyết tình trạng lỗi dễ xảy ra trong quá trình truyền dữ liệu trên các kênh truyền có độnhiễu cao dùng những phương pháp tinh xảo khiến phần lớn các lỗi xảy ra có thể đượcchỉnh sửa Nó còn xử lý những đặc tính của mã và do vậy giúp phù hợp với những ứngdụng cụ thể

Có hai loại mã hóa:

- Mã hóa dùng nguồn

- Mã hóa trên kênh truyền

Mục đích của lý thuyết Mã hóa trên kênh truyền là tìm những mã có thể truyềnthông nhanh chóng, chứa đựng nhiều từ mã hợp lệ và có thể sửa hoặc ít nhất là pháthiện được các lỗi xảy ra bằng cách thêm vào các bit dư thừa Các mục đích trên khôngphụ thuộc vào nhau, và mỗi loại mã có công dụng tối ưu cho một ứng dụng riêng biệt.Những đặc tính mà mỗi loại mã này cần còn tuỳ thuộc nhiều vào xác suất lỗi xảy ratrong quá trình truyền thông Mỗi mã thường chỉ thích hợp cho một ứng dụng nhấtđịnh

Chúng ta phân tích ba đặc tính sau của mã:

- Chiều dài của mã

lại với mã của ông, mã chắn lẻ (parity code) tuy đơn giản nhưng không có khả năng

phát hiện các lỗi khi 2 bit cùng một lúc bị hoán vị (0 thành 1 và ngược lại), vừa khôngthể giúp để sửa được các lỗi mà nó phát hiện thấy.

Càng nhiều bit sửa lỗi thêm vào trong thông tin, và các bit ấy được bố trí theomột cách là mỗi bố trí của nhóm các bit bị lỗi tạo nên một hình thái lỗi riêng biệt, thìchúng ta có thể xác định được những bit bị sai Trong một thông tin dài 7-bit, chúng ta

có 7 khả năng một bit có thể bị lỗi, như vậy, chỉ cần 3 bit kiểm tra (23 = 8) là chúng ta

có thể, không những chỉ xác định được là lỗi trong truyền thông có xảy ra hay không,

mà còn có thể xác định được bit nào là bit bị lỗi

Hamming còn phát hiện ra vẫn đề với việc đảo giá trị của hai hoặc hơn hai bit

nữa, và miêu tả nó là "khoảng cách" (distance) (hiện nay nó được gọi là khoảng cách

Hamming - theo cái tên của ông) Mã chẵn lẻ có khoảng cách bằng 2, vì nếu có 2 bit bị

đảo ngược thì lỗi trong truyền thông trở nên vô hình, không phát hiện được Mã táidiễn (3,1) có khoảng cách là 3, vì 3 bit, trong cùng một bộ ba, phải bị đổi ngược trướckhi chúng ta được một từ mã khác Mã tái diễn (4,1) (mỗi bit được nhắc lại 4 lần) cókhoảng cách bằng 4, nên nếu 2 bit trong cùng một nhóm bị đảo ngược thì lỗi đảongược này sẽ đi thoát mà không bị phát hiện

Thuật toán cho việc sử dụng bit chẵn lẻ trong mã Hamming thông thường cũngtương đối đơn giản:

1 Tất cả các bit ở vị trí là các số mũ của 2 (powers of two) được dùng làm bit chẵn

lẻ (các vị trí như 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 v.v hay nói cách khác 20, 21, 22, 23, 24, 25,

• Vị trí 1 (n=1): bỏ qua 0 bit(n-1), kiểm 1 bit(n), bỏ qua 1 bit(n), kiểm 1bit(n), bỏ qua 1 bit(n), v.v.

• Vị trí 2(n=2): bỏ qua 1 bit(n-1), kiểm 2 bit(n), bỏ qua 2 bit(n), kiểm 2bit(n), bỏ qua 2 bit(n), v.v

• Vị trí 4(n=4): bỏ qua 3 bit(n-1), kiểm 4 bit(n), bỏ qua 4 bit(n), kiểm 4bit(n), bỏ qua 4 bit(n), v.v

• Vị trí 8(n=8): bỏ qua 7 bit(n-1), kiểm 8 bit(n), bỏ qua 8 bit(n), kiểm 8bit(n), bỏ qua 8 bit(n), v.v

• Vị trí 16(n=16): bỏ qua 15 bit(n-1), kiểm 16 bit(n), bỏ qua 16 bit(n), kiểm

16 bit(n), bỏ qua 16 bit(n), v.v

• Vị trí 32(n=32): bỏ qua 31 bit(n-1), kiểm 32 bit(n), bỏ qua 32 bit(n), kiểm

32 bit(n), bỏ qua 32 bit(n), v.v

• và tiếp tục như trên

Nói cách khác, bit chẵn lẻ tại vị trí 2k kiểm các bit ở các bit ở vị trí t có giá trịlogic của phép toán AND giữa k và t là khác 0

Nguyên lý của mã Hamming bắt nguồn từ việc khai triển và mở rộng quan điểm

chẵn lẻ Việc khai triển này bắt đầu bằng việc nhân các ma trận, được gọi là Ma trận

Hamming (Hamming matrices), với nhau Đối với mã Hamming (7,4), chúng ta sử

dụng hai mã trận có liên quan gần gũi, và đặt tên cho chúng là:

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0: 0 0 0 1

0 1 1 1

1 0 1 1

1 1 0 1

e H

1 0 1 0 1 0 1

d H

Chúng ta dùng một nhóm 4 bit dữ liệu (số 4 trong cái tên của mã là vì vậy) chủchốt, và cộng thêm vào đó 3 bit dữ liệu thừa (vì 4+3=7 nên mới có số 7 trong cái têncủa mã) Để truyền gửi dữ liệu, chúng ta hãy nhóm các bit dữ liệu mà mình muốn gửithành một vectơ Lấy ví dụ, nếu dữ liệu là "1011" thì vectơ của nó là:

101

Giả sử, chúng ta muốn truyền gửi dữ liệu trên Chúng ta tìm tích của He và p, với các

Máy thu sẽ nhân Hd với r, để kiểm tra xem có lỗi xảy ra hay không Thi hành tính nhân

này, máy thu được (một lần nữa, các giá trị đồng dư môđulô 2):

10

10

vectơ (vector subspace), tức là hạch của Hd Nếu không có vấn đề gì xảy ra trong khi

truyền thông, r sẽ nằm nguyên trong hạt nhân của Hd và phép nhân sẽ cho kết quả mộtvectơ toàn số không