Cayirci 2002, Wireless sensor networks: a survey, Computer networks 38, pp.. Ilker Demirkol, Cem Ersoy, and Fatih Alagoz 2006, MAC Protocols for Wireless Sensor Networks: a survey, Commu
Trang 1I H C QU C GIA HÀ N I
Lê Thành Nam
PH NG PHÁP I U KHI N TRUY NH P MAC
TRONG M NG C M BI N KHÔNG DÂY B NG
PH NG PHÁP MÔ PH NG MÁY TệNH
Ngành: Công ngh thông tin
Mã s : 1.01.10
LU N V N TH C S
NG I H NG D N KHOA H C: PGS.TS V Duy L i
Hà N i - 2008
Trang 2M C L C
DANH M C T VI T T T 3
DANH M C HÌNH V VÀ B NG BI U 4
M U 6
CH NG 1 - M NG C M BI N KHÔNG DÂY 8
1.1 M ng c m bi n và ng d ng 8
1.2 Ki n trúc m ng c m bi n không dây Error! Bookmark not defined 1.3 i u khi n truy nh p MAC trong m ng c m bi n không dây Error! Bookmark not defined.
CH NG 2 - ÁNH GIÁ HI U SU T Error! Bookmark not defined 2.1 Khái ni m và các thông s hi u su t Error! Bookmark not defined 2.2 Các ph ng pháp đánh giá hi u su t Error! Bookmark not defined 2.3 Mô ph ng b ng ch ng trình máy tínhError! Bookmark not defined 2.4 B mô ph ng m ng OMNeT++ Error! Bookmark not defined.
CH NG 3 - PH NG PHÁP I U KHI N TRUY NH P MAC TRONG
M NG C M BI N KHÔNG DÂY Error! Bookmark not defined 3.1 Yêu c u thi t k đi u khi n truy nh p MAC Error! Bookmark not defined.
3.2 Phân lo i và nguyên t c ho t đ ng đi u khi n truy nh p MAC Error! Bookmark not defined.
3.3 ánh giá Error! Bookmark not defined.
CH NG 4 - NHIÊN C U, CÀI T MÔ PH NG, ÁNH GIÁ HI U
SU T M T S PH NG PHÁP I U KHI N TRUY NH P Error!
Bookmark not defined
4.1 Giao th c S-MAC Error! Bookmark not defined 4.2 Giao th c T-MAC Error! Bookmark not defined 4.3 Mô ph ng S-MAC, T-MAC b ng b ch ng trình OMNET++ Error! Bookmark not defined.
Trang 3K T LU N Error! Bookmark not defined CÔNG TRÌNH KHOA H C LIÊN QUAN Error! Bookmark not defined TÀI LI U THAM KH O 10
PH L C 1: B NG T NG H P K T QU MÔ PH NG 83
DANH M C T VI T T T
V i t t t Ti ng Anh Ti ng Vi t
AI- LMAC Adaptive Information-centric
LMAC
Giao th c AI-LMAC
CDMA Code Division Multiple Access a truy nh p phân chia theo
mã CTS Clear to Send S n sàng nh n
FDMA Frequency Division Multiple
Access
a truy nh p phân chia theo
t n s
FLAMA FLow-Aware Medium Access Giao th c FLAMA
FRTS Future Request to Send Yêu c u g i s m
LMAC Lightweight MAC Giao th c LMAC
MAC Medium Access Control i u khi n truy nh p đ ng
truy n
NAV Network Allocation Vector vect thòi gian chi m gi
m ng PEDAMACS Power Efficient and Delay Aware
Medium
Giao th c PEDAMACS
PMAC Pattern MAC Giao th c PMAC
RTS Request to Send Yêu c u g i
S-MAC Sensor-MAC Giao th c S-MAC
STEM Sparse Topology and Energy
Management
Giao th c STEM
TDMA Time Division Multiple Access a truy nh p phân chia theo
th i gian
T-MAC Timeout-MAC Giao th c T-MAC
TRAMA TRaffic Adaptive Medium Access Giao th c TRAMA
WSN Wireless Sensor Network M ng c m bi n không dây
Z-MAC Zebra MAC Giao th c Z-MAC
Trang 4DANH M C HÌNH V VÀ B NG BI U
Trang
Hình 1.2 Phân b nút c m bi n trong tr ng c m bi n 13 Hình 1.3: Ki n trúc giao th c c a m ng c m bi n 14
Hình 2.2 Ki n trúc h th ng mô ph ng theo s ki n r i r c 24 Hình 2.3 Nguyên t c ho t đ ng c a mô ph ng theo s ki n r i
r c
26
Hình 2.4 Ki n trúc liên k t c a m t ch ng trình mô ph ng 29 Hình 2.5 C u trúc nút c m bi n đ c đ nh ngh a b ng ngôn ng
NED trong OMNeT++
30
Hình 2.6 C u trúc mô ph ng m ng c m bi n đ c đ nh ngh a
b ng ngôn ng NED trong OMNeT++
31
Hình 3.1 Nguyên t c phân lo i nh ng giao th c MAC theo t
ch c th i gian và s phát tri n l ch s
39
Hình 3.2 Nghe m c th p (Low-Power Listening) 40 Hình 3.3 Chu trình th c/ng c a giao th c truy nh p theo l ch 42 Hình 3.4 Truy n d li u v i k thu t đ ng b th i đi m th m
dò kênh
43
Hình 3.6 Z-MAC: c u trúc khe v i s u tiên g n s n cho
nh ng ch nhân khe th i gian
48
Hình 4.3 Quan h đ nh th i gi a nút nh n và các nút g i 56
Hình 4.6 L c đ trao đ i d li u c b n T-MAC 64
Hình 4.9 Th c hi n u tiên g i khi b đ m đ y 68
Trang 5B ng 4.1 Thông s tiêu th n ng l ng c a nút c m bi n EYES 69 Hình 4.11 Ma tr n 100 nút c m bi n phân b đ u nhau 70 Hình 4.12 Giao th c S-MAC: Các m c tiêu th dòng đi n trung
bình ng v i t ng t c đ phát sinh gói tin thay đ i
theo th i gian th c trên m t khung th i gian
72
Hình 4.13 Giao th c S-MAC: Các m c tiêu th dòng đi n trung
bình ng v i t ng th i gian th c trên m t khung, thay
đ i theo t c đ phát sinh gói tin
72
Hình 4.14 Dòng đi n tiêu th trung bình ng v i t ng giao th c
thay đ i theo t c đ phát sinh gói tin
73
Hình 4.15 Dòng đi n tiêu th trung bình c a T-MAC khi thay
đ i t c đ phát sinh gói tin
74
Hình 4.16 T-MAC v i vi c th c hi n g i s m RTS t ng thông
l ng c c đ i
75
Hình 4.17 M c tiêu th dòng đi n trung bình khi thay đ i t c
đ phát sinh gói tin
75
Hình 4.18 Các m c tiêu th dòng đi n trung bình v i chi u dài
gói tin là 20 byte
76
Hình 4.19 Các m c tiêu th dòng đi n trung bình v i chi u dài
gói tin là 100 byte
76
Hình 4.20 M c tiêu th dòng đi n trung bình 3 lo i giao th c
cho ng d ng m ng c m bi n thông th ng
77
Trang 6M U
Trong nh ng n m g n đây, vi c nghiên c u các h th ng m ng thông tin máy tính di đ ng đ c phát tri n m nh m c bi t là h th ng m ng c m bi n di
đ ng (wireless mobile sensor network), d ng không c u trúc (ad hoc mobile network) m i xu t hi n, nh ng đư đ c nhi u n c, nhi u t ch c xư h i, qu c phòng, an ninh, kinh t … quan tâm
M ng c m bi n có th bao g m hàng nghìn, th m chí hàng tri u thi t b c m
bi n (sensors) thông minh, đ c trang b m t b x lý, m t b nh dung l ng nh
và các c m bi n đ đo ánh sáng, đ m, áp su t, nhi t đ Trong t ng lai, m ng này có th giám sát c môi tr ng, ph ng ti n máy móc và con ng i M ng c m
bi n liên h b ng sóng vô tuy n, tiêu th c c ít n ng l ng, ho t đ ng liên t c trong m i đi u ki n, môi tr ng M ng c m bi n có th còn bao g m c các thi t b
đi u khi n (actors) thông minh, trao đ i s li u và th c hi n đi u khi n đ i v i các thi t b c m bi n
thi t k và th c hi n các m ng c m bi n, nhi u v n đ đi u khi n đ c
đ t ra, ph i đ c nghiên c u, gi i quy t t i u, phù h p v i đ c thù c a m ng c m
bi n không dây, ví d : đi u khi n truy nh p m ng không dây, đ nh tuy n, đi u khi n trao đ i s li u tin c y gi a các thi t b c m bi n và đi u khi n m t cách có
ch n l c (l a ch n m t nhóm các thi t b c m bi n và đi u khi n) Nghiên c u, đánh giá m t s c ch đi u khi n truy nh p m ng c m bi n di đ ng có ý ngh a lý
lu n và th c ti n
M c tiêu chính c a lu n v n là cung c p cái nhìn t ng quan v m ng c m
bi n không dây và ng d ng; nguyên t c ho t đ ng m t s c ch đi u khi n truy
nh p m ng c m bi n không dây; phân tích, đánh giá hi u su t ho t đ ng c a m t
s c ch đi u khi n trên
Ngoài b n ch ng chính, b c c lu n v n còn có các ph n M đ u, K t lu n
và Tài li u tham kh o Ph n k t lu n nêu tóm t t các v n đ đư trình bày trong các
ch ng, đánh giá các k t qu đư đ t đ c, đ ng th i đ a ra các đ nh h ng nghiên
c u, phát tri n ti p theo N i dung các ch ng đ c tóm t t nh sau:
Trang 7Ch ng 1 trình bày t ng quan v m ng c m bi n không dây, c u t o nút c m
bi n c ng nh ki n trúc m ng c m bi n, các l nh v c ng d ng c b n c a m ng
c m bi n, m t s v n đ đ t ra trong c ch đi u khi n truy nh p áp d ng cho
m ng c m bi n
Ch ng 2 gi i thi u t ng quan v đánh giá hi u su t và mô ph ng b ng
ch ng trình máy tính Gi i thi u b ch ng trình mô ph ng đang đ c s d ng
r ng rưi trong l nh v c vi n thông OMNet++
Ch ng 3 trình bày các v n đ trong thi t k c ch đi u khi n truy nh p MAC cho m ng c m bi n không dây Phân lo i và đánh giá các ph ng pháp đi u khi n truy nh p MAC trong m ng c m bi n không dây
Ch ng 4 gi i thi u, đ c t hai giao th c đi u khi n truy nh p đ c dùng cho m ng c m bi n là S-MAC và T-MAC, th c hi n mô ph ng và đánh giá hi u
su t các giao th c trên b ng b ch ng trình OmNet++
M c dù đư r t c g ng, song do khuôn kh th i gian và th c h n h p nên
lu n v n còn nh ng h n ch nh t đ nh, tác gi r t mong nh n đ c nh ng góp ý đ
v n đ nghiên c u này ngày càng đ c hoàn thi n h n Qua đây, tác gi xin chân thành c m n t i PGS.TS V Duy L i, ng i th y h ng d n và ch b o t n tình trong quá trình th c hi n lu n v n này, xin chân thành c m n các Th y Cô đư d y
và giúp đ trong su t quá trình h c t p t i tr ng i h c Công ngh - i h c
Qu c gia Hà N i
Trang 8CH NG 1 - M NG C M BI N KHÔNG DÂY
1.1 M ng c m bi n và ng d ng
1.1.1 M ng c m bi n
M t m ng c m bi n bao g m s l ng l n các nút c m bi n đ c phân b
c bên trong hi n t ng ho c phân b bên c nh hi n t ng V trí c a các nút c m
bi n không c n ph i thi t k ho c xác đ nh tr c, đi u này cho phép các nút c m
bi n phân b ng u nhiên trong các đ a hình ph c t p i u đó c ng có ngh a là các giao th c c a m ng c m bi n và các thu t toán ph i có kh n ng t t ch c M t
đ c đi m quan tr ng khác c a các m ng c m bi n là kh n ng ph i h p gi a các nút c m bi n Các nút c m bi n đ c g n m t b x lý bên trong Thay vì g i đi s
li u thô t i nút đích, chúng s d ng kh n ng x lý đ th c hi n các tính toán đ n
gi n và ch truy n s li u đư đ c x lý theo yêu c u
Nh ng ng d ng c a m ng c m bi n đòi h i nó ph i có nh ng k thu t đ c
bi t h n so v i các k thu t áp d ng cho các m ng không dây phi c u trúc (m ng
ad hoc) M c dù nhi u giao th c và gi i thu t đư đ c thi t k cho nh ng m ng ad hoc không dây truy n th ng, nh ng chúng ch a th a mưn nh ng đ c tính và yêu
c u ng d ng c a m ng c m bi n th y đ c đi m này, ta hãy xem xét s khác nhau gi a m ng c m bi n và m ng ad hoc:
S l ng nút c m bi n trong m t m ng c m bi n l n h n nhi u l n so
v i nh ng nút trong m ng ad hoc
Các nút c m bi n th ng đ c tri n khai v i m t đ dày h n
Nh ng nút c m bi n d h ng, ng ng ho t đ ng
Topo m ng c m bi n thay đ i r t th ng xuyên
M ng c m bi n ch y u s d ng truy n thông qu ng bá (broadcast) trong khi mà đa s các m ng ad hoc là đi m - đi m (point-to-point)
Trang 9 Nh ng nút c m bi n có gi i h n v n ng l ng, kh n ng tính toán và b
nh
Nh ng nút c m bi n có th không có đ nh danh toàn c u (global ID) Khi s l ng l n nh ng nút c m bi n đ c tri n khai m t đ dày thì nh ng nút lân c n phân b r t g n l n nhau, vì v y truy n thông đa b c nh y trong m ng
c m bi n ph i tiêu th ít n ng l ng h n truy n thông đ n b c nh y truy n th ng
H n n a, n ng l ng ph c v truy n d li u có th đ m c th p, ch y u dành cho các ho t đ ng chuy n đ i, x lý Truy n thông đa b c nh y c ng kh c ph c
có hi u qu v n đ lan truy n tín hi u kho ng cách xa trong giao ti p không dây
M t trong nh ng yêu c u ràng bu c quan tr ng đ i v i nút c m bi n là m c
đ tiêu th đi n ph i th p Ngu n cung c p n ng l ng đi n cho nút c m bi n là có
h n và nói chung là không th thay th B i v y, trong khi các m ng truy n th ng
t p trung vào làm sao đ đ t đ c ch t l ng d ch v cao thì nh ng giao th c
m ng c m bi n ph i t p trung ch y u v s gi gìn n ng l ng Chúng ph i có
nh ng c ch cân b ng cho phép l a ch n vi c kéo dài tu i th c a m ng hay thông l ng th p, ho c đ tr cao
Các m ng c m bi n g m có nhi u ph ng th c th c hi n c m bi n khác nhau nh c m bi n đ a ch n, c m ng t , c m bi n nhi t, c m bi n hình nh, c m
bi n h ng ngo i, c m bi n sóng âm và sóng rađa … trong các đi u ki n bao quanh
đa d ng nh :
nhi t đ ,
đ m,
s chuy n đ ng c a ph ng ti n,
đi u ki n ánh sáng,
s c ép,
s ô nhi m,
Trang 10TÀI LI U THAM KH O
A Tài li u Ti ng Vi t
1 V Duy L i (2005), Bài gi ng “M t s v n đ nâng cao c a công ngh m ng máy tính”
2 V Duy L i (2002), M ng thông tin máy tính, Nhà xu t b n Th gi i
3 Ph m B o S n (2006), M ng c m bi n vô tuy n và đánh giá ch tiêu c a giao
th c ch n đ ng LEACH, T p chí B u chính Vi n thông
B Tài li u ti ng 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