Đồ án tốt nghiệp: MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ xii DANH MỤC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 3 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây 3 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây. 4 1.2.1. Kiến trúc giao thức mạng 7 1.2.2. Cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây. 9 1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 11 1.3.1. Ứng dụng trong quân đội 11 1.3.2. Ứng dụng trong môi trường 12 1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 13 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình 13 1.4. Kiến trúc WSN và giao thức stack 14 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSNs. 16 1.5.1. Hạn chế phần cứng. 17 1.5.2. Khả năng chịu lỗi 17 1.5.3. Khả năng mở rộng 17 1.5.4. Chi phí sản xuất 17 1.5.5. Năng lượng tiêu thụ 18 1.5.6. Truyền thong 18 1.5.7. Cấu trúc mạng WSN (WSN Topology): 18 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE 802.15.4 20 2.1. Khái niệm 20 2.2. Đặc điểm 20 2.3. Ưu điểm của ZigBeeIEEE 802.15.4 với BluetoothIEEE 802.15.1 21 2.4. Mạng ZigBee IEEE 802.15.4 LRWPAN 21 2.4.1. Thành phần của mạng LRWPAN 22 2.4.2. Kiến trúc liên kết mạng 22 2.5. Mô hình giao thức của ZigBeeIEEE 802.15.4 26 2.6. Tầng vật lý ZigBeeIEEE 802.15.4 26 2.6.1. Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý. 28 2.6.2. Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4 34 2.6.3. Định dạng khung tin PPDU 34 2.7. Tầng điều khiển dữ liệu ZigBeeIEEE 802.15.4 MAC. 35 2.7.1. Cấu trúc siêu khung 35 2.7.2. Các mô hình truyền dữ liệu 38 2.8. Tầng mạng của ZigBeeIEEE 802.15.4 41 2.8.1. Dịch vụ mạng 41 2.8.2. Dịch vụ bảo mật 41 2.9. Tầng ứng dụng của ZigBeeIEEE 802.15.4 44 CHƯƠNG 3. CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZIGBEEIEEE 802.15.4 45 3.1. Tổng quan về định tuyến 45 3.1.1. Khái niệm 45 3.2. Các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee 47 3.2.1. Định tuyến ZigBee 47 3.2.2. Quảng bá gói tin trong ZigBee (ZigBee Broadcasting) 49 3.2.3. Quan hệ nhiều một – Many – to – one. 50 3.3. Thuật toán định tuyến theo yêu cầu – AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) 50 3.3.1. Tổng quan 50 3.3.2. Tìm đường Path Discovery 51 3.3.3. Thiết lập đường ngược 52 3.3.4. Thiết lập đường tiến 53 3.4. Thuật toán hình cây 54 3.4.1. Tổng quan 54 3.4.2. Cây đơn nhánh 54 3.4.3. Cây đa nhánh 58 3.5. Vấn đề tối ưu năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee 62 3.6. Thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến ZigBee 65 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV 68 4.1. Công cụ mô phỏng 68 4.1.1. Ubuntu 14.04.2. 68 4.1.2. NS2 68 a) Giới thiệu về NS2 68 b) Các đặc tính của NS2 69 c) Cài đặt NS2 69 4.2. Xây dựng kịch bản và thử nghiệm 70 4.2.1. Thuật toán AODV 70 4.2.2. Thử nghiệm 71 4.3. Kết quả 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77  

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN TUẤN HOÀN MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN Hà Nội- 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN TUÂN HOÀN MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã ngành: NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS HÀ MẠNH ĐÀO Hà Nội - 2015 Lời cảm ơn Để hoàn thành đồ ánnày, nỗ lực thân, nhận nhiều hướng dẫn, bảo giúp đỡ từ thầy giáo, cô giáo, tổ chức, cá nhân Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Hà Mạnh Đào -Trưởng khoa Công nghệ thong tin, Đại Học Tài nguyên Môi trường Hà Nội đặt móng, bồi dưỡng, khuyến khích nghiên cứu viết đề tài Cảm biến- lĩnh vực thú vị nhiều khó khăn, thầy nhiệt tình tạo điều kiện giúp đỡ hoàn thành đồ án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ thông tin – trường ĐH Tài Nguyên Môi Trường Hà Nội động viên, giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến, chuyên môn quan trọng để giúp đỡ hoàn thành tiểu luận Lời cuối xin gửi lời cảm ơn đến bạn lớp ĐH1C2, người thân gia đình động viên tinh thần giúp hoàn thành tiểu luận Bài tiểu luận không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý nhiệt tình thầy cô giáo bạn sinh viên Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Tuấn Hoàn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Vệt ACK Acknowledgment Sự thừa nhận PAN Private Area Net Khu vực mạng riêng tư MAC Media Access Control DLL Data Link Layer Tầng liên kết liệu FFD Full Function Device Thiết bị đầy đủ chức RFD Reduced Function Device Thiết bị giảm chức NL Network Layer Tầng mạng AL Application Layer Tầng ứng dụng ZDO ZigBee Device Object Đối tượng 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 RD Routing Device Thiết bị định tuyến RREQ Route Request Yêu cầu định tuyến RREP Route Reply Trả lời định tuyến DD Designated Device Thiết bị định HERA Hierarchical Routing Algorithm Thuật toán phân cấp định tuyến AODV Ad hoc On Demand Distance Vector CSMA/CA OSI Điều khiển truy cập truyền thông Thuật toán định tuyến theo yêu Carrier Sense Multiple Access/ cầu Đa truy cập nhận biết sóng Collision Avoidance Open Systems Interconnection mang phát xung đột Mô hình tham chiếu kết nối PPDU Reference Model PHY protocol data unit hệ thống mở Khối thu phát liệu tầng vật lí LLACK Link Layer ACK Tầng kết nối ACK LỜI NÓI ĐẦU Hàng ngày thấy ví dụ cách thức mà công nghệ thông tin viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi sống người giới Từ mức độ hay mức độ khác, cách mạng kỹ thuật số lan rộng đến ngõ ngách toàn cầu Mạng viễn thông ngày tạo cầu nối liên kết loài người khắp giới, người sử dụng mạng để trao đổi, quản lý, giao tiếp, mua bán Với phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật, mạng cảm biến không dây xuất ngày phổ biến với nhiều ứng dụng lĩnh vực sống ứng dụng giám sát điều khiển sản xuất, tự động hóa gia đình điện dân dụng, ứng dụng y tế giám sát sức khỏe Một yêu cầu quan trọng mạng cảm biến không dây tiết kiệm lượng pin để đảm bảo cho hoạt động mạng ổn định khoảng thời gian đủ lớn Mặc dù mạng ZigBee có mức tiêu hao lượng thấp việc lựa chọn giải thuật định tuyến tối ưu lượng định lớn đến hoạt động lâu dài mạng Mạng ZigBee áp dụng cho hệ thống điều khiển cảm biến có tốc độ truyền tin thấp chu kỳ hoạt động dài Đối tượng mà mạng ZigBee nhắm vào mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), tự động hóa trình (Home Automation, Building Automation), hoạt động theo dõi, tiếp nhận xử lý thông tin lĩnh vực y tế (Health Care), quản lý lượng cho hiệu (Smart Energy)…Khi sử dụng hệ thống này, mạng ZigBee phát huy tất điểm mạnh độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, giá thành thấp, lỗi, dễ mở rộng thời gian sử dụng pin dài Công nghệ ZigBee hoạt động dải tần 868/915 MHz 2,4 GHz, với ưu điểm độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, giá thành thấp, lỗi, dễ mở rộng, khả tương thích cao Trong luận văn này, em muốn trình bày khảo cứu em công nghệ ZigBee mô thuật toán định tuyến ZigBee để hiểu rõ công nghệ Hy vọng thông qua vấn đề đề cập đồ án này, bạn đọc có đánh giá hiểu biết sâu sắc công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 vai trò tiềm sống 10 nhánh nó, ID node trung gian có Thiết bị gốc phải có trách nhiệm lưu giữ toàn thông tin cấu trúc mạng nhánh Cũng giống node thành viên nhánh node gốc CH thành viên thiết bị gốc chúng phải có trách nhiệm thông báo tình trạng đường truyền đến DD Để thực node gốc phải gửi định kỳ tin thông báo tình trạng đường truyền mạng tới DD, tin chứa danh sách CID lân cận DD sau xử lý thông tin tính toán, chọn lựa đường truyền tối ưu thông báo định kỳ tới nhánh thông qua tin cập nhật Như ta thấy vai trò thiết bị gốc quan trọng, cần có thiết bị gốc dự phòng (BDD) sẵn sang thay thiết bị gặp cố Các node trung gian vừa liên kết nhánh mạng, vừa chuyển tiếp gói tin nhánh mạng Khi node trung gian nhận đựợc gói tin, kiểm tra địa đích gói tin đó, sau chuyển tới địa đích địa đích nằm nhánh chuyển tiếp tới node trung gian nhánh liền kề địa đích không nằm nhánh Hình 3.15 Mạng đa nhánh nút trung gian 68 Chỉ thiết bị gốc gửi tin tới tất node mạng, tin đựợc chuyển dọc theo tuyến đường nhánh Các node trung gian chuyển tiếp gói tin quảng bá từ nhánh gốc đến nhánh 3.5 Vấn đề tối ưu lượng tiêu thụ mạng cảm biến ZigBee Năng lượng mạng cảm biến ZigBee bị giới hạn so với mạng không dây khác chất thiết bị cảm biến Thông thường, node mạng cảm biến trang bị nguồn lượng giới hạn Trong số ứng dụng, việc bổ sung lượng khó khăn, có bổ sung, thời gian sống mạng phụ thuộc nhiều vào thời gian sống node mạng, thời gian lại phụ thuộc vào nguồn lứợng PIN Vậy làm để kéo dài chu kỳ sống thiết bị Với mạng cảm biến ZigBee câu hỏi đặt làm để giảm thiểu lượng tiêu thụ phần mềm?Để thực điều đó, tất giao thức truyền thông phải hướng đến tiết kiệm lượng Tiết kiệm lượng lớp vật lý: Sử dụng kỹ thuật điều chế tín hiệu số: OQPSK, FSK cải thiện hiệu suất khuếch đại công suất Các kỹ thuật mã hóa sửa sai phức tạp Turbo Code, LDPC không sử dụng, kỹ thuật trải phổ sử dụng để cải thiện SNR thiết bị thu giảm tác động fading kênh truyền Tiết kiệm lượng lớp MAC: Sử dụng kỹ thuật đa truy cập TDMA CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm lượng tiêu thụ Tiết kiệm lượng giao thức định tuyến: Trong mạng adhoc nói chung, WSN nói riêng, đường node mạng thay đổi theo thời gian (do node di chuyển, chất lượng kênh truyền thay đổi theo thời tiết, node hết lượng) Tiết kiệm lượng vấn đề phức tạp Một số toán đặt như: làm để xây dựng thuật toán định tuyến nhanh chóng mà không cần phải gửi tới tất node mạng Cần thuật toán tìm đường mà cho tổng lượng tiêu tốn thấp tỉ lệ lượng liệu truyền lượng tiêu thụ cao 69 Tiết kiệm lượng quản lý bảo mật: Sử dụng chế phân bố, cung cấp quản lý khóa bảo mật node từ bỏ khỏi mạng WSN, nhóm node mạng bắt đầu trao đổi với cho số lượng tin trao đổi node thấp nhất, qua tiết kiệm lượng tiêu thụ Ngoài thông tin thể đƣợc xử lý trước gửi để giảm lượng tiêu thụ chung Mạng cảm biến ZigBee mạng cảm biến không dây có đặc điểm số lượng node mạng lớn, khoảng cách node lân cận mạng nhỏ.Thành phần cấu thành lên mạng ZigBee đa phần node, chi phí cho node thấp.Mức tiêu thụ lượng thấp nhiều, việc thay pin (nguồn lượng cung cấp cho node mạng) chí tháng lần vất vả hay nói cách khác thời gian chi phí để trì hệ thống phải tăng lên nhiều Mặt khác mạng cảm biến không dây giao tiếp không dây kỹ thuật chính, giao tiếp node mạng bị nhiều hạn chế yếu tố khoảng cách vật cản Chính cần có thuật toán phù hợp giúp toàn hệ thống hoạt động hiệu lượng, lượng quản lý cách hiệu tăng lên chu kỳ sống hệ thống Như đề cập phần chuẩn IEEE 802.14.5 không cung cấp chiến lược định tuyến tầng mạng.Việc định tuyến liệu tầng mạng cung cấp tầng liên kết liệu Việc định tuyến mạng cảm biến không dây nói chung mạng cảm biến ZigBee gặp nhiều vấn đề khó khăn, thách thức là: - Mạng cảm biến có số lượng lớn node, ta xây dựng - sơ đồ địa toàn cục cho việc triển khai số lượng lớn node Dữ liệu mạng cảm biến thu nhận từ nhiều nguồn khác Hầu hết ứng dụng, node nói chung tĩnh sau triển khai - ngoại trừ số node di động Mạng cảm biến ứng dụng riêng biệt Việc nhận biết vị trí vấn đề quan trọng, tập hợp liệu thường dựa theo vị trí 70 - Khả dư thừa liệu cao, node cảm biến thu thập liệu dựa - nguồn chung Công nghệ lượng chưa đáp ứng Do thiết kế lớp mạng cảm biến ZigBee phải đảm bảo nguyên tắc sau: Hiệu lượng phải đặt lên hàng đầu Để đạt hiệu quản lý lượng lớp mạng đòi hỏi phải có thuật toán định tuyến liệu phù hợp cho phép tối ưu lượng cho tất node mạng Một hướng khác tùy theo vào cấu hình mạng, ta đưa thuật toán định tuyến phù hợp với cấu hình mạng để tối ưu hóa lượng mạng Tuy nhiên vấn đề định tuyến gặp thách thức - Tính động mạng: Các thành phần cấu thành nên mạng ZigBee di động đặc biệt node cảm biến Khi việc định tuyến phải đối mặt nhiều vấn đề - như: đường liên lạc, cấu hình mạng, lượng độ rộng băng thông Triển khai node mạng: Trong mạng cảm biến ZigBee node cảm biến phân bố ngẫu nhiên tạo cấu trúc ad-hoc, cấu trúc việc đặt thiết bị ZC ZR quan trọng, góp phần vào hoạt động hiệu lượng mạng Trong mạng cảm biến nói chung mạng cảm biến ZigBee, trình định tuyến bị ảnh lớn lượng Sở dĩ nói lượng truyền sóng vô tuyến hàm suy hao theo khoảng cách đặc biệt suy giảm nhiều trường hợp có nhiều vật cản Việc định tuyến đa bước nhảy giảm việc tiêu hao lượng việc truyền liệu trực tiếp node Định tuyến trực tiếp tốt trường hợp tất node cảm biến gần ZC, ZR Tiết kiệm lượng hầu hết mạng/ thiết bị viễn thông vấn đề quan tâm hàng đầu nhà mạng ngƣời sử dụng Tuy nhiên, với đặc tính riêng mình, vai trò tiết kiệm lượng mạng WSN nói chung mạng cảm biến ZigBee nói riêng quan trọng Nó ảnh hưởng trực tiếp đến chu kỳ sống cảm biến trong, qua ảnh hưởng đến hiệu toàn hệ thống 71 Một số nguyên lý tối ưu việc quản lý lượng mạng ZigBee: Cơ ZigBee sử dụng thuật toán AODV thuật toán định tuyến cho gói tin.Đặc tả ZigBee đưa số tối ưu cho định tuyến Đó là: many-to-one, neighbor table link status message Bảng lân cận - Neighbor table: ZigBee sử dụng bảng lân cận để giảm số gói tin RREQ truyền mạng Bảng lân cận chứa thông tin lân cận để gia nhập tái gia nhập mạng thông tin định tuyến.Cơ chế định tuyến tối ưu sử dụng địa thiết bị phần thông tin bảng lân cận.Hơn nữa, chi phí để tới node đích thông qua lân cận lưu lại.Bảng thông tin đưa nhìn khái quát lân cận trung gian cho phép tự kết nối thiết bị.Điều có nghĩa gói tin khởi nguồn từ thiết bị không nằm bảng lân cận thêm mục vào bảng lân cận Thông tin trạng thái đường kết nối – Link Status Message: Việc xây dựng mạng không dây đòi hỏi cân nhắc đến yếu tố di động mạng Nó làm tăng tính động cho thiết bị Để nhận biết thay đổi cấu trúc mạng thiết bị ZC ZR cần thiết gửi gói tin trạng thái liên kết mạng Thông điệp trạng thái mạng gửi tới tất lân cận phạm vi ZC ZR để lân cận biết vị trí chúng mạng chất lƣợng mạng thời điểm gửi Việc gửi gói tin giúp cho lân cận trạng thái đƣợc cập nhật thông tin.Điều giúp cho việc định tuyến hệ thống diễn nhanh chóng.Tuy nhiên việc sử dụng gói tin trạng thái liên kết nên áp dụng với mạng đòi hỏi tính động, với mạng tĩnh điều không cần thiết 3.6 Thuật toán định tuyến tối ưu lượng mạng cảm biến ZigBee Như đề cập phần trên, lượng mạng cảm biến nói chung mạng cảm biến ZigBee vấn đề nhiều thách thức Làm để tiết kiệm lượng, tiết kiệm bước tốt nhất…Luôn câu hỏi nhà nghiên cứu đặt nhiều Ta biết trình truyền tin trình tiêu hao nhiều lượng do: 72 • Tiêu hao lượng qua công suất phát sóng sensor nodemạng • Tiêu hao lượng xử lý thuật toán định tuyến • Tiêu hao có xung đột gói tin truyền thời điểm, gói tin bị hỏng, phải yêu cầu truyền lại • Tiêu hao vấn đề nghe rỗi ( Idle Listening) Nó xảy thành phần sóng vô tuyến thực nghe xem có liệu để nhận không • Tiêu hao vấn đề nghe thừa ( Over hearing) Nó xảy node mạng nhận gói tin dành cho node khác Nếu việc định tuyến sai, dẫn đến truyền tin sai làm thay đổi trạng thái toàn mạng Khi đó, việc định tuyến truyền tin lại vô thời gian tiêu tốn nhiều lượng Vì vậy, định tuyến đúng, truyền tin xác bước quan trọng muốn tiết kiệm lượng Vấn đề khó khăn đưa thuật toán định tuyến để tối ưu lượng cho tất trường hợp Với điều kiện cụ thể, thuật toán phát huy mạnh riêng Việc đưa thuật toán tối ưu lượng cho tất trường hợp cấu hình mạng cảm biến ZigBee thách thức lớn Bản thân thuật toán định tuyến AODV có sẵn ưu điểm đó, tảng để phát triển thuật toán định tuyến khác Tuy nhiên số trường hợp cụ thể, ta đưa thuật toán phù hợp, tối ưu lượng thuật toán AODV Chỉ tiêu đánh giá tối ưu lượng thuật toán AODV: Đối với hệ thống nói chung, hiệu suất độ đo công việc mà hệ thống thực bao gồm tính sẵn sàng, thông lượng, thời gian đáp ứng Vì thế, sử dụng thông số sau để đánh giá hiệu suất giao thức định tuyến mạng mô : • Tỉ lệ gói tin nhận : tỉ lệ số lượng gói tin đến đích số lượng gói tin tạo node phát • Độ trễ trung bình đầu cuối : tổng độ trễ tính từ node nguồn phát gói tin đến node đích nhận gói tin Nó bao gồm : trễ phát 73 đường, xếp hàng hàng đợi, trễ phát lại tầng MAC trễ thời gian truyền Ý nghĩa : Hai độ đo đánh giá kết hoạt động giao thức định tuyến Nó có ý nghĩa hoạt động giao thức lớp giao thức giao vận giao thức ứng dụng Ngoài ra, mạng adhoc, việc hạn chế tài nguyên mạng đòi hỏi giao thức phải sử dụng hiệu tài nguyên Với giao thức định tuyến, chi phí để thực yêu cầu định tuyến Do đó, người ta xét thêm thông số để thể việc sử dụng tài nguyên mạng Đó tải định tuyến chuẩn hóa: tỉ lệ số gói tin định tuyến số gói tin liệu gửi Nếu gói tin định tuyến qua nhiều chặng chặng tính truyền thông • Thông lượng trung bình : tỉ lệ số gói tin liệu truyền đơn vị thời gian Ý nghĩa : Khi băng thông sẵn có mạng mô băng thông thực có bao nhiêu? Thông số thông lượng T cho biết băng thông thực mô cho thấy hiệu giao thức định tuyến Thông lượng trung bình cao nghĩa băng thông dành cho định tuyến ít, giao thức định tuyến hoạt động tốt • Tải thông tin định tuyến : tỉ lệ gói tin định tuyến gửi với số gói liệu gửi tới đích Ý nghĩa : Nó cho biết hiệu sử dụng băng thông giao thức định tuyến Phần tải định tuyến giao thức định tuyến theo yêu cầu thông thường lớn phải gửi tin cập nhật định kỳ toàn mạng Trường hợp lý tưởng tin định tuyến, có gói tin liệu truyền mạng, nhiên, giao thức định tuyến triển khai thực tế 74 CHƯƠNG MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV 4.1 Công cụ mô Sử dụng phần mềm ảo hóa Vmware Workstation cài đặt hệ điều hành Ubuntu 14.04.2.Sử dụng công cụ mô NS-2 Hệ điều hành 4.1.1 Ubuntu 14.04.2 Download phần mềm Vmware Workstation 10 Download Ubuntu 14.04.2 phiên desktop địa http://releases.ubuntu.com/14.04.2/ubuntu-14.04.2-desktop-amd64.iso Chọn phiên “PC (Intel x86) desktop CD ” Sau cài đặt xong Ubuntu, cần tiến hành cài thêm gói phần mềm sau ( để phục vụ cho việc chạy biên dịch NS-2) Install GCC G++ version 4.3 $ sudo apt-get install build-essential autoconf automake libxmu-dev $ sudo apt-get install libx11-dev libxmu-dev libxmu-headers libxt-dev libtool $ sudo apt-get install dpkg-dev g++ libc6-dev make $ sudo apt-get install tcl8.4 tk8.4 $ sudo apt-get install build-essential 4.1.2 NS-2 a) Giới thiệu NS2 NS (Netwok Simulator v2) phần mềm mô mạng điều khiển kiện riêng rẽ hướng đối tượng, phát triển UC Berkely, viết ngôn ngữ C++ OTcl NS hữu ích cho việc mô mạng diện rộng (WAN) mạng local (LAN) Bốn lợi ích lớn NS-2 phải kể đến là: - Khả kiểm tra tính ổn định giao thức mạng tồn Khả đánh giá giao thức mạng trước đưa vào sử dụng Khả thực thi mô hình mạng lớn mà gần ta thực thi thực tế - Khả mô nhiều loại mạng khác b) Các đặc tính NS2 75 NS-2 thực thi tính sau: - Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router DropTail, RED, CBQ - Multicasting - Mô mạng không dây - Định tuyến - Hành vi nguồn traffic-www - Luồng packet - Mô hình mạng - Các ứng dụng… c) Cài đặt NS2 • Tải ns-allinone-2.35 địa : http://media.thanhnt.com/public_file/nsallinone-2.35.tar.gz • Copy file ns-allinone-2.34.tag.gz từ thư mục Download vào thư mụchome Dùng lệnh sau : $ tar –xzvf ns-allinone-2.35.tar.gz $ cd ns-allinone-2.35 • Cài đặt X-window sudo apt-get install xorg-dev g++ xgraph • Sửa lỗi đường dẫn otcl dòng 6304 of otcl-1.13/configure , chuyển thành SHLIB_LD="gcc -shared" từ SHLIB_LD="ld -shared" • Chạy Lệnh $ sudo apt-get install build-essential autoconf automake libxmu-dev gcc-4.3 • Cài đặt thêm công cụ cần thiết cho việc build ns-2 Đang thư mục ns-allinone-2.32, chạy lệnh /install cài đặt ns2 Sau cài đặt xong ns-2.35 Thiết lập biến môi trường theo bước sau: > sửa file bashrc home $gedit bashrc Thêm dòng sau vào cuối file : #LD_LIBRARY_PATH 76 OTCL_LIB=/home/yenth/ns-allinone-2.35/otcl-1.13 NS2_LIB=/home/yenth/ns-allinone-2.35/lib USR_LOCAL_LIB=/usr/local/lib export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$otc #TCL_LIBRARY TCL_LIB=/home/yenth/ns-allinone-2.35/tcl8.4.18/library USR_LIB=/usr/lib export TCL_LIBRARY=$TCL_LIB:$USR_LIB # PATH XGRAPH=/home/yenth/ns-allinone-2.35/bin:/home/yenth/ns-allinone2.35/tcl8.4.18/unix:/home/yenth/ns-allinone-2.35/tk8.4.18/unix NS=/home/yenth/ns-allinone-2.35/ns-2.35/ NAM=/home/yenth/ns-allinone-2.35/nam-1.14/ PATH=$PATH:$XGRAPH:$NS:$NAM Chạy lệnh source bashrc để cập nhật 4.2 Xây dựng kịch thử nghiệm 4.2.1 Thuật toán AODV Thuật toán xây dựng với nội dung sau: Thông số Số nút mạng Thời gian mô Traffic Type Giá trị Server 1: 22 nút Server 2: nút 150s ftp Như ta biết, giao thức AODV tức định tuyến vecto cự ly theo yêu cầu tùy biến dựa thuật toán vector khoảng cách xếp tới đích DSDV (Destination Sequenced Dista-nce Vector) AODV tối thiểu hoá số tin quảng bá cần thiết cách tạo tuyến sở theo yêu cầu, ngược với việc trì danh sách hoàn chỉnh tuyến thuật toán DSDV 77 Khi node nguồn muốn gởi tin đến node đích có tuyến đến đích đó, phải khởi đầu trình khám phá đường truyền để xác định node khác Nó phát quảng bá gói yêu cầu tuyến (RREQ) đến node lân cận Node sau chuyển tiếp gói yêu cầu đến node lân cận khác Quá trình tiếp tục có node trung gian xác định đƣợc tuyến “đủ tươi” (“fresh enough”) để đạt đến đích AODV sử dụng số thứ tự đích để đảm bảo tất tuyến không lặp chứa hầu hết thông tin tuyến Mỗi node trì số với ID quảng bá Trong AODV, tuyến đươc trì điều kiện sau: Nếu node nguồn chuyển động, phải khởi động lại giao thức khám phá tuyến để tìm tuyến đến đích Nếu node tuyến chuyển động, node lân cận luồng lên ý đến chuyển động truyền tin Khai báo cố đường thông (một RREP không xác định) đến node lân cận tích cực luồng lên để thông báo cho node xoá phần tuyến Các node thực chất truyền Thông báo cố đường thông đến node lân cận luồng lên Quá trình tiếp tục đạt đến node nguồn Node nguồn sau chọn khởi động lại trình khám phá tuyến cho đích tuyến cần thiết [4] 4.2.2 Thử nghiệm Các node mạng mô đƣợc định nghĩa sẵn tọa độ file AODV.scn diện tích mô với trục tọa độ node (x,y,z) z = -> Mặt phẳng Bởi giao thức định tuyến AODV đƣợc hỗ trợ sẵn NS2 nên ta cần khai báo tên giao thức mô theo kịch Mô gồm tệp aodv.tcl chứa mã lệnh Để chạy mô sau có tệp chứa mã lệnh terminal gõ lệnh: ns aodv.tlc 4.3 Kết 78 Hình 4.1 Toàn 22 nút khởi tạo mô hình Với node mạng khởi động node PAN Coor, chương trình mô toàn trình truyền tin mạng zigbee Hình 4.2 Quá trình truyền tin mạng Zigbee 79 Hình 4.3 Quá trình truyền tin mạng Zigbee Tại thời điểm này, tất node mạng hòa vào hệ thống Các node mạng mạng Zigbee liên kết với theo cấu trúc mạng hình sao,hình lưới hình cây, đa dạng cho phép công nghẹ Zigbee ứng dụng ngày rộng rãi 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian làm đồ án tốt nghiệp hướng dẫn tận tình thầy giáo T.S Hà Mạnh Đào, đến em hoàn thành đồ án Đồ án tìm hiểu chung mạng máy tính, mạng cảm biến không dây, tìm hiểu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee, tìm hiểu thuật toán định tuyến AODV Mạng cảm biến không dây gồm số lượng lớn thiết bị có khả cảm nhận truyền thông không dây Thông thường nút mạng hạn chế tài nguyên phần cứng khả xử lí thấp, giải thông bé, tín hiệu yếu hoạt động tần số chia sẻ Việc xác định chuẩn 802.15.4 có ý nghĩa quan trọng việc xác định không gian ứng dụng, thiêt kế mạng cảm nhận không dây Thông qua ứng dụng cụ thể y tế cho mạng cảm biến không dây Qua trình nghiên cứu mạng cảm biến ZigBee thuật toán định tuyến Luận văn đạt kết sau : • Trình bày cách tổng quan chuẩn IEEE 802.15.4 mạng cảm biến không dây ZigBee • Nghiên cứu hoạt động thuật toán định tuyến,thuật toán tối ưu lượng (AODV, LEACH, HERA ) Zigbee, từ cho thấy lợi mạng Zigbee ứng dụng thực tế • Mô thuật toán định tuyến AODV NS2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN Trong khuôn khổ thời gian có hạn, đề tài tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu lý thuyết, phần mô thiết kế thiết bị chủ yếu phương pháp mô số máy tính, có thời gian nghiên cứu sâu phát triển đề tài tác giả cung cấp đầy đủ mô chi tiết mạng Em mong muốn tìm hiểu sâu mạng cảm biến không dây Zigbee, ứng dụng mạng Zigbee vào thực tế sống Việt Nam (phát triển nhà thông minh, công cụ tiện ích phục vụ y tế, hay hệ thống cảnh báo tự động ) 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Drew Gislason (2008), ZigBee Wireless Networking [2] Dr Wolfgang Kastner, ZigBee Network Layer Simulation on top of IEEE 802.15.4 [3] Tommaso Melodia, Routing in ZigBee: Benefits from exploiting the IEEE 802.15.4 association tree [4] ZigBee Alliance Địa : http://www.ZigBee.org [5] “IEEE 802.15.4 Standard Specification” Địa : http://www.standards.ieee.org [6] ZigBee routing Địa : http://daintree.net/resources/routing.php [7] ZigBee Địa : http://en.wikipedia.org/wiki/ZigBee [8] ZigBee Security Địa : http://www.daintree.net/resources/security.php [9]ZigBeeWirelessNetworkngSystems Địachỉ:http://www.silabs.com/products/wireless/ZigBee/Pages/default.aspx [11] Bluetooth Địa : http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth [12] OSI Địa : http://vi.wikipedia.org/wiki/M%C3%B4_h%C3%ACnh_OSI 82 [...]... thức trong mạng cảm biến được trình bày ở Hình 1.1 Hình 1.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng... năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến không dây: Như ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt... giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu Đặc tính là triển khai nhanh, tự tổ chức kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân đội.Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm biến làứng dụng tốt đối với chiến trường Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm biến là quan sát... nút một mức xác định thực hiện các nhiệm vụđ định sẵn 17 Hình 1.3 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến vô tuyến Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cũng thực hiện phân phối dữ liệu Mạng cảm biến xây dựng... Các mạng adhoc không dây thường được sử dụng trong các ứng dụng di động, tính toán phân bố, truy cập di động tới Internet, các mạng mắt lưới không dây, các ứng dụng quân sự, các mạng đáp ứng tình trạng khẩn cấp Những nút cảm biến nhỏ bé trong mạng cảm biến bao gồm các thành phần :Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi Kích thước của các con cảm biến. .. và phương án điều chế cho cảm biến mạng Lớp liên kết dữ liệu: - Ghép các dòng dữ liệu - Phát hiện khung dữ liệu - Truy cập môi trường và kiểm soát lỗi Lớp mạng: - Định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi tầng giao vận - Cung cấp liên kết mạng với các mạng bên ngoài như các mạng cảm biến khác, lệnh và kiểm soát hệ thống Lớp vận chuyển: Giúp duy trì lưu lượng của dữ liệu nếuứng dụng là mạng cảm biến Lớp ứng... năng nguồn: Các nút nguồn có chức năng truyền thông để truyền tải - gói dữ liệu của chúng đến sink Chức năng định tuyến: Bộ cảm biến cũng tham gia vào các nút chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác đếnđịađiểm tiếptheo trong đường dẫn đa bước nhảyđến sink Hình 1.4 Các nút cảm biến phân tán trong vùng cảm biến Giao thức ngăn xếp được sử dụng bởi bộthu phát và tất cả các nút cảm biến trong Hình... dõi và kiểm tra bác sỹ và bệnh nhân trong bệnh viện Theo dõi và kiểm tra bác sỹ và bệnh nhân trong bệnh viện: Với ứng dụng này thì mỗi bệnh nhân sẽđược gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ,mỗi nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sỹ cũng có thể mang nút cảm biến ể cho các bác sỹ khác xác định vị trí của họ trong... chỉ mạng trong cấu trúc tầng 1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và iều khiển cục bộ bộ phận phát động Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiềuứng dụng mới 1.3.1 Ứng dụng trong quân đội Mạng cảm biến không dây là một phần tích hợp trong hệ... khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng