Mô hình tĩnh : các nút mạng không dây được bố trí như trên hình 4.3 với các thông số mạng như sau:
- Số nút (trạm) trong mạng là 101, được bố trí đều đặn trong không gian mô phỏng là 80x80 m2
, cự li phát sóng (radio range) được thiết lập bằng 9m, do đó mỗi nút mạng chỉ có thể liên lạc được với các nút nằm theo hướng song song với 2 đường chéo của diện tích hình chữ nhật 80x80 m2 (đối với mỗi nút, các nút hàng xóm theo hướng Đông, Bắc, Tây, Nam của nó đều có khoảng cách bằng 80/7 ≈11,5m, do đó không thể liên lạc trực tiếp được).
Hình 4. 3: Mô hình mô phỏng mạng không dây tĩnh
- Việc truyền thông của cả 8 cặp nút 63-61, 87-97, 79-77, 99-85, 64-62, 88-98, 80-78 và 100-86 đều sử dụng giao thức UDP, các thực thể gửi của UDP được gắn với các nguồn sinh lưu lượng với phân bố các gói tin đưa vào mạng là phân bố đều, nghĩa là nguồn thuộc loại CBR (Constant Bit Rate). Việc chọn CBR là để có thể chủ động điều khiển tải đưa vào mạng.
- Tải mạng sẽ được đưa tăng dần theo giá trị PPS (Packets per second). Các giá trị tải mạng lần lượt được đưa vào là 0.1pps, 0.5pps, 1pps, 10pps và 20pps tuần tự ở các giây thứ 21, 21.5, 22, 22.5, 23, 23.5, 24, 24.5 trong thời gian mô phòng. Các thí nghiệm không áp dụng các mô hình lỗi vào truyền thông.
- Thời gian chạy mô phỏng là 300 giây. Các gói tin dữ liệu được đưa vào qua nguồn CBR cố định sẽ được bắt đầu từ giây thứ 21 (đủ thời gian để mạng khởi tạo, thiết lập) và kết thúc vào giây thứ 295 để đảm bảo mạng sẽ kết thúc mô phỏng vào giây thứ 300 và tất cả gói tin đều có đủ thời gian đến đích.
- Giao thức định tuyến AODV (với IEEE 802.11 và IEEE 802.15.4) và định tuyến ZBR (Zigbe Routing). Băng thông (bandwidth) kênh
truyền của các nút mạng được thiết lập bằng 250 Kbps. Kích thước gói tin bằng 80 byte (như vậy băng thông được tính xấp xỉ 400pps).
- Tỉ lệ gói tin đến đích PDR (Packet Delivery Ratio): được tính bằng tỉ lệ của tổng số gói tin gửi đến đích so với tổng số gói tin gửi đi. Tỉ số PDR cho thấy được tỉ lệ gói tin đến đích thành công. Mạng sẽ có hiệu năng tốt hơn nếu tỉ số này cao.
- Chi phí gói tin RTS/CTS : được tính bằng tỉ số số lượng gói tin RTS và CTS và số lượng gói tin truyền dữ liệu. Chí phí này cung cấp cho riêng mạng theo chuẩn IEEE 802.11
- Độ trễ gói tin đến đích trung bình (Average End-to-end Delay): thời gian trung bình để một gói dữ liệu có thể đến đích, bao gồm trễ trong quá trình định tuyến và phục vụ hàng đợi, chỉ có các gói dữ liệu chuyển thành công đến đích mới được tính. Mạng có độ trễ trung bình thấp hơn là mạng hoạt động hiệu quả hơn. Độ trễ trung bình được tính bằng trung bình cộng thời gian cần của các gói tin đến đích.
- Tỉ lệ mất gói tin (Packet Loss): là tỉ lệ các gói tin bị loại bỏ hoặc bị mất trong một đơn vị thời gian trong quá trình mô phỏng thí nghiệm. Tỉ lệ mất gói được tính bằng hiệu số của số gói tin nhận được và gói tin đã gửi chia cho thời gian gửi tin. Tỉ lệ mất gói thấp đồng nghĩa với mạng có hiệu năng tốt hơn.
- Tải định tuyến chuẩn hóa (Normalized Routing Load): là tỉ lệ tổng số gói tin định tuyến trên tổng số gói tin dữ liệu được nhận. Tiêu chuẩn này đánh giá hiệu quả của sự định tuyến, mạng sẽ có hiệu năng truyền tải dữ liệu tốt hơn nếu giá trị tải định tuyến của mạng thấp hơn.
- Mức tiêu thụ năng lượng (Energy Consumption ): là tỉ lệ giữa năng lượng đã tiêu tốn trong quá trình vận hành của mạng và năng lượng lúc ban đầu. Độ tiêu tốn năng lượng cho ta thấy được hiệu quả sử dụng năng lượng của các giao thức trong mạng. Một mạng có mức tiêu tốn năng lượng thấp hơn là mạng tiết kiệm năng lượng hơn. .
4.2.2.1. Đánh giá hiệu năng tầng MAC của mạng không dây cá nhân Zigbee (IEEE 802.15.4)
Tầng MAC của mạng Zigbee được kế thừa theo thiết kế theo chuẩn IEEE 802.15.4, vì vậy có thể dùng mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 để đánh giá hiệu năng tầng MAC của mạng Zigbee. Trong thí nghiệm đánh giá hiệu năng của tầng MAC, có ba mạng được thiết lập để so sánh bao gồm:
- Mạng theo chuẩn IEEE 802.11 và cài đặt giao thức định tuyến AODV ở tầng mạng tạo thành một mạng tương tự mạng Wifi Ad- hoc.
- Mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 và cài đặt giao thức định tuyến AODV ở tầng mạng với chế độ sử dụng gói Beacon với SO=BO=3.
- Mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 và cài đặt giao thức định tuyến AODV ở tầng mạng với chế độ không sử dụng gói Beacon (Non- Beacon).
Mục đích thiết lập thí nghiệm là để so sánh hiệu năng giữa mạng theo chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ trạm ẩn/trạm lộ bằng cơ chế RTS/CTS với mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 chấp nhận không hỗ trợ RTS/CTS để giảm chi phí truyền gói tin. Đồng thời, thí nghiệm cũng so sánh được hiệu năng của hai chế độ truyền dữ liệu trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) là chế độ sử dụng beacon (sử dụng Slotted CSMA/CA) và chế độ không sử dụng beacon (sử dụng cơ chế truyền Unslotted CSMA/CA)
Có 2 tiêu chí để đánh giá hiệu năng tầng MAC là tỉ lệ gói tin đến đích thành công ở tầng MAC (tính tất cả các gói tin được truyền lại và chuyển tiếp ở tất cả các nút mạng) và năng lượng tiêu thụ ở tầng MAC.
Bảng kết quả nhận được phân tích tệp vết mô phỏng và nhận xét:
Tỉ lệ gói tin đến đích tầng MAC:
Hình 4. 4: So sánh tỉ lệ gói tin đến đích thành công ở tầng MAC của chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE 802.15.4)
0.1pps 0.5pps 1pps 5pps 10pps 20pps
IEEE802.11 - AODV 99.9663 99.3283 97.5677 96.5773 94.2604 93.4483
IEEE802.15.4 - AODV (Beacon) 86.4078 86.0688 78.2699 70.5151 66.2264 64.5042
IEEE802.15.4 - AODV (Non-
Beacon) 100 98.3044 85.0186 83.4589 65.5885 64.7612 0 20 40 60 80 100 120 Tỉ lệ gó i t in đế n đí ch ( % )
Tỉ lệ gói tin đến đích - Tầng MAC
Nhận xét :
Ở tầng MAC, khi tốc độ gói tin đưa vào mạng tăng lên, tỉ lệ các gói tin đến đích của mạng IEEE 802.11 (AODV) có xu hướng giảm khá chậm và giữ ổn định ở mức 97-93%, trong khi đó các gói tin của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) lại giảm một cách nhanh chóng (từ 89% xuống còn 64% ở tầng MAC). Điều này xảy ra là do mạng IEEE 802.11 (AODV) có cơ chế RTS/CTS để khắc phục hiện tượng trạm ẩn và trạm lộ, trong khi Zigbee (IEEE 802.15.4) không sử dụng sẽ làm tăng khả năng xảy ra hiện tượng đụng độ này trong mạng khi tải hệ thống được tăng dần.
Qua thí nghiệm này cũng có thể thấy được việc truyền thông bằng mạng không sử dụng beacon (unslotted CSMA/CA) sẽ cho tỉ lệ gói tin đến đích tốt hơn mạng sử dụng beacon (slotted CSMA/CA) ở tốc độ thấp do không phải thực hiện việc đồng bộ và chờ đợi đến phiên truyền. Tuy nhiên khi tải mạng tăng cao (10pps và 20pps), mạng truyền không sử dụng beacon cũng giảm dần về cùng tỉ lệ với mạng truyền sử dụng beacon vì khi số lượng các gói tin truyền tăng, đụng độ sẽ xảy ra nhiều hơn với mạng không sử dụng beacon.
Chi phí để thực hiện cơ chế RTS/CTS cũng được đưa ra ở đồ thị hình 4.5, được tính bằng số lượng gói tin RTS/CTS trên số lượng gói dữ liệu truyền đi, cho ta thấy được chi phí truyền tin thực hiện bằng RTS/CTS là không hề nhỏ, tỉ lệ từ 4.2 đến 6.4 lần số gói tin dữ liệu cần truyền. Vì vậy việc mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) bỏ qua cơ chế RTS/CTS cho mạng truyền dữ liệu tốc độ thấp là hoàn toàn có thể chấp nhận được. Chi phí RTS/CTS: 0.1pps 0.5pps 1pps 5pps 10pps 20pps IEEE802.11 4.2634 4.224 4.2756 4.6585 5.7369 6.4054 IEEE802.15.4 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Ch i p h í R TS /CTS Chi phí RTS/CTS
Mức tiêu thụ năng lượng của tầng MAC:
Hình 4. 6: So sánh mức tiêu thụ năng lƣợng của mạng giữa chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE 802.15.4)
Nhận xét :
Mức độ tiêu thụ năng lượng tầng MAC được tính bằng tỉ lệ % năng lượng đã tiêu thụ trong quá trình mô phỏng trên số tổng năng lượng được cấp cho mỗi thiết bị (nút mạng) ban đầu. Trong phần mềm mô phỏng NS2, năng lượng của từng nút mạng được NS2 hỗ trợ thiết lập các thông số năng lượng khởi tạo (initialPower), năng lượng phát (txPower), năng lượng thu (rxPower), năng lượng nghỉ (idlePower). NS2 cũng hỗ trợ theo dõi năng lượng tiêu thụ bằng việc đo chỉ số năng lượng còn lại trên nút.
So với mạng theo chuẩn IEEE 802.11, mạng IEEE 802.15.4 có tầng MAC được thiết kế cho việc tối ưu hóa năng lượng có mức độ tiêu thụ năng lượng thấp hơn hẳn. Khi tải năng, mạng theo chuẩn IEEE 802.11 có tăng độ tiêu thụ năng lượng lên nhưng sớm đi vào ổn định dần Khi tải năng, tiêu thụ năng lượng của toàn mạng cũng tăng lên.
Với mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4, là tầng MAC của mạng Zigbee, có thể thấy được mức sử dụng năng lượng trong cơ chế truyền tin sử dụng Beacon và
0.1pps 0.5pps 1pps 5pps 10pps 20pps
IEEE802.11 - AODV 0.656563 0.886088 0.886783 0.873572 0.853668 0.841007
IEEE802.15.4 - AODV (Beacon) 0.181364 0.199333 0.235659 0.258995 0.249219 0.23136
IEEE802.15.4 - AODV (Non-
Beacon) 0.113968 0.125936 0.206157 0.28392 0.382974 0.402884 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 M ứ c độ tiêu th ụ n ăn g lượ n g (% ) Mức độ tiêu thụ năng lƣợng
không sử dụng Beacon là khác nhau. Năng lượng của mạng không dùng Beacon có vẻ tiêu thụ ít hơn khi tải mạng dưới 5pps, tuy nhiên khi tải tăng quá 5pps, mạng không sử dụng Beacon lại tiêu thụ nhiều năng lượng hơn và có xu hướng tăng so với mạng sử dụng Beacon. Điều này có thể giải thích được là do khi tải mạng tăng cao, mức độ yêu cầu truyền dữ liệu của các nút ngày càng tăng trong khi mạng không dùng Beacon sử dụng cơ chế unslotted CSMA/CA, không có cơ chế để đảm bảo việc truyền dữ liệu (CAP,GTS) như mạng dùng beacon (cơ chế slotted CSMA/CA) làm cho tỉ lệ đụng độ tăng, tỉ lệ gói tin phải truyền lại nhiều, gây tiêu tốn năng lượng.
Kết luận: mạng Zigbee với tầng MAC được thừa hưởng thiết kế của chuẩn IEEE 802.15.4 cho mức độ tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều khi so sánh với mạng Wifi (IEEE 802.11). Tiêu thụ năng lượng thấp cũng là một trong những điểm lợi thế của mạng Zigbee so với các mạng không dây khác. Ngoài ra, việc từ bỏ cơ chế RTS/CTS trong mạng Zigbee là hoàn toàn chấp nhận được vì chi phí RTS/CTS là khá cao cho những mạng sử dụng để truyền gói tin với chu kì thấp như Zigbee.
4.2.2.2. Đánh giá hiệu năng tầng mạng của mạng không dây cá nhân Zigbee (IEEE 802.15.4)
Trong thí nghiệm đánh giá hiệu năng của tầng mạng, có bốn mạng được thiết lập để so sánh bao gồm:
- Mạng theo chuẩn IEEE 802.11 và cài đặt giao thức định tuyến AODV ở tầng mạng tạo thành một mạng tương tự mạng Wifi Ad- hoc.
- Mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4, cài đặt giao thức định tuyến AODV ở tầng mạng và sử dụng beacon với BO=SO=3.
- Mạng Zigbee với các nút có khả năng xử lí tốt RN+ dùng định tuyến AODVjr, sử dụng beacon với BO=SO=3.
- Mạng Zigbee với các nút bị giới hạn khả năng xử lí RN- , chỉ có thể dùng thuật toán duyệt cây phân cấp. Mạng cây phân cấp được thiết lập với các thông số Lm =7, Cm = Rm =4; Mạng sử dụng beacon với BO=SO=3.
Tỉ lệ gói tin đến đích thành công (tầng ứng dụng):
Hình 4. 7: So sánh tỉ lệ gói tin đến đích thành công ở tầng ứng dụng của chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE 802.15.4)
Nhận xét:
Tỉ lệ gói tin đến đích thành công ở tâng ứng dụng được tính toán là tỉ lệ % số gói tin gửi đi ở nút nguồn và số gói tin đến đích thành công ở nút đích. Không giống như tỉ lệ gói tin đến đích ở tầng MAC, tầng ứng dụng không tính các nút trung gian và phản ánh hiệu năng định tuyến của tầng mạng.
Có thể thấy khi tải tăng đến 10pps, mạng theo chuẩn IEEE 802.11 đã bị giảm số gói tin đến đích xuống một nửa trong khi mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 và Zigbee truyền tải không hiệu quả khi tải hệ thống tăng tới 20pps (5% băng thông mạng) với tỉ lệ gói tin đến đích dưới mức chấp nhận được (IEEE 802.15.4 là 2.5% và Zigbee là khoảng 12%). Điều này cho thấy mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) là mạng không thích hợp để truyền dữ liệu các dữ liệu nhiều và liên tục.
Qua thí nghiệm cũng có thể thấy được khi cài đặt giao thức định tuyến của Zigbee (RN+ và RN-) lên trên tầng MAC của chuẩn IEEE 802.15.4, việc định tuyến các gói tin cũng được cải thiện dựa vào tỉ lệ gói tin đến đích của mạng Zigbee cao hơn khi tải tăng bắt đầu từ tải đưa vào là 5pps, và việc giảm tỉ lệ gói tin đến đích của Zigbee cũng không bị giảm đột ngột như của mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 cài đặt định tuyến AODV.
0.1pps 0.5pps 1pps 5pps 10pps 20pps IEEE802.11 - AODV 100 99.9084 87.6606 90.7122 52.4876 25.9986 IEEE802.15.4 - AODV 80.3571 88.7363 67.6147 16.0609 6.9855 2.5436 Zigbee Routing RN+ 97.3214 81.4103 70.9174 50.1193 17.2985 12.2865 Zigbee Routing RN- 93.3036 64.011 46.7431 41.7493 14.0766 12.9008 0 20 40 60 80 100 120 Tỉ lệ gó i t in đế n đí ch ( % )
Tỉ lệ gói tin đến đích thành công - Tầng ứng dụng
Độ trễ gói tin đến đích trung bình :
Hình 4. 8: So sánh độ trễ trung bình của chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE 802.15.4)
Nhận xét:
Độ trễ trung bình được tính bằng trung bình cộng các thời gian cần thiết để gói tin đi từ nguồn đến đích. Độ trễ trung bình cũng thể hiện một phần hiệu năng định tuyến của tầng mạng. Ta thầy độ trễ trung bình của ba mạng IEEE 802.11 (AODV), Zigbee với các nút có năng lực xử lí tốt (Zigbee RN+) và Zigbee với các nút giới hạn năng lực (Zigbee RN-) đều có độ trễ trung bình khá tốt trong khi độ trễ trung bình của mạng IEEE 802.15.4 (AODV) lại khá cao trong đa số trường hợp tăng tải.
Độ trễ trung bình cũng chứng tỏ việc cài đặt giao thức định tuyến mạng Zigbee lên trên tầng MAC của chuẩn IEEE 802.15.4 giúp cải thiện đáng kể độ trễ của gói tin trong mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 thông thường sử dụng AODV. Ở đây độ trễ của gói tin trong mạng Zigbee xấp xỉ nhanh bằng độ trễ các gói trong mạng theo chuẩn IEEE 802.11 và nhanh gấp 25 lần mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 cài đặt AODV một số trường hợp tải đưa vào (5pps).
0.1pps 0.5pps 1pps 5pps 10pps 20pps IEEE802.11 - AODV 142.732 69.478 142.003 197.124 103.839 524.033 IEEE802.15.4 - AODV 322.291 638.597 1756.786 2066.664 2504.461 1633.106 Zigbee Routing RN+ 346.09 204.906 168.984 155.133 262.785 207.525 Zigbee Routing RN- 242.529 165.01 194.891 200.396 220.367 295.499 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Độ tr ễ g ó i tin đến đí ch t ru n g b ìn h ( m
s) Độ trễ gói tin đến đích trung bình
Tải mạng (gói tin/s)
)
Tỉ lệ mất gói tin trung bình :
Hình 4. 9: So sánh tỉ lệ mất gói tin của chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE 802.15.4)
Nhận xét :
Tỉ lệ mất gói tin trong thí nghiệm mô phỏng được tính bằng số gói tin bị loại hoặc mất trong một đơn vị thời gian. Tỉ lệ mất gói tin cũng thể hiện được hiệu năng định tuyến của tầng mạng, đồng thời thể hiện sự ổn định và độ tin cậy của mạng.
Mạng theo chuẩn IEEE 802.11 (AODV) có tỉ lệ mất gói thấp nhất khi đưa tải mạng tăng dần, cả 3 mạng còn lại đều có tỉ lệ mất gói tin cao hơn mạng theo chuẩn IEEE 802.11 và mạng cài đặt giao thức định tuyến Zigbee có tỉ lệ mất gói ít hơn một chút so với mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 (AODV). Tuy nhiên, nếu đưa mạng IEEE 802.11 làm tiêu chuẩn thì mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) có tỉ lệ mất gói ở mức chấp nhận được. 0.1pps 0.5pps 1pps 5pps 10pps 20pps IEEE802.11 - AODV 0 0.0037 0.9963 3.7481 38.3407 119.3889 IEEE802.15.4 - AODV 0.163 0.4556 2.6148 33.8741 75.0593 157.2296