Phân tích giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƢƠNG TIẾN LỢI PHÂN TÍCH GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƢƠNG TIẾN LỢI PHÂN TÍCH GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu mạng máy tính Mã số: 604815 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, công trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận văn trung thực chưa công bố công trình luận văn trước Tác giả luận văn Dương Tiến Lợi LỜI MỞ ĐẦU Trong thực tế, nhu cầu giám sát, quản lý, theo dõi thu thập thông tin nơi nguy hiểm, địa hình khó khăn rừng núi hay sa mạc, chiến trường, môi trường nhiễm phóng xạ v.v cần thiết quan trọng Các nhu cầu khó triển khai với hệ thống mạng truyền thống thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển triển khai mạng cảm biến không dây - WSN (Wireless Sensor Network) Mạng cảm biến không dây bao gồm từ hàng chục đến hàng trăm, hàng nghìn thiết bị cảm biến, thiết bị thiết kế với xử lý, nhớ dung lượng nhỏ, thu phát tín vô tuyến cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp suất v.v Do mạng cảm biến không dây thiết kế liên kết với sóng vô tuyến nên tiêu thụ cực lượng.Tuy nhiên, nút cảm biến nhỏ nên khả lưu trữ, tính toán hay tuổi thọ nút cảm biến bị hạn chế Với thuận lợi khó khăn thiết kế triển khai mạng cảm biến không dây (WSN) đặt nhiều hướng nghiên cứu để hoàn chỉnh hệ thống, có hướng nghiên cứu quan tâm mạnh mẽ từ nhà khoa học là: Điều khiển truy nhập môi trường truyền cho mạng cảm biến không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy thiết bị cảm biến Vấn đề lượng sử dụng tiết kiệm lượng, vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) v.v Trong vấn đề giảm tiêu hao lượng số vấn đề quan tâm hàng đầu, vấn đề sống định thời gian sống toàn hệ thống mạng WSN Chính vậy, nghiên cứu “Phân tích giao thức MAC mạng cảm biến không dây” có ý nghĩa lý luận thực tiễn Mục tiêu luận văn nghiên cứu tổng thể mạng cảm biến không dây, phân tích giao thức MAC mạng cảm biến không dây nhằm mục đích sử dụng lượng hiệu để kéo dài thời gian sống hệ thống mạng Phân tích, đánh giá việc sử dụng lượng hiệu số giao thức lớp MAC MAC dựa cạnh tranh hay MAC dựa đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) giao thức cải tiến v.v Bố cục luận văn tuân theo mẫu trường Đại Học Công Nghệ ĐHQGHN; Luận văn gồm chương chính, có phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo Phần kết luận nêu tóm tắt vấn đề trình bày chương, đánh giá kết đạt Nội dung chương tóm tắt sau: Chương 1: Tổng quan mạng WSN, giới thiệu cách tổng quan mạng WSN, ứng dụng mạng WSN yếu tố cần quan tâm thiết kế, xây dựng mạng WSN Chương 2: Phân tích số giao thức điển hình lớp MAC sử dụng lượng hiệu mạng cảm biến không dây, gồm có nhóm chính: MAC dựa cạnh tranh MAC dựa TDMA Từ phân tích tác giả đưa đề xuất cải tiến chế độ phát tín hiệu dựa khoảng cách trung bình nút gửi nút lại Chương 3: Giới thiệu OMNet++ Chương 4: Đánh giá hiệu giao thức MAC cải tiến mô OMNET++ So sánh ghi nhận kết đánh giá giao thức cải tiến với giao thức MAC Trong trình làm luận văn tác giả cố gắng song luận văn thiếu sót định Tác giả mong nhận góp ý thầy cô giáo để luận văn hoàn thiện Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đình Việt, thầy gợi ý tận tình bảo, cung cấp nhiều tài liệu quan trọng liên quan tới trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội dạy giúp đỡ suốt trình nghiên cứu học tập trường Xin trân trọng cảm ơn Tác giả: Dương Tiến Lợi MỤC LỤC Lời cam đoan Lời mở đầu Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị CHƢƠNG .ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN)ERROR! BOOKMARK N 1.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.2.1 Ứng dụng mạng cảm biến không dây quân Error! Bookmark not defined 1.2.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây giám sát môi trường Error! Bookmark not defined 1.2.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây công nghiệp Error! Bookmark not defined 1.2.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây y học Error! Bookmark not defined 1.2.5 Ứng dụng wsn nhà thông minh Error! Bookmark not defined 1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.3.1 Nút cảm biến Error! Bookmark not defined 1.3.2 Mạng cảm biến Error! Bookmark not defined 1.4 Các thách thức phải giải tình hình nghiên cứu Error! Bookmark not defined 1.5 Mục tiêu nghiên cứu luận văn Error! Bookmark not defined CHƢƠNG .ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED GIAO THỨC LỚP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂYERROR! BOOK 2.1 Tổng quan giao thức MAC Error! Bookmark not defined 2.1.1 Giao thức MAC mạng LAN có dây (802.3) Error! Bookmark not defined 2.1.2 Giao thức MAC mạng LAN không dây – WLAN (802.11) Error! Bookmark not defined 2.1.3 Giao thức MAC mạng cảm biến không dây việc phân loại Error! Bookmark not defined 2.2 MAC dựa cạnh tranh Error! Bookmark not defined 2.2.1 Sensor-MAC Error! Bookmark not defined 2.2.1.1 Chu kỳ thức ngủ Error! Bookmark not defined 2.2.1.2 Đồng thời gian nút mạng Error! Bookmark not defined 2.2.1.3 Tránh nghe thừa Error! Bookmark not defined 2.2.2 Time out-MAC Error! Bookmark not defined 2.2.2.1 Chu kỳ thức ngủ Error! Bookmark not defined 2.2.2.2 Đồng thời gian Error! Bookmark not defined 2.2.2.3 Thực gửi RTS chọn thời gian TA Error! Bookmark not defined 2.2.2.4 Tránh nghe thừa Error! Bookmark not defined 2.2.2.5 Truyền thông bất đối xứng Error! Bookmark not defined 2.3 MAC dựa đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) Error! Bookmark not defined 2.3.1 EMAC (EYES MAC) Error! Bookmark not defined 2.3.1.1 Cấu trúc khe thời gian Error! Bookmark not defined 2.3.1.2 Chọn khe thời gian Error! Bookmark not defined 2.3.1.3 Chế độ ngủ EMAC Error! Bookmark not defined 2.3.1.4 Phân cụm định tuyến dựa cụm Error! Bookmark not defined 2.3.2 LMAC (Lightweight MAC) Error! Bookmark not defined 2.3.2.1 Khung khe thời gian Error! Bookmark not defined 2.3.2.2 Thông điệp điều khiển Error! Bookmark not defined 2.3.2.3 Thông điệp liệu Error! Bookmark not defined 2.3.2.4 Tìm kiếm khe thời gian rảnh Error! Bookmark not defined 2.3.2.5 Giải xung đột Error! Bookmark not defined 2.3.2.6 Thiết lập mạng Error! Bookmark not defined 2.3.2.7 Định tuyến tới cổng Error! Bookmark not defined 2.4 Đề xuất cải tiến chế phát tín hiệu Error! Bookmark not defined CHƢƠNG .ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG OMNET ++ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 3.1 Giới thiệu OMNET++ Error! Bookmark not defined 3.1.1 Các thành phần OMNET ++ Error! Bookmark not defined 3.1.2 Ứng dụng Error! Bookmark not defined 3.2 Mô hình OMNET ++ Error! Bookmark not defined 3.2.1 Cấu trúc phân cấp mô đun Error! Bookmark not defined 3.2.2 Kiểu mô đun (module) Error! Bookmark not defined 3.2.3 Thông điệp, cổng, liên kết Error! Bookmark not defined 3.2.4 Mô hình truyền gói tin Error! Bookmark not defined 3.3 Sử dụng OMNET ++ Error! Bookmark not defined 3.3.1 Xây dựng chạy thử Error! Bookmark not defined 3.3.2 Hệ thống file Error! Bookmark not defined 3.4 Ngôn ngữ NED Error! Bookmark not defined 3.4.1 Tổng quan NED Error! Bookmark not defined 3.4.2 Các thành phần ngôn ngữ mô tả NED Error! Bookmark not defined 3.4.3 Các từ khoá Error! Bookmark not defined 3.4.4 Đặt tên Error! Bookmark not defined 3.4.5 Các dẫn import Error! Bookmark not defined 3.4.6 Khai báo kênh Error! Bookmark not defined 3.4.7 Khai báo module đơn giản Error! Bookmark not defined 3.4.8 Các tham số module đơn giản Error! Bookmark not defined 3.4.9 Khai báo mô đun kết hợp Error! Bookmark not defined 3.4.10 Khai báo mạng Error! Bookmark not defined 3.4.11 Chú thích Error! Bookmark not defined 3.5 Phân tích thiết kế xây dựng mô đun cải tiến Error! Bookmark not defined 3.5.1 Cài đặt thuật toán tính lượng tối thiểu khoảng cách lớn Error! Bookmark not defined 3.5.2 Cài đặt thuật toán tính khoảng cách trung bình khoảng cách lớn nút gửi nút lại (nút nhận) Error! Bookmark not defined 3.5.3 Giảm lượng phát tín hiệu dựa khoảng cách trung bình Error! Bookmark not defined CHƢƠNG .ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨCMAC ĐÃ ĐƢợC CảI TIếN CHế Độ PHÁT TÍN HIệUBẰNG BỘ MÔ PHỎNG MẠNG OMNET ++ERROR! BOO 4.1 Mô giao thức LMAC LMAC áp dụng cải tiến Error! Bookmark not defined 9 4.1.1 Nút cảm biến sử dụng mô Error! Bookmark not defined 4.1.2 Tìm kiếm khe thời gian rảnh Error! Bookmark not defined 4.1.3 Mô hình mô MAC-Simulator Error! Bookmark not defined 4.1.4 Thiết lập mạng mô Error! Bookmark not defined 4.1.5 Thực kết mô LMAC LMAC áp dụng cải tiến Error! Bookmark not defined 4.1.5.1 Lấy khoảng cách trung bình nút phát nút lại Error! Bookmark not defined 4.1.5.2 Lấy khoảng cách lớn nút phát với nút lạiError! Bookmark not defined 4.1.6 Đánh giá kết mô Error! Bookmark not defined 4.2 Kết luận Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 10 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không Sensor Node Time Division Multiple Access Carrirer Sense Multiple Access Collision Avoidance Request to Send Clear to Send Sensor-MAC Timeout-MAC Nút cảm biến Đa truy cập phân chia theo thời gian Đa truy cập cảm nhận sóng mang Tránh đụng độ dây khiển truy nhập đường Điều truyền Yêu cầu gửi Sẵn sàng nhận Giao thức S-MAC Giao thức T-MAC Future Request to Send Overhearing Avoidance Data Send Gửi sớm RTS Tránh nghe thừa Dữ liệu trống EMAC Eyes MAC Giao thức EMAC LMAC Lightweight MAC Giao thức LMAC CM Control Message Thông điệp điều khiển DM Data Message Thông điệp liệu WSN SN TDMA CSMA CA MAC RTS CTS S-MAC T-MAC FRTS OA DS Medium Access Control iLMAC Improvement Lightweight MAC LMAC áp dụng cải tiến 11 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình, đồ thị Trang Hình 1.1 Ứng dụng WSN quân Hình 1.2 Ứng dụng WSN nông nghiệp Hình 1.3 Ứng dụng WSN công nghiệp Hình 1.4 Ứng dụng WSN y tế Hình 1.5 Ứng dụng WSN nhà thông minh Hình 1.6 Kiến trúc mạng cảm biến không dây Hình 1.7 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Hình 1.8 Các thành phần nút cảm biến Hình 2.1: Khuôn dạng gói tin RTS Hình 2.2: Khuôn dạng gói tin CTS Hình 2.3: Khuôn dạng gói tin ACK Hình 2.4 Vấn đề nút ẩn Hình 2.5 Giải nút chế RTS/CTS Hình 2.6 Chu kỳ thức ngủ (Active/Sleep) S-MAC Hình 2.7 Chu kỳ thức ngủ thời điểm thiết lập đồng Hình 2.8 Cấu trúc gói tin SYNC Hình 2.9 Quá trình đồng nút gửi nút nhận Hình 2.10 Đồng thời gian theo cụm ảo Hình 2.11 Mô hình tránh nghe thừa (Overhearing) Hình 2.12 Chu kỳ thức ngủ T-MAC Hình 2.13 Mô hình trao đổi liệu Hình 2.14 Hiện tượng ngủ sớm Hình 2.15 Gửi sớm RTS Hình 2.16 Ưu tiên đệm đầy Hình 2.17 Khe thời gian EMAC Hình 2.18 Các nút A, B, C, D Hình 2.19 Nút B, C, D gửi yêu cầu kết nối CR đến nút A Hình 2.20 Nút A gửi quảng bá thông điệp điều khiển Hình 2.21 Nút C truyền liệu cho nút A Hình 2.22 Một nút thức mạng chọn khe thời gian 15 16 17 17 18 19 19 21 25 25 22 25 26 27 29 22 29 30 30 31 31 32 34 36 38 38 39 40 42 42 42 43 44 tìm tất nút hàng xóm Hình 2.23 Cấu trúc cụm Hình 2.24 Định tuyến động 45 46 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lamia CHAARI and Lotfi KAMOUN, “Wireless sensors networks MAC protocols analysis”, April 2010 Tijs van Dam, Koen Langendoen“An Adaptive Energy – Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks ”Faculty of Information Technology and Systems Delft University of Technology The Netherlands S.Dulman, P.Havinga, “A Simulation Template for Wireless Sensor Networks”, Supplement of the The Sixth International Symposium on Autonomous Decentralized Systems, April 2003 L.F.W van Hoesel , T Nieberg , H.J Kip , P.J.M Havinga, “Advantages of a TDMA based, energy-efficient, self-organizing MAC protocol for WSNs” T.Nieberg, S.Dulman, P.Havinga, L.van Hoesel and J.Wu, “Collaborative Algorithms for Communication in Wireless Sensor Networks”, Ambient Intelligence: Impact on Embedded Systems, Kluwer Academic Publishers, ISBN 1-4020-7668-1, November 2003 L.F.W van Hoesel and P.J.M Havinga, “A Lightweight Medium Access Protocol (LMAC) for Wireless Sensor Networks: Reducing Preamble Transmissions and Transceiver State Switches”, In 1st International Workshop on Networked Sensing Systems (INSS 2004), June 2004 L.F.W van Hoesel, P.J.M Havinga, ”Design Aspects of An Energyefficient, Lightweight Medium Access Control Protocol for Wireless Sensor Networks”, July 17,2006 https://standards.ieee.org/about/get/802/802.3.html http://standards.ieee.org/about/get/802/802.11.html 10 https://omnetpp.org/ 11 http://mixim.sourceforge.net/index.html [...]... hình, đồ thị Trang Hình 1.1 Ứng dụng WSN trong quân sự Hình 1.2 Ứng dụng WSN trong nông nghiệp Hình 1.3 Ứng dụng WSN trong công nghiệp Hình 1.4 Ứng dụng WSN trong y tế Hình 1.5 Ứng dụng WSN trong ngôi nhà thông minh Hình 1.6 Kiến trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây Hình 1.7 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Hình 1.8 Các thành phần của nút cảm biến Hình 2.1: Khuôn dạng gói tin RTS Hình... quyết nút hiện bằng cơ chế RTS/CTS Hình 2.6 Chu kỳ thức ngủ (Active/Sleep) của S -MAC Hình 2.7 Chu kỳ thức ngủ tại thời điểm thiết lập đồng bộ Hình 2.8 Cấu trúc gói tin SYNC Hình 2.9 Quá trình đồng bộ giữa các nút gửi và nút nhận Hình 2.10 Đồng bộ thời gian theo cụm ảo Hình 2.11 Mô hình tránh nghe thừa (Overhearing) Hình 2.12 Chu kỳ thức ngủ của T -MAC Hình 2.13 Mô hình trao đổi dữ liệu cơ bản Hình 2.14... Hiện tượng ngủ sớm Hình 2.15 Gửi sớm RTS Hình 2.16 Ưu tiên bộ đệm đầy Hình 2.17 Khe thời gian EMAC Hình 2.18 Các nút A, B, C, D Hình 2.19 Nút B, C, D gửi yêu cầu kết nối CR đến nút A Hình 2.20 Nút A gửi quảng bá thông điệp điều khiển Hình 2.21 Nút C truyền dữ liệu cho nút A Hình 2.22 Một nút thức mới trong mạng có thể chọn 1 khe thời gian khi 15 16 17 17 18 19 19 21 25 25 22 25 26 27 29 22 29 30 30... hàng xóm của nó Hình 2.23 Cấu trúc cụm Hình 2.24 Định tuyến động 45 46 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Lamia CHAARI and Lotfi KAMOUN, “Wireless sensors networks MAC protocols analysis”, April 2010 2 Tijs van Dam, Koen Langendoen“An Adaptive Energy – Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks ”Faculty of Information Technology and Systems Delft University of Technology The Netherlands 3 S.Dulman, P.Havinga,... energy-efficient, self-organizing MAC protocol for WSNs” 5 T.Nieberg, S.Dulman, P.Havinga, L.van Hoesel and J.Wu, “Collaborative Algorithms for Communication in Wireless Sensor Networks”, Ambient Intelligence: Impact on Embedded Systems, Kluwer Academic Publishers, ISBN 1-4020-7668-1, November 2003 6 L.F.W van Hoesel and P.J.M Havinga, “A Lightweight Medium Access Protocol (LMAC) for Wireless Sensor Networks: