Phân tích giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG TIẾN LỢI PHÂN TÍCH GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2015... 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜN

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG TIẾN LỢI

PHÂN TÍCH GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM

BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2015

Trang 2

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

DƯƠNG TIẾN LỢI

PHÂN TÍCH GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM

BIẾN KHÔNG DÂY

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính

Mã số: 604815

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT

Hà Nội - 2015

Trang 3

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình luận văn nào trước đây

Tác giả luận văn

Dương Tiến Lợi

Trang 4

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thực tế, nhu cầu về giám sát, quản lý, theo dõi và thu thập thông tin tại những nơi nguy hiểm, địa hình khó khăn như rừng núi hay sa mạc, chiến trường, môi trường nhiễm phóng xạ v.v là rất cần thiết và quan trọng Các nhu cầu đó khó có thể triển khai với hệ thống mạng truyền thống do đó đã thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển và triển khai mạng cảm biến không dây - WSN (Wireless Sensor Network) Mạng cảm biến không dây bao gồm từ hàng chục đến hàng trăm, hàng nghìn các thiết bị cảm biến, mỗi thiết bị được thiết kế với một bộ xử lý, một bộ nhớ dung lượng nhỏ, bộ thu phát tín hiện vô tuyến và bộ cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp suất v.v Do mạng cảm biến không dây được thiết kế liên kết với nhau bằng sóng vô tuyến nên tiêu thụ cực

ít năng lượng.Tuy nhiên, nút cảm biến nhỏ nên khả năng lưu trữ, tính toán hay tuổi thọ của nút cảm biến bị hạn chế

Với sự thuận lợi và khó khăn khi thiết kế và triển khai mạng cảm biến không dây (WSN) đã đặt ra nhiều hướng nghiên cứu để hoàn chỉnh hệ thống, trong đó có các hướng nghiên cứu chính đang được quan tâm mạnh mẽ từ các nhà khoa học đó là: Điều khiển truy nhập môi trường truyền cho mạng cảm biến không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các thiết bị cảm biến Vấn đề năng lượng và sử dụng tiết kiệm năng lượng, vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) v.v Trong đó vấn đề giảm tiêu hao năng lượng là một trong số vấn đề được quan tâm hàng đầu, do đây là vấn đề sống còn quyết định thời gian sống của toàn hệ thống mạng WSN Chính vì vậy, nghiên cứu về

“Phân tích giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây” có ý nghĩa lý luận

và thực tiễn

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu tổng thể mạng cảm biến không dây, phân tích giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây nhằm mục đích là sử dụng năng lượng hiệu quả để kéo dài thời gian sống của hệ thống mạng Phân tích, đánh giá việc sử dụng năng lượng hiệu quả của một số giao thức trong lớp MAC như MAC dựa trên cạnh tranh hay MAC dựa trên đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và giao thức cải tiến v.v

Bố cục của luận văn tuân theo mẫu của trường Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN; Luận văn gồm 4 chương chính, ngoài ra còn có các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày trong các chương, đánh giá các kết quả đã đạt được Nội dung các chương được tóm tắt như sau:

Trang 5

Chương 1: Tổng quan về mạng WSN, giới thiệu một cách tổng quan về mạng WSN, các ứng dụng của mạng WSN và các yếu tố cần quan tâm khi thiết

kế, xây dựng mạng WSN

Chương 2: Phân tích một số giao thức điển hình trong lớp MAC sử dụng năng lượng hiệu quả trong mạng cảm biến không dây, gồm có 2 nhóm chính: MAC dựa trên cạnh tranh và MAC dựa trên TDMA Từ những phân tích đó tác giả đưa ra đề xuất cải tiến chế độ phát tín hiệu dựa trên khoảng cách trung bình giữa nút gửi và các nút còn lại

Chương 3: Giới thiệu về OMNet++

Chương 4: Đánh giá hiệu năng của giao thức MAC đã được cải tiến bằng

bộ mô phỏng OMNET++ So sánh và ghi nhận kết quả đánh giá giao thức đã cải tiến với các giao thức MAC hiện tại

Trong quá trình làm luận văn tác giả đã rất cố gắng song luận văn có thể vẫn còn thiếu sót nhất định Tác giả rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô giáo để luận văn hoàn thiện hơn Qua đây, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đình Việt, thầy đã gợi ý và tận tình chỉ bảo, cung cấp nhiều tài liệu quan trọng liên quan tới quá trình thực hiện luận văn Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội đã dạy và giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và học tập tại trường

Xin trân trọng cảm ơn Tác giả: Dương Tiến Lợi

Trang 6

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời mở đầu

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

CHƯƠNG 1 ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN)ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined

1.2 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined

1.2.1 Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong quân sự Error! Bookmark

not defined

1.2.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong giám sát môi trường Error!

Bookmark not defined

1.2.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong công nghiệp Error!

1.2.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong y học Error! Bookmark not

defined

1.2.5 Ứng dụng wsn trong ngôi nhà thông minh Error! Bookmark not

defined

1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined

1.3.1 Nút cảm biến Error! Bookmark not defined

1.3.2 Mạng cảm biến Error! Bookmark not defined

1.4 Các thách thức phải giải quyết và tình hình nghiên cứu hiện nay Error!

Bookmark not defined

1.5 Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn Error! Bookmark not defined

GIAO THỨC LỚP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂYERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

Trang 7

2.1 Tổng quan về giao thức MAC Error! Bookmark not defined

2.1.1 Giao thức MAC trong mạng LAN có dây (802.3) Error! Bookmark not

defined

2.1.2 Giao thức MAC trong mạng LAN không dây – WLAN (802.11) Error!

2.1.3 Giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây và việc phân loại Error!

2.2 MAC dựa trên cạnh tranh Error! Bookmark not defined

2.2.1 Sensor-MAC Error! Bookmark not defined

2.2.1.1 Chu kỳ thức ngủ Error! Bookmark not defined

2.2.1.2 Đồng bộ thời gian giữa các nút trong mạng Error! Bookmark

not defined

2.2.1.3 Tránh nghe thừa Error! Bookmark not defined

2.2.2 Time out-MAC Error! Bookmark not defined

2.2.2.1 Chu kỳ thức ngủ Error! Bookmark not defined

2.2.2.2 Đồng bộ thời gian Error! Bookmark not defined

2.2.2.3 Thực hiện gửi RTS và chọn thời gian TA Error! Bookmark not

defined

2.2.2.4 Tránh nghe thừa Error! Bookmark not defined

2.2.2.5 Truyền thông bất đối xứng Error! Bookmark not defined

2.3 MAC dựa trên đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) Error!

Bookmark not defined

2.3.1 EMAC (EYES MAC) Error! Bookmark not defined

2.3.1.1 Cấu trúc khe thời gian Error! Bookmark not defined

2.3.1.2 Chọn khe thời gian Error! Bookmark not defined

2.3.1.3 Chế độ ngủ của EMAC Error! Bookmark not defined

2.3.1.4 Phân cụm và định tuyến dựa trên cụm Error! Bookmark not

defined

2.3.2 LMAC (Lightweight MAC) Error! Bookmark not defined

2.3.2.1 Khung và khe thời gian Error! Bookmark not defined

2.3.2.2 Thông điệp điều khiển Error! Bookmark not defined

2.3.2.3 Thông điệp dữ liệu Error! Bookmark not defined

2.3.2.4 Tìm kiếm khe thời gian rảnh Error! Bookmark not defined

2.3.2.5 Giải quyết xung đột Error! Bookmark not defined

2.3.2.6 Thiết lập mạng Error! Bookmark not defined

2.3.2.7 Định tuyến tới các cổng Error! Bookmark not defined

2.4 Đề xuất cải tiến cơ chế phát tín hiệu Error! Bookmark not defined

PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG OMNET ++ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

Trang 8

3.1 Giới thiệu OMNET++ Error! Bookmark not defined

3.1.1 Các thành phần chính trong OMNET ++ Error! Bookmark not

defined

3.1.2 Ứng dụng Error! Bookmark not defined

3.2 Mô hình trong OMNET ++ Error! Bookmark not defined

3.2.1 Cấu trúc phân cấp các mô đun Error! Bookmark not defined

3.2.2 Kiểu mô đun (module) Error! Bookmark not defined

3.2.3 Thông điệp, cổng, liên kết Error! Bookmark not defined

3.2.4 Mô hình truyền gói tin Error! Bookmark not defined

3.3 Sử dụng OMNET ++ Error! Bookmark not defined

3.3.1 Xây dựng và chạy thử Error! Bookmark not defined

3.3.2 Hệ thống file Error! Bookmark not defined

3.4 Ngôn ngữ NED Error! Bookmark not defined

3.4.1 Tổng quan về NED Error! Bookmark not defined

3.4.2 Các thành phần của ngôn ngữ mô tả NED Error! Bookmark not

defined

3.4.3 Các từ khoá Error! Bookmark not defined

3.4.4 Đặt tên Error! Bookmark not defined

3.4.5 Các chỉ dẫn import Error! Bookmark not defined

3.4.6 Khai báo các kênh Error! Bookmark not defined

3.4.7 Khai báo các module đơn giản Error! Bookmark not defined

3.4.8 Các tham số của module đơn giản Error! Bookmark not defined

3.4.9 Khai báo mô đun kết hợp Error! Bookmark not defined

3.4.10 Khai báo mạng Error! Bookmark not defined

3.4.11 Chú thích Error! Bookmark not defined

3.5 Phân tích thiết kế và xây dựng mô đun cải tiến Error! Bookmark not

defined

3.5.1 Cài đặt thuật toán tính năng lượng tối thiểu và khoảng cách lớn nhất

Error! Bookmark not defined

3.5.2 Cài đặt thuật toán tính khoảng cách trung bình và khoảng cách lớn nhất

giữa nút gửi và các nút còn lại (nút nhận) Error! Bookmark not defined

3.5.3 Giảm năng lượng phát tín hiệu dựa trên khoảng cách trung bình Error!

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨCMAC ĐÃ ĐƯợC CảI TIếN

CHế Độ PHÁT TÍN HIệUBẰNG BỘ MÔ PHỎNG MẠNG OMNET ++ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 4.1 Mô phỏng giao thức LMAC và LMAC áp dụng cải tiến Error! Bookmark

not defined

Trang 9

4.1.1 Nút cảm biến sử dụng trong mô phỏng Error! Bookmark not defined 4.1.2 Tìm kiếm khe thời gian rảnh Error! Bookmark not defined 4.1.3 Mô hình mô phỏng MAC-Simulator Error! Bookmark not defined 4.1.4 Thiết lập mạng mô phỏng Error! Bookmark not defined

4.1.5 Thực hiện và kết quả mô phỏng LMAC và LMAC áp dụng cải tiến

Error! Bookmark not defined

4.1.5.1 Lấy khoảng cách trung bình giữa nút phát và các nút còn lại

Error! Bookmark not defined 4.1.5.2 Lấy khoảng cách lớn nhất giữa nút phát với các nút còn lạiError! Bookmark not defined

4.1.6 Đánh giá kết quả mô phỏng Error! Bookmark not defined 4.2 Kết luận Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

Trang 10

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không

dây

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian CSMA Carrirer Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang

CA Collision Avoidance Tránh đụng độ

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập đường

truyền RTS Request to Send Yêu cầu gửi

FRTS Future Request to Send Gửi sớm RTS

OA Overhearing Avoidance Tránh nghe thừa

CM Control Message Thông điệp điều khiển

iLMAC Improvement Lightweight MAC LMAC áp dụng cải tiến

Trang 11

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.5 Ứng dụng WSN trong ngôi nhà thông minh 18 Hình 1.6 Kiến trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây 19 Hình 1.7 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 19

22

Hình 2.5 Giải quyết nút hiện bằng cơ chế RTS/CTS 27 Hình 2.6 Chu kỳ thức ngủ (Active/Sleep) của S-MAC 29 Hình 2.7 Chu kỳ thức ngủ tại thời điểm thiết lập đồng bộ 29

Hình 2.9 Quá trình đồng bộ giữa các nút gửi và nút nhận 30

31

Hình 2.11 Mô hình tránh nghe thừa (Overhearing) 32

Hình 2.19 Nút B, C, D gửi yêu cầu kết nối CR đến nút A 42 Hình 2.20 Nút A gửi quảng bá thông điệp điều khiển 42

Hình 2.22 Một nút thức mới trong mạng có thể chọn 1 khe thời gian khi

nó tìm ra tất cả các nút hàng xóm của nó

44

Trang 12

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Lamia CHAARI and Lotfi KAMOUN, “Wireless sensors networks MAC protocols analysis”, April 2010

2 Tijs van Dam, Koen Langendoen“An Adaptive Energy – Efficient MAC

Protocol for Wireless Sensor Networks ”Faculty of Information

Technology and Systems Delft University of Technology The Netherlands

3 S.Dulman, P.Havinga, “A Simulation Template for Wireless Sensor

Networks”, Supplement of the The Sixth International Symposium on Autonomous Decentralized Systems, April 2003

4 L.F.W van Hoesel , T Nieberg , H.J Kip , P.J.M Havinga, “Advantages

of a TDMA based, energy-efficient, self-organizing MAC protocol for WSNs”

5 T.Nieberg, S.Dulman, P.Havinga, L.van Hoesel and J.Wu, “Collaborative Algorithms for Communication in Wireless Sensor Networks”, Ambient

Intelligence: Impact on Embedded Systems, Kluwer Academic Publishers,

ISBN 1-4020-7668-1, November 2003

6 L.F.W van Hoesel and P.J.M Havinga, “A Lightweight Medium Access Protocol (LMAC) for Wireless Sensor Networks: Reducing Preamble Transmissions and Transceiver State Switches”, In 1st International

Workshop on Networked Sensing Systems (INSS 2004), June 2004

7 L.F.W van Hoesel, P.J.M Havinga, ”Design Aspects of An

Energy-efficient, Lightweight Medium Access Control Protocol for Wireless

Sensor Networks”, July 17,2006.

8 https://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html

9 http://standards.ieee.org/about/get/802/802.11.html

10 https://omnetpp.org/

11 http://mixim.sourceforge.net/index.html

Định dạng
Số trang	12
Dung lượng	266,3 KB