Đồ án Nghiên cứu mạng cảm biến không dây – wsn và những đặc điểm lớp vật lý

ông dây thường bao gồm bốn thành phần cơ bản: đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý, đơn vị thu phát và đơn vị năng lượng. Đơn vị cảm biến: Các đơn vị cảm biến là thành phần chính của một nút cảm biến không dây, sẽ phân biệt ở mỗi hệ thống nhúng khác nhau với khả năng giao tiếp. Các đơn vị cảm biến có thể bao gồm nhiều cảm biến, cung cấp khả năng thu thập thông tin từ thế giới vật lý. Mỗi đơn vị cảm biến có trách nhiệm thu thập thông tin của một loại nhất định, chẳng hạn như nhiệt độ, độ ẩm hay ánh sáng. Đơn vị cảm biến thường bao gồm hai đơn vị nhỏ hơn: một cảm biến và một analog to-digital converter (ADC). Các tín hiệu tương tự được tạo ra bởi các cảm biến dựa trên các quan sát hiện tượng được chuyển đổi thành tín hiệu số nhờ ADC, và sau đó được đưa vào các đơn vị xử lý. Đơn vị xử lý: Các đơn vị xử lý là bộ điều khiển chính của nút cảm biến không dây, thông qua nó mà mỗi thành phần được quản lý. Các đơn vị xử lý có thể bao gồm: một bộ nhớ hoặc có thể được liên kết với một đơn vị lưu trữ nhỏ tích hợp vào các bảng nhúng. Các đơn vị xử lý cho phép các nút cảm biến hoạt động, chạy các thuật toán liên quan, phối hợp với các nút khác thông qua mạng truyền thông không dây. Đơn vị thu phát: Truyền thông giữa hai nút cảm biến không dây được thực hiện bởi đơn vị thu phát. Một đơn vị thu phát thực hiện các thủ tục cần thiết để chuyển đổi các bit được truyền vào tần số vô tuyến (RF) sóng và phục hồi chúng ở đầu kia. Về cơ bản, các WSN được kết nối vào mạng thông qua đơn vị này. Hình 1.3. Sơ đồ thiết kế nút cảm biến Đơn vị năng lượng: Một trong những thành phần quan trọng nhất của một nút cảm biến không dây là đơn vị năng lượng. Thông thường, năng lượng pin được sử dụng, nhưng cũng có thể dùng các nguồn năng lượng khác. Mỗi thành phần trong các nút cảm biến không dây được hỗ trợ thông qua các đơn vị năng lượng và vì năng lượng hạn chế của nó nên yêu cầu các thành phần hoạt động tiết kiệm. Hệ thống định vị vị trí: Một nút cảm biến được trang bị một hệ thống định vị vị trí. Hệ thống này có thể bao gồm một module GPS cho một nút cảm biến cao cấp hoặc có thể là một module phần mềm thực hiện các thuật toán. Mobilizer: Một Mobilizer có thể có khả năng di chuyển các nút cảm biến nếu như nút cảm biến thực hiện các nhiệm vụ được giao. Mobilizer cũng có thể hoạt động trong sự tương tác chặt chẽ với các đơn vị biến và bộ vi xử lý để kiểm soát các chuyển động của các nút cảm biến. Công suất máy phát điện: Trong khi năng lượng pin là chủ yếu được sử dụng trong các nút cảm biến, bổ sung một máy phát điện có thể được sử dụng cho các ứng dụng trong thời gian lâu dài là điều cần thiết. Một số hạn chế cho các nút cảm biến như: độ phức tạp, kích thước, tiêu thụ năng lượng ít, hoạt động ở mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, hoạt động không cần giám sát và có thể được thích nghi với môi trường. Các mối quan tâm chính cho sự hoạt động của WSNs là tiêu thụ năng lượng. Đối với hầu hết các ứng dụng, WSN là không thể tiếp cận hoặc không khả thi để thay thế pin của các nút cảm biến. Với pin hạn chế điện, đó là thời gian tối đa mà mạng lưới hoạt động (hạn chế). Vì vậy, năng lượng hiệu quả hoạt động là yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế WSNs. Trong số các thành phần mô tả ở trên, các đơn vị thu phát là phần quan trọng nhất của nút cảm biến bởi vì nó tiêu thụ năng lượng nhiều nhất và cung cấp kết nối với phần còn lại của mạng. Ngoài việc thu phát, các nút cảm biến cũng còn hạn chế về xử lý và bộ nhớ. Sức mạnh xử lý của các nút cảm biến hiện nay là thấp hơn đáng kể hơn so với nhiều hệ thống nhúng khác vì những hạn chế chi phí và kích thước. Các giá trị này vẫn còn lơn hơn khả năng nhúng các thiết bị như PDA hay điện thoại di động. Do đó, phần mềm thiết kế cho WSNs nên có dung lượng nhẹ và các yêu cầu tính toán. WSNs tương tác chặt chẽ với môi trường để thu thập dữ liệu về các hiện tượng vật lý khác nhau. Vì các nút cảm biến thường được triển khai một cách ngẫu nhiên và chạy tự động, cần một hệ thống định vị địa điểm. Thông tin vị trí có thể dễ dàng được cung cấp bởi GPS, cung cấp độ chính xác lên tới 10m thông qua các đơn vị GPS. Tuy nhiên, chi phí của các đơn vị này là cao hơn đáng kể so với một nút cảm biến thông thường. 1.2.2 Khả năng chịu lỗi Các hạn chế phần cứng làm các nút cảm biến thường xuyên lỗi hoặc bị block trong một khoảng thời gian nhất định. Những lỗi có thể xảy ra do thiếu điện, thiệt hại vật chất, sự tác động của môi trường, hoặc vấn đề phần mềm. Kết quả của lỗi nút là ngắt kết nối trong mạng. Hiện nay WSN đã phát triển thì lỗi của một nút duy nhất không làm ảnh hưởng đến hoạt động tổng thể của mạng. Cụ thể hơn, lỗi chấp nhận được là khả năng duy trì chức năng mạng cảm biến mà không bị gián đoạn do bất kì lỗi của một nút cảm biến. Ngoài các vấn đề trên, môi trường triển khai cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của nút cảm biến. Kết quả các nút triển khai trong môi trường trong nhà có tỉ lệ lỗi ít hơn các nút triển khai ngoài trời. Các giao thức và các thuật toán được thiết kế cho WSNs nhằm mục đích giải quyết những lỗi thường gặp của các nút cảm biến để phòng chống lỗi. Các khả năng chịu lỗi của một mạng có thể được cải thiện bằng cách tạo nhiều nút trong phạm vi phát sóng của một nút. Kết quả là, nếu một nút cảm biến không thành công, các nút khác trong cùng phạm vi vẫn phát sóng để kết nối với mạng một cách bình thường. 1.2.3 Khả năng mở rộng Việc triển khai các nút cảm biến với mật độ cao trong WSN cũng tạo ra thách thức về khả năng mở rộng mạng. Số lượng các nút cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm hoặc hàng ngàn. Do đó, các giao thức mạng được phát triển cho các mạng này sẽ phải xử lý các số lượng lớn các nút sao cho hiệu quả. Mật độ nút phụ thuộc vào ứng dụng mà các nút cảm biến được triển khai. 1.2.4 Chi phí sản xuất Các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, nên chi phí của một nút là rất quan trọng để tính tổng thể cho toàn mạng lưới. Nếu chi phí của mạng là đắt hơn triển khai các thiết bị cảm biến truyền thống thì các mạng cảm biến sẽ không được coi là chi phí hợp lý. Các chi phí của một nút cảm biến sẽ phải ít hơn để cho các mạng cảm biến khả thi trong thực tế. Chi phí của một nút cảm biến là một vấn đề rất khó khăn. 1.2.5 Cấu trúc mạng WSN Số lượng lớn các nút cảm biến không thể truy cập và giám sát được thường bị lỗi thường xuyên, làm việc duy trì cấu trúc liên kết là một công việc đầy thử thách. Thách thức chính là việc triển khai của các nút cảm biến trong vùng có các hiện tượng cần theo dõi sao cho có thể giám sát một cách hiệu quả. Cấu trúc liên kết bảo trì cũng rất quan trọng sau khi triển khai ban đầu. Nhìn chung, mật độ triển khai một số lượng lớn các nút đòi hỏi phải xử lý cẩn thận để duy trì cấu trúc liên kết. 1.2.5.1 Chuẩn bị triển khai và giai đoạn triển khai Các nút cảm biến có thể đặt hàng loạt hoặc đặt từng nơi một trong vùng cảm biến. Mặc dù số lượng và triển khai tự động của cảm biến nhưng cần theo một kế hoạch thiết kế cẩn thận, các chương trình triển khai ban đầu phải giảm chi phí lắp đặt; loại bỏ trước sự cần thiết, tăng sự linh hoạt sắp xếp, và thúc đẩy tự tổ chức và khả năng chịu lỗi. 1.2.5.2 Sau giai đoạn triển khai Sau giai đoạn triển khai, các cấu trúc liên kết có thể thay đổi do sự thay đổi trong điều kiện cảm biến. Thay đổi đáng kể có thể xảy ra trong các cấu trúc liên kết cho một thời gian dài. Hơn nữa, việc kết nối của các nút có thể thay đổi vì nhiễu, gây nhiễu, tiếng ồn. Một nguyên nhân của sự thay đổi cấu trúc liên kết sau khi triển khai là do nút lỗi. Cuối cùng, các cấu trúc liên kết của mạng có thể thay đổi định kỳ theo nhiệm vụ cảm biến và ứng dụng. 1.2.5.3 Tái triển khai các nút bổ sung Sau giai đoạn triển khai, có thể yêu cầu thay đổi hoặc thêm các nút kết nối. Do đó khả năng chịu lỗi của hệ thống mạng cũng bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong cấu trúc liên kết. Theo đó, bổ sung các nút cảm biến triển khai bất cứ lúc nào để thay thế các nút bị hỏng hoặc do thay đổi về công việc hoạt động là một việc cần thiết. Việc bổ sung các nút mới dẫn đến cần phải tổ chức lại mạng. 1.2.6 Phƣơng tiện truyền Hoạt động thành công của một WSN phụ thuộc vào thông tin liên lạc tin cậy giữa các nút trong mạng. Trong một mạng cảm biến, các nút có thể giao tiếp thông qua một phương tiện không dây để tạo ra các liên kết giữa chúng. Các liên kết này có thể được hình thành bởi radio, hồng ngoại, quang học, âm thanh hoặc cảm ứng từ tính liên kết. Để kích hoạt khả năng tương tác và hoạt động toàn cầu của các mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải có sẵn trên toàn thế giới. Bảng 1.1. Bảng tần số của ISM Một lựa chọn phổ biến cho các liên kết vô tuyến điện là sử dụng các băng tần ISM, được sử dụng cho truyền thông trong các hệ thống điện thoại không dây và các mạng cục bộ không dây(WLAN). Băng tần ISM có thể được sử dụng bởi bất kỳ mạng không dây nào. Hầu hết các phần cứng hiện tại của nút cảm biến được dựa trên thiết kế mạch RF. Các đầu μAMPS nút cảm biến không dây sử dụng một bộ thu phát Bluetooth, tương thích với một tần số 2.4GHz tích hợp tổng hợp. Một chế độ có thể giao tiếp trực tiếp trong mạng cảm biến là hồng ngoại. Dựa trên thu phát hồng ngoại sẽ rẻ hơn và dễ dàng hơn để xây dựng. Hạn chế chủ yếu của hồng ngoại đó là yêu cầu khoảng cách giữa người gửi và người nhận. Tuy nhiên, hồng ngoại có thể được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, nơi mà RF tín hiệu bị suy giảm cao, chẳng hạn như liên kết dưới nước. Các yêu cầu ứng dụng đặc biệt của các mạng cảm biến làm cho sự lựa chọn của các phương tiện truyền thông trở nên khó khăn hơn. Do đó, sự lựa chọn phương tiện truyền dẫn phải được hỗ trợ bởi sự mã hóa mạnh mẽ và chương trình điều chế hiệu quả các kỹ thuật giao tiếp âm thanh đã được áp dụng cho các ứng dụng cảm biến dưới nước thay vì sóng RF. 1.2.7 Năng lƣợng tiêu thụ Một nút cảm biến không dây chỉ có thể được trang bị với một nguồn năng lượng hạn chế (0.5Ah <, 1.2V) do bị hạn chế một số phần cứng. Sự tồn tại của WSN, do đó mà phải phụ thuộc vào pin là chủ yếu. Nhiệm vụ chính của một nút cảm biến trong một trường cảm biến là phát hiện các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu địa phương, và sau đó truyền dữ liệu đi. Điện năng tiêu thụ do đó có thể được chia thành ba công việc: cảm biến, truyền thông, và xử lý dữ liệu, được thực hiện tương ứng bởi: các cảm biến, CPU, và radio. Trong số ba công việc, một nút cảm biến tiêu tốn năng lượng tối đa cho công việc truyền thông dữ liệu. 1.2.7.1 Cảm biến Năng lượng cảm biến thay đổi theo bản chất của các ứng dụng và cách sử dụng. Cảm biến lẻ tẻ có thể tiêu thụ ít điện năng hơn là theo dõi thường xuyên. Hình 1.4. Biểu đồ năng lượng tiêu thụ của nút MicaZ Trong khi việc tiêu thụ năng lượng cho cảm biến thay đổi đáng kể với các loại cảm biến được sử dụng, hệ thống cảm biến thường gắn liền với một hệ thống ADC con. Việc tiêu thụ năng lượng của một ADC phụ thuộc vào hai yếu tố chính: (1.1) Với Fs là tỷ lệ lấy mẫu và ENOB là số các bit hiệu quả, đó là độ phân giải của cảm biến. Tăng tỷ lệ lấy mẫu sẽ cung cấp độ phân giải tốt hơn những cảm nhận dữ liệu. Tuy nhiên, các tính chất vật lý của hiện tượng cảm nhận không thể đòi hỏi cao tỷ lệ lấy mẫu. Tăng độ phân giải từ 8bit - 10bit ADC sẽ cung cấp kết quả chính xác hơn. Theo đó, năng lượng tiêu thụ có thể tăng lên. Ngoài việc điều chỉnh tỷ lệ lấy mẫu tần số và độ phân giải, quản lý năng lượng của cảm biến cũng nên bao gồm trạng thái “Ngủ”. Bất cứ khi nào cảm biến không cần thiết cho một số thời gian nhất định, nó nên được chuyển sang trạng thái ngủ, mà tiêu thụ điện chỉ tương ứng với sự rò rỉ không đáng kể. 1.2.7.2 Xử lý dữ liệu Sự khác biệt mạnh mẽ giữa truyền thông và tính toán thể hiện tầm quan trọng của dữ liệu xử lý tại chỗ nhằm giảm thiểu điện năng tiêu thụ trong một mạng cảm biến. Một nút cảm biến được xây dựng có khả năng tính toán và tương tác với môi trường xung quanh thông qua việc thu phát. Việc tiêu thụ năng lượng xử lý dữ liệu (Ep) có thể được biểu diễn như là một tổng của hai thành phần như sau: (1.2) Trong đó: (N) là số đồng hồ chu kỳ trong một nhiệm vụ, (C) là tổng điện dung chuyển đổi, (VDD) là điện áp cung cấp, (I0) là sự rò rỉ hiện tại, (n) là một hằng số liên quan tới phần cứng vi xử lý, (VT) là ngưỡng điện áp, (f) là tần số đồng hồ. Việc tiêu thụ năng lượng cho xử lý dữ liệu phụ thuộc vào điện áp cung cấp VDD, và tần số đồng hồ (e) và có thể kiểm soát được, ngoài ra còn có các thông số khác phụ thuộc vào kiến trúc bộ vi xử lý. Cụ thể hơn, mức tiêu thụ năng lượng giảm một nửa là điện áp được giảm xuống. Mặt khác, sự gate delay cũng phụ thuộc vào điện áp cung cấp như sau: (1.3) Trong đó (K) và (a) là các biến phụ thuộc vào bộ vi xử lý với a ~ 2. Nếu các bộ vi xử lý đang hoạt động ở một tần số đồng hồ (f), điều này tương ứng với một gate switch đối với từng T0 = 1/f (giây), trong đó bộ vi xử lý có một nhiệm vụ duy nhất là xử lý. Nếu Tg ít hơn T0 thì bộ xử lý được nhàn rỗi từ khi nhiệm vụ hoàn tất cho tới khi nhiệm vụ tiếp theo được giao. Vì vậy, gate delay có thể tăng lên bằng cách giảm cung cấp điện áp hoặc: (1.4) Mỗi giá trị tần số đồng hồ có tồn tại một mức cung cấp điện áp tối thiểu. Do đó nó là một phương tiện hiệu quả của việc giảm điện năng tiêu thụ mà không cản trở việc thực hiện. Điều này được gọi là tỉ lệ điện áp động (DVS). Điều này dẫn đến tiết kiệm gần như toàn diện trong việc tiêu thụ năng lượng và làm giảm sự rò rỉ tốt nhất. DVS cung cấp tính toán để tiết kiệm năng lượng, giảm cung cấp điện áp khi bộ xử lý hoạt động cao điểm và tăng đáng kể năng lượng có thể thu được. Tiêu thụ điện năng cho xử lý dữ liệu là nhỏ hơn đáng kể đối với truyền thông. 1.2.7.3 Truyền thông Truyền thông được thực hiện bởi các mạch thu phát trong cả hai việc nhận và truyền dữ liệu. Một số lượng đáng kể năng lượng có thể được lưu bằng cách tắt các máy thu phát để vào trạng thái “ngủ” bất cứ khi nào nút cảm biến không cần phải truyền tải hoặc nhận dữ liệu. Điều này tiết kiệm năng lượng lên đến 99,99%. Một mạch thu phát bao gồm một máy trộn, bộ tổng hợp tần số, bộ dao động điều khiển điện áp (VCO), vòng khóa pha (PLL), bộ giải điều chế, và các bộ khuếch đại năng lượng, tất cả đều tiêu thụ năng lượng. Đối với một cặp máy phát-thu, tiêu thụ điện năng cho dữ liệu truyền thông được mô hình hóa như sau: (1.5) Trong đó (P0) là sản lượng truyền tải điện năng và (Ptx) và (Prx) là điện năng tiêu thụ trong máy phát và thu điện tử. Việc truyền tải và tiếp nhận chi phí năng lượng gần như nhau. Ngoài các chế độ truyền và nhận, thu phát có thể được chuyển sang chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng trong thời gian không hoạt động. Tuy nhiên, việc chuyển đổi giữa các chế độ khác nhau của bộ thu phát không phải là tức thời và tiêu thụ năng lượng bổ sung. Việc tiêu thụ năng lượng do sự chuyển tiếp giữa chế độ ngủ và hoạt động (truyền hoặc nhận) các chế độ được gọi là tiêu thụ năng lượng khởi động. Việc tiêu thụ năng lượng khởi động Est có thể được mô tả như sau: (1.6) Trong đó (PLO) là sự tiêu thụ điện năng của các mạch điện bao gồm các tổng hợp và các VCO; (TST) là thời gian cần thiết để khởi động tất cả các thành phần thu phát. Năng lượng cũng được tiêu thụ khi thu các thiết bị chuyển mạch từ chế độ truyền nhận thức. Năng lượng này tiêu thụ Esw được cho là: (1.7) Trong đó tsw là thời gian chuyển đổi. Trong chế độ nhận, thu phát sử dụng các bộ tổng hợp, VCO, bộ khuếch đại tạp âm thấp, máy trộn, bộ khuếch đại trung tần số và bộ giải thành phần điều chế. Mức tiêu thụ năng lượng trong khi nhận được cho là: (1.8) Trong đó PRX là sự tiêu thụ điện năng của các thành phần hoạt động còn lại và TRX là thời gian cần để nhận được một gói tin. Khi bộ thu phát được chuyển sang chế độ truyền thì việc tiêu thụ năng lượng của bộ điều biến là không đáng kể, tiêu thụ năng lượng để truyền được cho là: (1.9) Trong đó PPA là sự tiêu thụ điện năng của các bộ khuếch đại điện.Các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, làm tăng năng lượng tiêu thụ. Do đó: (1.10) Trong đó (η) là năng lượng hiệu quả của các bộ khuếch đại năng lượng và (Pout) là RF tạo mức năng lượng mong muốn.Tiêu thụ điện năng của các bộ khuếch đại năng lượng cũng có thể được ghi với khoảng cách d như sau: (1.11) Trong đó (r) là tốc độ dữ liệu và (γPA) là một yếu tố phụ thuộc vào ăng ten, bước sóng, mật độ băng tần công suất tiếng ồn, cũng như tỷ lệ nhiễu tín hiệu(SNR) ở khoảng cách d. Vì nó là một hàm của khoảng cách d, các bộ khuếch đại điện năng tiêu thụ (PPA) được gọi là thành phần phụ thuộc vào khoảng cách tiêu thụ năng lượng, trong khi các thành phần khác: truyền , nhận, khởi động, và chuyển tiếp tiêu thụ năng lượng được gọi là các thành phần độc lập. Khi mà một nút truyền một gói tin đến một nút lân cận và nhận một phản ứng trở lại, bao gồm khởi động của máy thu phát, truyền tải gói dữ liệu, chuyển đổi từ chế độ truyền sang chế độ nhận, và tiếp nhận gói tin. Kết quả là, mức tiêu thụ năng lượng tổng thể như sau: Giả sử truyền và nhận được nhiều thời lượng có thể được biểu diễn như TRX = TTX = LPKT / r, với LPKT là độ dài gói tin thì mức tiêu thụ năng lượng tổng thể là (1.14) Các thành phần đầu tiên là không đổi và phụ thuộc vào các mạch thu phát. Thành phần thứ hai là độc lập với khoảng cách truyền thông (d) nhưng có thể được điều khiển thông qua các kích thước gói hoặc tốc độ truyền. Hai thành phần đầu tiên trong (1.14) độc lập với năng lượng tiêu thụ. Thành phần cuối cùng phụ thuộc vào khoảng cách truyền thông cũng như chiều dài gói và có thể được điều khiển thông qua giao thức lớp cao hơn như là MAC và giao thức định tuyến. Hình 1.5. Mô hình năng lượng cơ bản Mẫu đơn giản hóa năng lượng Mô hình năng lượng tiêu thụ có thể được đơn giản hoá cho một cặp truyền- nhận một khoảng cách xa d như sau: (1.15) Với ETX (k, d) và ERX (k) là năng lượng tiêu thụ của máy phát và máy thu Năng lượng tiêu thụ tại các máy phát được chia thành các điện tử truyền và khuếch đại truyền trong khi đó năng lượng tiêu thụ chỉ phụ thuộc vào các thiết bị điện tử thu - nhận. Sau đó, các máy phát và thu tiêu hao năng lượng là: Tương ứng, với (ETX-elec) và (Erx-elec) là năng lượng tiêu thụ trên mỗi bit cho máy phát và máy thu của mạch tương ứng, và (eamp) là năng lượng tiêu thụ trên mỗi bit trên mỗi khoảng cách cho bộ khuếch đại điện. Mô hình năng lượng chi tiết Năng lượng tiêu thụ để giao tiếp phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như thông tin phần cứng, kích thước gói, mức độ truyền tải điện, và khoảng cách. Một cách để tăng hiệu quả năng lượng của truyền thông là giảm thời gian truyền radio. Điều này có thể đạt được bằng cách gửi nhiều bit trên mỗi ký hiệu, tức là bằng cách sử dụng M-ary. Do đó, kích thước gói tin hiệu quả LPKT là giảm, trong đó làm giảm thời gian sự truyền và nhận. Mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của một cặp truyền thông có thể được biểu diễn như là: Với (L) là chiều dài gói tin, (B) là băng thông kênh, (NF) là hình nhận nhiễu, (σ2) là phổ năng lượng điện năng, (Pb) là xác suất lỗi bit, (Gd) là công suất đạt được, (PC) là mạch năng lượng tiêu thụ, (Psyn) là bộ tổng hợp tần số điện năng tiêu thụ, (TTr) là bộ tổng hợp tần số thời gian giải quyết, (Ton) là thời gian transceiver bật, và M là các tham số điều chế. Tổng lƣợng tiêu thụ năng Năng lượng truyền thông cũng phụ thuộc vào tốc độ mà bộ thu phát sử dụng . Tỷ lệ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm cả loại ứng dụng, giao thức vận chuyển, giao thức định tuyến, cũng như lớp MAC. Lớp MAC kiểm soát tốc độ truy cập kênh thông qua đó các nút được quyền truy cập vào kênh phát sóng. Tùy thuộc vào loại MAC, tỷ lệ này có thể thay đổi đáng kể. Nhìn chung, việc tiêu thụ năng lượng truyền thông có thể được mô tả như sau: Với PLO là năng lượng tiêu thụ bởi đồng bộ và các VCO, PPA là công suất ra của máy phát, PR = (PLO + PRX) là công suất tiêu thụ của TTX máy nhận và TRX là các máy phát và nhận về thời gian, và TST là thời gian khởi động máy phát hoặc nhận. Cuối cùng, NT và NR là số lần phát và nhận được chuyển về đơn vị thời gian tương ứng, mà phụ thuộc vào ứng dụng mạng, vận chuyển, và lớp MAC. 1.3 Ứng dụng của WSN Các ứng dụng của mạng cảm biến từ lâu đã được nhấn mạnh về các ứng dụng có thể được nhận ra khi sử dụng WSNs. WSNs có thể bao gồm nhiều loại khác nhau của cảm biến bao gồm cả từ, nhiệt, thị giác, hồng ngoại, âm thanh, và radar, có thể giám sát một loạt các điều kiện môi trường xung quanh bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ, hướng, chuyển động, ánh sáng. Kết quả là, một loạt các ứng dụng là có thể giám sát được như các ứng dụng về phổ nội địa, thu thập tình báo, quốc phòng, giám sát môi trường, đô thị chiến tranh, thời tiết và phân tích dự báo khí hậu, theo dõi giám sát chiến trường, thăm dò của hệ thống năng lượng mặt trời và xa hơn nữa là theo dõi địa chấn, biến dạng, nhiệt độ, tốc độ gió và dữ liệu GPS... Các ứng dụng này của WSNs ngày càng phát triển và có thể được chủ yếu là phân loại thành năm loại: Ứng dụng về quân sự, về môi trường, về sức khỏe, về nhà, và về công nghiệp. Hình 1.6. Ứng dụng của WSN 1.3.1 Ứng dụng về quân đội Một số các ứng dụng trong quân đội của các mạng cảm biến như: Theo dõi các lực lượng thân thiện, thiết bị và đạn dược. Giám sát chiến trường, trinh sát của lực lượng chống đối và địa hình. Mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận chiến, và, sinh học hạt nhân, hóa chất và (NBC) phát hiện và tấn công trinh sát. Smart Dust (DARPA) 1.3.2 Ứng dụng về môi trƣờng Các khả năng phối hợp của WSNs được sử dụng trong việc thực hiện của nhiều loại môi trường ứng dụng. Một số ứng dụng của WSNs môi trường bao gồm Theo dõi các chuyển động của các loài chim, động vật nhỏ, và côn trùng. Giám sát điều kiện môi trường thiên nhiên. Quan sát khí tượng hoặc địa vật lý nghiên cứu, lũ phát hiện, lập bản đồ môi trường, và nghiên cứu ô nhiễm. 1.3.3 Ứng dụng về y tế Sự phát triển các thiết bị cấy y sinh và cảm biến tích hợp thông minh làm cho việc sử dụng cảm biến mạng cho các ứng dụng y sinh học. Một số ứng dụng y tế cho cảm biến mạng là - Cung cấp giao diện cho người tàn tật; theo dõi bệnh nhân tích hợp, chẩn đoán. - Quản lý thuốc tại các bệnh viện, theo dõi các chuyển động và các quy trình nội bộ của côn trùng hoặc các động vật nhỏ. - Giám sát các dữ liệu sinh lý con người, và theo dõi và giám sát các bác sĩ và bệnh nhân trong một bệnh viện. 1.3.4 Ứng dụng về nhà Các nút cảm biến thông minh và thiết bị truyền động có thể được gắn bên trong các thiết bị như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, và đầu DVD cũng như hệ thống nước. Các nút cảm biến bên trong thiết bị trong nước có thể tương tác với nhau và với mạng bên ngoài thông qua Internet hoặc vệ tinh. Chúng cho phép người dùng cuối dễ dàng hơn trong quản lý các thiết bị trong nhà từ xa. Theo đó, WSNs cho phép kết nối các thiết bị khác nhau với điều khiển thuận tiện của các ứng dụng khác nhau ở nhà. Hình 1.7. Ứng dụng đo lưu lượng nước Các hệ thống giám sát nước tự động (NAWMS) là nội địa hóa các lãng phí trong sử dụng nước và thông báo cho người dùng về cách sử dụng hiệu quả hơn. 1.3.5 Ứng dụng về công nghiệp Mạng cảm biến có dây có từ lâu đã được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như công nghiệp và cảm biến kiểm soát các ứng dụng, xây dựng tự động hóa, và kiểm soát truy cập. Một số các ứng dụng thương mại được giám sát như: xây dựng bàn phím ảo, quản lý hàng tồn kho, chất lượng sản phẩm giám sát, xây dựng không gian văn phòng thông minh, kiểm soát môi trường của các tòa nhà văn phòng; robot điều khiển và hướng dẫn trong các môi trường sản xuất tự động... CHƢƠNG 2: LỚP VẬT LÝ Lớp vật lý (PHY) có nhiệm vụ chuyển đổi các dòng bit thành tín hiệu phù hợp nhất để giao tiếp qua các kênh không dây. Cụ thể hơn, lớp vật lý có nhiệm vụ lựa chọn tần số, vận chuyển tần số, phát hiện tín hiệu, điều chế, và mã hóa dữ liệu.Độ tin cậy của thông tin liên lạc cũng phụ thuộc vào đặc tính phần cứng của các nút, như ăng ten và mạch thu phát. Giao tiếp không dây có những lợi thế nhất định như: dễ triển khai, mạng lưới cơ sở hạ tầng miễn phí và truyền thông phát sóng. Tuy nhiên giao tiếp không dây cũng có nhiều thách thức: triển khai có thể tốn kém, cả về năng lượng tiêu thụ và sự phức tạp thực hiện. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho các mạng cảm biến,thường giảm thiểu năng lượng, tầm quan trọng đáng kể, sự phân rã, phân tán, phản xạ, nhiễu xạ, và các hiệu ứng mờ dần. 2.1 Công nghệ tần vật lý Các phương tiện không dây sử dụng trong WSNs là một trong những yếu tố quan trọng nhất, vì các tính chất độc đáo của phương tiện truyền thông khác nhau diễn ra một số hạn chế về năng lực của các lớp vật lý. Nói chung, không dây liên kết có th