Mạng cảm nhận không dây (WSN) đặc điểm cấu hình và thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hồng Quang Hưng Mạng cảm nhận khơng dây (WSN) đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường (MAC) KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thơng HÀ NỘI - 2008 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Hồng Quang Hưng Mạng cảm nhận khơng dây (WSN) đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường (MAC) KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thơng Cán hướng dẫn: PGS-TS Vương Đạo Vy Cán đồng hướng dẫn: HÀ NỘI - 2008 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÓM TẮT NỘI DUNG Mạng LAN khơng dây mạng trạm kết nối với sóng radio hồng ngoại WLAN hoạt động sở tiêu chuẩn IEEE 802.11 dải tần ISM WLAN sử dụng sóng radio với tín hiệu điều chế theo kỹ thuật trải phổ Hoạt động WLAN bao gồm trình: Kiểm tra lớp vật lý (PHY) điều khiển thâm nhập môi trường MAC, hoạt động giao thức CSMA/CA Mạng WLAN cung cấp chế độ cấu hình Ad-hoc Infrastructure, hỗ trợ đơn ô đa ô với tính di động Mạng cảm nhận không dây WSN mạng hoạt động với nhờ sóng radio Nhưng đó, node mạng bao gồm đầy đủ chức để cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu Cấu hình cho mạng WSN tương tự WLAN phức tạp WLAN số lượng node phạm vi hoạt động lớn Các dạng cấu hình mạng WSN phải đáp ứng hàm kết nối dạng để đảm bảo mạng hoạt động Thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường WSN có phần giống với WLAN nhiên yêu cầu tiết kiệm lượng tối đa node, WSN đưa giải pháp để giải việc tiết kiệm lượng chế độ lập lịch thức, ngủ cho trình truyền nhận liệu node LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC PHẦN MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WLAN) Chương Tổng quan WLAN 1.1 Giới thiệu chung…………………………………………………… ….2 1.2 Lợi ích ứng dụng WLAN……………… ……………… 1.3 WLAN sở radio…………………………………………… … 1.4 1.5 1.6 1.7 1.3.1 Dải ISM………………………………………………………… …… 1.3.2 Điều biến dải hẹp……………………………………………… ………4 1.3.3 Điều biến trải phổ…………………………………………… ……… 1.3.3.1Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)………… ………………… …… …5 1.3.3.2Trải phổ nhảy tần (FHSS)……………………………… … …… ….6 WLAN sở hồng ngoại………………………………… ………7 1.4.1 Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán……… ………8 1.4.2 Kỹ thuật hồng ngoại điểm-điểm……………………………… ……….8 1.4.2.1Kết nối hồng ngoại điểm-chùm………… ……………………… ….8 1.4.2.2Hệ thống LAN hồng ngoại điểm-điểm………………………………….9 Chế độ hoạt động Ad-hoc Infrastructure……………………… 1.5.1 Chế độ Infrastructure…………………………………………………….9 1.5.2 Chế độ Ad-hoc………………………………………………………….10 Cấu hình đơn ô, đa ô WLAN…………………………… …… 11 1.6.1 Đơn ô (single cell WLAN) ……………………………………… …11 1.6.2 Liên kết đơn ô…………………………………………………… 11 1.6.3 Đa ô…………… ………………………………………………… ….11 1.6.4 Chồng lấp ô…………………………………………… …………12 Ưu nhược điểm LAN không dây………………… ………………12 1.7.1 Ưu điểm……………………………………………… ………………12 1.7.2 Nhược điểm……………………………………………… ………… 13 Chương Các chuẩn thiết bị WLAN 2.1 Chuẩn IEEE 802.11…………………………………………… … 13 2.1.1 Lớp vật lý IEEE 802.11……………………………… ………….14 2.1.1.1 Phân lớp hồng ngoại…….…………………….…… ………………14 2.1.1.2 Phân lớp FHSS……………………………… ………… ………….14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.1.1.3 Phân lớp DSSS…………………………………………… ………15 2.2 2.3 2.4 2.5 2.1.2 Lớp MAC IEEE 802.11……………………………………… ….15 2.1.2.1 Cơ chế CSMA…………… …… ………………………………….16 2.1.2.2 Cơ chế RTS/CTS…….……………… …………………………….16 2.1.2.3 Khung liệu MAC 802.11………… ……………… …… 17 Giao thức mạng không dây…………………… …………………… 17 Kiến trúc mạng không dây………………………… …………………19 Phân bố địa IP………………… ………………………………….20 Thiết bị cho WLAN…………………… …………………………… 21 2.5.1 Wireless Adaptor…………………………… ……………………… 21 2.5.2 Anten…………………………………………… ………………… 23 2.5.2.1 Đặc điểm chung anten……………… ……… ……………… 23 2.5.2.2 Một số loại anten……… …………………………… …………….24 2.5.3 Điểm truy cập (AP)………………………………………….……… 25 PHẦN MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN) Chương Tổng quan mạng cảm nhận không dây 1.1 Khái quát………………………………………………………….……27 1.2 Các thiết bị mạng cảm biến không dây……………………………… 28 1.2.1 Bộ xử lý nhúng lượng thấp…………….…………………………29 1.2.2 Bộ nhớ lưu trữ…………………………….… ……………………29 1.3 1.4 1.2.3 Máy thu phát xạ (radio)……………………………………………29 1.2.4 Cảm biến………………….…………………………………………….29 1.2.5 Hệ thống định vị địa lý…………………………………………………30 1.2.6 Nguồn lượng……………………………………………… 30 Ứng dụng mạng cảm nhận không dây…………………………… 31 1.3.1 Quan sát môi trường sinh thái…………………………………… … 31 1.3.2 Theo dõi quân tìm kiếm mục tiêu………………………….31 1.3.3 Quan sát địa chấn cấu trúc…………………………………… 31 1.3.4 Công nghiệp thương mại mạng cảm nhận…………………… 32 Thách thức thiết kế chính………………………… ………………….32 1.4.1 Thời gian sống mở rộng……………………………… ………………33 1.4.2 Đáp ứng…………………………………………………… …………33 1.4.3 Sức mạnh……………………………………………………………….33 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.4.4 Bổ trợ………………………………………………………………… 33 1.4.5 Mở rộng phạm vi……………………………………………………….34 1.4.6 Tính khơng đồng nhất……… ……………………………………… 34 1.4.7 Tự cấu hình……………………… ………………………………… 34 1.4.8 Tự đánh giá thích nghi…………… ……………………………….35 1.4.9 Thiết kế hệ thống………………………… ………………………… 35 1.4.10 An ninh bảo mật…………………………… ……… ………… 35 Chương Triển khai mạng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Tổng quan………………………………………… ………………….36 Triển khai có cấu trúc hay triển khai ngẫu nhiên……… …………….37 Topo mạng…………………………………………….…… …………38 2.3.1 Single hop dạng sao………………………………….……… ……… 39 2.3.2 Multi hop dạng lưới ô……………………………….……… …… 39 2.3.3 Cụm (cluster) phân cấp tầng……………… ………….…………… 39 Kết nối dạng sơ đồ ngẫu nhiên…………… ……….……………39 2.4.1 Kết nối G(n,R)………………………………… ….…………….41 2.4.2 Tính đơn điệu G(n,R)……………………………… …………….42 2.4.3 Kết nối G(n,K)……………………………………… …………42 2.4.4 Kết nối truyền tin G(n,p,R)…………………………… ……43 Kết nối sử dụng điều khiển lượng…………………………… ….43 2.5.1 Năng lượng nhỏ để kết nối cấu trúc mạng………… … ….…….44 2.5.2 Cài đặt lượng chung nhỏ nhất………………………… ……… 45 2.5.3 Làm giảm tối thiểu lượng cực đại………………………… …….46 2.5.4 Topo điều khiển dạng hình nón……………………………………… 46 2.5.5 Cấu trúc trình duyệt mở rộng theo hình cục nhỏ ……… 47 Chương Đa truy cập chế độ ngủ 3.1 Tổng quan………………………………………………………………48 3.2 Giao thức MAC truyền thống………………………………………… 48 3.2.1 Aloha CSMA……………………………………………………… 48 3.3 3.2.2 Vấn đề node ẩn node hiện…………… ………………………………49 3.2.3 Đa truy cập tránh xung đột MACA đặc tả 802.11………………… 50 3.2.4 IEEE 802.15.4 MAC…………… ……………………………………54 Năng lượng hiệu giao thức MAC… ……………………….55 3.3.1 Quản lý lượng IEEE 802.11………… ………………… 55 3.3.2 Năng lượng cần cho đa truy cập báo hiệu………… ………………55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.3.3 Tối thiểu hoá chi trả lượng tiếp nhận rảnh rỗi……… ……….….55 3.4 3.5 Kỹ thuật ngủ không đồng bộ………………………………… ….……56 3.4.1 Bức xạ thức dậy thứ 2…………………………………………… … 56 3.4.2 Lắng nghe lượng thấp / lấy mẫu đầu khung truyền…… ………56 3.4.3 WiseMAC…………………………………………………………… 57 3.4.4 Truyền/nhận- bắt đầu chu kỳ tiếp nhận……………………… ………57 Kỹ thuật lập lịch ngủ………………………………………………… 58 3.5.1 Cảm ứng MAC (S-MAC)…………………………………………… 58 3.5.2 MAC thời gian chờ (T-MAC)………………………………………….59 3.5.3 MAC hội tụ liệu (D-MAC)…………………………………………60 3.5.4 Lập lịch ngủ có thời gian trễ hiệu quả………………………………….61 3.5.5 Lịch ngủ không đồng bộ………………………………………… 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHỮ VIẾT TẮT ACK :Acknowledge AP :Access Point BPP :Base Band Processor CAP :Contention Access Period CBTC :Cone-Based Topology Control CFP :Collision-Free Period COWPOW :Minimum Common Power Setting CSMA/CA :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance CSMA/CD :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection CTS :Clear To Send D-MAC :Data-gathering MAC DCF :Distributed Coordination Function DESS :Delay Efficient Sleep Scheduling DIFS :Distributed Inter-Frame Spacing DSSS :Direct Sequence Spread Spectrum FHSS :Frequency Hopping Spread Spectrum FCC :Federal Communication Commission FRTS :Future Request To Send GPS :Global Positioning System GTS :Guaranteed Time Slot IEEE :Institute of Electrical and Electronic Engineering LWIM :Low-Power Wireless Integrated Microsensor LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LAN :Local Area Network LMST :Local Minimum Spanning Tree Construction LR-WPAN :Low-Rate Wireless Personal Area Networks MECN :Minimum Energy Connected Network Construction NAV :Network Allocation Vector NIC :Network Interface Card OSI :Open System Interconnection PAMAS :Power Aware Medium Access with Signaling PCMCIA :Personal Computer Memory Card International Association PCF :Point Coordination Function PHY :Physical RICER :Receiver Initiated Cycle Reception RTS :Request To Send S-MAC :Sensor MAC T-MAC :Timeout MAC TICER :Transmitter Initiated Cycle Reception WEP :Wired Equivalent Privacy WINS :Wireless Integrated Networked Sensors WLAN :Wireless Local Area Network WSN :Wireless Sensor Network LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ theo ngày, nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin ngày cao Do đòi hỏi kỹ thuật thu thập, xử lý truyền liệu xác nhanh chóng Để đáp ứng nhu cầu đó, điều bắt buộc phải phát triển hệ thống truyền thông khơng dây kết hợp với đa dạng hố loại hình dịch vụ WLAN giải pháp chọn lựa khả linh động kết nối Bên cạnh nhu cầu giao tiếp thiết bị khơng dây, nhu cầu ngày địi hỏi lớn nhu cầu cảm biến, giám sát, theo dõi điều khiển thông minh Đặc biệt lĩnh vực quân (kích hoạt thiết bị, điều khiển tự động thiết bị robot), y tế (định vị, theo dõi tình trạng sức khoẻ bệnh nhân báo động khẩn cấp tự động), môi trường (giám sát lũ lụt, thiên tai…) vài lĩnh vực đời sống khác (nhà thông minh, điều khiển giao thông tự động tránh ùn tắc…) Để giải nhu cầu này, người ta phát triển hệ thống mạng cảm nhận không dây (WSN) WSN tạo môi trường giao tiếp thiết bị thông minh, hay thiết bị thông minh với người hệ thống viễn thông khác Cùng với ưu điểm mà WSN mang lại, mặt hạn chế khả hoạt động mạng Đó là: mạng WSN hiểu đơn giản mạng liên kết node sóng vơ tuyến node mạng thường thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền, có số lượng lớn phân bố rộng Lưu lượng liệu lưu thông WSN thấp không liên tục, thông thường thời gian node mạng trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều, cần có giải pháp tiết kiệm lượng tối đa Không vậy, node mạng WSN đơi cịn phải hoạt động mơi trường khắc nghiệt, bố trí ngẫu nhiên nên di chuyển làm thay đổi cấu hình mạng Vì địi hỏi node mạng cịn có khả tự động cấu hình thích nghi Cuối khó khăn vấn đề bảo mật an ninh khả hoạt động tự động node mạng Khoá luận này, bên cạnh việc nêu lên đặc điểm cấu hình hoạt động WLAN, tập trung vào đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường mạng WSN Với kiến thức cịn hạn hẹp, thời gian nghiên cứu khơng dài tài liệu tham khảo có chưa nhiều, khố luận khơng tránh khỏi sai sót Vậy kính mong thầy bạn sinh viên quan tâm chia sẻ đóng góp ý kiến để khố luận hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn! LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CSMA truyền thông ngăn ngừa xung đột lỗi không hiệu mạng khơng dây vấn đề nhất: vấn đề node ẩn node Vấn đề node ẩn minh hoạ hình 4a; đây, node A truyền tới node B Node C, nằm vùng sóng radio A, cảm nhận kênh truyền nhàn rỗi bắt đầu truyền gói tới node B Trong trường hợp này, CSMA truyền thông ngăn ngừa xung đột A C ẩn cho node Vấn đề node minh hoạ hình b Ở đây, node B truyền tới node A, node C có gói cần truyền cho node D Bởi node C khoảng B, nhận thấy kênh bận khơng có khả truyền Tuy nhiên, lý thuyết, D nằm ngồi khoảng B, A nằm khoảng C, truyền không xung đột với Việc truyền C bị hỗn lại lãng phí băng thơng Hình Node ẩn node Vấn đề sóng đơi: vấn đề node ẩn, gói gây xung đột node gửi mà khơng biết node khác truyền, node có hội lớn để gửi gói nhầm lẫn q trình truyền khơng bị làm phiền Lời giải cho ghép đôi nằm chỗ nơi truyền cần thiết để cảm nhận sóng mang mà nơi nhận Một vài giao tiếp nơi truyền nơi nhận cần thiết để giải vấn đề 3.2.3 Đa truy cập tránh xung đột (MACA hay CSMA/CA) đặc tả 802.11 Giao thức MACA Karn giới thiệu cách sử dụng thông báo điều khiển giải (về bản) vấn đề node ẩn Thông báo điều khiển đượ gọi RTS(request to send) CTS(clear to send) Khi node muốn gửi thơng điệp, phát gói RTS để mong đợi tín hiệu truyền Nếu tín hiệu cho phép nhận gói, phát gói CTS Khi nơi gửi nhận CTS, bắt đầu truyền gói Khi node gần nghe thấy RTS gửi đến node khác thông điệp ngăn 50 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chặn q trình truyền chờ đợi tín hiệu trả lời CTS Nếu CTS khơng trạng thái lắng nghe, node bắt đầu trình truyền liệu Nếu CTS nhận, ý có hay khơng RTS lắng nghe trước đó, node ngăn chặn trình truyền chúng khoảng thời gian đủ phép kết thúc trình truyền liệu tương ứng Với điều kiện lý tưởng (ví dụ bỏ khả xung đột RTS/CTS, hay giao tiếp chiều, không liệu hiệu ứng giữ), coi sơ đồ MACA có khả giải vấn đề node ẩn node Với ví dụ đơn giản trên, node C lắng nghe thông điệp CTS loại bỏ xung đột truyền Nó giải vấn đề node chỗ node C lắng nghe thông điệp RTS node B, khơng nhận CTS từ node A truyền gói liệu sau thời gian đợi đủ Cơ chế hoạt động CSMA/CA chế độ DCF - Carrier sense: Một trạm không dây muốn truyền liệu phải kiểm tra xem đường truyền có bận khơng, đường truyền bận, trạm phải trì hỗn việc truyền lại đường truyền rỗi Các trạm xác định trạng thái đường truyền dựa chế: + Kiểm tra lớp vật lý (PHY) xem có sóng mang hay khơng + Sử dụng chức carrier sense ảo NAV (network allocation vector) Các trạm kiểm tra lớp vật lý thấy đường truyền rỗi Nhưng số trường hợp, đường truyền đặt chỗ trước trạm khác thông qua NAV NAV timer cập nhật frame liệu truyền đường truyền Ví dụ: Trong Infrastructure BSS có client Minh, Việt, Quân Giả sử Minh truyền frame đến Qn Bởi đường truyền khơng dây đường truyền chia sẻ dựa quảng bá nên Việt nhận frame Nhưng frame 802.11 có chứa trường thời gian (Duration Field) Giá trị DF đủ lớn frame truyền đến đích hồi đáp lại ACK Việt cập nhật giá trị NAV với giá trị duration frame, không thực truyền giá trị NAV giảm đến Chú ý trạm cập nhật giá trị NAV chúng trường duration frame nhận có giá trị lớn giá trị NAV mà lưu giữ - DCF( distributed coordination function): IEEE xác định chế truy nhập cho mạng 802.11 DCF DCF chế truy nhập dựa phương pháp truy nhập 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CSMA/CA Để mô tả phương thức hoạt động DCF, trước tiên định nghĩa số khái niệm Trong chế hoạt động DCF, trạm muốn truyền frame phải đợi khoảng thời gian xác định sau đường truyền rỗi Giá trị thời gian gọi DCF Interframe Space (DIFS) Một DIFS trơi qua, đường truyền sẵn sàng cho trạm giành quyền truy nhập Trong ví dụ trước, giả sử Việt Quân muốn truyền frame sau Minh truyền xong Cả Việt Quân có giá trị NAV, kiểm tra vật lý thấy đường truyền rỗi Có khả lớn trạm truyền lúc gây xung đột Để tránh tình này, DCF sử dụng random backoff timer Thuật toán random backoff chọn ngẫu nhiên giá trị từ đến giá trị Contention Window (CW) Theo mặc định, giá trị CW khác tuỳ nhà sản xuất lưu trữ NIC (network interface card) máy trạm Để có giá trị random backoff, ta lấy số ngẫu nhiên chọn nhân với slot time (random backoff số lần slot time) Giá trị random backoff khoảng thời gian trạm phải chờ thêm sau đường truyền rỗi DIFS trơi qua, sau trạm có random backoff ngắn giành quyền truyền frame Trở lại ví dụ trước, Việt sẵn sàng truyền liệu ( sau DIFS trôi qua), giá trị NAV giảm đến 0, kiểm tra lớp vật lý cho thấy đường truyền rỗi Việt đợi thêm random backoff timer ( giả sử slot time) trước bắt đầu truyền liệu Giá trị random backoff timer nhau, tuỳ trạm Nếu Việt Quân muốn truyền liệu Quân có giá trị random backoff nhỏ (giả sử slot time) Quân người truyền liệu trước Lúc đó, Việt nhận frame từ Quân có chứa trường duration lớn giá trị NAV Việt ( NAV 0) nên Việt cập nhật NAV sang giá trị Đồng thời Việt lưu giá trị random backoff cịn lại ( trường hợp slot time) Sau Việt lại phải chờ NAV = kiểm tra vật lý thấy đường truyền rỗi Việt phải đợi thêm giá trị random backoff lưu lại lần trước (2 slot time), trước Việt thực truyền liệu Giả sử sau Việt truyền frame, làm để Việt biết frame đến đích mong muốn hay chưa? Đặc tả 802.11 yêu cầu trạm nhận phải hồi đáp lại frame ACK cho trạm phát nhận frame thành cơng Frame ACK cho phép trạm truyền gián tiếp xác định xung đột có xảy hay khơng Nếu trạm truyền khơng nhận frame ACK, cho có xung đột xảy 52 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đường truyền Trạm truyền cập nhật lại biến đếm Retry nó, tăng giá trị CW lên gấp đôi ( với hy vọng làm tăng giá trị random backoff) bắt đầu tiến trình truy nhập đường truyền lại lần - Frame ACK: Trạm nhận sau nhận frame thành công ( khơng có lỗi) hồi đáp lại frame ACK cho trạm truyền Lưu ý trạm nhận phải truy nhập đường truyền truyền frame ACK Bạn nghĩ ACK nhiều khả bị trì hỗn phải đấu tranh giành đường truyền Tuy nhiên, việc truyền frame ACK trường hợp đặc biệt Frame ACK phép bỏ qua trình random backoff phải đợi khoảng thời gian ngắn sau nhận frame để truyền ACK Khoảng thời gian ngắn mà trạm nhận phải đợi gọi Short Interframe Space (SIFS) SIFS nhỏ DIFS slot time Nó đảm bảo cho trạm nhận có nhiều hội để truyền trước trạm khác Cũng với ví dụ trước, sau Việt trì hỗn việc truyền tổng cộng slot time, đường truyền rỗi, Việt bắt đầu truyền frame sang Quân AP nhận frame đợi khoảng thời gian SIFS trước gửi lại frame ACK Giả sử lý đó, Việt khơng nhận frame ACK, Việt tăng gấp đơi giá trị CW lặp lại tiến trình backoff Cứ lần việc truy nhập đường truyền bất thành, trạm 802.11 tăng giá trị biến đếm Retry CW tiếp tục tăng gấp đạt giá trị lớn Cwmax Lớp MAC tiếp tục cố gắng truyền frame, biến đếm Retry dành cho frame đạt giá trị ngưỡng admin đặt cho Retry, trạm Việt cố gắng giành lấy đường truyền Vấn đề node ẩn, node RTS/CTS: Việt khơng truy nhập đường truyền trạm khác vùng phủ sóng AP lại ngồi tầm với Việt Giả sử Việt Quân nằm vùng phủ sóng vùng phủ sóng AP khơng có nằm vùng phủ sóng Thắng Thắng nằm vùng phủ sóng AP muốn truyền frame Tình node ẩn Thắng ẩn Việt Quân Việt cố giành đường truyền cách sử dụng frame đặc biệt gọi RTS Frame RTS gửi đến AP, thơng báo cho AP tất trạm khác vùng phủ sóng Việt biết khoảng thời gian (duration) cần thiết để Việt trao đổi liệu Việt trao đổi frame bao gồm Việt truyền frame nhận ACK AP nhận frame RTS Việt hồi đáp lại với frame điều khiển gọi CTS Frame CTS chứa trường duration có giá trị đủ lớn cho phép Việt hoàn thành việc 53 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trao đổi frame Tất trạm vùng phủ sóng AP bao gồm Thắng Quân nhận frame CTS cập nhật giá trị NAV họ Việc khởi tạo frame RTS mà Việt truyền phải qua đầy đủ tiến trình DCF frame bình thường khác Nhưng tương tự frame ACK, frame CTS tương ứng từ AP bỏ qua thủ tục random backoff cần đợi SIFS trước truyền 3.2.4 IEEE 802.15.4 MAC H×nh IEEE 802.15.4 MAC Chuẩn IEEE 802.15.4 thiết kế cho mạng cục cá nhân không dây tốc độ thấp (LR-WPAN), gồm ứng dụng cảm ứng nhúng Những đặc điểm quan trọng chúng chế độ cho phép báo hiệu topo dạng Trong chế độ này, lớp MAC IEEE 802.15.4 sử dụng cấu trúc siêu khung hình vẽ Một siêu khung định nghĩa tín hiệu báo hiệu tuần hoàn gửi khối điều phối PAN Trong siêu khung có pha hoạt động cho giao tiếp node điều phối PAN pha khơng hoạt động, ta điều khiển phụ thuộc vào chu kỳ ngủ mong muốn Quá trình hoạt động có 16 slot, gồm phần: điều phối, trình truy cập (CAP) trình xung đột tự (CFP), cho phép việc phân phối đảm bảo thời gian slot (GTS) Sự xuất trình xung đột tự cho phép truy cập 54 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com theo lịch dành riêng Node giao tiếp GTS ngủ cần thức dậy trước slot định GTS Giao tiếp CAP thuật tốn CSMA/CA đơn giản, cho phép trình back off nhỏ để giảm bớt lượng tiêu tốn cho việc lắng nghe nhàn rỗi Trong IEEE 802.15.4 lý thuyết sử dụng cho topo khác, chế độ cho phép báo hiệu không định nghĩa cho chúng Phần cịn lại ta tìm hiểu giao thức MAC sử dụng lượng hiệu quả, chế độ tranh chấp chế độ lập lịch, sử dụng mạng không dây multi-hop 3.3 Năng lượng hiệu giao thức MAC Năng lượng hiệu giao thức MAC đạt tắt sóng radio để rơi vào trạng thái ngủ có thể, để giữ lượng tiêu thụ 3.3.1 Quản lý lượng IEEE 802.11 Tồn lựa chọn quản lý lượng chế độ Infrastructure 802.11 Node coi điểm truy cập (AP) chúng vào trạng thái ngủ mà thơng điệp gửi tới buffer AP Quá trình thức dậy node đọc lại thông điệp buffer Năng lượng giữ cung cấp cho tiêu phí lưu lượng vào thấp tiềm cao 3.3.2 Năng lượng cần cho đa truy cập báo hiệu (PAMAS) PAMAS kỹ thuật mở rộng MACA, RTS/CTS báo hiệu thực với việc chia kênh radio từ liệu trao đổi Đây lượng cần cho giao thức MAC đề cập cho mạng không dây multi-hop Trong PAMAS, node ngủ chúng truyền khơng thể nhận đầy đủ Đặc biệt chúng ngủ chúng nghe thấy node hàng xóm truyền tới node khác, chúng xác định thông qua kênh báo hiệu điều khiển RTS/CTS node hàng xóm nhận Quá trình chế độ ngủ đặt xảy q trình truyền xác định tín hiệu điều khiển nhận kênh thứ Nếu trình truyền bắt đầu node chế độ ngủ, thức node dậy gửi tín hiệu thăm dị để xác định khoảng thời gian xảy q trình truyền quay lại chế độ ngủ Trong PAMAS, node đượ đặt ngủ bị ngăn chặn từ cách truyền hay nhận, trễ lưu lượng đầu vào mạng khơng có ảnh hưởng bất lợi Tuy nhiên, cịn hao phí lượng chế độ tiếp nhận rảnh rỗi 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.3.3 Tối thiểu hoá chi trả lượng tiếp nhận rảnh rỗi Trong PAMAS cung cấp cách để giữ lượng lắng nghe, lượng giữ cách giảm tiếp nhận rỗi Thách thức cho phép nhận ngủ phần lớn thời gian, đảm bảo node thức dậy nhận gói tin mong đợi truyền đến Cơ phương pháp giải vấn đề lớp giao thức MAC mạng cảm nhận tranh chấp Lý thuyết khơng đồng hồn tồn trơng vào việc sử dụng sóng radio thêm kỹ thuật lắng nghe trình với lượng thấp để bảo đảm nơi nhận thức dậy với trình truyền tới mong muốn Lý thuyết thứ 2, với nhiều biến đổi, sử dụng lập lịch chu kỳ ngủ cho node Phần lớn lập lịch điều phối cách mà nơi truyền biết nơi nhận đánh thức 3.4 Kỹ thuật ngủ không đồng Trong kỹ thuật này, node mặc định giữ trạng thái ngủ, thức dậy đọc lưu lượng truyền gửi/ nhận thông điệp 3.4.1 Bức xạ thức dậy thứ Node cần ngủ để giữ lượng chúng khơng có giao tiếp thức dậy để tham gia giao tiếp Giải pháp thứ phần cứng, node cảm biến bao gồm xạ Như thiết kế phần cứng có xạ xạ liệu chính, đặt chế độ ngủ mặc định Bức xạ thứ xạ thức dậy lượng thấp hoạt động suốt thời gian Nếu xạ thức dậy node nhận tín hiệu thức dậy từ node khác, phản ứng thức dậy xạ để bắt đầu nhận Quá trình đảm bảo xạ hoạt động node có liệu gửi truyền Bức xạ thức dậy khơng làm tín hiệu xử lý phức tạp, thiết kế mức lượng cực thấp Một tradeoff lan truyền node liên quan node truyền thức dậy 3.4.2 Lắng nghe lượng thấp/ lấy mẫu đầu khung truyền Trong kỹ thuật đề cập lấy mẫu đầu khung lắng nghe lượng thấp, trình nơi nhận thức dậy để cảm nhận mơi trường Nếu khơng tìm thấy hoạt động, tiếp tục ngủ Nếu node muốn truyền, gửi tín hiệu đầu khung để truyền gói Khi dị tín hiệu đầu khung, node nhận đổi thành trạng thái hoạt động Kỹ thuật minh hoạ hình vẽ Tín hiệu thức dậy gửi qua gói giao diện mức cao; nhiên mục tiêu quan trọng thực trực tiếp lớp vật lý- tín hiệu thức dậy khơng dài xung RF Node dị sau đọc 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com kênh với lượng xạ radio để xác định tín hiệu có xuất hay khơng Chế độ thức dậy tất nơi nhận vùng truyền xung quanh xác định, thơng tin phần đầu dùng để đặt chúng vào trạng thái ngủ giao tiếp khơng cần H×nh 10 Kỹ thuật lắng nghe lượng thấp/ lấy mẫu đầu khung truyền 3.4.3 WiseMAC Chế độ cịn có thiếu sót: phần đầu khung dài mà nơi truyền cần để gửi vài trạng thái nguyên nhân dẫn đến giảm thơng lượng đầu vào lãng phí lượng cho nơi gửi nơi nhận Giao thức WiseMAC xây dựng sở lấy mẫu đầu khung để bổ sung thiếu hụt Sử dụng kết hợp thêm gói ACK, node học lần lấy mẫu q trình node hàng xóm, dùng thông tin để gửi đầu khung đánh thức ngắn vào thời điểm Quá trình đầu khung xác định đồng hồ trôi đồng cuối Gọi Tw chu kỳ nơi nhận lấy mẫu- đồng hồ trôi, L khoảng thời gian giao tiếp, thời gian khung đầu Tp cần là: Gói WiseMAC chứa bit dư mà nơi truyền sử dụng để báo hiệu cho nơi nhận cần thiết để giữ trạng thái thức khoảng ngắn để nhận gói thêm cần thiết 3.4.4 Truyền/ nhận - bắt đầu chu kỳ tiếp nhận (TICER/RICER) 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trên tinh thần chế độ lấy mẫu đầu khung, kỹ thuật TICER/RICER phát triển Trong kỹ thuật này, node nhận thức dậy theo chu kỳ để giám sát kênh với tín hiệu từ nơi gửi (thức dậy tín hiệu RTS) Nơi gửi gửi chuỗi tín hiệu RTS qua thời gian ngắn quan sát kênh Khi nơi nhận RTS, trả lời với tín hiệu CTS Nếu nơi gửi dị tín hiệu CTS đó, bắt đầu q trình truyền gói Như khác biệt từ lấy mẫu đầu khung TICER, nơi truyền truyền chuỗi tín hiệu khơng liên tục thay đầu khung đơn dài, đợi tín hiệu rõ ràng từ nơi nhận trước truyền Còn kỹ thuật RICER, minh hoạ hình b, node nhận chu kỳ thức dậy để thực pha: giám sát- gửi báo hiệu thức- quan sát chuỗi nguồn dùng để truyền báo thức giữ trạng thái quan sát Khi nghe báo hiệu thức dậy từ nơi nhận, bắt đầu truyền liệu Nơi nhận trạng thái quan sát nhìn bắt đầu truyền gói liệu tiếp nhận đủ gói Tuy nhiên, kỹ thuật TICER/RICER gắn liền với phức tạp, tín hiệu thức RTS/CTS địi hỏi dễ dẫn tới thực mức gói cao, gây khó khăn thực mức tương tự RF lượng thấp H×nh 11 Kỹ thuật TICER/RICER 3.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.5.1 Cảm ứng MAC (S-MAC) Giao thức S-MAC giao thức MAC không dây thiết kế đặc biệt cho WSN Như hình vẽ ra, dùng chu kỳ tuần hồn, đó, node ngủ khoảng thời gian thức dậy để lắng nghe Chu kỳ nhiệm vụ chế độ lập lịch ngủ-lắng nghe thực với tất node, làm giảm lượng tiêu thụ Trong suốt trình, node thức chờ đợi chu kỳ ngẫu nhiên để lắng nghe thông điệp để cung cấp cho lập lịch ngủ- lắng nghe node hàng xóm Nếu chúng khơng nhận thơng điệp nào, chúng trở thành node đồng bộ, lựa chọn lập lịch riêng thơng báo cho node hàng xóm Node nghe lịch node lân cận chấp nhận lịch báo cho node Một vài node ranh giới cần chấp nhận nhiều lịch chấp nhận lịch node lân cận Các node định kỳ truyền lịch để cấp vị trí cho node kết nối với mạng Các node phải trao đổi gói theo định kỳ với node hàng xóm để đồng bộ, khơng phải vấn đề lớn chu kỳ nghe thường lớn nhiều so với thời gian trôi đồng hồ Lập lịch ngủ không dùng truyền liệu Một mở rộng sơ đồ SMAC bản, gọi đáp ứng lắng nghe, cho phép chu kỳ hoạt động thay đổi độ dài, để ngăn khả ngủ cho vài phạm vi Năng lượng giữ S-MAC mang tới tiêu phí q trình ngủ: gói truyền qua mạng phải tạm dừng trình ngủ node trung gian H×nh 12 Giao thức S-MAC 3.5.2 MAC thời gian chờ (T-MAC) MAC thời gian chờ giao thức chu kỳ tương tự S-MAC đáp ứg lắng nghe cho phép thay đổi chu kỳ Độ dài chu kỳ giữ cố định, kết thúc q trình hoạt động xác định tích cực thông điệp (dữ liệu điều khiển) khoảng thời gian chờ, ngủ Nếu nhận thông điệp, đếm bắt đầu lại sau tiếp nhận thông điệp Cơ chế làm cho phép đáp ứng dễ dàng biến đổi lưu lượng không- thời gian Chế độ T-MAC 59 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phải chịu vài vấn đề, gọi “ngủ sớm”, làm giảm lượng đầu vào, đặc biệt trường hợp truyền qua phương Khi node yên lặng xung đột chu kỳ xác định, gửi thông điệp cho nơi nhận cần thiết để phá vỡ thời gian chờ đợi Khi nơi gửi gửi sau kết thúc trình xung đột, nơi nhận lại sẵn sàng vào chế độ ngủ Hai giải pháp giải vấn đề ngủ sớm đặt Phương pháp sử dụng thông điệp điều khiển thời ngắn (FRTS), giao tiếp với nơi nhận mong muốn với việc đòi phải chờ đợi thêm chu kỳ thời gian Giải pháp thứ gọi “quyền ưu tiên buffer đầy”, đó, node muốn gửi nhận đệm buffer đầy Với chế độ này, node có quyền cao để gửi gói thay nhận gói khác, tạm thời phá vỡ thời gian chờ nơi nhận 3.5.3 MAC hội tụ liệu (D-MAC) H×nh 13 MAC hội tụ liệu (D-MAC) Dành cho gói truyền qua đa bước nhảy (multi-hop), S-MAC TMAC lượng tiết kiệm hao phí việc tăng trễ Bởi gói truyền qua vài bước nhảy chu kỳ trước tới node phải ngủ Đó vấn đề gián đoạn liệu chuyển tiếp Một giải pháp ứng dụng đặc biệt cho vấn đề đưa giao thức DMAC, áp dụng liệu hội tụ xác định trước từ node mạng biến động đến sink chung D-MAC ứng dụng chế độ ngủ so le node mức kế tiếp, chuyển chuỗi nhận - truyền - ngủ dịch bên phải Chu kỳ xếp hàng để node mức k chế độ nhận mà node thấp lv k+1 truyền 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lập lịch so le D-MAC có nhiều lợi thế- cho phép liệu gói điều khiển chuyển liên tục theo cách với trễ nhỏ nhất; cho phép yêu cầu suy yếu đáp ứng chu kỳ hoạt động để phổ biến theo đường cây; giảm nhiễu giao thoa nhờ chia chu kỳ hoạt động thành mức khác nhau; giảm số lượng node thức dậy xuất chu kỳ đáp ứng Để chuyển giao xung đột nhiễu giao thoa, D-MAC bao gồm thiết bị lựa chọn liệu dự báo trước việc sử dụng gói thếm để gửi (MTS) 3.5.4 Lập lịch ngủ có thời gian trễ hiệu (DESS) Mỗi node bỏ slot k slot để dùng làm slot tiếp nhận công bố cho node hàng xóm Khi node muốn truyền cho node chu kỳ nào, thức slot chu kỳ truyền Trên đường truyền đa bước nhảy, trễ mà gói gặp phải bước nhảy hàm số lần tiếp nhận slot node tương ứng Với gói gửi từ node i đến node j liền kề nó, có slot tiếp nhận xi_xj riêng biệt, trễ xác định xj – xi mode k xi_ = xj_k Trễ đường dẫn tổng tất trễ bước nhảy chiều dài đường dẫn Kết thúc trễ node trễ đường dẫn nhỏ Vấn đề 1: Đưa sơ đồ giao tiếp có định k slot tiếp nhận riêng biệt cho node mạng mà trễ cuối lớn tất cặp node mạng tối thiểu Nó DESS vấn đề NP lớn cho sơ đồ tuỳ ý, giải pháp khả quan trường hợp sơ đồ ring; xấp xỉ tốt thấy mạng lưới Nếu node cho phép nhận nhiều lịch, sau cải thiện hiệu trễ; ví dụ lưới, node chấp nhận lịch k slot (mỗi lịch cho truyền với node lân cận bên trái, phải, dưới), mà lặp lại theo chu kỳ Trên lưới, sử dụng nhiều lịch giảm trễ node cách: d bước nhảy xa sơ đồ tới O_d+k_, phân số trung bình số lần thức dậy 1/k Trong sơ đồ giao tiếp bất kỳ, với n node, việc sử dụng lịch nhúng cho phép trễ: O_d+k_log n_ 3.5.5 Lịch ngủ không đồng Một biến đổi thú vị vấn đề lập lịch chu kỳ thức ngủ cho node xảy có node đồng bên bị loại bỏ Trong trường hợp này, thiết kế khách quan phải tạo lịch thức ngủ độc lập cho node cá nhân để bảo đảm khoảng thời gian thức dậy không bị chồng chéo với node hàng xóm Trong địi hỏi số lần 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thức dậy dài hơn, thu không ràng buộc thiết kế việc thi hành, đặc biệt mạng tích cực cao, nơi mà khó để đồng lịch qua node Định nghĩa: Hàm lập lịch thức dậy (WSF) fu cho node u định nghĩa tổ hợp vector T slot, k slot hoạt động thời gian đó, node u thức dậy Gọi số dịch cố định slot hoạt động chồng chéo fu fv C_u_v Vấn đề thiết kế WSF cho tất node mà chúng chồng chéo m lần tạo thành vấn đề tổ hợp Vấn đề 2: Cho sơ đồ mạng G=_V_E, đưa giá trị cố định T cho WSF node, tối thiểu hố k cho hợp trung bình số slot hoạt động chu kỳ Ở đây, tập Vấn đề dùng thiết kế khơng đối xứng (ở đó, node khác có hàm thức dậy slot khác nhau) tốt thiết kế đối xứng (ở node có WSF, trừ chu kỳ thời gian dịch) H×nh14 Lịch ngủ khơng đồng 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com KẾT LUẬN Trong hồn cảnh đất nước ta vấn đề WSN phải nghiên cứu phát triển Trong khoá luận này, em khái quát đặc tính WSN, qua so sánh với WLAN WSN cung cấp cho ta giải pháp quan sát, báo hiệu xử lý thơng minh, có ý nghĩa lớn mặt ứng dụng Tìm hiểu cấu tạo node mạng WSN, thường bao gồm thành phần: phần cảm biến phần giao tiếp vô tuyến Do giới hạn nguồn lượng cung cấp, giá thành yêu cầu hoạt động thời gian dài nên vấn đề lượng tiêu chí thiết kế quan trọng mạng cảm nhận không dây WSN - Lớp vật lý: Gọn nhẹ kích thước khả tính tốn node - Lớp MAC:Kỹ thuật đa truy nhập CSMA/CA với mục đích giảm lượng tiêu thụ - Lớp Routing: Có thể dùng Routing protocol, Geo Routing WSN thường triển khai phạm vi rộng, số node mạng lớn tương đối ngẫu nhiên, địi hỏi cấu hình mạng linh động (dạng lưới, sao…) Trong số WSN thông dụng, địa ID node vị trí địa lý giải thuật Routing dựa vào vị trí gọi GRT (Geo Routing protocol).GRT phù hợp với WSN cố định nhờ đơn giản hố giải thuật tìm đường, giảm liệu bảng routing lưu trữ node Do giới hạn khả tính tốn node mạng để tiết kiệm lượng, WSN thường sử dụng phương pháp tính tốn xử lý tín hiệu phi tập trung gửi liệu tính tốn cho Base Station (có khả xử lý tín hiệu mạnh ràng buộc lượng) Khố luận hồn thành, trước tiên em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới thầy giáo-TS Vương Đạo Vy, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em thu thập tài liệu truyền đạt kiến thức Qua đây, em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy khoa Điện tử-Viễn thông trường ĐHCN-ĐHQG Hà Nội nhiệt tình dạy bảo trang bị cho em kiến thức để em bước vào tương lai Em xin gửi lời cảm ơn đến tập thể bạn lớp K49DA sẵn sàng giúp đỡ suốt trình làm khố luận Trong khn khổ khố luận, hạn chế mặt tài liệu phần thực tế đề tài nên khoá luận khơng tránh khỏi thiếu sót Vì em mong bảo thông cảm thầy, nhà trường bạn sinh viên quan tâm tới vấn đề Em xin trân trọng cám ơn thầy tận tình giúp đỡ em làm tốt khoá luận ! 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Andy Dornan Second edition The Essential Guide to Wireless Communication Applications [2] Bhaskar Networking Wireless Sensor [3] Edgar H Callaway Wireless Sensor Networks: Architecture and Protocols [4] Anna HAC Wireless Sensor Network Designs [5] www.Planet.com.tw [6] www.Linkpro.com.tw [7] www.vntelecom.org LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... đủ cách mạng vàng mạng cảm nhận không dây Hình Thiết bị hạt bụi Berkeley 1.2 Các thiết bị mạng cảm biến không dây Như hình vẽ ra, thiết bị tạo mạng cảm nhận không dây (WSN) bao gồm: Hình Các...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hồng Quang Hưng Mạng cảm nhận khơng dây (WSN) đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường (MAC) KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC... Khoá luận này, bên cạnh việc nêu lên đặc điểm cấu hình hoạt động WLAN, tập trung vào đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường mạng WSN Với kiến thức cịn hạn hẹp, thời gian nghiên