TẠ HỮU TRUNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG KHÔNG DÂY THEO TIÊU CHUẨN IEEE 802.15 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MÁY TÍNH Ngành: Mã số: Công nghệ thông tin 1.01.10 LUẬN VĂ
Trang 1TẠ HỮU TRUNG
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA MẠNG KHÔNG DÂY THEO TIÊU CHUẨN IEEE 802.15 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MÁY TÍNH
Ngành:
Mã số:
Công nghệ thông tin 1.01.10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học:
PGS TS NGUYỄN VĂN TAM
Hà Nội – 2006
Trang 2LỜI CÁM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới người hướng dẫn, thầy giáo,
PGS TS Nguyễn Văn Tam, Viện Công nghệ thông tin, Viện khoa học Việt
Nam Thầy giáo, TS Vũ Duy Lợi, Giám đốc Trung tâm Công nghệ thông tin Văn
Phòng Trung Ương Đảng cộng sản Việt Nam - Những người đã giảng dạy và
trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo đã giảng dạy tôi trong
suốt ba năm học qua, các thầy cô trong ban chủ nhiệm lớp K9T3, những người
rất quan tâm tới lớp, giúp tôi và các bạn có được kết quả học tập như ngày hôm
nay
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè tôi, những người đã
ủng hộ và khuyến khích tôi rất nhiều trong tất cả các năm học Họ là nguồn động
viên vô tận của tôi trong cuộc sống
Hà Nội, tháng 03 năm 2006
Tạ Hữu Trung
Trang 3MỤC LỤC
MỤC LỤC 2
MỞ ĐẦU 12
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY THEO CHUẨN IEEE 802.15 14
1 Tổng quan về mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 14
1.1 Các ứng dụng của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 14
1.1.1 Ứng dụng trong gia đình và công sở 15
1.1.2 Ứng dụng trong các ngành công nghiệp 16
1.1.3 Ứng dụng trong các buổi hội thảo 18
1.1.4 Ứng dụng trong Y khoa 18 1.2 Tiêu chuẩn mạng không dây IEEE 802.15 So sánh, đánh giá định tính giữa các chuẩn 19
1.3 Kết luận 23
Chương 2 ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE 802.15.3 24
2.1 Tổng quan hệ thống mạng không dây IEEE 802.15.3 24
2.2 Tầng vật lý 24
2.3 Tầng điều khiển truy nhập MAC 28
2.3.1 Điều khiển truy nhập 30
2.3.1.1 Tổ chức kênh 31
2.3.1.2 Phương thức lựa chọn trạm điều khiển Piconet 33
2.4 Kết luận 38
Chương 3 ĐẶC ĐIỂM VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE 802.15.4 40
3 Tổng quan về mạng không dây IEEE 802.15.4 40
3.1 Phương thức kết nối 41
3.2 Kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.4 44
Trang 43.2.1 Tầng vật lý 44
3.2.2 Tầng điều khiển truy nhập 49
3.3 Điều khiển truy nhập mạng 53
3.3.1 khuôn dạng khung 53
3.3.1.1 Khuôn dạng khung “Beacon” 54
3.3.1.2 Khuôn dạng khung dữ liệu 54
3.3.1.3 Khuôn dạng khung xác nhận 55
3.3.1.4 Khuôn dạng khung lệnh MAC 56
3.3.2 Khuôn dạng của siêu khung 57
3.3.3 Truyền dữ liệu 58
3.3.4 Cơ chế và các kiểu xác thực 60
3.3.4.1 Cơ chế thực hiện CSMA – CA 60
3.3.4.2 Xác nhận khung 63
3.3.4.3 Xác định dữ liệu 64
3.4 Tiêu thụ năng lượng 64
3.5 An ninh trong mạng 64
3.6 Kết luận 65
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE 802.15.4 66
4.1 Hệ mô phỏng NS2 66
4.1.1 Kiến trúc của NS2 67
4.1.2 Môi trường mô phỏng 68
4.1.3 Ngữ cảnh mô phỏng 69
4.1.4 Mẫu lưu lượng 70
4.1.5 File trace 70
4.2 Triển khai mô phỏng và kết quả 71
Trang 54.2.1 Mục đích mô phỏng 71
4.2.2 Mô hình và các thông số mô phỏng 71
4.2.2.1 Mô hình 71
4.2.2.2 Các thông số mô phỏng 72
4.2.3 Phương pháp định tuyến Zigbee 73
4.2.4 Thiết lập mô phỏng 75
4.2.5 Kết quả mô phỏng 76
4.2.6 Kết luận 85
KẾT LUẬN 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87
Trang 6DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Trang 7DRD Dual Role Device
Trang 8MHR Mac Header
Trang 9POS Personal Operating Space
Trang 10DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình vẽ 1.1 – Các kết nối trong gia đình và công sở 13
Hình vẽ 1.2: Ứng dụng mạng không dây trong gia đình 16
Hình 1.3: Ứng dụng của mạng không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.15 trong các ngành công nghiệp, và các dịch vụ an toàn 17
Hình 1.4: Ứng dụng của chuẩn IEEE 802.15 trong các quá trình xử lý trong bệnh viện 18
Hình 1.5: Tổ chức của chuẩn IEEE 802.15 19
Hình 1.6: Tốc độ dữ liệu và không gian sử dụng 20
Hình 1.7: Mô hình bẩy lớp ISO-OSI và mô hình của chuẩn IEEE 802.15 21
Hình 1.8: Một mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15 gồm 7 nút Hình tròn biểu diễn phạm vi hoạt động của nút Các nút nằm trong phạm vi hoạt động của nhau có thể truyền thông trực tiếp được cho nhau 22
Hình 2.1: Phương thức kết nối 24
Hình 2.2: Kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.3 25
Hình 2.3: FCC mask for indoor and outdoor communications 27
Hình 2.4: Mỗi ký hiệu là tập các xung 25
Hình 2.5: Thứ tự của các xung: 12 xung bằng 1 ký hiệu 28
Hình 2.6: Dải phổ của lớp vật lý theo đề xuất của MB-OFDM 28
Hình 2.7: Trao đổi dữ liệu và bản tin giữa trạm điều khiển và trạm làm việc 30
Hình 2.8: Truyền thông giữa 2 Piconet 30
Hình 2.9: Kiến trúc của siêu khung 31
Hình 2.10: Thủ tục truyền 32
Hình 2.11: Không gian Piconet trong IEEE 802.15.3 33
Hình 2.12: Thủ tục lựa chọn PNC 37
Hình 3.1: Phương thức kết nối theo kiểu hình sao và ngang hàng 37
Hình 3.2: Kết hợp phương thức kết nối hình sao và ngang hàng 41
Hình 3.3: Mạng có kiến trúc hình cây 42
Hình 3.4: Kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.4 44
Trang 11Hình 3.5: Các thành phần và kết nối của chuẩn IEEE 802.15.4 45
Hình 3.6: Chức năng trải phổ chuỗi trực tiếp 47
Hình 3.7: Các thành phần và giao diện của phân lớp MAC 49
Hình 3.8: Trình tự các bản tin 50
Hình 3.9: Quá trình liên kết với PAN 51
Hình 3.10: Quá trình phân tách khỏi PAN 52
Hình 3.11: Cấu trúc khung “Beacon” 53
Hình 3.12: Cấu trúc khung dữ liệu 55
Hình 3.13: Cấu trúc khung lệnh MAC 56
Hình 3.14: Cấu trúc khung xác nhận 56
Hình 3.15: Cấu trúc siêu khung 57
Hình 3.16: Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng sử dụng “Beacon” 59
Hình 3.17: Truyền dữ liệu tới trạm điều khiển trong mạng không sử dụng “Beacon” 60 Hình 3.18: Truyền dữ liệu từ trạm điều khiển tới trạm làm việc sử dụng “Beacon” 60
Hình 3.19: Truyền dữ liệu từ tràm điều khiển tới trạm làm việc không có “Beacon” 60 Hình 3.20: Thuật toán CSMA – CA 63
Hình 4.1: Kết quả thực hiện trên NAM 66
Hình 4.2: NS dưới góc nhìn của người dụng 68
Hình 4.3: Các Modul chức năng của IEEE 802.15.4 72
Hình 4.4: Kiến trúc các lớp của ZigBee 73
Hình 4.5: Trình tự quá trình liên kết mạng đơn liên cung 74
Hình 4.6: Trình tự quá trình liên kết mạng đa liên cung 74
Hình 4.7: AODV trên chuẩn IEEE 802.15.4 …77
Hình 4.8: Kết nối hình sao có sử dụng khung “Beacon” 77
Hình 4.9: Kết nối ngang hàng có cấu trúc hình cây và sử dụng khung “Beacon” 78
Hình 4.10: Phân bố các trạm 79
Hình 4.11: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11 – Packet delivery ratio 80
Hình 4.12: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11: RTS/ CTS Overhead 81
Trang 12Hình 4.13: So sánh IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11 về bước trễ 82
Bảng 3.1: Thông số của tiền tố PLME – ED.confirm 46
Bảng 3.2: Tần số kênh 47
Bảng 3.3: Bảng ánh xạ Bit – to – chip 48
Bảng 4.1 Successful Association Rate, Beaconing Cooperator Ratio 83
Trang 13TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Anh:
Microsoft Corporation, NEC Corporation, Koninklijke Philips Electronics
N.V., Samsung Electronics Co., Ltd Availabe from http://www.usb.org
(2005), “Wireless Universal Serial Bus Specification”
sensor network Designs”
[3] Andrew D Parker, (July 14th, 2004), “A Guide For the Clueless: IEEE
802.15.4 Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Networks
(LR-WPAN)”
Overview”, Department of Computer Science, University of California, Davis,
CA 95616
vector routing”, proceedings of IEEE Workshop on Mobile Computing
Systems and Applications
[6] IEEE 802.15 Web site: http://ieee802.org/15/pub/
Telecommunications and information exchange between systems Local and
metropolitan area networks Specific requirements – Part 15.3: Wireless
Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for
High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)”
Engineer, Inc (Oct 2005), “802.15.4, IEEE standard for Information
technology”
OFDM Physical Layer Proposal for IEEE 802.15 Task Group 3a,”
the IEEE Computer Society (Approved 12 May 2003), “IEEE Standard for
Information technology, Telecommunications and information exchange
between systems,Local and metropolitan area networks Specific requirements
Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer
Trang 14(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks
(LR-WPANs)”
[11] IEEE 802.15.4/D18, Draft Standard, (Feb, 2003), “Low Rate Wireless
Personal Area networks”
[12] Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc 345 East 47th street,
New York, NY 10017, USA (2003), “IEEE project 802 Wireless Personal
Area Network Working Group 802.15”
[13] Jasson Ellis – Sr Manager, Marketing and Business Development Vice
chairma IEEE 802.15.4, Available from www.staccatocommunications.com
(7 June 2005), “Wireless Connectivity World”
jdecuir@ieee.org “Progress on Ultra Wide band”
of IEEE 802.15.4”
Standard for 802.15.3 (2003), Wireless LAN Medium Access Control (MAC)
specifications”
Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access
Communications", IEEE Transactions on Communications, vol 48, pp 679 -
689
www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial/
[19] Robert F.Heile, PhD Chair, IEEE 802.15, (2004), “Ultra-Wideband in
Singapore”
www.isi.edu/nsnam/ns/
http://multinet.inha.ac.kr , “Power aware Multi-hop Packet – Relay MAC
protocol in UWB Based WPANs”.
Trang 15[23] Yuefeng Zhou, David I Laurenson, Stephen McLaughlin - School of
Engineering & Electronics, University of Edinburgh - Edinburgh, EH9 3JL,
UK “A Novel Piconet Coordinator Selection Method for
IEEE802.15.3-Based WPAN”
2004 “ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary”
[25] ZigbeeTM Alliance, (2004), “wireless Control That simply Works”