đề tài quản lý nhân sự Tiểu luận Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng không dây Zigbee bằng phần mềm Ns-2
Mục Lục TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA CÔNG NGHỆ THƠNG TIN ***** Tiểu luận:Mơ đánh giá hiệu mạng không dây Zigbee phần mềm Ns-2 QUẢN LÝ NHÂN SỰ Trần Văn Quang Trần Bảo Khang Lê Thị Út Bảo Anh Tháng 10 – Năm 2021 Mục Lục KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN Khái niệm cơng nghệ ZigBee Mối quan hệ ZigBee chuẩn IEEE 802.15.4 Cơ chế xác định mức lượng (ED) Cơ chế dị tìm sóng mang (CS) Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI) Đánh giá độ thoáng kênh truyền Hằng số thuộc tính tầng PHY Hoạt động chế độ cho phép đèn hiệu cấu trúc siêu khung Không gian liên khung Cơ chế CSMA/CA Truyền thông broadcast Truyền thơng multicast Hình 1-6: Truyền thơng khởi tạo thiết bị phi thành viên Truyền thông many to one Cấu trúc phân cấp dạng Hình 1-8: Mối quan hệ nút nút cha mạng hình Cấu trúc hình lưới Định tuyến Phát đường Hình 1-11: Phát tuyến đường unicast với thiết bị nguồn thiết bị đích Hình 1-12: Sửa chữa tuyến đường mạng hình lưới Khung ứng dụng Các đối tượng thiết bị ZigBee Hình 1-13: ZDO đóng vai trị giao diện khung ứng dụng tầng APS Hình 1-14: Định dạng lệnh mô tả sơ lược thiết bị ZigBee LỜI MỞ ĐẦU ZigBee công nghệ mạng không dây đời năm 2003 với đặc điểm là: mức lượng tiêu thụ giá thành thấp, đa dễ dàng mở rộng ZigBee hỗ trợ việc quản lý, điều khiển cho thiết bị gia dụng, công nghiệp, chăm sóc sức khỏe đặc biệt cho nhu cầu cho nhà thông minh Trên giới, công nghệ ZigBee trở nên phổ biến giá thành rẻ, dễ triển khai linh hoạt Rất nhiều công ty Alliance, Freescale, Atmel, …tham gia vào việc cung cấp thiết bị mạng để triển khai lắp đặt Các tập đoàn lớn SamSung, Nokia, Panasonic, … ý đến ZigBee mạng điều khiển quan trọng cho sản phẩm Tại Việt Nam, bước đầu tiếp cận với công nghệ ZigBee diễn đàn thiết bị điện tử Công ty I-Solution có trụ sở Hà Nội đề cập đến ZigBee công nghệ cho việc tự động hóa cho biệt thự Việt Nam Qua đó, nhu cầu nắm bắt cơng nghệ ZigBee triển khai xây dựng hệ thống mạng quản lý nhà thông minh thị trường hấp dẫn Việt Nam Hiện tại, sinh viên nên việc sở hữu kit để phát triển công nghệ không khả thi nên mục tiêu đề tài nắm công nghệ ZigBee từ áp dụng vào mơ hai phần mềm NS-2 OPNET Phương pháp nghiên cứu chủ yếu sưu tầm tài liệu mạng dự án nghiên cứu có liên quan để tổng hợp phân tích Sau đó, từ kiến thức tiếp thu tiến hành mơ để phân tích khả hoạt động mạng khơng dây ZigBee Đóng góp đề tài báo cáo lý thuyết công nghệ ZigBee kiến thức hai phần mềm NS-2 OPNET, mơ hoạt động mạng hình ZigBee hai phần mềm với yêu cầu mô khác Từ đó, hiểu hoạt động phân tích, đánh giá hoạt động mạng khơng dây ZigBee CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Công nghệ ZigBee 1.1.1 Khái niệm công nghệ ZigBee ZigBee chuẩn định nghĩa tập hợp giao thức truyền thông cho mạng tốc độ thấp tầm ngắn Thiết bị ZigBee hoạt động tần số 868MHz, 915 MHz 2,4 GHz Tốc độ truyền liệu tối đa 250 Kb/s ZigBee nhắm đến mục tiêu ứng dụng sử dụng pin tốc độ liệu thấp, chi phí thấp thời gian sử dụng pin lâu dài Trong nhiều ứng dụng ZigBee, tổng thời gian thiết bị hoạt động chủ động với giới hạn, thiết bị sử dụng phần lớn thời gian chế độ chờ, hay gọi chế độ ngủ đông Kết thiết bị dạng ZigBee hoạt động vài năm trước phải thay pin Hình 1-1: Các dịch vụ cung cấp ZigBee 1.1.2 Mối quan hệ ZigBee chuẩn IEEE 802.15.4 Một cách thiết lập mạng truyền thông sử dụng khái niệm lớp mạng, lớp có trách nhiệm chức rõ ràng mạng Các lớp thông thường cho qua liệu lệnh đến tầng hay Các lớp giao thức mạng khơng dây ZigBee dựa mơ hình tham chiếu OSI Việc chia giao thức mạng thành lớp có nhiều lợi ích, giao thức thay đổi theo thời gian, dễ dàng thay lớp mà bị ảnh hưởng thay đổi thay đổi thay tồn giao thức Tương tự phát triển ứng dụng, lớp thấp giao thức độc lập so với ứng dụng cung cấp từ nhà phát hành thứ ba thứ hoàn thành mà cần thay đổi lớp ứng dụng giao thức Hình 1-2: Các tầng giao thức mạng khơng dây ZigBee Trong hình 1-2 hai tầng mạng định nghĩa chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn phát triển tổ chức chuẩn IEEE 802 phát hành vào năm 2003 Chuẩn ZigBee định nghĩa cho lớp mạng, ứng dụng bảo mật giao thức thừa nhận lớp PHY MAC IEEE 802.15.4 phần giao thức mạng không dây ZigBee Do đó, thiết bị tương tự ZigBee tuân thủ chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn IEEE 802.15.4 phát triển độc lập với chuẩn ZigBee, xây dựng mạng khơng dây tầm ngắn hồn tồn dựa chuẩn IEEE 802.15.4 không bao gồm lớp đặc thù ZigBee Trong trường hợp này, người dùng phát triển giao thức lớp ứng dụng mạng riêng họ tầng lớp PHY MAC chuẩn IEEE 802.15.4 Những lớp ứng dụng mạng tùy chỉnh đơn giản lớp giao thức ZigBee hướng mục tiêu vào ứng dụng đặc thù 1.1.3 Tầng PHY 1.1.3.1 Cơ chế xác định mức lượng (ED) Khi thiết bị muốn truyền tín hiệu, ban đầu vào chế độ nhận tín hiệu để xác định giới hạn mức lượng tín hiệu kênh truyền mong đợi Tác vụ biết xác định lượng (ED) Trong ED, thiết bị nhận không cố gắng giải mã tín hiệu mà xác định mức lượng tín hiệu bị giới hạn Nếu có tín hiệu sẵn sàng dải mong đợi, ED có phải tín hiệu chuẩn IEEE 802.15.4 khơng Năng lượng tín hiệu băng tần mong đợi trung bình chu kỳ ký hiệu Tầng MAC yêu cầu tầng PHY thực ED, tầng PHY trả số nguyên bit định mức lượng nằm kênh tần số mong đợi Mức lượng xác phải lớn dB 1.1.3.2 Cơ chế dị tìm sóng mang (CS) Tương tự chế ED, chế dị tìm sóng mang cách kiểm tra xem kênh tần số có sẵn sàng để sử dụng hay không Trong CS, thiết bị muốn truyền thông điệp, ban đầu vào chế độ nhận tín hiệu để xác định kiểu tín hiệu mà nằm kênh tín hiệu địi hỏi, tương phản với ED, CS tín hiệu giải điều chế kiểm tra tín hiệu điều chế hay phân bố tuân thủ đặc tính PHY mà dùng thiết bị Nếu tín hiệu chiếm giữ tuân thủ theo dạng PHY IEEE 802.15.4, thiết bị chọn xem xét kênh bận mà không quan tâm tới mức lượng tín hiệu 1.1.3.3 Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI) Chỉ thị chất lượng liên kết (LQI-Link Quality Indication) việc định chất lượng gói tin liệu nhận thiết bị nhận Độ mạnh tín hiệu nhận (RSS) sử dụng việc tính tốn chất lượng sóng RSS việc đo đạc tổng lượng tín hiệu nhận Tỷ số lượng tín hiệu địi hỏi so với tổng lượng nhiễu băng thông (tỷ số tín hiệu/nhiễu SNR-Signal to Noise Ratio) cách khác để đánh giá chất lượng tín hiệu Như luật tổng quát, SNR cao đồng nghĩa với việc lỗi gói tin thấp Do đó, tín hiệu với SNR cao coi tín hiệu chất lượng cao Chất lượng liên kết cịn ước lượng sử dụng mức lượng tín hiệu tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu Sự đánh giá LQI thực cho gói tin nhận được, LQI phải có mức LQI báo cáo cho tầng MAC sẵn sàng cho tầng NWK APL kiểu phân tích Ví dụ, tầng NWK sử dụng mức LQI báo cáo thiết bị mạng để xem ● ● ● xét đường chọn để định tuyến thơng điệp Nói chung, đường với tồn LQI cao có hội cao việc chuyển thơng điệp tới đích LQI yếu tố việc lựa chon đường để định tuyến Những yếu tố khác, ví dụ xem xét tính hiệu lượng định tuyến, ảnh hưởng đến lựa chọn định tuyến 1.1.3.4 Đánh giá độ thoáng kênh truyền Trong bước chế truy cập kênh truyền CSMA/CA, tầng MAC yêu cầu tầng PHY thực đánh giá độ thoáng kênh truyền (CCA) để đảm bảo kênh truyền không bị sử dụng thiết bị khác CCA phần dịch vụ quản lý tầng PHY Trong CCA, kết ED hay CS sử dụng để xem xét kênh tần số có xem sẵn sàng hay bận Quá trình CCA phải chu kỳ ký hiệu Có chế độ CCA, PHY tuân thủ IEEE 802.15.4 phải có khả thực chế độ này: Chế độ CCA 1: Chỉ xem xét kết ED, mức lượng ngưỡng ED, kênh xem bận Ngưỡng ED thiết lập nhà sản xuất Chế độ CCA 2: Chỉ sử dụng kết CS, kênh truyền xem bận tin hiệu chiếm tuân thủ với PHY thiết bị mà thực CCA Chế độ CCA 3: Chế độ kết hợp logic (AND/ OR) chế độ 2, tầng PHY sử dụng tiêu chí sau để xác định kênh có bị bận hay không Mức lượng xác định ngưỡng sóng mang tuân thủ chuẩn đánh giá 1.1.3.5 Hằng số thuộc tính tầng PHY Các số định nghĩa đặc tính kích thước tối đa khung hay khoảng thời gian kiện Mỗi tầng giao thức có số chúng Tầng PHY có hai số, số PHY aMaxPHYPacketSize định đơn vị liệu dịch vụ PHY (PSDU) không dược phép vượt 127 octet Hằng số thời gian turnaround thời gian thiết bị truyền nhận cần để chuyển từ chế độ truyền (TX) sang chế độ nhận (RX), ngược lại với khoảng thởi gian 12 ký hiệu Bảng 1-1: Hằng số PHY Hằng số Nội dung aMaxPHYPacket Size aTurnaroundTi me Kích thước PSDU cho phép (octet) Thời gian quay vòng RX thành TX TX RX tối đa cho phép (chu kỳ ký hiệu) Giá 127 12 Trong tầng giao thức MAC PHY, tất số có tiền tố “a”, tầng NWK APL số có tiền tố “nwkc” “apsc” đại diện không bị thay đổi suốt khoảng thời gian hoạt động Bảng 1-2: Thuộc tính PHY PIB Thuộc tính Nội dung PhyCurrentChannel Kênh tần số thực phyChannelsSupported Mảng kênh sẵn sàng không sẵn † sàng phyTransmitPower* Nguồn thiết bị truyền (dBm) 12 Trong tầng giao thức MAC PHY, tất số có tiền tố “a”, tầng NWK APL số có tiền tố “nwkc” “apsc” đại diện không bị thay đổi suốt khoảng thời gian hoạt động Bảng 1-2: Thuộc tính PHY PIB Thuộc tính Nội dung PhyCurrentChannel Kênh tần số thực phyChannelsSupported † Mảng kênh sẵn sàng không sẵn sàng phyTransmitPower* Nguồn thiết bị truyền (dBm) PhyCCAMode Chế độ CCA thực (1-3) PhyCurrentPage Trang kênh PHY phyMaxFrameDuration † Số lượng tối đa biểu tượng khung (55, 212, 266, 1064) phySHRDuration † Thởi gian tồn header đồng hóa (SHR) (3,7, 10, 40) phySymbolsPerOctet † Số lượng ký hiệu octet cho PHY (0.4, 1.6, 2, 8) Các thuộc tính giá trị mà thay đổi hoạt động Các thuộc tính tầng PHY chứa thông tin PAN PHY (PHY-PIB) Các thuộc tính địi hỏi quản lý dịch vụ PHY đánh dấu dấu trâm thuộc tính đọc, tầng cao đọc thuộc tính đọc, tầng PHY thay đổi chúng Các thuộc tính đánh dấu dấu “*” có bit đặc biệt mà chi đọc Các bit không đánh dấu đọc đọc ghi tầng Chỉ tầng PHY thay đổi bit đọc Tầng MAC Hoạt động chế độ cho phép đèn hiệu cấu trúc siêu khung Một lợi ích mạng chế độ cho phép đèn hiệu khả khe thời gian bảo đảm (GTS) Khung đèn hiệu khung MAC chứa thông tin đèn hiệu thời gian cự ly khung đèn hiệu số lượng GTS Hình 1-3: Cấu trúc siêu khung Khi thực chế độ cho phép đèn hiệu, sử dụng cấu trúc siêu khung hình 1-3, bao phủ hai khung đèn hiệu Có thể có đến kiểu giai đoạn siêu khung: giai đoạn truy cập tranh chấp (CAP), giai đoạn tự tranh chấp (CFP) giai đoạn không hoạt động Trong giai đoạn CAP, tất thiết bị muốn truyền cần sử dụng chế CSMA/CA để có khả truy cập đến kênh tần số sẵn sàng cách công với tất thiết bị mạng Thiết bị bắt đầu sử dụng kênh sẵn sàng sử dụng cho thiết bị việc truyền hồn thành Nếu thiết bị tìm kênh truyền bị bận, quay lại khoảng thời gian ngẫu nhiên thử lại Khung lệnh MAC phải truyền q trình CAP Khơng có bảo đảm khoảng thời gian CAP cho thiết bị sử dụng kênh tần số xác cần CFP, trái ngược với CAP, bảo đảm khe thời gian cho thiết bị đặc biệt thiết bị khơng cần sử dụng CSMA/CA để truy cập kênh truyền CSMA/CA không cho phép CFP Sự kết hợp CAP CFP biết giai đoạn kích hoạt chia thành 16 khe thời gian Khung đèn hiệu bắt đầu điểm bắt đầu khe thời gian Có thể lên đến GTS CFP Mỗi GTS chiếm hay nhiều khe thời gian Một siêu khung tùy chọn có giai đoạn khơng hoạt động, cho phép thiết bị chuyển vào chế độ tiết kiệm lượng phối hợp bật tắt mạch truyền nhận để bảo tồn lượng pin Cấu trúc siêu khung định nghĩa phối hợp cấu hình tầng NWK sử dụng gốc MLME-START.request Khoảng thời gian hai tín hiệu đèn hiệu liên tiếp (BI) định giá trị thuộc tính macBeaconOrder (BO) số aBaseSuperframeDuration sử dụng biểu thức: BI = aBaseSuperframeDuration * 2BO (Ký hiệu) Thuộc tính BO có giá trị từ 0–14 mạng chế độ đèn hiệu, giá trị đặt 15 mạng xem xét mạng không cho phép chế độ đèn hiệu khơng có siêu khung áp dụng Chiều dài giai đoạn kích hoạt siêu khung hiểu giai đoạn siêu khung (SD), tính tốn từ phương trình sau: SD = aBaseSuperframeDuratio * 2SO (Ký hiệu) SO thuộc tính macSuperframeOrder Giai đoạn siêu khung vượt khoảng đèn hiệu liền kề, giá trị SO thường nhỏ BO Trong mạng không cho phép chế độ đèn hiệu, phối hợp không truyền đèn hiệu trừ nhận lệnh yêu cầu đèn hiệu từ thiết bị mạng với mục đích định vị phối hợp Bộ phối hợp PAN mạng không cho phép chế độ đèn hiệu đặt giá trị SO 15 Hình 1-4: Hẹn siêu khung vào Trong mạng cho phép chế độ đèn hiệu, phối hợp nào, thêm vào phối hợp PAN, có tùy chọn để truyền đèn hiệu tạo siêu khung Hình 1-4 thời gian yêu cầu phối hợp PAN phối hợp khác mạng truyền đèn hiệu Bộ phối hợp bắt đầu truyền đèn hiệu giai đoạn khơng hoạt động siêu khung phối hợp PAN Đèn hiệu phối hợp PAN ám đến đèn hiệu nhận Đèn hiệu phối hợp khác biết đèn hiệu truyền Giai đoạn hoạt động hai siêu khung phải có chiều dài tương đương Bộ phối hợp, khác với phối hợp PAN, truyền đèn hiệu rõ bắt đầu siêu khung kết thúc siêu khung tương đồng với kết thúc siêu khung phối hợp PAN Nếu thiết bị khơng sử dụng GTS cho khoảng thời gian mở rộng, GTS hết hạn phối hợp phân công GTS đặc biệt cho thiết bị khác Giai đoạn không hoạt động mà kết hết hạn GTS thường số nguyên gấp đôi chiều dài siêu khung Giá trị nhân (n) phụ thuộc vào macBeaconOrder: n = 2(8 - macBeaconOrder)