Đang tải... (xem toàn văn)
Mạng LAN không dây về cơ bản giống với mạng LAN có dây. Tuy nhiên, trong khi mạng LAN có dây có lưu lượng mạng của các kênh thông qua dây cáp đồng trục hoặc cáp quang thì WLAN sử dụng dải tần số radio để gửi lưu lượng truyền thông trong không gian
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hồng Quang Hưng Mạng cảm nhận khơng dây (WSN) đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường (MAC) KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thơng HÀ NỘI - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Hồng Quang Hưng Mạng cảm nhận khơng dây (WSN) đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường (MAC) KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán hướng dẫn: PGS-TS Vương Đạo Vy Cán đồng hướng dẫn: HÀ NỘI - 2008 TÓM TẮT NỘI DUNG Mạng LAN không dây mạng trạm kết nối với sóng radio hồng ngoại WLAN hoạt động sở tiêu chuẩn IEEE 802.11 dải tần ISM WLAN sử dụng sóng radio với tín hiệu điều chế theo kỹ thuật trải phổ Hoạt động WLAN bao gồm trình: Kiểm tra lớp vật lý (PHY) điều khiển thâm nhập môi trường MAC, hoạt động giao thức CSMA/CA Mạng WLAN cung cấp chế độ cấu hình Ad-hoc Infrastructure, hỗ trợ đơn đa với tính di động Mạng cảm nhận không dây WSN mạng hoạt động với nhờ sóng radio Nhưng đó, node mạng bao gồm đầy đủ chức để cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu Cấu hình cho mạng WSN tương tự WLAN phức tạp WLAN số lượng node phạm vi hoạt động lớn Các dạng cấu hình mạng WSN cịn phải đáp ứng hàm kết nối dạng để đảm bảo mạng hoạt động Thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường WSN có phần giống với WLAN nhiên yêu cầu tiết kiệm lượng tối đa node, WSN đưa giải pháp để giải việc tiết kiệm lượng chế độ lập lịch thức, ngủ cho trình truyền nhận liệu node MỤC LỤC PHẦN MẠNG LAN KHÔNG DÂY (WLAN) Chương Tổng quan WLAN 1.1 Giới thiệu chung…………………………………………………… ….2 1.2 Lợi ích ứng dụng WLAN……………… ……………… 1.3 WLAN sở radio…………………………………………… … 1.4 1.5 1.6 1.7 1.3.1 Dải ISM………………………………………………………… …… 1.3.2 Điều biến dải hẹp……………………………………………… ………4 1.3.3 Điều biến trải phổ…………………………………………… ……… 1.3.3.1Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)………… ………………… …… …5 1.3.3.2Trải phổ nhảy tần (FHSS)……………………………… … …… ….6 WLAN sở hồng ngoại………………………………… ………7 1.4.1 Kỹ thuật WLAN dùng ánh sáng hồng ngoại khuếch tán……… ………8 1.4.2 Kỹ thuật hồng ngoại điểm-điểm……………………………… ……….8 1.4.2.1Kết nối hồng ngoại điểm-chùm………… ……………………… ….8 1.4.2.2Hệ thống LAN hồng ngoại điểm-điểm………………………………….9 Chế độ hoạt động Ad-hoc Infrastructure……………………… 1.5.1 Chế độ Infrastructure…………………………………………………….9 1.5.2 Chế độ Ad-hoc………………………………………………………….10 Cấu hình đơn ơ, đa WLAN…………………………… …… 11 1.6.1 Đơn ô (single cell WLAN) ……………………………………… …11 1.6.2 Liên kết đơn ô…………………………………………………… 11 1.6.3 Đa ô…………… ………………………………………………… ….11 1.6.4 Chồng lấp ô…………………………………………… …………12 Ưu nhược điểm LAN không dây………………… ………………12 1.7.1 Ưu điểm……………………………………………… ………………12 1.7.2 Nhược điểm……………………………………………… ………… 13 Chương Các chuẩn thiết bị WLAN 2.1 Chuẩn IEEE 802.11…………………………………………… … 13 2.1.1 Lớp vật lý IEEE 802.11……………………………… ………….14 2.1.1.1 Phân lớp hồng ngoại…….…………………….…… ………………14 2.1.1.2 Phân lớp FHSS……………………………… ………… ………….14 2.1.1.3 Phân lớp DSSS…………………………………………… ………15 2.2 2.3 2.4 2.5 2.1.2 Lớp MAC IEEE 802.11……………………………………… ….15 2.1.2.1 Cơ chế CSMA…………… …… ………………………………….16 2.1.2.2 Cơ chế RTS/CTS…….……………… …………………………….16 2.1.2.3 Khung liệu MAC 802.11………… ……………… …… 17 Giao thức mạng không dây…………………… …………………… 17 Kiến trúc mạng không dây………………………… …………………19 Phân bố địa IP………………… ………………………………….20 Thiết bị cho WLAN…………………… …………………………… 21 2.5.1 Wireless Adaptor…………………………… ……………………… 21 2.5.2 Anten…………………………………………… ………………… 23 2.5.2.1 Đặc điểm chung anten……………… ……… ……………… 23 2.5.2.2 Một số loại anten……… …………………………… …………….24 2.5.3 Điểm truy cập (AP)………………………………………….……… 25 PHẦN MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN) Chương Tổng quan mạng cảm nhận không dây 1.1 Khái quát………………………………………………………….……27 1.2 Các thiết bị mạng cảm biến không dây……………………………… 28 1.2.1 Bộ xử lý nhúng lượng thấp…………….…………………………29 1.2.2 Bộ nhớ lưu trữ…………………………….… ……………………29 1.3 1.4 1.2.3 Máy thu phát xạ (radio)……………………………………………29 1.2.4 Cảm biến………………….…………………………………………….29 1.2.5 Hệ thống định vị địa lý…………………………………………………30 1.2.6 Nguồn lượng……………………………………………… 30 Ứng dụng mạng cảm nhận không dây…………………………… 31 1.3.1 Quan sát môi trường sinh thái…………………………………… … 31 1.3.2 Theo dõi quân tìm kiếm mục tiêu………………………….31 1.3.3 Quan sát địa chấn cấu trúc…………………………………… 31 1.3.4 Công nghiệp thương mại mạng cảm nhận…………………… 32 Thách thức thiết kế chính………………………… ………………….32 1.4.1 Thời gian sống mở rộng……………………………… ………………33 1.4.2 Đáp ứng…………………………………………………… …………33 1.4.3 Sức mạnh……………………………………………………………….33 1.4.4 Bổ trợ………………………………………………………………… 33 1.4.5 Mở rộng phạm vi……………………………………………………….34 1.4.6 Tính khơng đồng nhất……… ……………………………………… 34 1.4.7 Tự cấu hình……………………… ………………………………… 34 1.4.8 Tự đánh giá thích nghi…………… ……………………………….35 1.4.9 Thiết kế hệ thống………………………… ………………………… 35 1.4.10 An ninh bảo mật…………………………… ……… ………… 35 Chương Triển khai mạng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Tổng quan………………………………………… ………………….36 Triển khai có cấu trúc hay triển khai ngẫu nhiên……… …………….37 Topo mạng…………………………………………….…… …………38 2.3.1 Single hop dạng sao………………………………….……… ……… 39 2.3.2 Multi hop dạng lưới ô……………………………….……… …… 39 2.3.3 Cụm (cluster) phân cấp tầng……………… ………….…………… 39 Kết nối dạng sơ đồ ngẫu nhiên…………… ……….……………39 2.4.1 Kết nối G(n,R)………………………………… ….…………….41 2.4.2 Tính đơn điệu G(n,R)……………………………… …………….42 2.4.3 Kết nối G(n,K)……………………………………… …………42 2.4.4 Kết nối truyền tin G(n,p,R)…………………………… ……43 Kết nối sử dụng điều khiển lượng…………………………… ….43 2.5.1 Năng lượng nhỏ để kết nối cấu trúc mạng………… … ….…….44 2.5.2 Cài đặt lượng chung nhỏ nhất………………………… ……… 45 2.5.3 Làm giảm tối thiểu lượng cực đại………………………… …….46 2.5.4 Topo điều khiển dạng hình nón……………………………………… 46 2.5.5 Cấu trúc trình duyệt mở rộng theo hình cục nhỏ ……… 47 Chương Đa truy cập chế độ ngủ 3.1 Tổng quan………………………………………………………………48 3.2 Giao thức MAC truyền thống………………………………………… 48 3.2.1 Aloha CSMA……………………………………………………… 48 3.3 3.2.2 Vấn đề node ẩn node hiện…………… ………………………………49 3.2.3 Đa truy cập tránh xung đột MACA đặc tả 802.11………………… 50 3.2.4 IEEE 802.15.4 MAC…………… ……………………………………54 Năng lượng hiệu giao thức MAC… ……………………….55 3.3.1 Quản lý lượng IEEE 802.11………… ………………… 55 3.3.2 Năng lượng cần cho đa truy cập báo hiệu………… ………………55 3.3.3 Tối thiểu hoá chi trả lượng tiếp nhận rảnh rỗi……… ……….….55 3.4 3.5 Kỹ thuật ngủ không đồng bộ………………………………… ….……56 3.4.1 Bức xạ thức dậy thứ 2…………………………………………… … 56 3.4.2 Lắng nghe lượng thấp / lấy mẫu đầu khung truyền…… ………56 3.4.3 WiseMAC…………………………………………………………… 57 3.4.4 Truyền/nhận- bắt đầu chu kỳ tiếp nhận……………………… ………57 Kỹ thuật lập lịch ngủ………………………………………………… 58 3.5.1 Cảm ứng MAC (S-MAC)…………………………………………… 58 3.5.2 MAC thời gian chờ (T-MAC)………………………………………….59 3.5.3 MAC hội tụ liệu (D-MAC)…………………………………………60 3.5.4 Lập lịch ngủ có thời gian trễ hiệu quả………………………………….61 3.5.5 Lịch ngủ không đồng bộ………………………………………… 61 CHỮ VIẾT TẮT ACK :Acknowledge AP :Access Point BPP :Base Band Processor CAP :Contention Access Period CBTC :Cone-Based Topology Control CFP :Collision-Free Period COWPOW :Minimum Common Power Setting CSMA/CA :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance CSMA/CD :Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection CTS :Clear To Send D-MAC :Data-gathering MAC DCF :Distributed Coordination Function DESS :Delay Efficient Sleep Scheduling DIFS :Distributed Inter-Frame Spacing DSSS :Direct Sequence Spread Spectrum FHSS :Frequency Hopping Spread Spectrum FCC :Federal Communication Commission FRTS :Future Request To Send GPS :Global Positioning System GTS :Guaranteed Time Slot IEEE :Institute of Electrical and Electronic Engineering LWIM :Low-Power Wireless Integrated Microsensor LAN :Local Area Network LMST :Local Minimum Spanning Tree Construction LR-WPAN :Low-Rate Wireless Personal Area Networks MECN :Minimum Energy Connected Network Construction NAV :Network Allocation Vector NIC :Network Interface Card OSI :Open System Interconnection PAMAS :Power Aware Medium Access with Signaling PCMCIA :Personal Computer Memory Card International Association PCF :Point Coordination Function PHY :Physical RICER :Receiver Initiated Cycle Reception RTS :Request To Send S-MAC :Sensor MAC T-MAC :Timeout MAC TICER :Transmitter Initiated Cycle Reception WEP :Wired Equivalent Privacy WINS :Wireless Integrated Networked Sensors WLAN :Wireless Local Area Network WSN :Wireless Sensor Network MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghệ thông tin bùng nổ theo ngày, nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin ngày cao Do đòi hỏi kỹ thuật thu thập, xử lý truyền liệu xác nhanh chóng Để đáp ứng nhu cầu đó, điều bắt buộc phải phát triển hệ thống truyền thông không dây kết hợp với đa dạng hoá loại hình dịch vụ WLAN giải pháp chọn lựa khả linh động kết nối Bên cạnh nhu cầu giao tiếp thiết bị khơng dây, nhu cầu ngày địi hỏi lớn nhu cầu cảm biến, giám sát, theo dõi điều khiển thông minh Đặc biệt lĩnh vực quân (kích hoạt thiết bị, điều khiển tự động thiết bị robot), y tế (định vị, theo dõi tình trạng sức khoẻ bệnh nhân báo động khẩn cấp tự động), môi trường (giám sát lũ lụt, thiên tai…) vài lĩnh vực đời sống khác (nhà thông minh, điều khiển giao thông tự động tránh ùn tắc…) Để giải nhu cầu này, người ta phát triển hệ thống mạng cảm nhận không dây (WSN) WSN tạo môi trường giao tiếp thiết bị thông minh, hay thiết bị thông minh với người hệ thống viễn thông khác Cùng với ưu điểm mà WSN mang lại, mặt hạn chế khả hoạt động mạng Đó là: mạng WSN hiểu đơn giản mạng liên kết node sóng vơ tuyến node mạng thường thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, rẻ tiền, có số lượng lớn phân bố rộng Lưu lượng liệu lưu thông WSN thấp không liên tục, thông thường thời gian node mạng trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều, cần có giải pháp tiết kiệm lượng tối đa Không vậy, node mạng WSN đơi cịn phải hoạt động mơi trường khắc nghiệt, bố trí ngẫu nhiên nên di chuyển làm thay đổi cấu hình mạng Vì địi hỏi node mạng cịn có khả tự động cấu hình thích nghi Cuối khó khăn vấn đề bảo mật an ninh khả hoạt động tự động node mạng Khoá luận này, bên cạnh việc nêu lên đặc điểm cấu hình hoạt động WLAN, tập trung vào đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường mạng WSN Với kiến thức cịn hạn hẹp, thời gian nghiên cứu khơng dài tài liệu tham khảo có chưa nhiều, khố luận khơng tránh khỏi sai sót Vậy kính mong thầy bạn sinh viên quan tâm chia sẻ đóng góp ý kiến để khố luận hồn thiện Em xin chân thành cám ơn! ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hồng Quang Hưng Mạng cảm nhận khơng dây (WSN) đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường (MAC) KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC... (PHY) điều khiển thâm nhập môi trường MAC, hoạt động giao thức CSMA/CA Mạng WLAN cung cấp chế độ cấu hình Ad-hoc Infrastructure, hỗ trợ đơn đa với tính di động Mạng cảm nhận không dây WSN mạng. .. việc nêu lên đặc điểm cấu hình hoạt động WLAN, tập trung vào đặc điểm cấu hình thủ tục điều khiển thâm nhập mơi trường mạng WSN Với kiến thức hạn hẹp, thời gian nghiên cứu không dài tài liệu tham
