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

TR

I H C QU C GIA HÀ N I
NG
I H C CÔNG NGH

Lê Thành Nam

NGHIÊN C U, ÁNH GIÁ HI U SU T M T S
PH
NG PHÁP I U KHI N TRUY NH P MAC
TRONG M NG C M BI N KHÔNG DÂY B NG
PH
NG PHÁP MÔ PH NG MÁY TệNH

Ngành: Công ngh thông tin
Mã s : 1.01.10

LU N V N TH C S

NG

IH

NG D N KHOA H C: PGS.TS. V Duy L i

Hà N i - 2008


M CL C
DANH M C T

VI T T T .......................................................................... 3

DANH M C HÌNH V VÀ B NG BI U ..................................................... 4
M

U ........................................................................................................... 6

CH

NG 1 - M NG C M BI N KHÔNG DÂY ....................................... 8

1.1. M ng c m bi n và ng d ng ................................................................. 8
1.2. Ki n trúc m ng c m bi n không dây .. Error! Bookmark not defined.
1.3. i u khi n truy nh p MAC trong m ng c m bi n không dây.....Error!
Bookmark not defined.
CH

NG 2 - ÁNH GIÁ HI U SU T ......... Error! Bookmark not defined.

2.1. Khái ni m và các thông s hi u su t... Error! Bookmark not defined.
2.2. Các ph

ng pháp đánh giá hi u su t .. Error! Bookmark not defined.

2.3. Mô ph ng b ng ch

ng trình máy tínhError! Bookmark not defined.

2.4. B mô ph ng m ng OMNeT++ .......... Error! Bookmark not defined.

CH
NG 3 - PH
NG PHÁP I U KHI N TRUY NH P MAC TRONG
M NG C M BI N KHÔNG DÂY ................. Error! Bookmark not defined.
3.1. Yêu c u thi t k đi u khi n truy nh p MAC .....Error! Bookmark not
defined.
3.2. Phân lo i và nguyên t c ho t đ ng đi u khi n truy nh p MAC ..Error!
Bookmark not defined.
3.3. ánh giá .............................................. Error! Bookmark not defined.
CH
NG 4 - NHIÊN C U, CÀI
T MÔ PH NG, ÁNH GIÁ HI U
SU T M T S PH
NG PHÁP I U KHI N TRUY NH P ....... Error!
Bookmark not defined.
4.1. Giao th c S-MAC ............................... Error! Bookmark not defined.
4.2. Giao th c T-MAC ............................... Error! Bookmark not defined.
4.3. Mô ph ng S-MAC, T-MAC b ng b ch
Bookmark not defined.

ng trình OMNET++ .Error!


K T LU N ......................................................... Error! Bookmark not defined.
CÔNG TRÌNH KHOA H C LIÊN QUAN .... Error! Bookmark not defined.
TÀI LI U THAM KH O ............................................................................. 10
PH L C 1: B NG T NG H P K T QU MÔ PH NG ..................... 83
DANH M C T
Vi t t t
AI- LMAC

CDMA
CTS
FDMA

VI T T T

Ti ng 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

Ti ng Vi t
Giao th c AI-LMAC
a truy nh p phân chia theo
mã
S n sàng nh n
a truy nh p phân chia theo
t ns
Giao th c FLAMA
Yêu c u g i s m

Giao th c LMAC
i u khi n truy nh p đ ng
truy n

vect thòi gian chi m gi
m ng
Giao th c PEDAMACS
Giao th c PMAC
Yêu c u g i
Giao th c S-MAC
Giao th c STEM

a truy nh p phân chia theo
th i gian
Giao th c T-MAC
Giao th c TRAMA
M ng c m bi n không dây
Giao th c Z-MAC


DANH M C HÌNH V VÀ B NG BI U
Hình 1.1. Thành ph n c a m t nút c m bi n
Hình 1.2. Phân b nút c m bi n trong tr ng c m bi n.
Hình 1.3: Ki n trúc giao th c c a m ng c m bi n.
Hình 2.1. Các ph ng pháp đánh giá hi u su t
Hình 2.2. Ki n trúc h th ng mô ph ng theo s ki n r i r c
Hình 2.3. Nguyên t c ho t đ ng c a mô ph ng theo s ki n r i
r c
Hình 2.4. Ki n trúc liên k t c a m t ch ng trình mô ph ng
Hình 2.5. C u trúc nút c m bi n đ c đ nh ngh a b ng ngôn ng

NED trong OMNeT++
Hình 2.6. C u trúc mô ph ng m ng c m bi n đ c đ nh ngh a
b ng ngôn ng NED trong OMNeT++
Hình 3.1. Nguyên t c phân lo i nh ng giao th c MAC theo t
ch c th i gian và s phát tri n l ch s .
Hình 3.2. Nghe m c th p (Low-Power Listening)
Hình 3.3. Chu trình th c/ng c a giao th c truy nh p theo l ch
Hình 3.4. Truy n d li u v i k thu t đ ng b th i đi m th m
dò kênh
Hình 3.5. L a ch n khe b i LMAC
Hình 3.6. Z-MAC: c u trúc khe v i s u tiên g n s n cho
nh ng ch nhân khe th i gian.
Hình 4.1. L c đ S-MAC
Hình 4.2. ng b gi a các nút.
Hình 4.3. Quan h đ nh th i gi a nút nh n và các nút g i
Hình 4.4. Th c hi n tránh nghe th a
Hình 4.5. L c đ c b n giao th c T-MAC
Hình 4.6. L c đ trao đ i d li u c b n T-MAC.
Hình 4.7. Hi n t ng ng s m.
Hình 4.8. Th c hi n g i s m RTS.
Hình 4.9. Th c hi n u tiên g i khi b đ m đ y
Hình 4.10. Nút c m bi n 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


B ng 4.1. Thông s tiêu th n ng l ng c a nút c m bi n EYES
Hình 4.11. Ma tr n 100 nút c m bi n phân b đ u nhau
Hình 4.12. Giao th c S-MAC: Các m c tiêu th dòng đi n trung
bình ng v i t ng t c đ phát sinh gói tin thay đ i
theo th i gian th c trên m t khung th i gian
Hình 4.13. Giao th c S-MAC: Các m c tiêu th dòng đi n trung
bình ng v i t ng th i gian th c trên m t khung, thay
đ i theo t c đ phát sinh gói tin
Hình 4.14. Dòng đi n tiêu th trung bình ng v i t ng giao th c

thay đ i theo t c đ phát sinh gói tin
Hình 4.15. Dòng đi n tiêu th trung bình c a T-MAC khi thay
đ i t c đ phát sinh gói tin.
Hình 4.16. T-MAC v i vi c th c hi n g i s m RTS t ng thông
l ng c c đ i
Hình 4.17. M c tiêu th dòng đi n trung bình khi thay đ i t c
đ phát sinh gói tin
Hình 4.18. Các m c tiêu th dòng đi n trung bình v i chi u dài
gói tin là 20 byte
Hình 4.19. Các m c tiêu th dòng đi n trung bình v i chi u dài
gói tin là 100 byte
Hình 4.20. M c tiêu th dòng đi n trung bình 3 lo i giao th c
cho ng d ng m ng c m bi n thông th ng

69
70
72

72

73
74
75
75
76
76
77


M

U

Trong nh ng n m g n đây, vi c nghiên c u các h th ng m ng thông tin
máy tính di đ ng đ c phát tri n m nh m . c bi t là h th ng m ng c m bi n di
đ ng (wireless mobile sensor network), d ng không c u trúc (ad hoc mobile
network) m i xu t hi n, nh ng đư đ c nhi u n c, nhi u t ch c xư h i, qu c
phòng, an ninh, kinh t … quan tâm.
M ng c m bi n có th bao g m hàng nghìn, th m chí hàng tri u thi t b c m
bi n (sensors) thông minh, đ c trang b m t b x lý, m t b nh dung l ng nh
và các c m bi n đ đo ánh sáng, đ m, áp su t, nhi t đ . Trong t ng lai, m ng
này có th giám sát c môi tr ng, ph ng ti n máy móc và con ng i. M ng c m
bi n liên h b ng sóng vô tuy n, tiêu th c c ít n ng l ng, ho t đ ng liên t c
trong m i đi u ki n, môi tr ng. M ng c m bi n có th còn bao g m c các thi t b
đi u khi n (actors) thông minh, trao đ i s li u và th c hi n đi u khi n đ i v i các
thi t b c m bi n.
thi t k và th c hi n các m ng c m bi n, nhi u v n đ đi u khi n đ c
đ t ra, ph i đ c nghiên c u, gi i quy t t i u, phù h p v i đ c thù c a m ng c m
bi n không dây, ví d : đi u khi n truy nh p m ng không dây, đ nh tuy n, đi u
khi n trao đ i s li u tin c y gi a các thi t b c m bi n và đi u khi n m t cách có
ch n l c (l a ch n m t nhóm các thi t b c m bi n và đi u khi n). Nghiên c u,
đánh giá m t s c ch đi u khi n truy nh p m ng c m bi n di đ ng có ý ngh a lý
lu n và th c ti n.
M c tiêu chính c a lu n v n là cung c p cái nhìn t ng quan v m ng c m
bi n không dây và ng d ng; nguyên t c ho t đ ng m t s c ch đi u khi n truy
nh p m ng c m bi n không dây; phân tích, đánh giá hi u su t ho t đ ng c a m t
s c ch đi u khi n trên.
Ngoài b n ch ng chính, b c c lu n v n còn có các ph n M đ u, K t lu n
và Tài li u tham kh o. Ph n k t lu n nêu tóm t t các v n đ đư trình bày trong các
ch ng, đánh giá các k t qu đư đ t đ c, đ ng th i đ a ra các đ nh h ng nghiên

c u, phát tri n ti p theo. N i dung các ch ng đ c tóm t t nh sau:


Ch ng 1 trình bày t ng quan v m ng c m bi n không dây, c u t o nút c m
bi n c ng nh ki n trúc m ng c m bi n, các l nh v c ng d ng c b n c a m ng
c m bi n, m t s v n đ đ t ra trong c ch đi u khi n truy nh p áp d ng cho
m ng c m bi n.
Ch ng 2 gi i thi u t ng quan v đánh giá hi u su t và mô ph ng b ng
ch ng trình máy tính. Gi i thi u b ch ng trình mô ph ng đang đ c s d ng
r ng rưi trong l nh v c vi n thông OMNet++.
Ch ng 3 trình bày các v n đ trong thi t k c ch đi u khi n truy nh p
MAC cho m ng c m bi n không dây. Phân lo i và đánh giá các ph ng pháp đi u
khi n truy nh p MAC trong m ng c m bi n không dây.
Ch ng 4 gi i thi u, đ c t hai giao th c đi u khi n truy nh p đ c dùng
cho m ng c m bi n là S-MAC và T-MAC, th c hi n mô ph ng và đánh giá hi u
su t các giao th c trên b ng b ch ng trình OmNet++.
M c dù đư r t c g ng, song do khuôn kh th i gian và th c h n h p nên
lu n v n còn nh ng h n ch nh t đ nh, tác gi r t mong nh n đ c nh ng góp ý đ
v n đ nghiên c u này ngày càng đ c hoàn thi n h n. Qua đây, tác gi xin chân
thành c m n t i PGS.TS V Duy L i, ng i th y h ng d n và ch b o t n tình
trong quá trình th c hi n lu n v n này, xin chân thành c m n các Th y Cô đư d y
và giúp đ trong su t quá trình h c t p t i tr ng
i h c Công ngh ih c
Qu c gia Hà N i.


CH

NG 1 - M NG C M BI N KHÔNG DÂY

1.1. M ng c m bi n và ng d ng
1.1.1. M ng c m bi n
M t m ng c m bi n bao g m s l ng l n các nút c m bi n đ c phân b
c bên trong hi n t ng ho c phân b bên c nh hi n t ng. V trí c a các nút c m
bi n không c n ph i thi t k ho c xác đ nh tr c, đi u này cho phép các nút c m
bi n phân b ng u nhiên trong các đ a hình ph c t p. i u đó c ng có ngh a là các
giao th c c a m ng c m bi n và các thu t toán ph i có kh n ng t t ch c. M t
đ c đi m quan tr ng khác c a các m ng c m bi n là kh n ng ph i h p gi a các
nút c m bi n. Các nút c m bi n đ c g n m t b x lý bên trong. Thay vì g i đi s
li u thô t i nút đích, chúng s d ng kh n ng x lý đ th c hi n các tính toán đ n
gi n và ch truy n s li u đư đ c x lý theo yêu c u.
Nh ng ng d ng c a m ng c m bi n đòi h i nó ph i có nh ng k thu t đ c
bi t h n so v i các k thu t áp d ng cho các m ng không dây phi c u trúc (m ng
ad hoc). M c dù nhi u giao th c và gi i thu t đư đ c thi t k cho nh ng m ng ad
hoc không dây truy n th ng, nh ng chúng ch a th a mưn nh ng đ c tính và yêu
c u ng d ng c a m ng c m bi n.
th y đ c đi m này, ta hãy xem xét s khác
nhau gi a m ng c m bi n và m ng ad hoc:
 S l ng nút c m bi n trong m t m ng c m bi n l n h n nhi u l n so
v i nh ng nút trong m ng ad hoc.
 Các nút c m bi n th

ng đ

c tri n khai v i m t đ dày h n.

 Nh ng nút c m bi n d h ng, ng ng ho t đ ng.
 Topo m ng c m bi n thay đ i r t th

ng xuyên.

 M ng c m bi n ch y u s d ng truy n thông qu ng bá (broadcast)
trong khi mà đa s các m ng ad hoc là đi m - đi m (point-to-point).


 Nh ng nút c m bi n có gi i h n v n ng l
nh .

ng, kh n ng tính toán và b

 Nh ng nút c m bi n có th không có đ nh danh toàn c u (global ID).
Khi s l ng l n nh ng nút c m bi n đ c tri n khai m t đ dày thì nh ng
nút lân c n phân b r t g n l n nhau, vì v y truy n thông đa b c nh y trong m ng
c m bi n ph i tiêu th ít n ng l ng h n truy n thông đ n b c nh y truy n th ng.
H n n a, n ng l ng ph c v truy n d li u có th đ
m c th p, ch y u dành
cho các ho t đ ng chuy n đ i, x lý. Truy n thông đa b c nh y c ng kh c ph c
có hi u qu v n đ lan truy n tín hi u kho ng cách xa trong giao ti p không dây.
M t trong nh ng yêu c u ràng bu c quan tr ng đ i v i nút c m bi n là m c
đ tiêu th đi n ph i th p. Ngu n cung c p n ng l ng đi n cho nút c m bi n là có
h n và nói chung là không th thay th . B i v y, trong khi các m ng truy n th ng
t p trung vào làm sao đ đ t đ c ch t l ng d ch v cao thì nh ng giao th c
m ng c m bi n ph i t p trung ch y u v s gi gìn n ng l ng. Chúng ph i có
nh ng c ch cân b ng cho phép l a ch n vi c kéo dài tu i th c a m ng hay
thông l ng th p, ho c đ tr cao.
Các m ng c m bi n g m có nhi u ph ng th c th c hi n c m bi n khác
nhau nh c m bi n đ a ch n, c m ng t , c m bi n nhi t, c m bi n hình nh, c m
bi n h ng ngo i, c m bi n sóng âm và sóng rađa … trong các đi u ki n bao quanh
đa d ng nh :
 nhi t đ ,

 đ

m,

 s chuy n đ ng c a ph
 đi u ki n ánh sáng,
 s c ép,
 s ô nhi m,

ng ti n,


TÀI LI U THAM KH O
A. Tài li u Ti ng Vi t
1. V Duy L i (2005), Bài gi ng “M t s v n đ nâng cao c a công ngh m ng
máy tính”.
2. V Duy L i (2002), M ng thông tin máy tính, Nhà xu t b n Th gi i
3. Ph m B o S n (2006), M ng c m bi n vô tuy n và đánh giá ch tiêu c a giao
th c ch n đ ng LEACH, T p chí B u chính Vi n thông
B. Tài li u ti ng 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. />