3. Tổng quan về mạng khụng dõy IEEE 802.15.4
4.2.5Kết quả mụ phỏng
(1) Mụ phỏng 1: Mụ phỏng mạng PAN sử dụng giao thức định tuyến AODV
Trong vớ dụ này, ta thực hiện mụ phỏng với 25 nỳt mạng trờn diện tớch 50x50 m2, sử dụng mụ hỡnh truyền thụng FTP/ CBR/ Poisson, luồng dữ liệu được thực hiện truyền từ nỳt 19 6, 10 4 và 3 2, khoảng cỏch giữa cỏc nỳt là 10 m và thời gian thực hiện trong khoảng 900s. Kết quả thực hiện được mụ tả trong hỡnh 4.7:
Hỡnh 4.7 – AODV trờn chuẩn IEEE 802.15.4
(2) Mụ phỏng 2: Mụ phỏng mạng mạng PAN sử dụng phương thức kết nối hỡnh sao ở chế độ sử dụng khung “Beacon”
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 4.8 – Kết nối hỡnh sao cú sử dụng khung “Beacon”
Mụ hỡnh mụ phỏng bao gồm 7 trạm, thực hiện trờn diện tớch 50x50 m2, khoảng cỏch giữa cỏc trạm là 10 m, cỏc kết nối truyền thụng là FTP/ CBR/ Possion, Chế độ sử dụng khung “Beacon” ( Beacon order: 3, superframe order: 3).
(3) Mụ phỏng 3: Mụ tả mạng PAN sử dụng phương thức kết nối ngang hàng cú cấu trỳc hỡnh cõy.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 4.9: Kết nối ngang hàng cú cấu trỳc hỡnh cõy và sử dung khung beacon.
Mụ hỡnh mụ phỏng bao gồm 11 trạm, 1 trạm điều khiển của PAN, 5 trạm điều khiển, và 5 trạm làm việc, hoạt động trong diện tớch 50x50 m2
, khoảng cỏch giữa cỏc trạm là 10m, sử dụng kết nối truyền thụng là FTP/ CBR/ Possion, chế độ sử dụng khung “Beacon” (Beacon order: 3, Superframe Order: 3). Hỡnh 4.9 là mụ tả hoạt động của mạng ngang hàng cú cấu trỳc hỡnh cõy.
(4) Mụ phỏng 4: So sỏnh thể hiện giữa IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11 (Kết quả so sỏnh định lượng này được tham khảo từ [15] )
Mụ phỏng 4 thực hiện với 101 nỳt, trờn diện tớch là 80x80 m2, khoảng cỏch giữa cỏc trạm là 7 m. Hỡnh 4.10 là sự phõn bố cỏc trạm.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh 4.10 – Hỡnh ảnh của sự phõn bố cỏc trạm
IEEE 802.15.4 trao đổi dữ liệu tại tốc độ: 250 kbps trong dải thụng là 2.4 GHz. Cũn tốc độ trao đổi dữ liệu của IEEE 802.11 là 2 Mbps. Mụ hỡnh truyền thụng cú tốc độ gúi trung bỡnh: 0.1 pps, 0.2 pps, 1 pps, 5pps, 10 pps. Cú hai phương thức kết nối được sử dụng trong phần này: Thứ nhất là ngang hàng (peer – to - peer), 64 62, 63 61, 99 85, 87 97, 88 98, và 100 96. Thứ hai là phương thức kết nối hỡnh sao: Từ cỏc nỳt 64, 62, 63, 61, 99, 85, 87, 97, 88, 98, 100 và 86 đến nỳt 0. Kết quả thực hiện được mụ phỏng được thể hiện trong hỡnh 4.11:
Com paring IEEE 802.15.4 w ith IEEE 802.11
40 50 60 70 80 90 100 0.1 0.2 1 5 10
Traffic Load (pkts/sec)
P a c k e t D e li v e ry R a ti o ( % ) IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 P IEEE 802.15.4 S
Hỡnh 4.11 – So sỏnh IEEE 802.15.4 và 802.11 – Packet delivery ratio
Như ta thấy, trong phương thức kết nối ngang hàng, tỉ lệ truyền cỏc gúi theo chuẩn IEEE 802.11 sẽ giảm rất chậm từ 99.53% cho tới 98.65% khi tốc độ truyền gúi tăng từ 0.1 pps đến 10 pps. Nhưng với chuẩn IEEE 802.15.4 tỉ lệ truyền gúi lại giảm từ 98.51% xuống 78.26% khi tốc độ truyền gúi tăng từ 0.1 pps tới 10 pps. Trong phương thức kết nối hỡnh sao, thỡ kết quả được thể hiện bởi đường IEEE 802.15.4 S, tỉ lệ truyền gúi giảm từ 95.40% cho đến 55.26% khi tốc độ truyền gúi tăng từ 0.1 pps tới 10 pps.
P: Peer to peer S: Star
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Núi chung, chuẩn 802.15.4 duy trỡ tỉ lệ truyền gúi cao khi tốc độ truyền gúi lờn tới 1 pps (95.70% cho IEEE 802.15.4 P, và 87.58 % cho IEEE 802.15.4 S). Nhưng tỉ lệ này sẽ giảm nhanh khi tốc độ truyền tăng cao.
Sự khỏc nhau của tỉ lệ truyền giữa IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11 xuất phỏt từ thực tế bởi vỡ chuẩn IEEE 802.11 sử dụng cơ chế RTS/ CTS cũn IEEE 802.15.4 thỡ khụng sử dụng. Điều này chứng tỏ sự hữu ớch của cơ chế RTS/ CTS khi tốc độ truyền gúi tăng, nhưng rừ ràng rằng nú quỏ đắt so với cỏc ứng dụng của LR – WPAN.
Chỳng ta cú thể nhỡn thấy tỉ lệ của cỏc gúi (RTS/ CTS) đối với cỏc gúi dữ liệu Poisson trong đoạn [2.02, 2.78] của chuẩn IEEE 802.11 nhưng khụng cú đối với IEEE 802.15.4, khi tỉ lệ truyền gúi tăng nhỏ hơn 4% lờn tới 1 pps, thậm chớ dưới điều kiện “condition – free” thỡ tỉ lệ này vẫn lớn hơn 2.0. Bởi vỡ cỏc gúi RTS/ CTS cũng được sử dụng để truyền cỏc gúi điều khiển khỏc vớ dụ như cỏc gúi AODV. (Hỡnh 4.12)
Comparing IEEE 802.15.4 with 802.11: RTS/ CTS Overhead 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.1 0.2 1 5 10
Trafic load (pkts/sec)
(R T S + C T S ) P k ts p e r P o is s io n P a c k e t IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 4.12 – So sỏnh IEEE 802.15.4 với IEEE 802.11: RTS/ CTS Overhead
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
(5) Mụ phỏng 4: Bước trễ
Mụ phỏng 4 vẫn sử dụng phương thức kết nối mạng, khoảng cỏch truyền, dải thụng, tốc độ dữ liệu, phương thức truyền giống như trong mụ phỏng 4. Hỡnh 4.13 là kết quả mụ phỏng. Qua đõy ta cú thể nhận thấy rằng thời gian trễ của IEEE 802.11 thấp hơn so với IEEE 802.15.4. Tuy nhiờn đõy là kết quả thực hiện được khi IEEE 802.11 hoạt động tại tốc độ truyền dữ liệu tại 2Mbps cũn IEEE 802.15.4 hoạt động tại tốc độ truyền 250kbps. Nếu đưa về một thụng số tốc độ truyền dữ liệu giống nhau thỡ thời gian trễ của IEEE 802.11 gấp khoảng 3.3 lần IEEE 802.15.4. 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.1 0.2 1 5 10
Traffic Load (pkts/sec)
H o p D e la y ( s e c ) IEEE 802.11 IEEE 802.15.4 P IEEE 802.15.4 S
Hỡnh 4.13 – So sỏnh bước trễ giữa IEEE 802.15.4 và IEEE 802.11
(6) Mụ phỏng 5: Hiệu suất truyền
Phần này thực hiện mụ phỏng để đỏnh giỏ hiệu suất truyền dưới điều kiện cỏc trạm điều khiển khỏc nhau và thứ tự cỏc “beacon” khỏc nhau, vẫn sử dụng phương thức kết nối mạng, khoảng cỏch truyền, dải thụng, tốc độ dữ liệu, phương thức truyền giống như trong mụ phỏng 4. Nhưng chỉ khỏc là Trạm 0 là trạm điều khiển PAN, cỏc lỏ được thể hiện bằng mầu xỏm. Chỳng ta sẽ cú 73
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
trạm điều khiển và 100 trạm làm việc, mụ phỏng này chạy ở chế độ cố định, với tỉ lệ phần trăm “beacon” của cỏc trạm điều khiển là (0%, 25%, 50%, 75%, và 100%), thứ tự cỏc “beacon” thay đổi với cỏc giỏ trị (0, 1, 2, 3, 4, 5, và 10), tốc độ truyền gúi được cố định là 1 pps.
Thủ tục liờn kết được mụ tả ở tập lệnh mụ phỏng sau:
1: Quột kờnh
2: Nếu điều phối viờn khụng tỡm thấy 3: Liờn kết bị fail
4: Khỏc: Khụng cú điều phối viờn nào cho phộp liờn kết 5: Liờn kết bị fail
6: Khỏc
7: Lựa chọn một điều phối viờn cú tiềm tàng 8: Gửi yờu cầu liờn kết tới điều phối viờn 9: Đợi tớn hiệu ACK
10: Nếu khụng nhận được ACK 11: Liờn kết bị fail
12: Khỏc
13: Gửi yờu cầu dữ liệu tới điều phối viờn 14: Đợi tớn hiệu ACK
15: Nếu khụng nhận được ACK 16: Liờn kết bị fail
17: khỏc
18: Đợi tớn hiệu trả lời liờn kết 19: Nếu trả lời liờn kết khụng nhận được 20: Liờn kết bị fail
21: Nếu khỏc liện kết khụng được chấp nhận 22: Liờn kết bị fail
23: Khỏc
24: Liờn kết thành cụng
Nếu cú nhiều trạm làm việc khụng sử dụng “Beacon” xung quanh, trạm điều khiển sẽ cố gắng gửi khung “beacon”, sử dụng CSMA-CA khụng xẻ rónh
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
cỏc trạm làm việc. Tỡnh trạng này sẽ được cải thiện nếu cỏc trạm làm việc xung quanh cú sử dụng “Beacon”, khi đú cỏc trạm làm việc này tiếp tục thụng bỏo giống như thường lệ thậm chớ yờu cầu “beacon” được nhận. Dĩ nhiờn, nếu “beacon” được gửi với tần số cao, thỡ xung đột sẽ càng tăng lờn, điều này sẽ làm giảm hiệu suất truyền. Núi chung, cỏc trạm điều khiển khụng sử dụng “Beacon” gần như chỉ tỏc động đến bước đầu tiờn của thủ tục liờn kết, trong khi cỏc trạm điều khiển cú sử dụng “beacon” sẽ cú thể tỏc động đến toàn bộ cỏc bước. Điều này được thể hiện rừ trong kết quả mụ phỏng (Bảng 4.2) và ta thấy rừ rằng trạm điều khiển cú sử dụng “beacon” là sự lựa chọn tốt hơn.
Bảng 4.2: DISTRIBUTION OF ASSOCIATION ATTEMPTS (EXPRESS IN NUMBER OF DEVICES) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1 attempt 2 attempts 3 attempts 4 attempts
0% Beaconing Coordinator 54 30 14 2
25% Beaconing Coordinator 71 16 13 -
50% Beaconing Coordinator 79 15 5 1
75% Beaconing Coordinator 85 11 3 -
100% Beaconing Coordinator 87 11 2 -
Bảng 4.2 chỉ ra rằng hầu hết cỏc trạm thành cụng trong lần dự định truyền lần đầu tiờn, một phần nhỏ cỏc thiết bị cố gắng lần thứ 2, thứ 3, và 3 thiết bị cố gắng lần thứ 4.
Liờn kết là phần cơ bản của cấu trỳc hỡnh cõy trong mạng ngang hàng, hiệu quả của cấu trỳc hỡnh cõy cú liờn quan trực tiếp đến hiệu quả liờn kết, cấu trỳc hỡnh cõy là một cấu trỳc rất hữu ớch và cú thể được sử dụng bởi lớp mạng, đặc biệt dựng cho mục đớch định tuyến. Cấu hỡnh thay đổi cũng được thực hiện
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
chế độ cho phộp sử dụng khung “beacon” hoặc chế độ khụng cho phộp sử dụng khung “beacon”, lựa chọn thứ tự khung “beacon” và thứ tự siờu khung trong chế độ cho phộp sử dụng “beacon”, cú địa chỉ là 16 bit đối với cỏc trạm, thiết lập lựa chọn BatterryLifeExtention và nhiều lựa chọn khỏc trong lớp MAC. Như vậy, ta thấy IEEE 802.15.4 cú cỏc đặc điểm tự cấu hỡnh và hỡnh thành mạng rất hiệu quả.
4.2.6 Kết luận
Chương này luận văn giới thiệu bộ cụng cụ rất mạnh để mụ phỏng mạng, đú là NS-2. Nhờ sử dụng bộ cụng cụ này mà ta được khẳng định thờm một lần nữa về ý nghĩa và tầm quan trọng của chuẩn IEEE 802.15 và đặc biệt là chuẩn IEEE 802.15.4 trong lĩnh vực cụng nghiệp cũng như cuộc sống. Hơn nữa, thụng qua kết quả mụ phỏng ta sẽ đỏnh giỏ được hệ thống nào, trường hợp nào là thớch hợp với mụi trường PAN.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
KẾT LUẬN
Mạng cỏ nhõn khụng dõy dựa trờn chuẩn IEEE 802.15 là sản phẩm của cuộc sống hiện đại, nhằm đỏp ứng được cỏc nhu cầu ngày càng cao của con người. Do vậy mà những năm gần đõy, cỏc vấn đề về cụng nghệ khụng dõy ứng dụng trong mạng gia đỡnh giành được sự quan tõm nhiều của cộng đồng nghiờn cứu. Bờn cạnh cỏc vấn đề như giao thức định tuyến, giao thức truy cập kờnh, cấu trỳc của cỏc siờu khung, phương thức điều khiển truy nhập, nhiều vấn đề mới được đề xuất và giải quyết, vớ dụ như là cỏc phương thức để làm giảm cụng suất tiờu thụ, cỏc vấn đề an ninh của mạng … Luận văn này giỳp người đọc cú cỏi nhỡn tổng quỏt về mạng cỏ nhõn khụng dõy và cỏc vấn đề liờn quan đang được tập trung nghiờn cứu hiện nay.
Luận văn này đó trỡnh bày và giới thiệu về chuẩn mới IEEE 802.15 bao gồm phần tổng quan và so sỏnh định tớnh giữa cỏc chuẩn, cỏc ứng dụng của nú trong cuộc sống. Sau đú luận văn đi sõu vào trỡnh bày về chuẩn IEEE 802.15.3 là một chuẩn dựa trờn UWB – cụng nghệ băng thụng cực rộng, tầm ngắn, tốc độ cao cho phộp đạt tới 480 Mbps trong vũng 3 m. Và chuẩn IEEE 802.15.4 là chuẩn cú tốc độ truyền dữ liệu thấp, cụng suất tiờu thụ thấp 250 kbps được ứng dụng rộng rói trong cỏc ngành cụng nghiệp.
Bờn cạnh đú, một phần tuy được trỡnh bày rất túm tắt trong luận văn nhưng tốn khụng ớt thời gian trong quỏ trỡnh thực hiện. Đú là việc tỡm hiểu, đỏnh giỏ và chỉ ra cỏc bộ cụng cụ cú thể mụ phỏng cỏc chuẩn IEEE 802.15.3 và 802.15.4 với bộ mụ phỏng NS2 trờn hệ điều hành Linux.
Do thời gian cú hạn, cho nờn luận văn này khụng thể trỏnh khỏi những
hạn chế và thiếu sút nhất định. Ngữ cảnh mụ phỏng trong luận văn cũn hạn chế, chưa đỏnh giỏ được rừ hơn cỏc ứng dụng sử dụng trong thực tế. Ngoài ra, mụ phỏng đối với chuẩn IEEE 802.15.3 cũng chưa được thực hiện. Cỏc vấn đề về
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
đõy là vấn đề quan trọng trong mạng ad-hoc ở phạm vi nhỏ vỡ cỏc thiết bị hầu hết đều là thiết bị mang theo người, bị hạn chế về nguồn nuụi (dựng pin). Cần cú những mụ phỏng tốt hơn cựng cỏc giải thớch và chứng minh bằng mụ hỡnh tớnh toỏn để cú được cỏc kết luận rừ ràng và chớnh xỏc hơn. Trong tương lai, sẽ tập trung nghiờn cứu nhiều hơn và sõu hơn về cỏch điều khiển và truy nhập của mạng khụng dõy IEEE 802.15.3 cụ thể là cụng nghệ USB khụng dõy và thực hiện mụ phỏng, đỏnh giỏ hiệu suất hoạt động cũng như cỏc vấn đề cần liờn qua khỏc của mạng này.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Anh:
[1]. Agere Systems, Inc., Hewlett-Packard Company, Intel Corporation, Microsoft Corporation, NEC Corporation, Koninklijke Philips Electronics N.V., Samsung Electronics Co., Ltd. Availabe from http://www.usb.org. (2005), “Wireless Universal Serial Bus Specification”.
[2]. Anna Hac, University of Hawaii at manoa, Honolulu, USA “Wireless sensor network Designs”.
[3]. Andrew D. Parker, (July 14th, 2004), “A Guide For the Clueless: IEEE 802.15.4 Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR- WPAN)”.
[4]. Archana Bharathidasan, Vijay Anand Sai Ponduru, “Sensor Networks: An Overview”, Department of Computer Science, University of California, Davis, CA 95616.
[5]. C. E. Perkins and E.M Royer, Feb. 1999). “Ad hoc on-demand distance vector routing”, proceedings of IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications.
[6]. IEEE 802.15 Web site: http://ieee802.org/15/pub/. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[7]. IEEE std 802.15.3, (2003), “Information technology -- Telecommunications and information exchange between systems -- Local and metropolitan area networks -- Specific requirements – Part 15.3: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs)”.
[8]. IEEE published by The Institude of Electrical and and Electronics Engineer, Inc. (Oct 2005), “802.15.4, IEEE standard for Information technology”.
[9]. IEEE P802.15 Working Group for WPANs, (Mar. 2004), “Multi-band OFDM Physical Layer Proposal for IEEE 802.15 Task Group 3a,”.
[10]. IEEE-SA Standards Board, Sponsor LAN/MAN Standards Committee, of the IEEE Computer Society. (Approved 12 May 2003), “IEEE Standard for Information technology, Telecommunications and information exchange between systems,Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR- WPANs)”.
[11]. IEEE 802.15.4/D18, Draft Standard, (Feb, 2003), “Low Rate Wireless Personal Area networks”.
[12]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 345 East 47th street, New York, NY 10017, USA. (2003), “IEEE project 802 Wireless Personal Area Network Working Group 802.15”.
[13]. Jasson Ellis – Sr. Manager, Marketing and Business Development. Vice chairma IEEE 802.15.4, Available from www.staccatocommunications.com. (7 June 2005), “Wireless Connectivity World”.
[14]. Joe Decuir, MCCI, joe@mcci.com. Com-19 Seattle Chair, jdecuir@ieee.org. “Progress on Ultra Wide band”.
[15]. Janliang Zheng and Myung J. Lee. “A comprehensive Performance Study of IEEE 802.15.4”
[16]. LAN MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society, IEEE Standard for 802.15.3 (2003), Wireless LAN Medium Access Control (MAC) specifications”.
[17]. Moe Z. Win and Robert A. Scholtz, (Apr. 2000), "Ultra-Wide Bandwidth Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for Wireless Multiple-Access Communications", IEEE Transactions on Communications, vol. 48, pp. 679 - 689.
[18]. Marc Greis, “Tutorial for the simulator NS”, available from www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial/.
[19]. Robert F.Heile, PhD Chair, IEEE 802.15, (2004), “Ultra-Wideband in Singapore”.
[20]. University of Southern California “Network Simulator (NS-2)”, www.isi.edu/nsnam/ns/.
[21]. Weidong Wang, Chang – Keun Seo, and Sang – Jo Woo, Availabe from http://multinet.inha.ac.kr, “Power aware Multi-hop Packet – Relay MAC protocol in UWB Based WPANs”.