Nghiên cứu, đánh giá hiệu suất một số phương pháp điều khiển truy nhập MAC trong mạng cảm biến không dây bằng phương pháp mô phỏng máy tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Thành Nam NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MÁY TÍNH Ngành: Công nghệ thông tin Mã số : 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Vũ Duy Lợi Hà Nội - 2008 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Mạng cảm biến ứng dụng 1.2 Kiến trúc mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.3 Điều khiển truy nhập MAC mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined CHƯƠNG - ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT Error! Bookmark not defined 2.1 Khái niệm thông số hiệu suất Error! Bookmark not defined 2.2 Các phương pháp đánh giá hiệu suất Error! Bookmark not defined 2.3 Mô chương trình máy tínhError! Bookmark not defined 2.4 Bộ mô mạng OMNeT++ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not defined 3.1 Yêu cầu thiết kế điều khiển truy nhập MAC .Error! Bookmark not defined 3.2 Phân loại nguyên tắc hoạt động điều khiển truy nhập MAC Error! Bookmark not defined 3.3 Đánh giá Error! Bookmark not defined CHƯƠNG - NHIÊN CỨU, CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP Error! Bookmark not defined 4.1 Giao thức S-MAC Error! Bookmark not defined 4.2 Giao thức T-MAC Error! Bookmark not defined 4.3 Mô S-MAC, T-MAC chương trình OMNET++ Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 PHỤ LỤC 1: BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt AI- LMAC CDMA CTS FDMA Tiếng Anh Adaptive Information-centric LMAC Code Division Multiple Access FLAMA FRTS LMAC MAC Clear to Send Frequency Division Multiple Access FLow-Aware Medium Access Future Request to Send Lightweight MAC Medium Access Control NAV Network Allocation Vector PEDAMACS Power Efficient and Delay Aware Medium PMAC Pattern MAC RTS Request to Send S-MAC Sensor-MAC STEM Sparse Topology and Energy Management TDMA Time Division Multiple Access T-MAC TRAMA WSN Z-MAC Timeout-MAC TRaffic Adaptive Medium Access Wireless Sensor Network Zebra MAC Tiếng Việt Giao thức AI-LMAC Đa truy nhập phân chia theo mã Sẵn sàng nhận Đa truy nhập phân chia theo tần số Giao thức FLAMA Yêu cầu gửi sớm Giao thức LMAC Điều khiển truy nhập đường truyền vectơ thòi gian chiếm giữ mạng Giao thức PEDAMACS Giao thức PMAC Yêu cầu gửi Giao thức S-MAC Giao thức STEM Đa truy nhập phân chia theo thời gian Giao thức T-MAC Giao thức TRAMA Mạng cảm biến không dây Giao thức Z-MAC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Thành phần nút cảm biến Hình 1.2 Phân bố nút cảm biến trường cảm biến Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Hình 2.1 Các phương pháp đánh giá hiệu suất Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống mô theo kiện rời rạc Hình 2.3 Nguyên tắc hoạt động mô theo kiện rời rạc Hình 2.4 Kiến trúc liên kết chương trình mô Hình 2.5 Cấu trúc nút cảm biến định nghĩa ngôn ngữ NED OMNeT++ Hình 2.6 Cấu trúc mô mạng cảm biến định nghĩa ngôn ngữ NED OMNeT++ Hình 3.1 Nguyên tắc phân loại giao thức MAC theo tổ chức thời gian phát triển lịch sử Hình 3.2 Nghe mức thấp (Low-Power Listening) Hình 3.3 Chu trình thức/ngủ giao thức truy nhập theo lịch Hình 3.4 Truyền liệu với kỹ thuật đồng thời điểm thăm dò kênh Hình 3.5 Lựa chọn khe LMAC Hình 3.6 Z-MAC: cấu trúc khe với ưu tiên gắn sẵn cho chủ nhân khe thời gian Hình 4.1 Lược đồ S-MAC Hình 4.2 Đồng nút Hình 4.3 Quan hệ định thời nút nhận nút gửi Hình 4.4 Thực tránh nghe thừa Hình 4.5 Lược đồ giao thức T-MAC Hình 4.6 Lược đồ trao đổi liệu T-MAC Hình 4.7 Hiện tượng ngủ sớm Hình 4.8 Thực gửi sớm RTS Hình 4.9 Thực ưu tiên gửi đệm đầy Hình 4.10 Nút cảm biến EYES Trang 11 13 14 19 24 26 29 30 31 39 40 42 43 45 48 52 52 56 58 61 64 66 67 68 69 Bảng 4.1 Thông số tiêu thụ lượng nút cảm biến EYES Hình 4.11 Ma trận 100 nút cảm biến phân bố Hình 4.12 Giao thức S-MAC: Các mức tiêu thụ dòng điện trung bình ứng với tốc độ phát sinh gói tin thay đổi theo thời gian thức khung thời gian Hình 4.13 Giao thức S-MAC: Các mức tiêu thụ dòng điện trung bình ứng với thời gian thức khung, thay đổi theo tốc độ phát sinh gói tin Hình 4.14 Dòng điện tiêu thụ trung bình ứng với giao thức thay đổi theo tốc độ phát sinh gói tin Hình 4.15 Dòng điện tiêu thụ trung bình T-MAC thay đổi tốc độ phát sinh gói tin Hình 4.16 T-MAC với việc thực gửi sớm RTS tăng thông lượng cực đại Hình 4.17 Mức tiêu thụ dòng điện trung bình thay đổi tốc độ phát sinh gói tin Hình 4.18 Các mức tiêu thụ dòng điện trung bình với chiều dài gói tin 20 byte Hình 4.19 Các mức tiêu thụ dòng điện trung bình với chiều dài gói tin 100 byte Hình 4.20 Mức tiêu thụ dòng điện trung bình loại giao thức cho ứng dụng mạng cảm biến thông thường 69 70 72 72 73 74 75 75 76 76 77 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc nghiên cứu hệ thống mạng thông tin máy tính di động phát triển mạnh mẽ Đặc biệt hệ thống mạng cảm biến di động (wireless mobile sensor network), dạng không cấu trúc (ad hoc mobile network) xuất hiện, nhiều nước, nhiều tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh, kinh tế … quan tâm Mạng cảm biến bao gồm hàng nghìn, chí hàng triệu thiết bị cảm biến (sensors) thông minh, trang bị xử lý, nhớ dung lượng nhỏ cảm biến để đo ánh sáng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ Trong tương lai, mạng giám sát môi trường, phương tiện máy móc người Mạng cảm biến liên hệ sóng vô tuyến, tiêu thụ cực lượng, hoạt động liên tục điều kiện, môi trường Mạng cảm biến bao gồm thiết bị điều khiển (actors) thông minh, trao đổi số liệu thực điều khiển thiết bị cảm biến Để thiết kế thực mạng cảm biến, nhiều vấn đề điều khiển đặt ra, phải nghiên cứu, giải tối ưu, phù hợp với đặc thù mạng cảm biến không dây, ví dụ: điều khiển truy nhập mạng không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy thiết bị cảm biến điều khiển cách có chọn lọc (lựa chọn nhóm thiết bị cảm biến điều khiển) Nghiên cứu, đánh giá số chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến di động có ý nghĩa lý luận thực tiễn Mục tiêu luận văn cung cấp nhìn tổng quan mạng cảm biến không dây ứng dụng; nguyên tắc hoạt động số chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây; phân tích, đánh giá hiệu suất hoạt động số chế điều khiển Ngoài bốn chương chính, bố cục luận văn 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 được, đồng thời đưa định hướng nghiên cứu, phát triển Nội dung chương tóm tắt sau: Chương trình bày tổng quan mạng cảm biến không dây, cấu tạo nút cảm biến kiến trúc mạng cảm biến, lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến, số vấn đề đặt chế điểu khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến Chương giới thiệu tổng quan đánh giá hiệu suất mô chương trình máy tính Giới thiệu chương trình mô sử dụng rộng rãi lĩnh vực viễn thông OMNet++ Chương trình bày vấn đề thiết kế chế điều khiển truy nhập MAC cho mạng cảm biến không dây Phân loại đánh giá phương pháp điều khiển truy nhập MAC mạng cảm biến không dây Chương giới thiệu, đặc tả hai giao thức điều khiển truy nhập dùng cho mạng cảm biến S-MAC T-MAC, thực mô đánh giá hiệu suất giao thức chương trình OmNet++ Mặc dù cố gắng, song khuôn khổ thời gian thức hạn hẹp nên luận văn hạn chế định, tác giả mong nhận góp ý để vấn đề nghiên cứu ngày hoàn thiện Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Vũ Duy Lợi, người thầy hướng dẫn bảo tận tình trình thực luận văn này, xin chân thành cảm ơn Thầy Cô dạy giúp đỡ suốt trình học tập trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội CHƯƠNG - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Mạng cảm biến ứng dụng 1.1.1 Mạng cảm biến Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phân bố bên tượng phân bố bên cạnh tượng Vị trí nút cảm biến không cần phải thiết kế xác định trước, điều cho phép nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên địa hình phức tạp Điều có nghĩa giao thức mạng cảm biến thuật toán phải có khả tự tổ chức Một đặc điểm quan trọng khác mạng cảm biến khả phối hợp nút cảm biến Các nút cảm biến gắn xử lý bên Thay gửi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả xử lý để thực tính toán đơn giản truyền số liệu xử lý theo yêu cầu Những ứng dụng mạng cảm biến đòi hỏi phải có kỹ thuật đặc biệt so với kỹ thuật áp dụng cho mạng không dây phi cấu trúc (mạng ad hoc) Mặc dù nhiều giao thức giải thuật thiết kế cho mạng ad hoc không dây truyền thống, chúng chưa thỏa mãn đặc tính yêu cầu ứng dụng mạng cảm biến Để thấy điểm này, ta xem xét khác mạng cảm biến mạng ad hoc:  Số lượng nút cảm biến mạng cảm biến lớn nhiều lần so với nút mạng ad hoc  Các nút cảm biến thường triển khai với mật độ dày  Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động  Topo mạng cảm biến thay đổi thường xuyên  Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá (broadcast) mà đa số mạng ad hoc điểm - điểm (point-to-point)  Những nút cảm biến có giới hạn lượng, khả tính toán nhớ  Những nút cảm biến định danh toàn cầu (global ID) Khi số lượng lớn nút cảm biến triển khai mật độ dày nút lân cận phân bố gần lẫn nhau, truyền thông đa bước nhảy mạng cảm biến phải tiêu thụ lượng truyền thông đơn bước nhảy truyền thống Hơn nữa, lượng phục vụ truyền liệu để mức thấp, chủ yếu dành cho hoạt động chuyển đổi, xử lý Truyền thông đa bước nhảy khắc phục có hiệu vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa giao tiếp không dây Một yêu cầu ràng buộc quan trọng nút cảm biến mức độ tiêu thụ điện phải thấp Nguồn cung cấp lượng điện cho nút cảm biến có hạn nói chung thay Bởi vậy, mạng truyền thống tập trung vào để đạt chất lượng dịch vụ cao giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu giữ gìn lượng Chúng phải có chế cân cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ mạng hay thông lượng thấp, độ trễ cao Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực cảm biến khác cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm sóng rađa … điều kiện bao quanh đa dạng như:  nhiệt độ,  độ ẩm,  chuyển động phương tiện,  điều kiện ánh sáng,  sức ép,  ô nhiễm, TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tài liệu Tiếng Việt Vũ Duy Lợi (2005), Bài giảng “Một số vấn đề nâng cao công nghệ mạng máy tính” Vũ Duy Lợi (2002), Mạng thông tin máy tính, Nhà xuất Thế giới Phạm Bảo Sơn (2006), Mạng cảm biến vô tuyến đánh giá tiêu giao thức chọn đường LEACH, Tạp chí Bưu Viến thông B Tài liệu tiếng Anh I F Akyildiz, W Su, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci (2002), Wireless sensor networks: a survey, Computer networks 38, pp 393-422 Ilker Demirkol, Cem Ersoy, and Fatih Alagoz (2006), MAC Protocols for Wireless Sensor Networks: a survey, Communications Magazine, IEEE Volume 44, Issue 4, page(s): 115 – 121 W R Heinzelman, A Chandrakasan, H Balakrishman (2000), Energyefficient communication protocols for wireless microsensor networks, in Proc of Hawaii Intern Conference on Sysstem Science Holger Karl, Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons Koen Langendoen (2007), Medium Access Control in Wireless Networks, Volume II: Practice and Standards, Nova Science Publishers Wei Ye, John Heidemann (2005), Ultra-low duty cycle mac with scheduled channel polling, Technical Report ISI-TR-604, USC/ISI Wei Ye, John Heidemann, Deborah Estrine (2003), Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks, Techn Report, ISI-TR 567, USC Information Sciences Institute, Wei Ye, John Heidemann (2003), Medium Access Control in Wireless Sensor Networks, USC/ISI Technical Report ISI-TR-580 Wei Ye, John Heidemann (2002), An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks, in Proc of Inforcom, NY, pp.1567-1576 10 Wei Ye, John Heidemann, Deborah Estrine (2002), An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks, in Proc of Inforcom, NY, pp.1567-1576 11 Tijs van Dam, Koen Langendoen (2003), An adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, in Proc of SenSys'03, LA, USA 12 A Varga (2001), The OMNET++ discrete event simulation system, in Proc of ESM'2001, Prague, Czech Republic 13 http://www.ieee802.org/15/ 14 http://www.omnetpp.org/ [...]... Wei Ye, John Heidemann (2002), An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks, in Proc of Inforcom, NY, pp.1567-1576 10 Wei Ye, John Heidemann, Deborah Estrine (2002), An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks, in Proc of Inforcom, NY, pp.1567-1576 11 Tijs van Dam, Koen Langendoen (2003), An adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, in Proc