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 .......................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ..................................................... 4
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1 - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ....................................... 8
1.1. Mạng cảm biến và ứng dụng ................................................................. 8
1.2. Kiến trúc mạng cảm biến không dây .. Error! Bookmark not defined.
1.3. Điều khiển truy nhập MAC trong mạng cảm biến không dây.....Error!
Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2 - ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT ......... Error! Bookmark not defined.
2.1. Khái niệm và các thông số hiệu suất... Error! Bookmark not defined.

2.2. Các phương pháp đánh giá hiệu suất .. Error! Bookmark not defined.
2.3. Mô phỏng bằng chương trình máy tínhError! Bookmark not defined.
2.4. Bộ mô phỏng mạng OMNeT++ .......... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3 - 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 và nguyên tắc hoạt động điều khiển truy nhập MAC ..Error!
Bookmark not defined.
3.3. Đánh giá .............................................. Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 4 - 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 phỏng S-MAC, T-MAC bằng bộ 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 của một nút cảm biến
Hình 1.2. Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến.
Hình 1.3: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.
Hình 2.1. Các phương pháp đánh giá hiệu suất
Hình 2.2. Kiến trúc hệ thống mô phỏng theo sự kiện rời rạc
Hình 2.3. Nguyên tắc hoạt động của mô phỏng theo sự kiện rời
rạc
Hình 2.4. Kiến trúc liên kết của một chương trình mô phỏng
Hình 2.5. Cấu trúc nút cảm biến được định nghĩa bằng ngôn ngữ
NED trong OMNeT++
Hình 2.6. Cấu trúc mô phỏng mạng cảm biến được định nghĩa
bằng ngôn ngữ NED trong OMNeT++
Hình 3.1. Nguyên tắc phân loại những giao thức MAC theo tổ
chức thời gian và sự phát triển lịch sử.
Hình 3.2. Nghe mức thấp (Low-Power Listening)
Hình 3.3. Chu trình thức/ngủ của giao thức truy nhập theo lịch

Hình 3.4. Truyền dữ liệu với kỹ thuật đồng bộ thời điểm thăm
dò kênh
Hình 3.5. Lựa chọn khe bởi LMAC
Hình 3.6. Z-MAC: cấu trúc khe với sự ưu tiên gắn sẵn cho
những chủ nhân khe thời gian.
Hình 4.1. Lược đồ S-MAC
Hình 4.2. Đồng bộ giữa các nút.
Hình 4.3. Quan hệ định thời giữa nút nhận và các nút gửi
Hình 4.4. Thực hiện tránh nghe thừa
Hình 4.5. Lược đồ cơ bản giao thức T-MAC
Hình 4.6. Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản T-MAC.
Hình 4.7. Hiện tượng ngủ sớm.
Hình 4.8. Thực hiện gửi sớm RTS.
Hình 4.9. Thực hiện ưu tiên gửi khi bộ 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 năng lượng của nút cảm biến EYES
Hình 4.11. Ma trận 100 nút cảm biến phân bố đều nhau
Hình 4.12. Giao thức S-MAC: Các mức tiêu thụ dòng điện trung
bình ứng với từng tốc độ phát sinh gói tin thay đổi
theo thời gian thức trên một khung thời gian
Hình 4.13. Giao thức S-MAC: Các mức tiêu thụ dòng điện trung
bình ứng với từng thời gian thức trên một khung, thay
đổi theo tốc độ phát sinh gói tin
Hình 4.14. Dòng điện tiêu thụ trung bình ứng với từng giao thức
thay đổi theo tốc độ phát sinh gói tin
Hình 4.15. Dòng điện tiêu thụ trung bình của T-MAC khi thay
đổi tốc độ phát sinh gói tin.
Hình 4.16. T-MAC với việc thực hiện gửi sớm RTS tăng thông
lượng cực đại
Hình 4.17. Mức tiêu thụ dòng điện trung bình khi thay đổi tốc
độ phát sinh gói tin

Hình 4.18. Các mức tiêu thụ dòng điện trung bình với chiều dài
gói tin là 20 byte
Hình 4.19. Các mức tiêu thụ dòng điện trung bình với chiều dài
gói tin là 100 byte
Hình 4.20. Mức tiêu thụ dòng điện trung bình 3 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 những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng thông tin
máy tính di động được phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến di
động (wireless mobile sensor network), dạng không cấu trúc (ad hoc mobile
network) mới xuất hiện, nhưng đã được nhiều nước, nhiều tổ chức xã hội, quốc
phòng, an ninh, kinh tế … quan tâm.
Mạng cảm biến có thể bao gồm hàng nghìn, thậm chí hàng triệu thiết bị cảm
biến (sensors) thông minh, được trang bị một bộ xử lý, một bộ nhớ dung lượng nhỏ

và các cảm biến để đo ánh sáng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ. Trong tương lai, mạng
này có thể giám sát cả môi trường, phương tiện máy móc và con người. Mạng cảm
biến liên hệ bằng sóng vô tuyến, tiêu thụ cực ít năng lượng, hoạt động liên tục
trong mọi điều kiện, môi trường. Mạng cảm biến có thể còn bao gồm cả các thiết bị
điều khiển (actors) thông minh, trao đổi số liệu và thực hiện điều khiển đối với các
thiết bị cảm biến.
Để thiết kế và thực hiện các mạng cảm biến, nhiều vấn đề điều khiển được
đặt ra, phải được nghiên cứu, giải quyết tối ưu, phù hợp với đặc thù của mạng cảm
biến không dây, ví dụ: điều khiển truy nhập mạng không dây, định tuyến, điều
khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các thiết bị cảm biến và điều khiển một cách có
chọn lọc (lựa chọn một nhóm các thiết bị cảm biến và điều khiển). Nghiên cứu,
đánh giá một số cơ chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến di động có ý nghĩa lý
luận và thực tiễn.
Mục tiêu chính của luận văn là cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng cảm
biến không dây và ứng dụng; nguyên tắc hoạt động một số cơ chế điều khiển truy
nhập mạng cảm biến không dây; phân tích, đánh giá hiệu suất hoạt động của một
số cơ chế điều khiển trên.
Ngoài bốn chương chính, bố cục luận văn còn có các phần Mở đầu, Kết luận
và Tài liệu tham khảo. Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày trong các
chương, đánh giá các kết quả đã đạt được, đồng thời đưa ra các định hướng nghiên
cứu, phát triển tiếp theo. Nội dung các chương được tóm tắt như sau:


Chương 1 trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu tạo nút cảm
biến cũng như kiến trúc mạng cảm biến, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của mạng
cảm biến, một số vấn đề đặt ra trong cơ chế điểu khiển truy nhập áp dụng cho
mạng cảm biến.
Chương 2 giới thiệu tổng quan về đánh giá hiệu suất và mô phỏng bằng
chương trình máy tính. Giới thiệu bộ chương trình mô phỏng đang được sử dụng
rộng rãi trong lĩnh vực viễn thông OMNet++.

Chương 3 trình bày các vấn đề trong thiết kế cơ chế điều khiển truy nhập
MAC cho mạng cảm biến không dây. Phân loại và đánh giá các phương pháp điều
khiển truy nhập MAC trong mạng cảm biến không dây.
Chương 4 giới thiệu, đặc tả hai giao thức điều khiển truy nhập được dùng
cho mạng cảm biến là S-MAC và T-MAC, thực hiện mô phỏng và đánh giá hiệu
suất các giao thức trên bằng bộ chương trình OmNet++.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do khuôn khổ thời gian và thức hạn hẹp nên
luận văn còn những hạn chế nhất định, tác giả rất mong nhận được những góp ý để
vấn đề nghiên cứu này ngày càng được hoàn thiện hơn. Qua đây, tác giả xin chân
thành cảm ơn tới PGS.TS Vũ Duy Lợi, người thầy hướng dẫn và chỉ bảo tận tình
trong quá trình thực hiện luận văn này, xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã dạy
và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội.


CHƯƠNG 1 - MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1. Mạng cảm biến và ứng dụng
1.1.1. Mạng cảm biến
Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố
cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng. Vị trí của các nút cảm
biến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước, điều này cho phép các nút cảm
biến phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp. Điều đó cũng có nghĩa là các
giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng tự tổ chức. Một
đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng phối hợp giữa các
nút cảm biến. Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong. Thay vì gửi đi số
liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiện các tính toán đơn
giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu.
Những ứng dụng của mạng cảm biến đòi hỏi nó phải có những kỹ thuật đặc
biệt hơn so với các kỹ thuật áp dụng cho các mạng không dây phi cấu trúc (mạng

ad hoc). Mặc dù nhiều giao thức và giải thuật đã được thiết kế cho những mạng ad
hoc không dây truyền thống, nhưng chúng chưa thỏa mãn những đặc tính và yêu
cầu ứng dụng của mạng cảm biến. Để thấy được điểm này, ta hãy xem xét sự khác
nhau giữa mạng cảm biến và mạng ad hoc:
 Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so
với những nút trong mạng ad hoc.
 Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn.
 Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động.
 Topo mạng cảm biến thay đổi rất thường xuyên.
 Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá (broadcast)
trong khi mà đa số các mạng ad hoc là điểm - điểm (point-to-point).


 Những nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ
nhớ.
 Những nút cảm biến có thể không có định danh toàn cầu (global ID).
Khi số lượng lớn những nút cảm biến được triển khai mật độ dày thì những
nút lân cận phân bố rất gần lẫn nhau, vì vậy truyền thông đa bước nhảy trong mạng
cảm biến phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy truyền thống.
Hơn nữa, năng lượng phục vụ truyền dữ liệu có thể để ở mức thấp, chủ yếu dành
cho các hoạt động chuyển đổi, xử lý. Truyền thông đa bước nhảy cũng khắc phục
có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa trong giao tiếp không dây.
Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là mức
độ tiêu thụ điện phải thấp. Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm biến là có
hạn và nói chung là không thể thay thế. Bởi vậy, trong khi các mạng truyền thống
tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những giao thức
mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng. Chúng phải có
những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ của mạng hay
thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao.
Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác

nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm
biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao quanh
đa dạng như:
 nhiệt độ,
 độ ẩm,
 sự chuyển động của phương tiện,
 điều kiện ánh sáng,
 sức ép,
 sự ô nhiễm,


TÀI LIỆU THAM KHẢO
A. Tài liệu Tiếng Việt
1. Vũ Duy Lợi (2005), Bài giảng “Một số vấn đề nâng cao của công nghệ mạng
máy tính”.
2. Vũ Duy Lợi (2002), Mạng thông tin máy tính, Nhà xuất bản Thế giới
3. Phạm Bảo Sơn (2006), Mạng cảm biến vô tuyến và đánh giá chỉ tiêu của giao
thức chọn đường LEACH, Tạp chí Bưu chính Viến thông
B. Tài liệu tiếng Anh
1. I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci (2002), Wireless
sensor networks: a survey, Computer networks 38, pp. 393-422
2. 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
3. W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan, H. Balakrishman (2000), Energyefficient communication protocols for wireless microsensor networks, in Proc.
of Hawaii Intern. Conference on Sysstem Science
4. Holger Karl, Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless
Sensor Networks, John Wiley & Sons
5. Koen Langendoen (2007), Medium Access Control in Wireless Networks,
Volume II: Practice and Standards, Nova Science Publishers

6. Wei Ye, John Heidemann (2005), Ultra-low duty cycle mac with scheduled
channel polling, Technical Report ISI-TR-604, USC/ISI
7. 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,
8. Wei Ye, John Heidemann (2003), Medium Access Control in Wireless Sensor
Networks, USC/ISI Technical Report ISI-TR-580


9. 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. />14. />