Luận văn ThS: Thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến ZigBee

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- TRẦN HẢI YẾN Trần Hải Yến THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE HỆ THỐNG THÔNG TIN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 2012 – 2013 HÀ NỘI 2013 HÀ NỘI - 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- Trần Hải Yến THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số : 60.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Đặng Văn Chuyết HÀ NỘI - 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung của luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên những tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và đƣợc trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình.

Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2013 Tác giả luận văn Trần Hải Yến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Văn Chuyết, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, tận tình chỉ bảo và định hƣớng trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể thầy cô giáo của Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học tập tại trƣờng từ khi còn học đại học cho đến sau đại học. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những ngƣời đã luôn ở bên cổ vũ tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi để em có thể học tập tốt. Em xin chân thành cảm ơn! LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC BẢNG. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .viii MỞ ĐẦU. 1 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE.

Tổng quan về IEEE 802. Cấu hình mạng theo chuẩn IEEE 802. Mạng cảm biến ZigBee theo chuẩn IEEE 802. Ƣu và nhƣợc điểm của ZigBee.

Dải tần trong mạng ZigBee. Cấu trúc mạng cảm biến ZigBee. Kiến trúc cụ thể của mạng ZigBee. Mô hình mạng ZigBee.

Một số ứng dụng của mạng cảm biến ZigBee. 12 Chƣơng 2 – THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN. Tổng quan định tuyến .2 Thuật toán định tuyến. Các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee.

Định tuyến ZigBee. Quảng bá gói tin trong ZigBee (ZigBee Broadcasting). Quan hệ nhiều - một – Many-to-one. Thuật toán định tuyến theo yêu cầu – AODV.

21 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tìm đƣờng - Path Discovery. Thiết lập đƣờng ngƣợc. Thiết lập đƣờng tiến.

Quản lý bảng định tuyến. Bảo trì đƣờng dẫn. Quản lý kết nối cục bộ. Thuật toán hình cây.

Cây đơn nhánh. Cây đa nhánh. Vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee. Thuật toán định tuyến tối ƣu năng lƣợng trong mạng cảm biến ZigBee.

35 Chƣơng 3 – MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG. Công cụ mô phỏng. Xây dựng kịch bản. Thuật toán AODV.

Đánh giá kết quả. Thuật toán định tuyến AODV. 54 Kết quả trong Nam. 57 HƢỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN.

57 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt PHY Physical Layer Tầng vật lý DLL Data Link Layer Tầng liên kết dữ liệu PAN Private Area Net Khu vực mạng riêng tƣ LLC Logical Link Control Điều khiển kết nối logic Điều khiển truy cập MAC Media Access Control truyền thông Đa truy cập nhận biết Carrier Sense Multiple CSMA/CA sóng mang phát hiện Access/ Collision Avoidance xung đột Open Systems Mô hình tham chiếu kết OSI Interconnection Reference nối các hệ thống mở Model ACK Acknowledgment Sự thừa nhận WLAN Wireless Local Are Network Mạng không dây cục bộ Thiết bị đầy đủ chức FFD Full Function Device năng Thiết bị giảm chức RFD Reduced Function Device năng NL Network Layer Tầng mạng AL Application Layer Tầng ứng dụng Network Layer Management Tầng mạng quản lý NLME Entity thực thể LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vi Tầng mạng dữ liệu thực NLDE Network Layer Data Entity thể Đối tƣợng thiết bị ZDO ZigBee Device Object ZigBee ZAP ZigBee Application Profile Hồ sơ ứng dụng ZigBee ZC ZigBee Coordinator Điều phối ZigBee ZR ZigBee Router Định tuyến ZigBee ZED ZigBee End Device Thiết bị cuối ZigBee Mạng điện thoải Public Switched Telephone PSTN chuyển mạch công Network cộng RD Routing Device Thiết bị định tuyến RREQ Route Request Yêu cầu định tuyến RREP Route Reply Trả lời định tuyến LLACK Link Layer ACK Tầng kết nối ACK DD Designated Device Thiết bị đƣợc chỉ định Hierarchical Routing Thuật toán phân cấp HERA Algorithm định tuyến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Bảng ƣu nhƣợc điểm của ZigBee 6 1.2 So sánh ZigBee và Bluetooth 7 1.3 Nhà cung cấp ZigBee 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu hình Tên hình vẽ Trang vẽ 1.1 Các ứng dụng không dây 5 1.2 Dải Tần ZigBee 7 1.3 Kiến trúc OSI và kiến trúc ZigBee 9 1.4 Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp – Stack) trong 10 kiến trúc ZigBee 1.5 Mô hình tầng ZigBee đơn giản 11 1.6 Các mô hình mạng trong ZigBee 11 1.7 Các ứng dụng trong mạng cảm biến 13 ZigBee 2.1 Định tuyến Anycast -1 15 2.2 Định tuyến Anycast -2 15 2.3 Định tuyến Broadcast 16 2.4 Định tuyến Multicast 16 2.5 Định tuyến Unicast 16 2.6 Mô hình định tuyến ZigBee đơn giản 18 2.7 Mô tả quá trình tìm đƣờng – path 23 discovery LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Kiến trúc và thƣ mục cài đặt NS-2.34 39 trong môi trƣờng Linux(Ubuntu) 3.2 Bắt đầu với node 19, đích đến là node 6 45 3.3 Định tuyến giữa các node trong AODV 45 3.4 Quá trình truyền tin sau khi đã định tuyến 46 trong AODV 3.5 Khởi đầu với 7 node trong mạng hình sao 48 3.6 Quá trình truyền tin từ PAN Coor đến các 49 node truyền tiếp đi 3.7 Truyền gói tin giữa node 0 và node 1 49 3.8 Toàn bộ 101 node đƣợc khởi tạo trong mô 50 hình 3.9 Quá trình truyền tin của mạng ZigBee 50 3.10 Quá trình truyền tin của mạng ZigBee 51 3.11 Quá trình truyền tin của mạng ZigBee 51 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 MỞ ĐẦU Mạng viễn thông ngày nay đã tạo ra một cầu nối liên kết loài ngƣời trên khắp thế giới, con ngƣời sử dụng mạng để trao đổi, quản lý, giao tiếp, mua bán… Việc sử dụng tai nghe không dây, truy cập wifi đang trở nên quen thuộc và tác động đến đời sống hàng ngày. Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, mạng cảm biến không dây xuất hiện ngày một phổ biến với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực của cuộc sống nhƣ ứng dụng giám sát và điều khiển trong sản xuất, tự động hóa gia đình và điện dân dụng, ứng dụng trong y tế và giám sát sức khỏe. Một yêu cầu rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây là tiết kiệm năng lƣợng của pin để đảm bảo cho mọi hoạt động mạng ổn định trong một khoảng thời gian đủ lớn.

Mặc dù mạng ZigBee có mức tiêu hao năng lƣợng thấp nhƣng việc lựa chọn giải thuật định tuyến tối ƣu năng lƣợng cũng quyết định rất lớn đến hoạt động lâu dài của mạng. Mạng ZigBee là đƣợc áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có tốc độ truyền tin thấp nhƣng chu kỳ hoạt động dài. Đối tƣợng mà mạng ZigBee nhắm vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), tự động hóa quá trình( Home Automation, Building Automation), trong các hoạt động theo dõi, tiếp nhận và xử lý thông tin trong các lĩnh vực nhƣ y tế (Health Care), quản lý năng lƣợng sao cho hiệu quả hơn (Smart Energy)…Khi đƣợc sử dụng trong các hệ thống này, mạng ZigBee phát huy tất cả những điểm mạnh của nó nhƣ độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lƣợng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng pin dài. Luận văn “Thuật toán định tuyến tối ƣu năng lƣợng trong mạng cảm biến ZigBee” nghiên cứu các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee, đặc biệt tập trung vào vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 Luận văn gồm có 3 chƣơng : Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến ZigBee Chƣơng này tìm hiểu về khái niệm và cấu trúc mạng cảm biến ZigBee Chương 2 : Thuật toán định tuyến Chƣơng này tập trung tìm hiểu về một số thuật toán định tuyế và vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee Chương 3 : Mô phỏng thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng Chƣơng này giới thiệu về công cụ mô phỏng, cách thức cài đặt và kết quả thử nghiệm, đánh giá LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE Mạng cảm biến ZigBee đƣợc xây dựng theo chuẩn giao thức IEEE 802.4, vì vậy để có cái nhìn khái quát nhất, ta tìm hiểu qua về chuẩn IEEE 802. Tổng quan về IEEE 802.4 Chuẩn giao thức IEEE 802.4 đƣợc quy định tại tầng vật lý (Physical Layer- PHY) và tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer – DLL). Nó là chuẩn cho giao tiếp trong mạng không dây, năng lƣợng thấp. Các thiết bị trong mạng tự tổ chức thành một mạng nhỏ gọi là mạng cá nhân (Private Area Net – PAN).4 định nghĩa hai tầng con của tầng DLL – Điều khiển liên kết logic (Logical Link Control – LLC) và Điều khiển truy cập truyền thông (Media Acsess Control – MAC).

Tầng MAC định nghĩa việc truy cập tới môi trƣờng chung của nhiều thiết bị bằng cách sử dụng các giao thức thích hợp nhƣ là Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance – (CSMA/CA), trong khi đó LLC phân phát các gói dữ liệu tới dịch vụ tƣơng ứng ở tầng mạng (Network Layer – NL). Tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu trong chuẩn IEEE 802.4 định nghĩa đầy đủ môi trƣờng trong việc giao tiếp và các nguyên lý cho việc truy cập môi trƣờng theo các cách thích hợp. Tại tầng vật lý của mô hình OSI, ZigBee căn cứ vào chuẩn IEEE 802.