TR I H C QU C GIA HÀ N I NG I H C CÔNG NGH Lê Thành Nam NGHIÊN C U, ÁNH GIÁ HI U SU T M T S 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 IH NG D N KHOA H C: PGS.TS V Duy L i Hà N i - 2008 M CL C DANH M C T VI T T T DANH M C HÌNH V VÀ B NG BI U M U CH NG - M NG C M BI N KHÔNG DÂY 1.1 M ng c m bi n ng d ng 1.2 Ki n trúc m ng c m bi n không dây Error! Bookmark not defined 1.3 i u n truy nh p MAC m ng c m bi n không dây Error! Bookmark not defined CH NG - ÁNH GIÁ HI U SU T Error! Bookmark not defined 2.1 Khái ni m 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 - 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 u n truy nh p MAC .Error! Bookmark not defined 3.2 Phân lo i nguyên t c ho t đ ng u n truy nh p MAC Error! Bookmark not defined 3.3 ánh giá Error! Bookmark not defined CH NG - 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 Bookmark not defined ng trình OMNET++ Error! K 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 AI- LMAC CDMA CTS FDMA VI T T T Ti ng Anh Adaptive Information-centric LMAC Code Division Multiple Access FLAMA FRTS LMAC MAC Clear to Send Frequency Division Multiple Access FLow-Aware Medium Access Future Request to Send Lightweight MAC Medium Access Control NAV Network Allocation Vector PEDAMACS Power Efficient and Delay Aware Medium PMAC Pattern MAC RTS Request to Send S-MAC Sensor-MAC STEM Sparse Topology and Energy Management TDMA Time Division Multiple Access T-MAC TRAMA WSN Z-MAC Timeout-MAC TRaffic Adaptive Medium Access Wireless Sensor Network Zebra MAC Ti ng Vi t Giao th c AI-LMAC a truy nh p phân chia theo mã S n sàng nh n a truy nh p phân chia theo t ns Giao th c FLAMA Yêu c u g i s m Giao th c LMAC i u n truy nh p đ ng truy n vect thòi gian chi m gi m ng Giao th c PEDAMACS Giao th c PMAC Yêu c u g i Giao th c S-MAC Giao th c STEM a truy nh p phân chia theo th i gian Giao th c T-MAC Giao th c TRAMA M ng c m bi n không dây Giao th c Z-MAC DANH M C HÌNH V VÀ B NG BI U Hình 1.1 Thành ph n c a m t nút c m bi n Hình 1.2 Phân b nút c m bi n tr ng c m bi n Hình 1.3: Ki n trúc giao th c c a m ng c m bi n Hình 2.1 Các ph ng pháp đánh giá hi u su t Hình 2.2 Ki n trúc h th ng mô ph ng theo s ki n r i r c Hình 2.3 Nguyên t c ho t đ ng c a mô ph ng theo s ki n r i r c Hình 2.4 Ki n trúc liên k t c a m t ch ng trình mô ph ng Hình 2.5 C u trúc nút c m bi n đ c đ nh ngh a b ng ngôn ng NED OMNeT++ 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 OMNeT++ Hình 3.1 Nguyên t c phân lo i nh ng giao th c MAC theo t ch c th i gian s phát tri n l ch s Hình 3.2 Nghe m c th p (Low-Power Listening) Hình 3.3 Chu trình th c/ng c a giao th c truy nh p theo l ch Hình 3.4 Truy n d li u v i k thu t đ ng b th i m th m dò kênh Hình 3.5 L a ch n khe b i LMAC 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 Hình 4.1 L c đ S-MAC Hình 4.2 ng b gi a nút Hình 4.3 Quan h đ nh th i gi a nút nh n nút g i Hình 4.4 Th c hi n tránh nghe th a Hình 4.5 L c đ c b n giao th c T-MAC Hình 4.6 L c đ trao đ i d li u c b n T-MAC Hình 4.7 Hi n t ng ng s m Hình 4.8 Th c hi n g i s m RTS Hình 4.9 Th c hi n u tiên g i b đ m đ y Hình 4.10 Nút c m bi n EYES Trang 11 13 14 19 24 26 29 30 31 39 40 42 43 45 48 52 52 56 58 61 64 66 67 68 69 B ng 4.1 Thông s tiêu th n ng l ng c a nút c m bi n EYES Hình 4.11 Ma tr n 100 nút c m bi n phân b đ u Hình 4.12 Giao th c S-MAC: Các m c tiêu th dòng n trung bình ng v i t ng t c đ phát sinh gói tin thay đ i theo th i gian th c m t khung th i gian Hình 4.13 Giao th c S-MAC: Các m c tiêu th dòng n trung bình ng v i t ng th i gian th c m t khung, thay đ i theo t c đ phát sinh gói tin Hình 4.14 Dòng n tiêu th trung bình ng v i t ng giao th c thay đ i theo t c đ phát sinh gói tin Hình 4.15 Dòng n tiêu th trung bình c a T-MAC thay đ i t c đ phát sinh gói tin 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 Hình 4.17 M c tiêu th dòng n trung bình thay đ i t c đ phát sinh gói tin Hình 4.18 Các m c tiêu th dòng n trung bình v i chi u dài gói tin 20 byte Hình 4.19 Các m c tiêu th dòng n trung bình v i chi u dài gói tin 100 byte Hình 4.20 M c tiêu th dòng n trung bình lo i giao th c cho ng d ng m ng c m bi n thông th ng 69 70 72 72 73 74 75 75 76 76 77 M U Trong nh ng n m g n đây, vi c nghiên c u h th ng m ng thông tin máy tính di đ ng đ c phát tri n m nh m c bi t 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 c m bi n đ đo ánh sáng, đ m, áp su t, nhi t đ Trong t ng lai, m ng có th giám sát c môi tr ng, ph ng ti n máy móc ng i M ng c m bi n liên h b ng sóng vô n, tiêu th c c n ng l ng, ho t đ ng liên t c m i u ki n, môi tr ng M ng c m bi n có th bao g m c thi t b u n (actors) thông minh, trao đ i s li u th c hi n u n đ i v i thi t b c m bi n thi t k th c hi n m ng c m bi n, nhi u v n đ u 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 : u n truy nh p m ng không dây, đ nh n, u n trao đ i s li u tin c y gi a thi t b c m bi n u n m t cách có ch n l c (l a ch n m t nhóm thi t b c m bi n u n) Nghiên c u, đánh giá m t s c ch u n truy nh p m ng c m bi n di đ ng có ý ngh a lý lu n th c ti n M c tiêu c a lu n v n cung c p nhìn t ng quan v m ng c m bi n không dây ng d ng; nguyên t c ho t đ ng m t s c ch u 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 u n Ngoài b n ch ng chính, b c c lu n v n có ph n M đ u, K t lu n Tài li u tham kh o Ph n k t lu n nêu tóm t t v n đ đư trình bày ch ng, đánh giá k t qu đư đ t đ c, đ ng th i đ a đ nh h ng nghiên c u, phát tri n ti p theo N i dung ch ng đ c tóm t t nh sau: Ch ng 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, 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 c ch u n truy nh p áp d ng cho m ng c m bi n Ch ng gi i thi u t ng quan v đánh giá hi u su t mô ph ng b ng ch ng trình máy tính Gi i thi u b ch ng trình mô ph ng đ c s d ng r ng rưi l nh v c vi n thông OMNet++ Ch ng trình bày v n đ thi t k c ch u n truy nh p MAC cho m ng c m bi n không dây Phân lo i đánh giá ph ng pháp u n truy nh p MAC m ng c m bi n không dây Ch ng gi i thi u, đ c t hai giao th c u n truy nh p đ c dùng cho m ng c m bi n S-MAC T-MAC, th c hi n mô ph ng đánh giá hi u su t giao th c b ng b ch ng trình OmNet++ M c dù đư r t c g ng, song khuôn kh th i gian th c h n h p nên lu n v n 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 ngày 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 ch b o t n tình trình th c hi n lu n v n này, xin chân thành c m n Th y Cô đư d y giúp đ su t trình h c t p t i tr ng i h c Công ngh ih c Qu c gia Hà N i CH NG - M NG C M BI N KHÔNG DÂY 1.1 M ng c m bi n 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 nút c m bi n đ c phân b c bên hi n t ng ho c phân b bên c nh hi n t ng V trí c a nút c m bi n không c n ph i thi t k ho c xác đ nh tr c, u cho phép nút c m bi n phân b ng u nhiên đ a hình ph c t p i u c ng có ngh a giao th c c a m ng c m bi n thu t toán ph i có kh n ng t t ch c M t đ c m quan tr ng khác c a m ng c m bi n kh n ng ph i h p gi a nút c m bi n Các nút c m bi n đ c g n m t b x lý bên Thay g i s li u thô t i nút đích, chúng s d ng kh n ng x lý đ th c hi n tính toán đ n gi n 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 ph i có nh ng k thu t đ c bi t h n so v i k thu t áp d ng cho m ng không dây phi c u trúc (m ng ad hoc) M c dù nhi u giao th c 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 yêu c u ng d ng c a m ng c m bi n th y đ c m này, ta xem xét s khác gi a m ng c m bi n m ng ad hoc:  S l ng nút c m bi n m t m ng c m bi n l n h n nhi u l n so v i nh ng nút 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) mà đa s m ng ad hoc m - m (point-to-point)  Nh ng nút c m bi n có gi i h n v n ng l nh ng, kh n ng tính toán b  Nh ng nút c m bi n có th 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 nh ng nút lân c n phân b r t g n l n nhau, v y truy n thông đa b c nh y m ng c m bi n ph i tiêu th 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 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 giao ti p không dây M t nh ng yêu c u ràng bu c quan tr ng đ i v i nút c m bi n m c đ tiêu th n ph i th p Ngu n cung c p n ng l ng n cho nút c m bi n có h n nói chung không th thay th B i v y, m ng truy n th ng t p trung vào đ đ t đ c ch t l ng d ch v cao 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 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 sóng rađa … u ki n bao quanh đa d ng nh :  nhi t đ ,  đ m,  s chuy n đ ng c a ph  u ki n ánh sáng,  s c ép,  s ô nhi m, ng ti n, TÀI LI U THAM KH O A Tài li u Ti ng Vi t V Duy L i (2005), Bài gi ng “M t s v n đ nâng cao c a công ngh m ng máy tính” V Duy L i (2002), M ng thông tin máy tính, Nhà xu t b n Th gi i Ph m B o S n (2006), M ng c m bi n vô n đánh giá ch tiêu c a giao th c ch n đ ng LEACH, T p chí B u Vi n thông B Tài li u ti ng Anh I F Akyildiz, W Su, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci (2002), Wireless sensor networks: a survey, Computer networks 38, pp 393-422 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 W R Heinzelman, A Chandrakasan, H Balakrishman (2000), Energyefficient communication protocols for wireless microsensor networks, in Proc of Hawaii Intern Conference on Sysstem Science Holger Karl, Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons Koen Langendoen (2007), Medium Access Control in Wireless Networks, Volume II: Practice and Standards, Nova Science Publishers Wei Ye, John Heidemann (2005), Ultra-low duty cycle mac with scheduled channel polling, Technical Report ISI-TR-604, USC/ISI 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, Wei Ye, John Heidemann (2003), Medium Access Control in Wireless Sensor Networks, USC/ISI Technical Report ISI-TR-580 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 13 http://www.ieee802.org/15/ 14 http://www.omnetpp.org/ ... thi t k c ch u n truy nh p MAC cho m ng c m bi n không dây Phân lo i đánh giá ph ng pháp u n truy nh p MAC m ng c m bi n không dây Ch ng gi i thi u, đ c t hai giao th c u n truy nh p đ c dùng... ng ch ng trình máy tínhError! Bookmark not defined 2.4 B mô ph ng m ng OMNeT++ Error! Bookmark not defined CH NG - PH NG PHÁP I U KHI N TRUY NH P MAC TRONG M NG C M BI N KHÔNG DÂY Error! Bookmark... c LMAC i u n truy nh p đ ng truy n vect thòi gian chi m gi m ng Giao th c PEDAMACS Giao th c PMAC Yêu c u g i Giao th c S -MAC Giao th c STEM a truy nh p phân chia theo th i gian Giao th c T-MAC