3. Tổng quan về mạng khụng dõy IEEE 802.15.4
3.3.4.1 Cơ chế thực hiện CSMA – CA
IEEE 802.15.4 cú hai cơ chế truy nhập kờnh khỏc nhau phụ thuộc vào cấu hỡnh của mạng:
- Cơ chế truy nhập kờnh CSMA-CA khụng sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng khụng sử dụng khung “beacon”.
- Cơ chế truy nhập kờnh sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng sử dụng khung “beacon”.
Trong cả hai trường hợp thỡ thuật toỏn được thực hiện sử dụng đơn vị thời gian gọi là cỏc khoảng chờ. Mỗi trạm sẽ duy trỡ 03 biến đối với mỗi lần truyền:
NB, CW và BE. NB là số lần thực hiện cơ chế CSMA – CA cú giỏ trị khởi đầu là 0. CW là khoảng thời gian mà cỏc kờnh cú thể tranh chấp, định nghĩa số khoảng chờ để xoỏ hoạt động của kờnh trước khi quỏ trỡnh truyền cú thể bắt đầu, cú giỏ trị khởi đầu là 2 và được “reset” bằng 2 khi quỏ trỡnh truy nhập kờnh bị bận. CW chỉ được sử dụng trong mạng sử dụng khung “beacon”. BE là số lượng khoảng chờ mà trạm sẽ đợi để truy nhập kờnh. macMinBE là giỏ trị nhỏ nhất của số mũ chờ trong thuật toỏn CSMA-CA, là một số nguyờn cú giỏ trị trong đoạn [0,3] và cú giỏ trị mặc định là 3. aMax là giỏ trị lớn nhất của số mũ chờ trong thuật toỏn CSMA-CA cú giỏ trị mặc định là 5.
(1) Cơ chế truy nhập kờnh CSMA – CA khụng sử dụng khe thời gian:
Khi trạm làm việc cú nhu cầu truyền khung dữ liệu hoặc cỏc cõu lệnh MAC, trước tiờn nú sẽ đợi một khoảng chờ ngẫu nhiờn, sau đú yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế đỏnh giỏ kờnh rỗi (CCA). Nếu phỏt hiện kờnh rỗi thỡ quỏ trỡnh truyền
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
nhiờn khỏc. Quỏ trỡnh được lặp lại cho đến khi phỏt hiện kờnh rỗi hoặc điều kiện (NB > macMaxCSMAbackoffs) xảy ra.
(2) Cơ chế truy nhập kờnh CSMA – CA sử dụng khe thời gian:
Trong mạng sử dụng khung “beacon”, thời điểm bắt đầu chờ của bất kỳ trạm nào sẽ được bắt đầu cựng với thời điểm bắt đầu khe thời gian của siờu khung. Nếu trường tiết kiệm năng lượng cú giỏ trị bằng 0. Sau khoảng chờ ngẫu nhiờn, phõn lớp MAC yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế xỏc định kờnh rỗi (CCA). Nếu kờnh rỗi thỡ toàn bộ hoạt động của quỏ trỡnh truyền cú thể được thực hiện thành cụng trước khi kết thỳc đoạn CAP. Nếu số lần chờ lớn hơn số lượng khoảng chờ trong đoạn CAP thỡ phõn lớp MAC sẽ tạm dừng lại bộ đếm lựi tại thời điểm cuối của đoạn CAP và bắt đầu trong đoạn CAP của siờu khung tiếp theo. Trong trường hợp kờnh bận và số lần thực hiện cơ chế CSMA – CA lớn hơn giỏ trị cho phộp thỡ quỏ trỡnh truy nhập kờnh bị lỗi.
Nếu trường tiết kiệm năng lượng cú giỏ trị bằng 1, thỡ sau khoảng chờ ngẫu nhiờn, phõn lớp MAC yờu cầu tầng vật lý thực hiện cơ chế xỏc định kờnh rỗi. Nếu kờnh rỗi thỡ toàn bộ hoạt động của quỏ trỡnh truyền cú thể được thực hiện thành cụng trước khi kết thỳc đoạn CAP. Bộ đếm lựi chỉ được hoạt động trong 6 khoảng chờ đầu tiờn sau đoạn IFS của khung beacon. Nếu số lần chờ lớn hơn số lượng khoảng chờ trong CAP thỡ phõn lớp MAC sẽ tạm dừng lại bộ đếm lựi tại thời điểm cuối của đoạn CAP và bắt đầu trong đoạn CAP của siờu khung tiếp theo.
Nếu quỏ trỡnh truy nhập kờnh bận (bước 4), phõn lớp MAC sẽ tăng NB và BE lờn 1 và thiết lập CW = 2, nếu NB < macMaxCSMABackoff thỡ thuật toỏn quay về bước 2, nếu NB > macMaxCSMABackoff thỡ thuật toỏn CSMA-CA kết thỳc với trạng thỏi truy nhập kờnh bị lỗi.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Nếu quỏ trỡnh truy nhập kờnh rỗi (bước 5), phõn lớp MAC sẽ bảo đảm rằng thời gian tranh chấp sẽ kết thỳc trước khi quỏ trỡnh truyền bắt đầu. Để làm được điều này, phõn lớp MAC sẽ giảm CW đi một. Nếu CW = 0 thỡ quỏ trỡnh truyền bắt đầu, nếu CW ≠ 0 thuật toỏn quay trở về bước 3.
Sơ đồ thuật toỏn CSMA-CA được mụ tả trong hỡnh 3.20 [10]
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
3.3.4.2 Biờn nhận khung (Frame Acknowledgment)
Nếu quỏ trỡnh nhận dữ liệu hoặc khung lệnh MAC thành cụng thỡ kết quả này sẽ được xỏc nhận bằng một thụng bỏo, ngược lại nếu quỏ trỡnh nhận dữ liệu hoặc khung lệnh trong lớp MAC khụng thành cụng thỡ sẽ khụng cú quỏ trỡnh xỏc nhận.
Nếu trạm khởi đầu khụng nhận được một xỏc nhận sau một vài chu kỳ, nú sẽ giả thiết rằng bộ truyền khụng truyền thành cụng và yờu cầu thực hiện lại. Nếu sau một vài lần yờu cầu thực hiện lại mà vẫn khụng nhận được thụng bỏo xỏc nhận thỡ cú thể nú sẽ kết thỳc quỏ trỡnh thực hiện.
3.3.4.3 Xỏc nhận dữ liệu (Data verification)
Để phỏt hiện lỗi bớt, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng cơ chế phỏt hiện lỗi FCS cú độ dài 16 bit và thực hiện theo phương phỏp kiểm tra mó vũng dư (CRC) để kiểm tra bất kỳ khung nào.
3.4 Tiết kiệm năng lượng
Để giảm tiờu thụ năng lượng thỡ hầu hết cỏc trạm sẽ ở trạng thỏi nghỉ khi khụng làm việc. Tuy nhiờn mỗi trạm sẽ lắng nghe theo chu kỳ từ kờnh RF để xỏc định xem cú thụng bỏo nào chưa thực hiện khụng. Cơ chế này sẽ cho phộp người thiết kế ứng dụng cõn đối việc tiờu thụ năng lượng và thụng bỏo.
3.5 An ninh
Do cỏc dải ứng dụng khỏc nhau mà việc thực hiện kiểm tra sẽ cú cỏc mức danh giới khỏc nhau trong lớp MAC, mức danh giới này bao gồm cỏc khả năng để duy trỡ danh sỏch điều khiển truy nhập (ACL) và sử dụng mật mó đối xứng để bảo vệ khung được truyền. Cỏc lớp ở tầng trờn sẽ xỏc định khi nào việc kiểm tra được thực hiện tại lớp MAC và cung cấp tất cả cỏc khoỏ cần thiết để thực hiện việc kiểm tra này. Một vài kiểu kiểm tra được sử dụng trong chuẩn này là: khoỏ
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
đối xứng được tạo bởi cỏc lớp cao, điều khiển truy nhập (cung cấp khả năng để thiết bị cú khả năng phỏt hiện cỏc thiết bị khỏc), mó hoỏ dữ liệu (mật mó đối xứng), tớnh toàn vẹn khung tin, làm tươi chuỗi.
3.6 Kết luận
Chương này trỡnh bày về chuẩn cụng nghệ khụng dõy cú tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiờu thụ năng lượng thấp, giỏ thành thưc hiện thấp … Đú là chuẩn IEEE 802.15.4 (LR-WPAN). Vỡ những đặc tớnh đú mà nú đó và đang được sử dụng rộng rói trong lĩnh vực cụng nghiệp (tiờu biểu là mạng sensor), và cho cỏc mục đớch điều khiển cỏc thiết bị thụng minh trong gia đỡnh …
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Chương 4: Mễ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA CHUẨN IEEE 802.15.4
Phần này sẽ giới thiệu về bộ mụ phỏng mạng NS-2 trờn hệ điều hành Linux và sau đú sử dụng bộ mụ phỏng này để phõn tớch mạng khụng dõy theo chuẩn IEEE 802.15
4.1 Hệ mụ phỏng NS2
Hiện tại, cú 3 bộ mụ phỏng cú khả năng mụ phỏng mạng ad-hoc, đú là GloMoSim, OpNet, và NS-2 [18, 20, 22]. Hai sản phẩm đầu tiờn đều là hai sản phẩm thương mại, trong khi đú sản phẩm thứ ba hoàn toàn miễn phớ và ở dạng mó nguồn mở. NS-2 là một cụng cụ mụ phỏng thường được sử dụng nhiều trong cỏc nghiờn cứu và ngược lại những nhà nghiờn cứu cũng cú những đúng gúp quan trọng để mở rộng NS-2. Chớnh vỡ thế, đõy là một bộ mụ phỏng tốt và việc lựa chọn NS-2 làm cụng cụ mụ phỏng trong luận văn này là hiển nhiờn.
NS-2 được viết tắt từ Network Simulator 2 – là phiờn bản tiếp theo của phiờn bản NS đầu tiờn. NS được phỏt triển bởi rất nhiều người, cỏc cụng ty, cỏc tổ chức và cỏc trường đại học khỏc nhau, vớ dụ như SUN Microsystems, Xeror PARC, DARPA, National Science Foundation, Đại học Berkeley (Mỹ), Đại học Carnegie-Mellon (Mỹ).
NS mụ phỏng truyền thụng mạng theo nhiều tầng khỏc nhau (giao vận, mạng và MAC) đồng thời hỗ trợ rất nhiều giao thức khỏc nhau trong cỏc tầng này.
Phiờn bản sử dụng để mụ phỏng trong luận văn này là NS - 2.28
Một cụng cụ khỏc được phỏt hành cựng với NS là Network Animator (NAM). Cụng cụ này cung cấp hỡnh ảnh đồ họa về sự chuyển động của cỏc nỳt trong
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
mạng mụ phỏng và truyền thụng giữa chỳng. Đõy là một cụng cụ rất cú ớch để tỡm lỗi trong mó nguồn của giao thức.
Hỡnh 4.1 – Kết quả được thể hiện trờn NAM
4.1.1 Kiến trỳc của NS2
NS-2 được xõy dựng theo kiến trỳc phõn tầng, tương tự với cỏc tầng tương ứng trong mụ hỡnh OSI. Việc làm này nhằm mục đớch giỳp người dựng NS-2 kết hợp cỏc giao thức phự hợp với yờu cầu của riờng họ.
NS-2 được phỏt triển bởi ngụn ngữ C++, tuy nhiờn mụđun điều khiển mụ phỏng được viết bằng OTcl. Điều này cho phộp người sử dụng chỉ định một cỏch rừ ràng và cú khả năng tựy biến cao với mụ phỏng mà khụng cần can thiệp vào
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
Hỡnh vẽ 4.2 mụ tả kiến trỳc của NS2 được đơn giản húa – dưới gúc nhỡn của người dựng.
Hỡnh 4.2 – NS dưới gúc nhỡn của người dựng
4.1.2 Mụi trường mụ phỏng
Mụi trường mụ phỏng trong NS-2 được điều khiển thụng qua việc sử dụng một kịch bản TCL điều khiển mụ phỏng chớnh. Kịch bản này chứa đầy đủ thụng tin chi tiết về cỏc file đầu vào/đầu ra khỏc nhau cũng như vụ số cỏc tham số cụ thể dành cho mụ phỏng.
Mó nguồn TCL được chia thành 3 file chớnh:
Thụng thường đối với cỏc cấu trỳc liờn kết mạng lớn thỡ cỏc mẫu chuyển động và cỏc mẫu lưu lượng được định nghĩa riờng cho thuận lợi và chỳng được tạo ra bởi mỏy cỏc mỏy phỏt của CMU.
- File ngữ cảnh (Scenario File): File ngữ cảnh chứa cỏc mẫu chuyển động của cỏc nỳt.
- File lưu lượng (Traffic File): Điều khiển lưu lượng giữa cỏc nỳt trong ngữ cảnh.
- File chương trỡnh chớnh (Main Program File): File chương trỡnh chớnh chỉ định cỏc thiết lập chung cho việc thực hiện mụ phỏng. Cỏc tham số bao gồm:
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
giao thức nào sẽ được mụ phỏng, tờn và vị trớ của dữ liệu ra sau khi thực hiện mụ phỏng (trace file), tờn và vị trớ của file trực quan húa (visualization file) (dành cho NAM).
4.1.3 Ngữ cảnh mụ phỏng
Trong phần này luận văn giới thiệu mụ hỡnh chuyển động của cỏc nỳt di động, sử dụng cụng cụ setdest để tạo ra ngữ cảnh theo cỏc tham số mà người dựng chỉ định. Một số tham số như sau:
Kớch thước (Dimensions): Phạm vi địa lý của ngữ cảnh mạng. Thường dựng kớch thước là 1500m 300m.
Số lượng nỳt (number of nodes): Số lượng cỏc nỳt trong ngữ cảnh. Chỳ ý rằng khụng phải tất cả cỏc nỳt này đều thực sự gửi hoặc nhận tin (traffic), điều này được chỉ định bởi file lưu lượng (traffic file). Số lượng cỏc nỳt và kớch thước của ngữ cảnh mụ phỏng xỏc định mật độ mạng mật độ mạng (network density).
Thời gian mụ phỏng (simulation time): Thời gian tồn tại (Tuổi thọ) của ngữ cảnh. Thường sử dụng là 900s.
Tốc độ tối đa (maximum speed): Tốc độ chuyển động tối đa của một nỳt (theo đơn vị m/s).
Thời gian tạm dừng (pause time): Thời gian mà một nỳt sẽ ở tại vị trớ hiện tại trước khi chuyển động. Tham số này điều khiển tỷ lệ di động (mobility) trong mạng. Thời gian tạm dừng bằng 0 cho biết chuyển động theo hằng số; thời gian tạm dừng bằng tổng thời gian mụ phỏng sẽ dẫn đến kết quả khụng cú chuyển động nào.
Setdest sử dụng một mụ hỡnh điểm đến ngẫu nhiờn (random waypoint model), bắt đầu bằng việc cỏc nỳt “chạy lung tung” một cỏch ngẫu nhiờn trong phạm vi
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
ngẫu nhiờn một điểm đến (way-point) nào đú. Sau đú, cỏc nỳt sẽ chuyển động về phớa đớch đến mới với tốc độ nằm trong đoạn [0, tốc độ tối đa]. Khi cỏc nỳt đến được đớch đến mới của chỳng, chỳng lại tiếp tục chờ trong khoảng thời gian tạm dừng, sau đú lặp lại quỏ trỡnh chuyển động như trờn.
Vớ dụ về chạy setdest với cỏc thụng số sau:
./setdest -n <num_of_nodes> -p <pausetime> -s <maxspeed> -t <simtime> -x <maxx> -y <maxy> > <outdir>/<scenario-file>
4.1.4 Mẫu lưu lượng (Traffic parttern)
Sử dụng cụng cụ cbrgen để tạo ra cỏc mẫu lưu lượng. Cú thể tựy biến cỏc tham số:
Kiểu lưu lượng (Type of traffic): Cú thể là theo kiểu CBR (constant bit rate) hoặc Poisson.
Tốc độ (Rate): Đối với cỏc kết nối CBR, tốc độ này chỉ định độ trễ tạo và gửi gúi tin CBR của nỳt nguồn. Vớ dụ, để gửi đi 4 gúi tin/s, con số này sẽ phải là 0.25. Tỷ lệ gúi tin cao sẽ làm tăng khả năng tắc nghẽn.
4.1.5 Tệp dấu vết (Trace files)
Dữ liệu ra sau khi mụ phỏng với NS-2 thường được lưu trong một tệp, tệp này được gọi là tệp dấu vết (trace file). Tệp dấu vết chứa thụng tin về cỏc sự kiện của gúi tin xảy ra trong suốt thời gian mụ phỏng theo từng tầng: tầng MAC, tầng mạng, tầng giao vận.
Sau khi mụ phỏng thành cụng, tệp dấu vết sẽ chứa cỏc thụng tin chi tiết về những gỡ xảy ra và xảy ra khi nào. Cú thể thực hiện rất nhiều phõn tớch khỏc nhau dựa vào file này.
Như đó núi trước đõy, bộ mụ phỏng NS-2 là mó nguồn mở. Điều này cú nghĩa là trong trường hợp cần thiết, muốn tăng lượng thụng tin trong file dấu vết hoàn toàn cú thể sửa đổi mó nguồn của NS-2 để thực hiện điều này.
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
4.2 Triển khai mụ phỏng và cỏc kết quả
Để tỡm hiểu mạng khụng dõy theo chuẩn IEEE 802.15, trong phần này sẽ giới thiệu mục đớch mụ phỏng, mụ hỡnh và cỏc thụng số mụ phỏng, cỏc phương phỏp định tuyến, đồng thời trỡnh bày kết quả mụ phỏng, phõn tớch và đỏnh giỏ kết quả thực hiện.
4.2.1 Mục đớch mụ phỏng
Để hiểu rừ nguyờn tắc điều khiển truy nhập của mạng IEEE 802.15.4, chức năng của cỏc module trong kiến trỳc của chuẩn IEEE 802.15.4, cỏc kết nối hỡnh sao cú sử dụng khung Beacon, ý nghĩa và tầm quan trọng của Piconet trong mạng. Kết nối ngang hàng cú sử dụng Beacon, liờn kết và phõn tỏch, Dũ tỡm năng lượng, quột kờnh, phương phỏp định tuyến Zigbee (ZBR) trờn IEEE 802.15.4. Những kết nối này, những phương phỏp định tuyến này đó và đang được sử dụng rộng rói trong mạng cảm biến và được sử dụng trong cỏc ngành cụng nghiệp, trong cuộc sống hàng ngày…
Đồng thời trong phần này luận văn cũng sẽ đỏnh giỏ hiệu suất hoạt động của chuẩn IEEE 802.15.4 và so sỏnh với chuẩn IEEE 802.11 nhằm mục đớch đỏnh giỏ và ước đoỏn xem trường hợp nào, hệ thống nào là thớch hợp với mụi trường PAN.
4.2.2 Mụ hỡnh và cỏc thụng số mụ phỏng
4.2.2.1 Mụ hỡnh:
Định nghĩa cỏc ngữ cảnh: Bao gồm cỏc modul lựa chọn cỏc giao thức định tuyến [4.2.3], cỏc phương thức kết nối, lập lịch cỏc sự kiện vớ dụ như khởi
Tr-ờng đại học công nghệ Hiệu suất hoạt động của mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15
đầu trạm điều khiển, trạm làm việc trong mạng, cỏc kiểu lan truyền, hàng đợi, beacon [chương 3]…
Phõn lớp hội tụ xỏc định dịch vụ (SSCS – Service Specific Convergence Sublayer): Đõy là phõn lớp kết nối giữa cỏc tầng cao và tầng điều khiển truy nhập.
Tầng vật lý và tầng điều khiển truy nhập của chuẩn IEEE 802.15.4 được giới thiệu chi tiết ở chương 2 và chương 3. Hỡnh 4.3 là cỏc Module của chuẩn IEEE 802.15.4:
Hỡnh 4.3 – Cỏc module của chuẩn IEEE 802.15.4