ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Thành Nam NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG PHƯƠNG PH
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Thành Nam
NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MÁY TÍNH
Ngành: Công nghệ thông tin
Mã số : 1.01.10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Vũ Duy Lợi
Hà Nội - 2008
Trang 2MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 4
MỞ ĐẦU 6
CHƯƠNG 1 - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 8
1.1 Mạng cảm biến và ứng dụng 8
1.2 Kiến trúc mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.3 Điều khiển truy nhập MAC trong mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined
CHƯƠNG 2 - ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT Error! Bookmark not defined 2.1 Khái niệm và các thông số hiệu suất Error! Bookmark not defined 2.2 Các phương pháp đánh giá hiệu suất Error! Bookmark not defined 2.3 Mô phỏng bằng chương trình máy tínhError! Bookmark not defined 2.4 Bộ mô phỏng mạng OMNeT++ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not defined 3.1 Yêu cầu thiết kế điều khiển truy nhập MAC Error! Bookmark not defined
3.2 Phân loại và nguyên tắc hoạt động điều khiển truy nhập MAC Error! Bookmark not defined
3.3 Đánh giá Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 4 - NHIÊN CỨU, CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP Error!
Bookmark not defined
4.1 Giao thức S-MAC Error! Bookmark not defined 4.2 Giao thức T-MAC Error! Bookmark not defined 4.3 Mô phỏng S-MAC, T-MAC bằng bộ chương trình OMNET++ Error! Bookmark not defined
Trang 3KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 PHỤ LỤC 1: BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AI- LMAC Adaptive Information-centric
LMAC
Giao thức AI-LMAC
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
mã CTS Clear to Send Sẵn sàng nhận
FDMA Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
FLAMA FLow-Aware Medium Access Giao thức FLAMA
FRTS Future Request to Send Yêu cầu gửi sớm
LMAC Lightweight MAC Giao thức LMAC
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập đường
truyền NAV Network Allocation Vector vectơ thòi gian chiếm giữ
mạng PEDAMACS Power Efficient and Delay Aware
Medium
Giao thức PEDAMACS
PMAC Pattern MAC Giao thức PMAC
RTS Request to Send Yêu cầu gửi
S-MAC Sensor-MAC Giao thức S-MAC
STEM Sparse Topology and Energy
Management
Giao thức STEM
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo
thời gian T-MAC Timeout-MAC Giao thức T-MAC
TRAMA TRaffic Adaptive Medium Access Giao thức TRAMA
WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Z-MAC Zebra MAC Giao thức Z-MAC
Trang 4DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Trang
Hình 1.2 Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến 13 Hình 1.3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 14 Hình 2.1 Các phương pháp đánh giá hiệu suất 19 Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống mô phỏng theo sự kiện rời rạc 24 Hình 2.3 Nguyên tắc hoạt động của mô phỏng theo sự kiện rời
rạc
26
Hình 2.4 Kiến trúc liên kết của một chương trình mô phỏng 29 Hình 2.5 Cấu trúc nút cảm biến được định nghĩa bằng ngôn ngữ
NED trong OMNeT++
30
Hình 2.6 Cấu trúc mô phỏng mạng cảm biến được định nghĩa
bằng ngôn ngữ NED trong OMNeT++
31
Hình 3.1 Nguyên tắc phân loại những giao thức MAC theo tổ
chức thời gian và sự phát triển lịch sử
39
Hình 3.2 Nghe mức thấp (Low-Power Listening) 40 Hình 3.3 Chu trình thức/ngủ của giao thức truy nhập theo lịch 42 Hình 3.4 Truyền dữ liệu với kỹ thuật đồng bộ thời điểm thăm
dò kênh
43
Hình 3.6 Z-MAC: cấu trúc khe với sự ưu tiên gắn sẵn cho
những chủ nhân khe thời gian
48
Hình 4.3 Quan hệ định thời giữa nút nhận và các nút gửi 56
Hình 4.6 Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản T-MAC 64
Hình 4.9 Thực hiện ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy 68
Trang 5Bảng 4.1 Thông số tiêu thụ năng lượng của nút cảm biến EYES 69 Hình 4.11 Ma trận 100 nút cảm biến phân bố đều nhau 70 Hình 4.12 Giao thức S-MAC: Các mức tiêu thụ dòng điện trung
bình ứng với từng tốc độ phát sinh gói tin thay đổi
theo thời gian thức trên một khung thời gian
72
Hình 4.13 Giao thức S-MAC: Các mức tiêu thụ dòng điện trung
bình ứng với từng thời gian thức trên một khung, thay
đổi theo tốc độ phát sinh gói tin
72
Hình 4.14 Dòng điện tiêu thụ trung bình ứng với từng giao thức
thay đổi theo tốc độ phát sinh gói tin
73
Hình 4.15 Dòng điện tiêu thụ trung bình của T-MAC khi thay
đổi tốc độ phát sinh gói tin
74
Hình 4.16 T-MAC với việc thực hiện gửi sớm RTS tăng thông
lượng cực đại
75
Hình 4.17 Mức tiêu thụ dòng điện trung bình khi thay đổi tốc
độ phát sinh gói tin
75
Hình 4.18 Các mức tiêu thụ dòng điện trung bình với chiều dài
gói tin là 20 byte
76
Hình 4.19 Các mức tiêu thụ dòng điện trung bình với chiều dài
gói tin là 100 byte
76
Hình 4.20 Mức tiêu thụ dòng điện trung bình 3 loại giao thức
cho ứng dụng mạng cảm biến thông thường
77
Trang 6MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng thông tin máy tính di động được phát triển mạnh mẽ Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến di động (wireless mobile sensor network), dạng không cấu trúc (ad hoc mobile network) mới xuất hiện, nhưng đã được nhiều nước, nhiều tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh, kinh tế … quan tâm
Mạng cảm biến có thể bao gồm hàng nghìn, thậm chí hàng triệu thiết bị cảm biến (sensors) thông minh, được trang bị một bộ xử lý, một bộ nhớ dung lượng nhỏ
và các cảm biến để đo ánh sáng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ Trong tương lai, mạng này có thể giám sát cả môi trường, phương tiện máy móc và con người Mạng cảm biến liên hệ bằng sóng vô tuyến, tiêu thụ cực ít năng lượng, hoạt động liên tục trong mọi điều kiện, môi trường Mạng cảm biến có thể còn bao gồm cả các thiết bị điều khiển (actors) thông minh, trao đổi số liệu và thực hiện điều khiển đối với các thiết bị cảm biến
Để thiết kế và thực hiện các mạng cảm biến, nhiều vấn đề điều khiển được đặt ra, phải được nghiên cứu, giải quyết tối ưu, phù hợp với đặc thù của mạng cảm biến không dây, ví dụ: điều khiển truy nhập mạng không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các thiết bị cảm biến và điều khiển một cách có chọn lọc (lựa chọn một nhóm các thiết bị cảm biến và điều khiển) Nghiên cứu, đánh giá một số cơ chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến di động có ý nghĩa lý luận và thực tiễn
Mục tiêu chính của luận văn là cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng; nguyên tắc hoạt động một số cơ chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây; phân tích, đánh giá hiệu suất hoạt động của một
số cơ chế điều khiển trên
Ngoài bốn chương chính, bố cục luận văn 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, đồng thời đưa ra các định hướng nghiên cứu, phát triển tiếp theo Nội dung các chương được tóm tắt như sau:
Trang 7Chương 1 trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu tạo nút cảm biến cũng như kiến trúc mạng cảm biến, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến, một số vấn đề đặt ra trong cơ chế điểu khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến
Chương 2 giới thiệu tổng quan về đánh giá hiệu suất và mô phỏng bằng chương trình máy tính Giới thiệu bộ chương trình mô phỏng đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực viễn thông OMNet++
Chương 3 trình bày các vấn đề trong thiết kế cơ chế điều khiển truy nhập MAC cho mạng cảm biến không dây Phân loại và đánh giá các phương pháp điều khiển truy nhập MAC trong mạng cảm biến không dây
Chương 4 giới thiệu, đặc tả hai giao thức điều khiển truy nhập được dùng cho mạng cảm biến là S-MAC và T-MAC, thực hiện mô phỏng và đánh giá hiệu suất các giao thức trên bằng bộ chương trình OmNet++
Mặc dù đã rất cố gắng, song do khuôn khổ thời gian và thức hạn hẹp nên luận văn còn những hạn chế nhất định, tác giả rất mong nhận được những góp ý để vấn đề nghiên cứu này ngày càng được hoàn thiện hơn Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Vũ Duy Lợi, người thầy hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình thực hiện luận văn này, xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã dạy
và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
Trang 8CHƯƠNG 1 - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Mạng cảm biến và ứng dụng
1.1.1 Mạng cảm biến
Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố
cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng Vị trí của các nút cảm biến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước, điều này cho phép các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp Điều đó cũng có nghĩa là các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng tự tổ chức Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong Thay vì gửi đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiện các tính toán đơn giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu
Những ứng dụng của mạng cảm biến đòi hỏi nó phải có những kỹ thuật đặc biệt hơn so với các kỹ thuật áp dụng cho các mạng không dây phi cấu trúc (mạng
ad hoc) Mặc dù nhiều giao thức và giải thuật đã được thiết kế cho những mạng ad hoc không dây truyền thống, nhưng chúng chưa thỏa mãn những đặc tính và yêu cầu ứng dụng của mạng cảm biến Để thấy được điểm này, ta hãy xem xét sự khác nhau giữa mạng cảm biến và mạng ad hoc:
Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so với những nút trong mạng ad hoc
Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn
Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động
Topo mạng cảm biến thay đổi rất thường xuyên
Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá (broadcast) trong khi mà đa số các mạng ad hoc là điểm - điểm (point-to-point)
Trang 9 Những nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ
Những nút cảm biến có thể không có định danh toàn cầu (global ID) Khi số lượng lớn những nút cảm biến được triển khai mật độ dày thì những nút lân cận phân bố rất gần lẫn nhau, vì vậy truyền thông đa bước nhảy trong mạng cảm biến phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy truyền thống Hơn nữa, năng lượng phục vụ truyền dữ liệu có thể để ở mức thấp, chủ yếu dành cho các hoạt động chuyển đổi, xử lý Truyền thông đa bước nhảy cũng khắc phục
có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa trong giao tiếp không dây
Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là mức
độ tiêu thụ điện phải thấp Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm biến là có hạn và nói chung là không thể thay thế Bởi vậy, trong khi các mạng truyền thống tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng Chúng phải có những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ của mạng hay thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao
Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao quanh
đa dạng như:
nhiệt độ,
độ ẩm,
sự chuyển động của phương tiện,
điều kiện ánh sáng,
sức ép,
sự ô nhiễm,
Trang 10TÀI LIỆU THAM KHẢO
A Tài liệu Tiếng Việt
1 Vũ Duy Lợi (2005), Bài giảng “Một số vấn đề nâng cao của công nghệ mạng máy tính”
2 Vũ Duy Lợi (2002), Mạng thông tin máy tính, Nhà xuất bản Thế giới
3 Phạm Bảo Sơn (2006), Mạng cảm biến vô tuyến và đánh giá chỉ tiêu của giao
thức chọn đường LEACH, Tạp chí Bưu chính Viến thông
B Tài liệu tiếng Anh
1 I F Akyildiz, W Su, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci (2002), Wireless sensor networks: a survey, Computer networks 38, pp 393-422
2 Ilker Demirkol, Cem Ersoy, and Fatih Alagoz (2006), MAC Protocols for Wireless Sensor Networks: a survey, Communications Magazine, IEEE
Volume 44, Issue 4, page(s): 115 – 121
3 W R Heinzelman, A Chandrakasan, H Balakrishman (2000), Energy-efficient communication protocols for wireless microsensor networks, in Proc
of Hawaii Intern Conference on Sysstem Science
4 Holger Karl, Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons
5 Koen Langendoen (2007), Medium Access Control in Wireless Networks,
Volume II: Practice and Standards, Nova Science Publishers
6 Wei Ye, John Heidemann (2005), Ultra-low duty cycle mac with scheduled channel polling, Technical Report ISI-TR-604, USC/ISI
7 Wei Ye, John Heidemann, Deborah Estrine (2003), Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks, Techn
Report, ISI-TR 567, USC Information Sciences Institute,
8 Wei Ye, John Heidemann (2003), Medium Access Control in Wireless Sensor Networks,USC/ISI Technical Report ISI-TR-580
Trang 119 Wei Ye, John Heidemann (2002), An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks, in Proc of Inforcom, NY, pp.1567-1576
10 Wei Ye, John Heidemann, Deborah Estrine (2002), An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks, in Proc of Inforcom, NY, pp.1567-1576
11 Tijs van Dam, Koen Langendoen (2003), An adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, in Proc of SenSys'03, LA, USA
12 A Varga (2001), The OMNET++ discrete event simulation system, in Proc of
ESM'2001, Prague, Czech Republic
