NGHIÊN CỨU ĐỊNH TUYẾN MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE TRONG THUẬT TOÁN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG

TVũ Tu󰖦n Nam HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Vũ Tu󰖦n Nam HỆ THỐNG THÔNG TIN NGHIÊN C󰗩U Đ󰗋NH TUY󰖿N M󰖡NG C󰖣M BI󰖿N ZIGBEE TRONG THU󰖭T TOÁN T󰗑I ƯU NĂNG LƯ󰗣NG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 2012 – 2013 HÀ NỘI 2013 HÀ NỘI - 2015 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Vũ Tuấn Nam NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Đặng Văn Chuyết HÀ NỘI - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên những tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và đƣợc trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu m ọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 30 tháng 1 năm 2015 Tác giả luận văn Vũ Tu󰖦n Nam ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Văn Chuyết, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, tận tình chỉ bảo và định hƣớng trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể thầy cô giáo của Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học tập tại trƣờng từ khi còn học đại học cho đến sau đại học. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những ngƣời đã luôn ở bên cổ vũ tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi để em có thể học tập tốt. Em xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE 3 1.1. Tổng quan về IEEE 802.15.4 3 1.2. Cấu hình mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 4 1.3. Mạng cảm biến ZigBee theo chuẩn IEEE 802.15.4 5 1.3.1. Khái niệm 5 1.3.2. Ƣu và nhƣợc điểm của ZigBee 6 1.3.3. Dải tần trong mạng ZigBee 7 1.4. Cấu trúc mạng cảm biến ZigBee 9 1.4.1. Tổng quan 9 1.4.2. Kiến trúc cụ thể của mạng ZigBee 10 1.4.3. Mô hình mạng ZigBee 11 1.4.4. Một số ứng dụng của mạng cảm biến ZigBee 12 Chƣơng 2 – THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN 14 2.1. Tổng quan định tuyến 14 2.1.1. Khái niệm 14 2.1.2 Thuật toán định tuyến 16 2.2. Các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee 17 2.2.1. Định tuyến ZigBee 18 2.2.2. Quảng bá gói tin trong ZigBee (ZigBee Broadcasting) 19 2.2.3. Quan hệ nhiều - một – Many-to-one 20 2.3. Thuật toán định tuyến theo yêu cầu – AODV 21 iv 2.3.1. Tổng quan 21 2.3.2. Tìm đƣờng - Path Discovery 22 2.3.3. Thiết lập đƣờng ngƣợc 23 2.3.4. Thiết lập đƣờng tiến 23 2.3.5. Quản lý bảng định tuyến 25 2.3.6. Bảo trì đƣờng dẫn 25 2.3.7. Quản lý kết nối cục bộ 26 2.4. Thuật toán hình cây 27 2.4.1. Tổng quan 27 2.4.2. Cây đơn nhánh 28 2.4.3. Cây đa nhánh 30 2.5. Vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee 31 2.6. Thuật toán định tuyến tối ƣu năng lƣợng trong mạng cảm biến ZigBee 35 Chƣơng 3 – MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG 41 3.1. Công cụ mô phỏng 41 3.1.1. Ubuntu 10.04 41 3.1.2. NS-2 41 3.2. Xây dựng kịch bản 45 3.2.1. Thuật toán AODV 45 3.2.2. Mạng ZigBee 46 3.3. Thử nghiệm 46 3.4. Đánh giá kết quả 48 3.4.1. Thuật toán định tuyến AODV 48 3.4.2. Mạng ZigBee 54 Kết quả trong Nam 54 KẾT LUẬN 57 HƢỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt PHY Physical Layer Tầng vật lý DLL Data Link Layer Tầng liên kết dữ liệu PAN Private Area Net Khu vực mạng riêng tƣ LLC Logical Link Control Điều khiển kết nối logic MAC Media Access Control Điều khiển truy cập truyền thông CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance Đa truy cập nhận biết sóng mang phát hiện xung đột OSI Open Systems Interconnection Reference Model Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở ACK Acknowledgment Sự thừa nhận WLAN Wireless Local Are Network Mạng không dây cục bộ FFD Full Function Device Thiết bị đầy đủ chức năng RFD Reduced Function Device Thiết bị giảm chức năng NL Network Layer Tầng mạng AL Application Layer Tầng ứng dụng NLME Network Layer Management Entity Tầng mạng quản lý thực thể vi NLDE Network Layer Data Entity Tầng mạng dữ liệu thực thể ZDO ZigBee Device Object Đối tƣợng thiết bị ZigBee ZAP ZigBee Application Profile Hồ sơ ứng dụng ZigBee ZC ZigBee Coordinator Điều phối ZigBee ZR ZigBee Router Định tuyến ZigBee ZED ZigBee End Device Thiết bị cuối ZigBee PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoải chuyển mạch công cộng RD Routing Device Thiết bị định tuyến RREQ Route Request Yêu cầu định tuyến RREP Route Reply Trả lời định tuyến LLACK Link Layer ACK Tầng kết nối ACK DD Designated Device Thiết bị đƣợc chỉ định HERA Hierarchical Routing Algorithm Thuật toán phân cấp định tuyến vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng ƣu nhƣợc điểm của ZigBee 6 1.2 So sánh ZigBee và Bluetooth 7 1.3 Nhà cung cấp ZigBee 13 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Các ứng dụng không dây 5 1.2 Dải Tần ZigBee 7 1.3 Kiến trúc OSI và kiến trúc ZigBee 9 1.4 Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp – Stack) trong kiến trúc ZigBee 10 1.5 Mô hình tầng ZigBee đơn giản 11 1.6 Các mô hình mạng trong ZigBee 11 1.7 Các ứng dụng trong mạng cảm biến ZigBee 13 2.1 Định tuyến Anycast -1 15 2.2 Định tuyến Anycast -2 15 2.3 Định tuyến Broadcast 16 2.4 Định tuyến Multicast 16 2.5 Định tuyến Unicast 16 2.6 Mô hình định tuyến ZigBee đơn giản 18 2.7 Mô tả quá trình tìm đƣờng – path discovery 23 [...]... N ZIGBEE TRONG THU T TOÁN T I ƯU NĂNG LƯ NG ” nghiên cứu các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee, đặc biệt tập trung vào vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến 2 Luận văn gồm có 3 chƣơng : Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến ZigBee Chƣơng này tìm hiểu về khái niệm và cấu trúc mạng cảm biến ZigBee Chương 2 : Thuật toán định tuyến Chƣơng này tập trung tìm hiểu về một số thuật toán. .. tuyến Chƣơng này tập trung tìm hiểu về một số thuật toán định tuyế và vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee Chương 3 : Mô phỏng thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng Chƣơng này giới thiệu về công cụ mô phỏng, cách thức cài đặt và kết quả thử nghiệm, đánh giá 3 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE Mạng cảm biến ZigBee đƣợc xây dựng theo chuẩn giao thức IEEE 802.15.4,... của tầng mạng ZigBee Nếu cơ chế định tuyến làm việc không hiệu quả sẽ ảnh hƣởng tới hiệu năng của toàn bộ mạng Cơ chế định tuyến hay thuật toán định tuyến và tầm ảnh hƣởng của nó bị chi phối bởi nhiều yếu tố, ví dụ nhƣ: kích thƣớc mạng, cấu trúc của mạng, tài nguyên của mạng ZigBee sử dụng cơ chế, thuật toán AODV cho việc định tuyến bên trong mạng lƣới của nó – mesh network Phần phức tạp nhất trong cơ... nhau 1.4.3 Mô hình mạng ZigBee Trong truyền thông dùng mạng ZigBee thƣờng hỗ trợ 3 mô hình mạng chính: mạng hình sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lƣới Hình 1.6: Các mô hình mạng trong ZigBee Trong lớp mạng ZigBee cho phép 3 kiểu thiết bị: Bộ điều phối Zigbee (ZigBee Coordinator - ZC): Chỉ có duy nhất 1 ZC trong bất kỳ mạng ZigBee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin về mạng thông qua cấu... tả ZigBee đã định nghĩa một mô hình đinh tuyến tối ƣu cho những trƣờng hợp đó gọi là đinh tuyến nhiều-một many-to-one Điều đó có nghĩa, bộ tập trung khởi tạo gói tin định tuyến, nó sẽ đƣợc quảng bá trong mạng 21 Trên tuyến đƣờng định tuyến gói tin, mỗi thiết bị định tuyến của mạng sẽ tạo một bảng mục tƣơng ứng tới bộ tập trung 2.3 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu – AODV 2.3.1 Tổng quan Định tuyến. .. cho mạng IP Các kiểu định tuyến bao gồm: - Anycast : Cho phép định tuyến từ một node tới một node Hình 2.1: Định tuyến Anycast - 1 Hình 2.2 : Định tuyến Anycast – 2 - Broadcast : Định tuyến từ 1 node tới tất cả các node Hình 2.3: Đính tuyến Broadcast 16 - Multicast : Định tuyến từ 1 node tới nhiều node Hình 2.4: Định tuyếnMulticast - Unicast :Định tuyến từ một node tới một node Hình 2.5: Định tuyến. .. bảng định tuyến, đƣa ra bƣớc truyền kế tiếp tốt ƣu … để từ một node đến bất kỳ node khác trên mạng 2.2 Các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee Tổng quan : Nhƣ đã biết mạng ZigBee định nghĩa tầng mạng và tầng ứng dụng cho thiết bị IEEE 802.15.4 Tầng ứng dụng cung cấp khung làm việc hay cung cấp API cho các ứng dụng Trong khi đó tầng mạng bao gồm cơ chế cấu hình cho tầng mạng và định tuyến Mạng hình... nhau về định tuyến hay là với mỗi mạng PAN có cấu trúc khác nhau ta cần một khái niệm định tuyến phù hợp Đối với mạng tĩnh, định tuyến từ nguồn (Source Routing) là một khái niệm thích hợp bởi vì nó cung cấp thông tin định tuyến của mạng thông qua các bản ghi cấu hình mạng đƣợc định nghĩa trƣớc đó Với việc sử dụng khái niệm định tuyến này sẽ rút ngắn khoảng thời gian định tuyến thành công qua mạng 19... định trong một khoảng thời gian đủ lớn Mặc dù mạng ZigBee có mức tiêu hao năng lƣợng thấp nhƣng việc lựa chọn giải thuật định tuyến tối ƣu năng lƣợng cũng quyết định rất lớn đến hoạt động lâu dài của mạng Mạng ZigBee là đƣợc áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhƣng chu kỳ hoạt động dài Đối tƣợng mà mạng ZigBee nhắm vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome),... lũy định tuyến của nó lên Bằng cách sử dụng chi phí định tuyến của mỗi bƣớc nhảy, nó có thể giúp chỉ ra con đƣờng tốt nhất tới đích cho node nguồn Đặc tả ZigBee sử dụng thuật toán Ad hoc On Demand Distance Vector AODV làm thuật toán định tuyến Với thuật toán định tuyến này, các RREQ đƣợc truyền tới tất cả các thiết bị trong mạng Các thiết bị trong mạng sẽ trả lời bằng gói tin RREP Mỗi bƣớc truyền chuyển . tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee 31 2.6. Thuật toán định tuyến tối ƣu năng lƣợng trong mạng cảm biến ZigBee 35 Chƣơng 3 – MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG . của mạng cảm biến ZigBee 12 Chƣơng 2 – THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN 14 2.1. Tổng quan định tuyến 14 2.1.1. Khái niệm 14 2.1.2 Thuật toán định tuyến 16 2.2. Các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee. cấu trúc mạng cảm biến ZigBee Chương 2 : Thuật toán định tuyến Chƣơng này tập trung tìm hiểu về một số thuật toán định tuyế và vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee Chương