NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG HÌNH LƯỚI VÔ TUYẾN WIRELESS MESH NETWORK

Đề tài: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ MẠNG HÌNH LƯỚI VÔ TUYẾN WIRELESS MESH NETWORK” Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm có: Chương 1.Nghiên cứu tổng quan mạng Mesh vô tuyến. Chương 1 giới thiệu tổng quan về mạng lưới vô tuyến, thành phần, cấu trúc và những ứng dụng của mạng lưới vô tuyến. Chương 2.Một số công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng Mesh vô tuyến. Chương 2 tìm hiểu hai công nghệ đó là Zigbee và SimpliciTI nhưng tập trung chủ yếu vào công nghệ Zigbee. Chương 3.Nghiên cứu mô hình hệ thống thông tin quản lý môi trường sử dụng công nghệ Mesh vô tuyến. Chương 3 tìm hiểu mô hình thực tế của hệ thống quản lý môi trường và các vấn đề cần chú ý khi thiết kế mạng. Đây là mô hình ứng dụng thực tiễn và đã được triển khai phổ biến ở các nước phát triển.

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt A AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hóa tiên tiến AF Application Framework Khung làm việc ứng dụng APDU Aplication Support Sublayer Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu tầng con hỗ trợ ứng dụng APS Application Support Sublayer Tầng con hỗ trợ ứng dụng APSDE Application Support Sublayer Data Entity Thực thể dữ liệu tầng con hỗ trợ ứng dụng APSDE-SAP APSDE-Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ APSDE B BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha hai trạng thái BSN Beacon sequence number Số trình tự hoa tiêu C CAP Contention Access Period Thời gian truy nhập xung đột CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh rỗi CFP Contention-Free Period Thời gian không xung đột CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Đa truy nhập cảm ứng sóng mang tránh xung đột D DSN Data sequence number Số trình tự dữ liệu DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phỗ chuỗi trực tiếp E ED Energy Detection Phát hiện năng lượng FCS Frame Check Sequence Trình tự kiểm tra khung FFD Full function device Thiết bị đầy đủ chức năng G GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian bảo vệ H HDR Header Mào đầu I IB Information Base Cơ sở thông tin IFS Interframe Spacing Không gian liên khung ISM Indutrial, Scientific, Medical Công nghiệp, Khoa học, Y tế L LQI Link Quality Indicator Chỉ thị chất lượng liên kết LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân tốc độ thấp M MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập kênh MFR MAC footer Đuôi khung MAC MHR MAC header Đầu khung MAC MLME MAC Layer Management Entity Thực thể quản lý lớp MAC MLME-SAP MAC Layer Management Entity Điểu truy nhập MLME Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Service Access Point MPDU MAC Protocol Data Unit Đơn vị giao thức lớp MAC MSDU MAC service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp MAC N NIB Network Layer Information Base NLDE Network Layer Data Entity Thực thể dữ liệu lớp mạng NLDE-SAP Network Layer Data Entity Service Access Point Điểm truy nhập NLDE NLME Network Layer Management Entity Thực thể quản lý lớp mạng NLME-SAP Network Layer Management Entity Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ NLME NPDU Network Layer Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức lớp mạng NSDU Network Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ lớp mạng O O-QPSK Offset Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha bốn trạng thái có trễ P PAN Personal Area Network Mạng khu vực cá nhân PD PHY Data Dữ liệu lớp vật lý PD-SAP PHY Data Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ dữ liệu lớp vật lý PHR PHY Header Đầu khung dữ liệu lớp vật lý PIB PAN Information Base Cơ sở thông tin PAN PLME Physical Layer Management Entity Thực thể quản lý lớp vật lý PLME-SAP Physical Layer Management Entity Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ PLME R RFD Reduced Function Device Thiết bị ít chức năng S SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu W WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây Z ZDO ZigBee Device Object Đối tượng thiết bị Zigbee Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng của thiết bị di động nhỏ giá thấp đã thúc đẩy sự phát triển của truyền thông vô tuyến nhằm đáp ứng nhu cầu người sử dụng. Người sử dụng luôn muốn một thiết bị di động giá rẻ, chi phí sử dụng thấp, dịch vụ tin cậy và đáp ứng nhu cầu luôn luôn on-line của họ. Công nghệ mạng lưới vô tuyến (Wireless Mesh Network) là công nghệ vô tuyến đầy hứa hẹn đáp ứng được nhu cầu đó với những đặc điểm mà các công nghệ khác không có được đó là tự cấu hình, tự tổ chức, tự hàn gắn, dễ dàng bảo trì, giá thấp, dịch vụ tin cậy, khả năng mở rộng dễ dàng…Điểm hạn chế của công nghệ mạng lưới vô tuyến đó là phạm vi vùng phủ nhỏ, và băng thông hạn chế. Công nghệ mạng lưới vô tuyến được ứng dụng rộng rãi nhất và được hỗ trợ bởi nhiều nhà sản xuất phần cứng nhất đó là Zigbee. Zigbee đã ứng dụng phổ biến trong mạng cảm biến, nhà thông minh… Vì vậy việc tìm hiểu về mạng lưới vô tuyến – công nghệ vô tuyến đang phát triển rất nhanh là cần thiết và em đã chọn đề tài ” Nghiên cứu công nghệ mạng hình lưới vô tuyến” là đề tài đồ án tốt nghiệp của em. Nội dung đồ án tốt nghiệp gồm có: • Chương 1.Nghiên cứu tổng quan mạng Mesh vô tuyến. Chương 1 giới thiệu tổng quan về mạng lưới vô tuyến, thành phần, cấu trúc và những ứng dụng của mạng lưới vô tuyến. • Chương 2.Một số công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng Mesh vô tuyến. Chương 2 tìm hiểu hai công nghệ đó là Zigbee và SimpliciTI nhưng tập trung chủ yếu vào công nghệ Zigbee. • Chương 3.Nghiên cứu mô hình hệ thống thông tin quản lý môi trường sử dụng công nghệ Mesh vô tuyến. Chương 3 tìm hiểu mô hình thực tế của hệ thống quản lý môi trường và các vấn đề cần chú ý khi thiết kế mạng. Đây là mô hình ứng dụng thực tiễn và đã được triển khai phổ biến ở các nước phát triển. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng vì khả năng còn hạn chế nên đồ án còn rất nhiều thiết sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy để đồ án được chính xác và hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Trường Thành, người đã hướng dẫn, định hướng, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Em xin chần thành cảm ơn thầy. Sinh viên thực hiện Đào Trọng Tuấn Sinh viên thực hiện: Đào Trọng Tuấn, lớp D08VT1 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Nghiên cứu tổng quan công nghệ mạng Mesh vô tuyến 1 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ MẠNG MESH VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu mạng Mesh vô tuyến Các công nghệ mạng không dây đang phát triển sang thế hệ tiếp nhằm cung cấp các dịch vụ tốt hơn, công nghệ mạng lưới vô tuyến (Wireless Mesh Networks-WMNs) đang được ứng dụng rộng khắp nhằm cung cấp các topo mạng một cách linh hoạt, tin cậy với hàng ngàn thiết bị. Mạng lưới vô tuyến – WMNs là mạng truyền thông tạo bởi các nút vô tuyến tổ chức theo dạng lưới. WMNs là mạng nhiều hop trong đó mỗi node có thể nhận và gửi bản tin, các node này đóng vai trò là một router và chuyển tiếp bản tin tới hàng xóm. Theo quá trình này, mỗi gói tin sẽ đi tới đích qua các node trung gian với các liên kết tin cậy. Trong WMNs, node bao gồm mesh router và mesh client. Một WMN có đặc điểm tự tổ chức, tự cấu hình động (self-oranized, self-configured), mỗi node trong mạng tự động thiết lập và duy trì kết nối lưới giữa chúng. Đặc điểm này mang lại nhiều lợi ích cho WMNs như là chi phí ban đầu thấp, bảo trì dễ dàng, bảo vệ các dịch vụ tin cậy. Các node thông thường (desktops, laptops, PDA, PocketPC, phones…) được trang bị với các card không dây (Network Interface Card –NIC) có thể kết nối trực tiếp tới mesh router. Người dùng không có NIC có thể truy nhập WMN bằng cách kết nối tới mesh router qua chẳng hạn Ehernet. Do đó, WMN sẽ giúp người dùng người luôn luôn nối mạng mọi lúc mọi nơi. Tuy nhiên, chức năng gateway/bridge trong mesh router cho phép tích hợp vào WMN với mạng không dây hiện có khác nhau như mạng cảm biến không dây, Wi-fi (Wireless-fidelity), Wimax (Worldwide inter-operability for microwave access), mạng thông tin di động. Theo đó, thông qua một WMN được tích hợp người dùng của mạng hiện có có thể được cung cấp với dịch vụ mà mạng này không thể cung cấp. WMN là một công nghệ không dây đầy hứa hẹn cho rất nhiều ứng dụng như mạng gia đình tốc độ cao (broadband home networking), mạng doanh nghiệp, tòa nhà tự động…Nó đang dành được sự quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (Internet service provider – ISP) trong việc tung ra dịch vụ băng rộng không dây mà chỉ cần chi phí đầu tư ban đầu nhỏ. Với khả năng tự tổ chức và tự cấu hình, WMN có thể được triển khai mỗi node một thời gian, khi cần. Khi nhiều node được cài đặt, sự tin cậy và liên kết đối với người dùng tăng theo. Triển khai một WMN không quá khó bởi vì tất cả thành phần yêu cầu đều có sẵn trong định dạng của giao thức định tuyến của mạng ad hoc, giao thức MAC IEEE 802.11…Một vài công ty vừa mới nhận ra tiềm năng của công nghệ này và đưa ra các sản phầm của mạng lưới không dây. Một vài phòng thí nghiệm được thành lập ở một số trường đại học. Tuy nhiên, việc tạo ra hết khả năng của mạng WMN, việc nghiên cứu vẫn cần tiếp tục chẳng hạn như MAC và giao thức định tuyến hiện có được sử dụng cho WMN không có đủ sự mở rộng, throughput bị bỏ đáng kể khi mà số lượng các node hay hop trong mạng WMN tăng. Theo đó, tất cả các giao thức hiện có từ lớp ứng dụng tới giao vận, lớp MAC và lớp vật lý cần được tăng cường để phù hợp với WMN. 1.2 Kiến trúc mạng WMN WMN bao gồm hai loại node: mesh router và mesh client. Một mesh router bao gồm chức năng định tuyến, chức năng cửa ngõ/trạm lặp (gateway/repeater). Để nâng cao sự linh hoạt của Sinh viên thực hiện: Đào Trọng Tuấn, lớp D08VT1 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Nghiên cứu tổng quan công nghệ mạng Mesh vô tuyến mạng lưới, một mesh router thường được trang bị với nhiều giao diện không dây được xây dựng trên hoặc công nghệ truy nhập không dây giống hay khác nhau. So sánh với router wirless thông thường, một mesh router có thể có cùng diện bao phủ nhưng với công suất phát thấp hơn nhiều thông qua việc truyền thông nhiều hop. Giao thức MAC (Medium access control) trong mesh router được tăng cường với sự mở rộng tốt hơn trong điều kiện lưới nhiều hop. Mặc dù có nhiều sự khác nhau nhưng mesh router và wirless router thông thường được xây dựng dựa trên cùng một nền tảng phần cứng. Mesh router có thể được xây dựng dựa trên hệ thống máy tính riêng (ví dụ như hệ thống nhúng). Chúng cũng có thể được xây dựng dựa trên hệ thống máy tính như laptop, desktop PC… Mesh client cũng có chức năng cần thiết cho mạng lưới và do đó cũng làm việc như là một router. Tuy nhiên, chức năng cửa ngõ (gateway) hay cầu (bridge) không tồn tại trong những nút này. Thêm vào đó, mesh client thường xuyên chỉ có một giao diện không dây. Nền tảng phần cứng và phần mềm cho mesh client có thể đơn giản hơn nhiều so với mesh router. Mesh client có nhiều thiết bị khác nhau hơn nhiều so với mesh router. Chúng có thể là laptop/desktop PC, pocket PC, PDA, IP phone và nhiều loại thiết bị khác. Hình 1-1 Ví dụ mesh router dựa trên hệ thống nhúng khác nhau: (a) PowerPC; (b) AdvancHình 1-2ed Risc Machines (ARM). Hình 1- 3 Ví dụ mesh client: Laptop, tablet Kiến trúc của WMN có thể được phân thành ba nhóm chính dựa trên chức năng của các node. Sinh viên thực hiện: Đào Trọng Tuấn, lớp D08VT1 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1. Nghiên cứu tổng quan công nghệ mạng Mesh vô tuyến • Infrastructure/backbone WMN Kiến trúc này được chỉ ra trong hình 1.3 nơi mà nét đứt và nét liền mô tả liên kết không dây và có dây. Hình 1-4 Infrastructure/Backbone WMN Kiến trúc này bao gồm mesh router định dạng cấu hình mạng cho client kết nối tới nó. WMN infrastructure/backbone có thể được xây dựng dùng nhiều công nghệ vô tuyến khác nhau như công nghệ phổ biến nhất đó là IEEE 802.11. Với chức năng gateway, mesh router có thể được kết nối tới Internet và theo cách này, cũng đưa ra như là các lưới hạ tầng (infrastructure mesh), cung cấp backbone cho client và cho phép tích hợp WMN với mạng vô tuyến hiện có thông qua chức năng gateway/bridge ở mesh router. Client với giao diện Ethernet có thể kết nối tới mesh router thông qua liên kết Ethernet. Đối với những client mà cùng công nghệ vô tuyến với mesh router, chúng có thể truyền thông trực tiếp với mesh router. Nếu khác công nghệ vô tuyến, client phải truyền thông với trạm gốc mà có kết nối Ethernet tới mesh router. Infrastructure/backbone WMN là loại được dùng phổ biến nhất. Cho ví dụ, mạng khu vực và công cộng (community, neighborhood) có thể được xây dựng dùng infrastructure meshing. Mesh router được đặt ở trên nóc các ngôi nhà trong một khu vực, phục vụ như là một accesspoint cho người dùng bên trong nhà và dọc theo con đường. Hai loại vô tuyến được dùng đó là cho truyền thông backbone và cho người sử dụng. Mạng lưới backbone có thể được thiết lập dùng kĩ thuật truyền thông phạm vi rộng bao gồm các anten vô hướng. • Client WMNs: client meshing cung cấp mạng peer-to-peer giữa các thiết bị client. Trong loại kiến trúc này, các node client tạo thành mạng thực sự để tiến hành định tuyến và cấu hình chức năng như cúng cấp ứng dụng tới người dùng. Do đó, một mesh router không được yêu cầu cho loại mạng này. Kiến trúc client WMNs được chỉ ra ở hình 1.4. Trong mạng client WMNs, một gói có địa chỉ đích là một node trong mạng nhảy thông qua nhiều node để vương twosi đích. Client WMNs thường xuyên được định dạng dùng một loại vô tuyến. Tuy nhiên, yêu cầu trên Sinh viên thực hiện: Đào Trọng Tuấn, lớp D08VT1 10 [...]... tốt nghiệp đại học Chương 2 Các công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng Mesh vô tuyến Sinh viên thực hiện: Đào Trọng Tuấn, lớp D08VT1 19 Đồ án tốt nghiệp đại học 2 2.1 Chương 2 Các công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng Mesh vô tuyến CHƯƠNG 2 CÁC CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG TRONG MẠNG MESH VÔ TUYẾN Công nghệ Zigbee Công nghệ Zigbee là chồng giao thức truyền thông cho mạng vô tuyến phạm vi ngắn với tốc độ... pháp xử lý tức thời Hình 1- 13 Kiến trúc tổng quan mạng cảm biến lưới vô tuyến 1.5 Tổng kết chương 1 Chương 1 đã giới thiệu tổng quát về mạng lưới vô tuyến Mạng lưới vô tuyến đang phát triển và là một trong những công nghệ khóa để cung cấp những dịch vụ tốt hơn Mạng lưới vô tuyến – WMN bao gồm 2 loại node đó là mesh router và mesh client Mesh router định dạng ra kiến trúc mạng WMN, mesh router thường... học Chương 1 Nghiên cứu tổng quan công nghệ mạng Mesh vô tuyến thiết bị người dùng tăng khi so sánh với infrastructure meshing, vì vậy, trong client WMNs người dùng phải tiến hành thêm các chức năng như là định tuyến và tự cấu hình Hình 1- 5 Client WMN • Hybrid WMNs Đầy là kiến trúc được kết hợp của infrastructure và client meshing (hình 1.5) Mesh client có thể truy nhập mạng thông qua mesh router như... tuyến độ mạng doanh nghiệp có thể được ứng dụng tới nhiều dịch vụ công cộng và thương mại khác như sân bay, khách sạn, trung tâm hội nghị, trung tâm thể thao… Hình 1-8 WMN cho mạng công cộng Hình 1-9 WMN cho mạng doanh nghiệp Sinh viên thực hiện: Đào Trọng Tuấn, lớp D08VT1 14 Đồ án tốt nghiệp đại học • Chương 1 Nghiên cứu tổng quan công nghệ mạng Mesh vô tuyến Mạng đô thị (Metropolitan area network) ... Chương 1 Nghiên cứu tổng quan công nghệ mạng Mesh vô tuyến thu thập kết quả và tính toán thủ công Việc giám sát này không tức thời, khó quy trách nhiệm cho các đơn vị gây ô nhiễm, việc quản lý không mang tính hệ thống Để giải quyết vấn đề này, công nghệ mạng lưới không dây là công nghệ được sử dụng và ứng dụng rộng khắp Theo đó, các cảm biến sẽ được định vị để giám sát thành phần môi trường ở các khu công. .. Chương 2 Các công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng Mesh vô tuyến Có tất cả 27 kênh, đánh số từ 0 đến 26 và phân bổ trên 3 dải tần số Có 16 kênh ở dải tần 2.4GHz, 10 kênh ở dải tần 915MHz, và 1 kênh ở dải tần 868MHz Tần số trung tâm của các kênh như sau: Sinh viên thực hiện: Đào Trọng Tuấn, lớp D08VT1 26 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 Các công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng Mesh vô tuyến Fck = 868.3MHz... bộ mạng và do đó, tăng cường việc sử dụng tài nguyên của mạng doanh nghiệp WMN có thể phát triển dễ dàng khi cỡ mạng của doanh nghiệp mở rộng WMN cho mạng doanh nghiệp phức tạp hơn nhiều so với hộ gia đình bởi vì nhiều node và cấu hình mạng phức tạp hơn Dịch vụ của chết Sinh viên thực hiện: Đào Trọng Tuấn, lớp D08VT1 13 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1 Nghiên cứu tổng quan công nghệ mạng Mesh vô tuyến. .. mạng Quá trình hình thành mạng được quản lý bởi lớp mạng Zigbee Mạng có một trong hai cấu hình được xác định trong IEEE 802.15.4 là cấu hình hình sao và cấu hình điểm-điểm Trong cấu hình hình sao như trong ví dụ hình 2.1, mỗi thiết bị trong mạng chỉ có thể truyền thông với PAN coordinator Một kịch bản điển hình trong quá trình hình thành một mạng hình sao đó là, một FFD được lập trình để trở thành... vực lớn hơn nhiều so với hộ gia đình, doanh nghiệp, tòa nhà hay mạng công cộng Do đó, mạng lưới WAN đáp ứng được yêu cầu về việc mở rộng mạng bằng mạng lưới Hình 1-10 WMN cho mạng đô thị MAN (metropolitan area network) • • Hệ thống chuyên trở (Transportation system) Thay vì giới hạn truy nhập IEEE 802.11 hay 802.16 tới trạm, công nghệ mạng lưới có thể mở rộng truy nhập tới xe bus, tàu hỏa… Do đó, dịch... Chương 2 Các công nghệ vô tuyến sử dụng trong mạng Mesh vô tuyến bị có khả năng hoạt động như một bộ điều phối IEEE 802.15.4 Cuối cùng, một thiết bị đầu cuối Zigbee end device sẽ là thiết bị không thuộc một trong hai thiết bị: bộ điều phối và bộ định tuyến Các thiết bị đầu cuối Zigbee có kích thước bộ nhớ nhỏ nhất và khả năng xử lý và ít đặc điểm nhất 2.1.2 Cấu hình mạng Quá trình hình thành mạng được . Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tiếng Anh Tiếng Việt A AES Advanced. đó, tăng cường việc sử dụng tài nguyên của mạng doanh nghiệp. WMN có thể phát triển dễ dàng khi cỡ mạng của doanh nghiệp mở rộng. WMN cho mạng doanh nghiệp phức tạp hơn nhiều so với hộ gia đình. rất nhiều ứng dụng như mạng gia đình tốc độ cao (broadband home networking), mạng doanh nghiệp, tòa nhà tự động…Nó đang dành được sự quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ Internet (Internet service