Cung ấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -*** - NGUYỄN ĐÌNH THẮNG CUNG CẤP CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÍ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205165221000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -*** - NGUYỄN ĐÌNH THẮNG CUNG CẤP CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGÀNH: XỬ LÍ THƠNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ QUỲNH THU HÀ NỘI 2009 -1- Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến khơng dây LỜI NĨI ĐẦU Ngày nhờ có tiến nhanh chóng khoa học công nghệ phát triển mạng bao gồm mạng cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nhận quan tâm đáng kể Các mạng cảm biến ngày ứng dụng vào lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông…Trong tương lai không xa, ứng dụng sử dụng mạng cảm biến sử dụng rộng rãi đời sống người nhờ vào ưu điểm giá thành, nhỏ gọn tiện lợi chúng Tuy nhiên mạng cảm biến đối diện với nhiều thách thức giới hạn lượng, băng thông, độ trễ mát gói tin đặt nhiều vấn đề cần nghiên cứu khắc phục Trong trình tìm hiểu mạng cảm biến mà cụ thể luận văn mạng cảm biến không dây, tơi lựa chọn tìm hiểu phương pháp cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng thông qua việc sử dụng chế đa kênh hàng đợi kết hợp với mức ưu tiên gói tin để cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS NGƠ QUỲNH THU - Bộ mơn Truyền thơng mạng máy tính – Viện cơng nghệ thơng tin truyền thông – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nhiệt tình bảo định hướng cho tơi để hồn thành luận văn Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT -2- Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến khơng dây TĨM TẮT LUẬN VĂN Ngày nhờ tiến vượt bậc khoa học công nghệ, mạng cảm biến trở thành đề tài nghiên cứu bật nhận tiến đáng kể vài năm qua Mạng cảm biến mạng vô tuyến bao gồm thiết bị cảm biến phân bố cách ngẫu nhiên không gian, nhằm quan sát tượng vật lý, hay điều kiện môi trường nhiệt độ, âm thanh, chấn động, áp suất, chuyển động, ô nhiễm vị trí khác Các cảm biến thiết bị điện tử nhỏ, thông thường trang bị thu phát vô tuyến thiết bị không dây khác, vi xử lý nhỏ nguồn lượng Các cảm biến có khả thu thập, xử lý truyền thông thông tin đến nút khác giới bên Mạng cảm biến lĩnh vực sâu rộng, luận văn giới thiệu cách khái quát đặc điểm mạng cảm biến Phần nghiên cứu chất lượng dịch vụ (QoS) truyền thông đa kênh mạng cảm biến Phần cuối mô đa kênh đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng Luận văn gồm có phần: Phần I: Mạng cảm biến Phần trình bày đặc điểm mạng cảm biến, kiến trúc chung mạng cảm biến điều khiển truy nhập môi trường Phần bao gồm chương: Chương 1: Mạng cảm biến tham số mạng cảm biến Chương 2: Kiến trúc mạng cảm biến Chương 3: Điều khiển truy nhập môi trường Phần II: Chất lượng dịch vụ WSN Trình bày chất lượng dịch vụ, giao thức đa kênh mạng cảm biến Phần bao gồm chương: Chương 4: Chất lượng dịch vụ mạng cảm biến Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT -3- Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây Chương 5: Các giao thức đa kênh truyền thông thời gian thực Phần III: Mô đánh giá kết Phần giới thiệu phần mềm mô NS2 mô đánh giá kết việc cung cấp chất lượng dịch vụ mạng cảm biến không dây Phần gồm chương: Chương 6: Phần mềm mô NS2 Chương 7: Mơ đánh giá kết Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT -4- Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến khơng dây MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU - TÓM TẮT LUẬN VĂN - DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ - DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT - Phần I : MẠNG CẢM BIẾN - 10 Chương 1: Mạng cảm biến không dây tham số mạng - 10 1.1 Giới thiệu - 10 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến - 12 1.3 Các tham số mạng cảm biến - 14 Chương 2: Kiến trúc mạng cảm biến - 16 2.1 Lớp vật lí - 17 2.2 Lớp liên kết liệu - 17 2.2.1 Điều khiển truy nhập môi trường - 17 2.2.2 Giao thức tự tổ chức MAC mạng cảm biến - 18 2.3 Tầng mạng - 19 2.3.1 Định tuyến trung tâm liệu - 20 2.3.2 Internetworking - 21 2.3.3 Flooding and gossiping - 21 2.3.4 Giao thức định tuyến thông tin dựa dàn xếp liệu - 22 2.3.5 Directed diffusion - 24 2.4 Lớp vận chuyển - 24 2.5 Lớp ứng dụng - 25 2.5.1 Giao thức quản lí cảm biến - 25 2.5.2 Giao thức quảng cáo liệu - 26 2.5.3 Truy vấn cảm biến giao thức phổ biến liệu - 26 Chương 3: Điều khiển truy nhập môi trường - 28 3.1 Những khác biệt hạn chế giao thức MAC mạng cảm biến - 29 3.1.1 Các điểm khác biệt giao thức MAC mạng cảm biến - 29 3.1.2 Các hạn chế giao thức MAC mạng cảm biến - 29 3.2 Các giao thức MAC mạng cảm biến - 31 3.2.1 Các giao thức MAC khơng theo lịch trình - 31 3.2.1.1 Các giao thức MAC nhiều thu phát - 32 3.2.1.2 Giao thức MAC nhiều đường - 33 3.2.1.3 Các giao thức MAC trung tâm kiện - 34 3.2.1.4 Encounter-Based MAC Protocols - 35 3.2.1.5 Tóm tắt giao thức MAC khơng theo lịch trình - 37 3.2.2 Các giao thức MAC theo lịch trình - 39 3.2.2.1 Các giao thức MAC dựa ưu tiên - 39 3.2.2.2 Các giao thức MAC dựa lưu lượng - 40 3.2.2.3 Các giao thức MAC dựa phân cụm - 41 3.2.2.4 Các giao thức TDMA MAC - 46 3.2.2.5 Tóm tắt giao thức MAC theo lịch trình - 48 - Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT -5- Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây Phần II: CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO WSN - 49 Chương 4: QoS mạng WSN - 50 4.1 Các mơ hình QoS mạng WSN - 50 4.1.1 Mô hình dịch vụ tích hợp - 51 4.1.2 Mô hình dịch vụ phân biệt - 52 4.2 Sơ đồ chuyển tiếp thích nghi (AFS) - 54 Chương 5: Đa kênh truyền thông thời gian thực - 57 5.1 Giao thức đa kênh phân cụm mạng WSN - 57 5.1.1 Cơ chế cảm nhận ảo - 57 5.1.2 Chi tiết phương pháp - 58 5.1.3 Chu kì hoạt động cluster - 62 5.2 Giao thức đa kênh sở - 63 5.3 Giao thức đa kênh luồng sở - 67 5.3.1 Phân kênh luồng sở - 69 5.3.2 Hiệu lượng định tuyến thời gian thực - 70 5.3.2.1 Chuyển tiếp thời gian thực - 71 5.3.2.2 Quản lí lân cận - 72 Phần III: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ - 74 Chương 6: Phần mềm mô NS2 - 74 6.1 Giới thiệu chung - 74 6.2 Kiến trúc NS2 - 74 6.3 C++ OTcl - 76 6.4 Các thành phần cấu hình mạng NS2 - 77 Chương 7: Mô đánh giá kết - 79 7.1 Thuật toán - 79 7.2 Mô đánh giá kết - 82 7.2.1 Kịch mô - 82 7.2.2 Mô tả kịch chi tiết - 84 7.2.3 Kết mơ phân tích - 85 7.2.3.1 Kết mô NAM - 85 7.2.3.2 Kịch - 87 7.2.3.3 Kịch - 91 7.2.3.4 Kịch - 97 7.3 Kết luận - 103 KẾT LUẬN - 105 - Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT -6- Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến khơng dây DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Giám sát chiến trường - 12 Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến - 12 Hình 1.3: Kiến trúc nút cảm biến - 13 Hình 2.1: Ngăn xếp giao thức cho mạng WSN - 16 Hình 2.2: Sơ đồ phân lớp MAC - 18 Hình 2.3: Định tuyến trung tâm liệu - 20 Hình 2.4: Truyền gói Flooding - 21 Hình 2.5: Hoạt động SPIN - 23 Hình 3.1: Truyền tải liệu PAMAS - 33 Hình 3.2: Truyền tải liệu B-MAC - 36 Hình 3.3: Truyền tải liệu WiseMAC - 36 Hình 3.4: Truyền tải liệu CSMA-MPS - 37 Hình 3.5: Định dạng frame TRAMA - 41 Hình 3.6: Định dạng frame PMAC - 41 Hình 3.7: So sánh truyền thông LEACH GANGS - 43 Hình 3.8: Group TDMA Receiver-Based Grouping - 44 Hình 3.9: Định dạng frame S-MAC biến thể - 46 Hình 3.10: Định dạng frame EMACS and LMAC - 47 Hình 4.1: Chuyển tiếp gói tin - 52 Hình 4.2: Xác suất tiếp cận đạt xác suất tiếp cận mong đợi - 55 Hình 5.1: Các Data plane tương quan Patche/Cluster - 60 Hình 5.2: Mở rộng cluster để kết nối tới sink - 62 Hình 5.3: Giao thức đa kênh sở - 65 Hình 6.1: Tổng quan NS góc độ người dùng - 74 Hình 6.2: Luồng kiện cho file Tcl chạy NS - 76 Hình 7.1: Hàng đợi PriQ - 81 - Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT -7- Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến khơng dây Hình 7.2: Hàng đợi Multiserv - 82 Hình 7.3: Sơ đồ phân bố nút mạng - 82 Hình 7.4: Kết mơ NAM sử dụng mức ưu tiên - 85 Hình 7.5: Kết mơ NAM sử dụng mức ưu tiên - 86 Hình 7.6: Đồ thị thơng lượng theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 87 Hình 7.7: Đồ thị độ trễ theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 89 Hình 7.8: Đồ thị gói tin theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 90 Hình 7.9: Đồ thị thông lượng theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 91 Hình 7.10: Đồ thị trễ theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 92 Hình 7.11: Đồ thị gói tin theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 93 Hình 7.12: Đồ thị thơng lượng theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 94 Hình 7.13: Đồ thị trễ theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 95 Hình 7.14: Đồ thị gói tin theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 96 Hình 7.15: Đồ thị thông lượng theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 97 Hình 7.16: Đồ thị trễ theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 98 Hình 7.17: Đồ thị gói tin theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 99 Hình 7.18: Đồ thị thơng lượng theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 100 Hình 7.19: Đồ thị độ trễ theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 101 Hình 7.20: Đồ thị gói tin theo kịch sử dụng mức ưu tiên - 102 - Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT -8- Cung cấp chất lượng dịch vụ cho mạng cảm biến không dây DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledge ADC Analog to Digital Converter ARBP Adaptive Random Backoff Protocol B-MAC Berkeley MAC CC-MAC Correlation-based Collaborative MAC CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect CSMA-MPS CSMA-Minimal Preamble Sampling EAR Eavesdrop-and-Register E-MAC Event MAC ID Identification IP Internet Protocol LAMA Link Activation Multiple Access MAC Media Access Control NAMA Node Activation Multiple Access N-MAC Network MAC PAMA Pairwise-link activation Multiple Access PAMAS Power Aware Multi-Access with Signaling PFR Probabilistic Forwarding Protocol QoS Quality of Service RARBP Range Adaptive Random Backoff Protocol SMACS Seft-organizing MAC for Sensor network SMP Sensor Management Protocol SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation SQDDP Sensor Query and Data Dissemination Protocol Nguyễn Đình Thắng Lớp XLTT&TT