(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây

(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá một số giao thức lớp MAC trong mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG DƯƠNG THẾ VINH ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC LỚP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN, 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG DƯƠNG THẾ VINH ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC LỚP MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 48 0101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM VIỆT BÌNH THÁI NGUYÊN, 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết trình bày luận văn: “Đánh giá số giao thức lớp MAC mạng cảm biến khơng dây” cơng trình nghiên cứu riêng tôi, không chép từ cơng trình khác Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn sử dụng trung thực, kiểm chứng chưa công bố cơng trình tác giả khác Thái Nguyên, ngày 22 tháng 07 năm 2019 TÁC GIẢ Dương Thế Vinh Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Việt Bình - trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên tận tình hướng dẫn, bảo định hướng cho tơi suốt q trình thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên, thầy cô khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên chia sẻ động viên giúp vượt qua khó khăn để hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè người ln ủng hộ, quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt chỗ dựa vững giúp tơi hoàn thành luận văn Thái Nguyên, ngày 22 tháng 07năm 2019 TÁC GIẢ Dương Thế Vinh Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .3 1.1 Giới thiệu 1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây .5 1.3.1 Lớp vật lý 1.3.2 Lớp liên kết liệu 1.3.3 Lớp mạng 1.3.4 Lớp truyền tải 1.3.5 Lớp ứng dụng 1.4 Phân loại giao thức định tuyến WSN .9 1.5 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 10 1.6 Một số thách thức cần giải cho giao thức MAC mạng cảm biến không dây .12 1.7 Vấn đề tối ưu lượng mạng cảm biến không dây 16 1.8 Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [5] 17 1.8.1 Ứng dụng nông nghiệp, lâm nghiệp 17 1.8.2 Ứng dụng y tế 18 1.8.3 Ứng dụng giám sát môi trường .18 1.8.4 Ứng dụng WSNs giao thông 19 1.8.5 Ứng dụng gia đình .19 1.9 Kết luận Chương 20 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 22 2.1 Giới thiệu .22 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv 2.2 Một số nguyên nhân gây lãng phí lượng mạng WSN 23 2.2.1 Tiêu thụ lượng xung đột tín hiệu .23 2.2.2 Tiêu thụ lượng cho việc nghe rỗi (Idle listening) 23 2.2.3 Tiêu thụ lượng nghe thông tin thừa (Overhearing) 24 2.2.4 Xử lý gói tin điều khiển 25 2.3 Các mục tiêu thiết kế giao thức MAC WSN 25 2.3.1 Tránh xung đột - tắc nghẽn tín hiệu (Collision advoidance Obstruction) 25 2.3.2 Sử dụng lượng hiệu (Energy efficient) 26 2.3.3 Khả mở rộng thích ứng (Scalability and adaptivity) 26 2.3.4 Hiệu sử dụng kênh 26 2.3.5 Độ trễ 27 2.3.6 Thông lượng (Throughput) .27 2.3.7 Sự công 27 2.4 Giao thức MAC dựa cạnh tranh 28 2.4.1 Giao thức S-MAC (Sensor - MAC) 28 2.4.2 Giao thức T-MAC (Timeout - MAC) .39 2.5 Giao thức MAC dựa đa truy cập phân chia theo thời gian .48 2.5.1 Giao thức CSMA (Đa truy cập cảm biến sóng mang) 48 2.5.2 LMAC (Lightweight MAC) 51 2.6 Kết luận Chương 57 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 58 3.1 Giới thiệu .58 3.2 Giới thiệu Castalia 59 3.3 Mô giao thức S-MAC T-MAC Castalia 61 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa tiếng việt ACK Acknowledgement Bản tin xác nhận ADV ADVertisement Bản tin thông báo API Application Interface Programming CSMA Carrier Sense Multiple Access S-MAC Sensor - MAC T-MAC Timeout - MAC LMAC Lightweight MAC Đa truy nhập cảm nhận theo sóng mang IEEE Institute of Electrical Electronic Engineers DCF Distributed Function MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập kênh truyền WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ Task Assignment and Data công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA IoT CSAM/CA and Các giao diện lập trình ứng dụng Coordination Advertisement Protocol Viện kỹ thuật điện điện tử Chức công tác phân tán Internet of Things Phương pháp đa truy cập có Carrier Sense Multiple cảm nhận song mang tránh Access/Collision Avoidance xung đột RTS Request to Send CTS Clear to Send CS Carrier Sense Cảm ứng sóng mang Network allocation Vector Vectơ thời gian chiếm giữ mạng NAV Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân QPSK Quadature Phase Shift Keying Điều chế pha trực giao Data sent Gửi liệu Future Request to Send Gửi sớm RTS CM Control Message Thông điệp điều khiển DM Data Message Thông điệp liệu DS FRTS Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mơ hình mạng cảm biến không dây Hình 1.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến .6 Hình 1.3 Phân chia kênh vơ tuyến dải 24Ghz Hình 1.4: Phân loại giao thức định tuyến cho mạng cảm biến khơng dây Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây nông nghiệp 18 Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến giao thơng 19 Hình 1.7 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến dân dụng 20 Hình 2.1 Lược đồ giao thức S-MAC 29 Hình 2.2 Đồng nút A,B với C,D 30 Hình 2.3 Quan hệ định thời nút nhận nút gửi .33 Hình 2.4 Minh họa tránh nghe lỏm 36 Hình 2.5 Chu kỳ thức ngủ T-MAC 40 Hình 2.6 Lược đồ trao đổi liệu 42 Hình 2.7: Minh họa truyền bất đối xứng 45 Hình 2.8: Minh họa thực gửi sớm RTS 46 Hình 2.9 Minh họa ưu tiên gửi đệm đầy .48 Hình 2.10 Minh họa vấn đề với CSMA môi trường không dây a) nút ẩn, b) nút 50 Hình 2.11 Khe thời gian LMAC 51 Bảng 2.1 Bảng cấu trúc thông điệp điều khiển LMAC .52 Hình 2.12 Minh họa thuật tốn phân tán để tìm kiếm khe thời gian rảnh rỗi giao thức LMAC .55 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii Hình 3.1 Minh họa code file omnetpp.ini 60 Hình 3.2 Minh họa giao diện lập trình Castalia .61 Hình 3.3 Minh họa lượng tiêu thụ S-MAC T-MAC mạng cảm biến không dây với số lượng 25 nút 66 Hình 3.4 Minh họa lượng tiêu thụ S-MAC T-MAC mạng cảm biến không dây với số lượng 49 nút 67 Hình 3.5: Minh họa tải cao điểm mức lượng tiêu thụ (với 10 nút 20 nút) 68 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 59 tới Căn vào vào kết phân tích đánh giá này, học viên thực việc thực nghiệm mô giải thuật điều khiển thâm nhập môi trường mạng WSN việc thu thập nhiệt độ môi trường 3.2 Giới thiệu Castalia Hiện nay, công cụ mô Castalia [9,10] dùng phổ biến để thực việc mô giao thức mạng cảm biến không dây, có giao thức lớp MAC Castalia phát triển tảng OMNET++ cho phép nghiên cứu kiểm tra thuật tốn, giao thức theo mơ hình khơng dây gần với thực tế Mơ hình biến đổi theo thời gian Castalia thiết kế để phù hợp với liệu đo thực tế Các tính Castalia bao gồm mơ hình hóa q trình vật lý, cảm biến độ lệch tiếng ồn, giao thức MAC định tuyến mạng WSNs Castalia cung cung cấp sẵn thành phần tương ứng với mơ hình thực tế Các thành phần gọi module có khả lập trình OMNET++, hỗ trợ giao diện đồ họa với nhiều thư viện có khả mơ phỏng, biên dịch, … Castalia có mơ hình kênh radio tiên tiến cho phép nhà khoa học phát triển nghiên cứu nhiều mơ hình mạng WSN khác nhau, cho phép thực giao thức MAC với nhiều tham số khác linh hoạt việc mô Castalia cung cấp đầy đủ để mô lớp vật lý module radio module radio Đồng thời, hỗ trợ điều khiển vô tuyến CC2420, điều khiển vơ tuyến có tiêu thụ lượng thấp tiên tiến Kịch mô cài đặt file omnetpp.ini Trong file này, kích thước mạng, tốc độ, vị trí, thời gian định nghĩa Ví dụ minh họa sau Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 60 Qua đây, thấy rằng, kịch mô thực thời gian 100s Trong mạng đặt nút mạng với không gian đặt mạng 200x200 m Hình 3.1 Minh họa code file omnetpp.ini Sau thực việc cài đặt Castalia hệ điều hành Linux, lập trình giao diện đồ họa Castalia cung cấp nhiều thư viện, sourcecode để phát triển, cơng cụ lấy kết đầu Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 61 Hình 3.2 Minh họa giao diện lập trình Castalia 3.3 Mơ giao thức S-MAC T-MAC Castalia T-MAC MAC phổ biến cho WSN sử dụng nhiều kỹ thuật để giữ mức tiêu thụ lượng thấp (sử dụng chu kỳ đồng hóa nhiệm vụ tích cực) cố gắng trì hiệu suất (ví dụ: phân phối gói) cách điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ theo nhu cầu lưu lượng S-MAC xem tiền thân T-MAC khởi xướng nhiều kỹ thuật sử dụng chu kỳ nhiệm vụ cứng nhắc Một mô-đun Castalia (TMAC) cung cấp chức hai giao thức Việc triển khai T-MAC Castalia nhiệm vụ phức tạp tốn thời gian nhiều chi tiết thực tế giao thức khơng nêu rõ báo gốc Ví dụ, khơng có chi tiết đồng hóa thời gian Đồng hóa thời gian xử lý cách tham khảo S-MAC Quan trọng hơn, kỹ thuật đồng hóa S-MAC khơng phù hợp với ý tưởng mà TMAC giới thiệu, phải đưa định để trì hiệu suất TMAC cao Trên hết, Castalia thêm chức bổ sung không mô tả rõ ràng báo gốc, chẳng hạn số lần truyền lại cố định cho gói Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 62 tin unicast không thành công Các chi tiết việc triển khai T-MAC, tập trung vào mơ hồ giao thức định đưa ra, mô tả báo WCNC 2010 Các tham số mà mơ-đun T-MAC tìm thấy trong: src/node/communication/mac/tMac/TMAC.ned Bắt đầu lại với số tham số để kiểm soát thu thập dấu vết đầu gỡ lỗi Sau đó, xác định kích thước gói điều khiển khác TMAC (SYNC, ACK, RTS, CTS) kích thước khung tối đa cho liệu chi phí chung Ngồi kích thước đệm MAC đưa Sau đó, 12 tham số theo xác định hành vi giao thức Nếu bạn muốn gần với TMAC ban đầu, để tham số giá trị mặc định chúng int maxTxRetries = default(2); Số lần thử truyền gói unicast mà T-MAC thực Truyền coi thành cơng gói xác nhận nhận từ nút đích Gửi gói RTS coi nỗ lực truyền tải Lưu ý tham số khơng áp dụng cho gói tin quảng bá double frameTime = default(610); Độ dài chu kỳ khung cho tất nút (tính mili giây) Các nút cố gắng đồng hóa bắt đầu kết thúc khung với lịch trình tồn cầu (với khả có nhiều lịch trình) Lưu ý điều đề cập đến thời lượng toàn khung; phần hoạt động không hoạt động khung xác định động riêng cho nút double contentionPeriod = default(10); Thời lượng khoảng thời gian tranh chấp (tức khoảng thời gian truyền ngẫu nhiên), tính mili giây, cho nỗ lực truyền Tác dụng tham số để tránh nhiễu truyền từ nút lân cận Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 63 double listenTimeout = default(15); Thời lượng thời gian chờ nghe tính mili giây (cũng gọi thời gian chờ kích hoạt) Tham số xác định lượng thời gian phải vượt qua mà khơng có hoạt động kênh không dây để nút ngủ khung double waitTimeout = default(5); Thời gian chờ để mong trả lời từ nút khác (tính mili giây) Câu trả lời gói CTS gói ACK Nếu khơng có phản hồi nhận sau khoảng thời gian này, nỗ lực truyền coi khơng thành công đếm nỗ lực truyền bị giảm double resyncTime = default(6); Khoảng thời gian gói đồng hóa phát sóng (tính giây) Giá trị tham số liên quan trực tiếp đến độ trôi đồng hồ nút mạng mô Các thí nghiệm Castalia cho thấy 40 giây giá trị phù hợp để sử dụng với mơ hình trôi đồng hồ Castalia bool allowSinkSync = default(true); Nếu giá trị đặt thành (true), T-MAC cố trích xuất thơng tin từ lớp cao (tức là, tham số mô-đun ứng dụng isSink) để tìm hiểu xem nút có đánh dấu ‘sink’ hay không Tham số cho phép nút ‘sink’ tránh khoảng thời gian tranh chấp tạo lịch trình đồng hóa cho mạng, cho phép đồng hóa nhanh đó, thơng lượng tốt (đặc biệt gói cần gửi sớm mơ phỏng) Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 64 bool useFrts = default(false); Tham số đề cập đến việc sử dụng yêu cầu tương lai để gửi (FRTS) xác định người tạo thuật toán T-MAC Trong triển khai T-MAC tại, Castalia không cung cấp hỗ trợ cho tham số cho giải vấn đề cụ thể, phần thuật toán T-MAC cốt lõi bool useRtsCts = default(true); Tham số tính bổ sung, ban đầu khơng đề xuất T-MAC Nó cho phép tắt gói RTS CTS, hạn chế truyền đến trao đổi DATA - ACK đơn giản nút Castalia thấy tham số hữu ích cho tình gửi gói nhỏ, khơng cần thiết phải thực dự trữ kênh để truyền (vì việc đặt trước nhiều thời gian so với truyền chính) bool disableTAextension = default(false); Một tham số bổ sung khác cho phép tắt tiện ích mở rộng thời gian chờ kích hoạt Vì giai đoạn hoạt động linh hoạt cải tiến T-MAC so với SMAC, cách vô hiệu hóa xác định khoảng thời gian nghe thích hợp (10% toàn khung), Castalia triển khai S-MAC Castalia cung cấp tệp ini để đưa vào mô để người dùng xác định tham số thích hợp mơ-đun T-MAC để mơ giao thức S-MAC bool conservativeTA = default(true); Sử dụng khoảng TA, đảm bảo MAC tỉnh táo 15 ms sau hoạt động radio int collisionResolution = default(0); Chọn chế giải va chạm từ chế Các giá trị là: - Thử lại tranh chấp sau kênh, Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 65 - Chỉ thử lại nghe CTS RTS - Chỉ thử lại khung Cuối cùng, tham số liên quan đến hoạt động lớp vật lý, chẳng hạn tốc độ liệu, độ trễ cảm giác sóng mang chi phí vật lý xác định Một lần với TunableMAC, điều quan trọng làm cho người dùng MAC tiếp xúc với điều để thể phụ thuộc vào radio Nếu bạn muốn sử dụng S-MAC tệp sau xác định tham số T-MAC theo cách mơ S-MAC (bạn cần đưa vào tệp ini mình): Simulations/Parameters/MAC/SMAC.ini Mục đích thí nghiệm để đo tiêu thụ lượng hai giao thức: S-MAC, T-MAC Bảng kịch mô cho việc so sánh giao thức MAC S-MAC T-MAC Thông số chung Giá trị Diện tích địa hình 60 x 60 mét Số lượng nút triển khai 5*5 / 7*7 Tiêu thụ điện thiết bị 0.5mw Khoảng thời gian nghe MAC 10ms Radio sử dụng Telco CC2420 Công suất truyền tải 5dBm Kịch đặt sâu rừng quốc gia Cúc Phương, nhà nghiên cứu cần đặt thiết bị cảm biến để theo dõi độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng khu rừng Phục vụ cho việc tìm hiểu, đánh giá phát triển, sống thực vật, động vật rừng quốc gia Cúc Phương Các nút cảm biến Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 66 gắn trải khắp rừng, có địa điểm khó tiếp cận Với nguồn lượng hạn chế, cần chọn thiết bị phù hợp, tối ưu lượng đảm bảo cho mạng tồn lâu tự nhiên Với thuật toán định tuyến xem tối ưu, cần chọn giao thức MAC phù hợp để tiết kiệm lượng Với kịch ban đầu, đặt cảm biến động vật thực vật, kiểu mạng kiểu động, nút mạng vào liên tục khiến mạng phải tái cấu trúc mạng nhiều, từ lộ rõ nhược điểm giao thức S-MAC, với chu kỳ thức ngủ cứng nhắc thích nghi hơn, tiêu tốn nhiều lượng T-MAC với chu kỳ mềm dẻo Với việc làm việc thiếu hiệu môi trường tải biến động, S-MAC lần hiệu so với T-MAC Do học viên thực mơ theo kịch với kiểu mạng tĩnh, giảm bớt yếu điểm S-MAC so với T-MAC Và đưa nhìn nhận rõ nét việc sử dụng hiệu lượng T-MAC so với S-MAC nhờ tối ưu hóa thời gian thức Ở mơ có tổng số 25 nút Kết mơ tập trung vào việc quan sát lượng tiêu thụ giao thức S-MAC T-MAC với lần khác node Kết mô thu hình 3.1 Hình 3.3 Minh họa lượng tiêu thụ S-MAC T-MAC mạng cảm biến khơng dây với số lượng 25 nút Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 67 Trong hình 3.3 này, trục X thời gian (s), trục Y mức lượng tiêu thụ mạng cảm biến khơng dây Trong hình thấy lượng tiêu thụ mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức S-MAC nhiều so với giao thức T-MAC, chiếm khoảng 77% Với thời gian hoạt động lâu, thấy ưu tiết kiệm lượng T-MAC, nhờ linh hoạt chu kỳ thức ngủ Qua đó, thấy giao thức T-MAC chứng minh giao thức cải tiến giao thức S-MAC Để kiểm chứng mơi trường có nhiều nút hơn, tiếp tục thay đổi số nút mạng tăng lên gấp đôi, 49 nút mạng tham gia mạng WSN thiết lập Kết mơ minh họa hình 3.4 sau: Hình 3.4 Minh họa lượng tiêu thụ S-MAC T-MAC mạng cảm biến không dây với số lượng 49 nút Trong hình 3.4 cho thấy lượng tiêu thụ giao thức S-MAC cao so với T-MAC trường hợp mạng WSN mở rộng lên gấp đôi (49 nút) Qua đây, thấy mà thời gian mô tăng lượng tiêu thụ giao thức S-MAC lớn so với giao thức T-MAC, lớn 75% Số lượng nút tăng nhiều, đồng nghĩa với tăng khả xảy xung đột, phải thực truyền thông nhiều trước để gửi liệu tới trung tâm T-MAC thể ưu vượt trội phiên Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 68 nâng cấp S-MAC, giải vấn đề tối ưu thời gian thức, tăng thông lượng cực đại truyền thông đẳng hướng Trong với S-MAC để tối ưu lượng sử dụng, cần giảm thông lượng xuống Cũng với kịch học viên thực với cấu trúc liên kết đơn giản gồm 10 nút 20 nút Học viên thay đổi số lượng nút để đo mức tiêu thụ lượng tải lưu lượng khác Hình 3.5: Minh họa tải cao điểm mức lượng tiêu thụ (với 10 nút 20 nút) Trong hình 3.5 kiện (gửi nhận gói tin) xảy mạng với tần suất 10s Sự kiện có thời lượng trung bình 5s ảnh hưởng tới khu vực khoảng 10 nút Một nút lân cận (hàng xóm) nhận số tin nhắn trả lời với xác suất 20% Học viên thực nhiều phép đo, với số đo tần suất gói tin khác Tấn suất thể trục hồnh hình 3.5 T-MAC sử dụng tránh nghe lỏm không ưu tiên gửi đệm đầy T-MAC sử dụng lượng nhiều so với S-MAC, đặc biệt tần suất gói tin kiện tăng lên Tuy nhiên tối đa tần suất mà T-MAC xử lý thấp S-MAC, xảy vấn đề tiêu thụ lượng T-MAC tăng tải lưu lượng số lượng nút tăng lên Một lần nữa, TSố hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 69 MAC gặp vấn đề từ tượng ngủ sớm Qua mô học viên thấy dù đưa giải pháp để hạn chế tượng ngủ sớm giao thức T-MAC tải lưu lượng tăng cao số nút tham gia mạng nhiều lên gây ảnh hưởng lớn đến tối ưu lượng giao thức T-MAC Cần có thêm nhiều thử nghiệm nghiên cứu để tìm giải pháp tối ưu cho giao thức Như vậy, mạng cảm biến khơng dây với trường hợp lượng đóng vai trò quan trọng hàng đầu hạn chế tài ngun, cơng suất thơng số quan trọng cần quan tâm Do đó, việc tiết kiệm lượng trọng mạng WSN trở thành nghiên cứu cấp thiết Giao thức S-MAC T-MAC nghiên cứu bản, giúp cho việc hiểu rõ vấn đề tiêu hao lượng vai trò giao thức MAC hoạt động mạng WSN Qua đó, cho thấy hoạt động q trình truyền thơng đóng vai trò quan trọng để giảm tiêu hao lượng, kéo dài thời gian sống mạng WSN Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 70 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Mạng cảm biến khơng dây WSNs gồm từ chục đến hàng trăm, hàng nghìn, chí hàng triệu thiết bị cảm biến Mỗi thiết bị trang bị xử lý, nhớ dung lượng nhỏ, thu phát sóng vơ tuyến cảm biến để đo ánh sáng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ, EC, pH,… Mạng cảm biến liên hệ sóng vơ tuyến, tiêu thụ cực lượng, hoạt động liên tục điều kiện, môi trường Cho nên, mạng WSN ứng dụng rộng rãi xã hội cơng nghiệp, nơng nghiệp, giao thơng, y tế, quốc phòng,… Tuy nhiên, với đặc điểm tài nguyên hạn chế, nên việc thiết kế xây dựng mạng cảm biến không dây cần phải tối ưu giải vấn đề, việc tối ưu lượng việc định tuyến cần thiết lượng tiêu thụ mạng cảm biến không dây chiếm tới 70% lượng tiêu thụ tồn mạng, có tiêu thụ lượng giao thức MAC Đây vấn đề sống còn, định thời gian sống hiệu suất toàn hệ thống mạng WSN Do đó, luận văn “Đánh giá số giao thức lớp MAC mạng cảm biến khơng dây” có nghĩa lý luận thực tiễn, tảng sở cho nghiên cứu sau Mục tiêu luận văn nghiên cứu tổng thể mạng cảm biến không dây (WSN), ứng dụng số giao thức lớp MAC nhằm mục tiêu sử dụng lượng cách hiệu thích ứng để kéo dài thời gian sống toàn hệ thống mạng Phân tích đánh giá hiệu sử dụng lượng số giao thức lớp MAC đặc trưng CSMA, S-MAC, T-MAC, LMAC Trong luận văn này, học viên đơn giản tập trung vào hiệu suất tiêu thụ lượng MAC, xác định ưu nhược điểm S-MAC T-MAC để tiết kiệm lượng cách tắt thu phát vô tuyến nhiều tốt Với Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 71 lịch trình time-out thực giao thức T-MAC giúp tiết kiệm lượng đáng kể so với chu kỳ nhiệm vụ cố định giao thức S-MAC, áp dụng môi trường với tốc độ gói tin khác Lợi xác phụ thuộc vào mức độ thay đổi tốc độ tin nhắn T-MAC có ưu khơng u cầu điều chỉnh tỷ lệ tin nhắn cụ thể Trong S-MAC phải điều chỉnh xác để đạt tối ưu lượng Hiệu suất T-MAC tải tối đa thấp có lưu lượng thấp tốt S-MAC điều kiện mạng nhỏ Qua đó, minh chứng lại điều kiện môi trường, với số lượng nút mạng thay đổi giao thức T-MAC thể hiệu sử dụng lượng Đã khắc phục hầu hết nhược điểm giao thức S-MAC nghe nhàn rỗi, tránh xung đột xử lý gói tin Tuy nhiên T-MAC chưa thực tối ưu nhược điểm cần khắc phục Trong thời gian tiếp theo, vào nghiên cứu, phân tích đánh giá này, luận văn tiếp tục nghiên cứu thực đánh giá số giao thức lớp MAC khác,trong nghiên cứu kỹ phân cụm ảo mạng tĩnh mạng di động Từ đó, học viên đưa đề xuất để nâng cao hiệu sử dụng lượng cho giao thức MAC, góp phần nâng cao hiệu mạng WSN Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Nhật Thăng, Nguyễn Quý Sỹ, Các kỹ thuật phân nhóm mạng cảm biến vơ tuyến, Tạp chí Bưu viễn thơng, số 301, năm 2007 [2] Deepak S S and Basavaraju T G., “Energy efficient scheme to jointly optimize coverage and connectivity in large scale wireless sensor network,”International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol/issue: 5(3), pp.454-463, 2015 [3] Vu Thanh Vinh, Joeri, etc, “A study onpower consumption of wireless sensor network in greenhouse environment monitoring”, REV 2016 [4] Wei Ye, John Heidemann and Deborah Estrin, “An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”, INFOCOM 2002 [5] Tijs van Dam, Koen Langendoen, “An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks”, SenSys’03, 2003 L.F.W van Hoesel, Paul J.M Havinga, “A Lightweight Medium Access Protocol (LMAC) for Wireless Sensor Networks: Reducing Preamble Transmissions and Transceiver State Switches”, 1st International Workshop on Networked Sensing Systems, 2004 [6] I F Akyildiz, et al., “A survey on sensor networks,” IEEE Communications magazine, vol/issue: 40(8), pp 102-114, 2002 [7] M B Ali and M Johnson A., “Wireless sensor networks for surveillance applications- A comparative survey of MAC protocols,” Proc The Fourth International Conferenceon wireless and Mobile Communications(ICWMC 2008), Athens, Greece, pp 399-403, 2008 [8] Durvesh P., et al., “Efficient energy saving algorithm by moderncluster head selection in Wireless Sensors Network,” International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol/issue: 3(4), pp 167-176, 2015 [9] http://omnetsimulator.com/omnet-castalia/ Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 73 [10] https://github.com/boulis/Castalia [11] I Akyildiz, T Melodia, and K Chowdhury, “Wireless multimedia sensor networks: Applications and testbeds”, Proceedings of the IEEE, vol 96, pp 1588– 1605, Oct 2008 [12] Ian F Akyildiz, Mehmet Can Vuran, “Wireless Sensor Networks”, Wiley, 2010 [13] Ugo Colesanti, Silvia Santini, “The Collection Tree Protocol for the Castalia Wireless Sensor Networks Simulator”, Technical Report Nr 729, Department of Computer Science, ETH Zurich, June, 2011 [14] Yasaroglu Pinar, Abduljabbar Zuhair, Alotaibi Hamad, Akcam Resit, Kadavarthi Shiva, Abuzaghleh Omar, “Wireless Sensor Networks (WSNs)”, 2016 IEEE Long Island Systems, Applications and Technology Conference (LISAT), Department of Computer Engineering and Science, USA, June, 2016 [15] Messrs, Valery Butenko, Anatoly Nazarenko, Viliam Sarian, Nikolay Sushchenko and Aleksandr Lutokhin, “Applications of Wireless Sensor Networks in Next Generation Networks”, Technical Paper, 28 Feb, 2014 [16] Yuri Tselishchev, Athanassios Boulis, Lavy Libman, “Experiences and Lessons from Implementing a Wireless Sensor Network MAC Protocol in the Castalia Simulator,” submitted to IEEE Wireless Communications & Networking Conference 2010 (WCNC 2010), Sydney, Australia Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ... http://lrc.tnu.edu.vn Bố cục luận văn sau: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương 2: Một số giao thức lớp MAC mạng cảm biến không dây Chương 3: Đánh giá giao thức lớp MAC WSNs Số hóa Trung tâm Học... nhược điểm giao thức lớp MAC mạng cảm biến khơng dây Chính vậy, tơi lựa chọn nghiên cứu đề tài Đánh giá số giao thức lớp MAC mạng cảm biến không dây Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu số kỹ thuật,... vực mạng cảm biến khơng dây, có chủ đề kỹ thuật định tuyến tối ưu lượng mạng cảm biến không dây 1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây khác với mạng thơng thường, có số đặc