HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU LỚP TRUY NHẬP PHƯƠNG TIỆN MAC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Giảng viên hướng dẫn: TS HỒNG TRỌNG MINH Sinh viên thực : NGUYỄN THỊ DUYÊN Lớp : D14CQVT04-B Khóa : 2014 - 2019 Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hà Nội - 2018 Đồ án tốt nghiệp Đại học NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Điểm: …………………… (Bằng chữ:………………) Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2018 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS HOÀNG TRỌNG MINH SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 Đồ án tốt nghiệp Đại học NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN Điểm: ……………… (Bằng chữ:………………) Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2018 NGƯỜI PHẢN BIỆN SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Hoàng Trọng Minh hướng dẫn tận tình, bảo em suốt trình thực đồ án Em xin gửi lời cảm ơn thầy cô trường Học viện công nghệ Bưu Viễn thơng dạy dỗ chúng em suốt nhiều năm qua Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa viễn thông truyền đạt kiến thức quý giá làm hành trang cho chúng em bước đường nghiệp Xin cảm ơn bạn lớp toàn thể người giúp đỡ em thời gian học tập thời gian làm đồ án Do hạn chế thời gian, tài liệu trình độ thân, đồ án em tránh khỏi thiếu sót, mong thầy góp ý để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2018 SINH VIÊN NGUYỄN THỊ DUYÊN SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 i Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC .ii DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3.1 Cấu tạo node cảm biến 1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 1.3.3 Hai cấu trúc đặc trưng mạng cảm biến 1.4 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 10 1.4.1 Tự động hóa gia đình điện dân dụng 10 1.4.2 Triển vọng mạng cảm biến không dây quân 11 1.4.3 Mạng cảm biến không dây y tế giám sát sức khỏe 12 1.4.4 Mạng cảm biến không dây với môi trường ngành nông nghiệp 13 1.5 Kết luận chương 14 CHƯƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG 15 2.1 Giới thiệu 15 2.2 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây 15 2.3 Các nguyên nhân gây lãng phí lượng 17 2.4 Các giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC 18 2.4.1 Giao thức phân chia cố định 18 2.4.2 Giao thức phân chia theo nhu cầu 18 2.4.3 Giao thức phân chia ngẫu nhiên 19 SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 ii Đồ án tốt nghiệp Đại học 2.4.4 Mục lục Giao thức 802.11 25 2.5 Các kỹ thuật truy nhập MAC mạng cảm biến không dây 27 2.5.1 Giao thức dựa lập lịch 28 2.5.2 Giao thức dựa tranh chấp 32 2.5.3 Truy nhập môi trường dựa kết hợp 35 2.6 Kết luận chương 37 CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC S-MAC 38 3.1 Tổng quan S-MAC 38 3.2 Chu kỳ nghe ngủ 38 3.3 Đồng hóa 39 3.3.1 Chọn lịch trình 39 3.3.2 Cập nhật trì lịch biểu 40 3.3.3 Khám phá lân cận định kỳ 41 3.3.4 Cập nhật danh sách lân cận định kỳ 42 3.4 Cảm biến sóng mang 42 3.5 Kỹ thuật RTS/CTS 44 3.6 Nghe thích ứng 46 3.7 Truyền thông điệp 50 3.8 So Sánh hiệu S-MAC so với 802.11 51 3.9 Kết luận chương 56 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 iii Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục thuật ngữ viết tắt DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT Ký hiệu Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt ACK ACKnowledgement Xác nhận nhận gói tin ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự số ALP Adaptive Listen Period Giai đoạn nghe thích ứng CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CS Carrier Sense Cảm ứng sóng mang CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect Đa truy nhập cảm nhận sóng mang phát xung đột CTS Clear To Send Sẵn sàng nhận FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số MAC Media access control Điều khiển truy nhập môi trường NAV Network Allocation Vector Véc tơ định vị mạng RTS Request To Send Yêu cầu gửi S-MAC Sensor media access control Cảm biến điều khiển truy nhập môi trường SYNC Synchronization Đồng hóa TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian WSN Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 iv Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Cập nhật trì lịch trình 40 Bảng 2: Sự khác NAV neighbor NAV 43 SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 v Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Cấu trúc tổng quan mạng cảm biến không dây Hình 2: Các thành phần nút cảm biến Hình 3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Hình 4: Cấu trúc phẳng mạng cảm biến không dây Hình 5: Cấu trúc tầng mạng cảm biến không dây Hình 6: Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp Hình 7: Ứng dụng mạng cảm biến không dây quân đội 12 Hình 8: Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 13 Hình 9: Ứng dụng môi trường 14 Hình 1: Hiện tượng node ẩn mạng WSN…………………………………….23 Hình 2: Hiện tượng node mạng WSN 24 Hình 3: Tránh xung đột dùng thủ tục bắt tay RTS/CTS 25 Hình 4: IEEE 802.11 MAC 27 Hình 5: Giao thức MAC dựa TDMA ứng dụng WSN 29 Hình 6: Khoảng thời gian lắng nghe ngủ DSMAC 33 Hình 7: Cơ chế đánh thức STEM 34 Hình 8: Cơ chế đánh thức WiseMAC 34 Hình 9: Hoạt động giao thức DRAND 36 Hình 1: Chu kỳ nghe ngủ định kỳ S-MAC……………………………… 38 Hình 2: Khn dạng khung S-MAC 39 Hình 3: Một gói DATA chuyển thành công nút thực chế RTS/CTS 45 Hình 4: Thực tránh nghe thừa để xem nút nên chuyển sang trạng thái ngủ 45 Hình 5: Một mạng hop với nút nguồn nút sink 46 Hình 6: Vận chuyển gói DATA mà khơng có nghe thích ứng 47 Hình 7: Vận chuyển gói liệu qua hop với nghe thích ứng 47 Hình 8: Nghe thích ứng thực khung 49 Hình 9: Nghe thích ứng thực hai lần khung 50 Hình 10: Bộ Rene Mote UCB 51 Hình 11: Mơ hình giao thức sử dụng thử nghiệm mạng hai hop với hai nút nguồn hai nút đích đến 53 Hình 12: Tiêu thụ lượng đo nút nguồn 54 SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 vi Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ Hình 13: Đo phần trăm thời gian mà nút nguồn chế độ ngủ 55 Hình 14: Tiêu thụ lượng đo nút trung gian 56 SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 vii Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC Hình 3.3: Một gói DATA chuyển thành cơng nút thực chế RTS/CTS Va chạm xảy B gửi RTS gần lúc A gửi RTS, hai gói RTS va chạm, khơng nút nhận gói RTS từ nút Nếu lịch trình A giai đoạn ngủ, A ngủ cách bật radio Khi giai đoạn DATA lịch trình đến, A gửi lại RTS Khi thời gian gửi lại đạt đến số tối đa, A từ bỏ việc gửi gói DATA báo hiệu lớp việc khơng gửi d) Ví dụ truyền mạng đa hop Để tránh nghe thừa, S-MAC buộc nút ngủ sau nút nhận nhận gói RTS gói CTS khơng dành cho chúng Hình 3.4: Thực tránh nghe thừa để xem nút nên chuyển sang trạng thái ngủ Hình 3.4 cho thấy mạng tuyến tính năm hop Mỗi nút nghe thấy lân cận Giả định tất nút chia sẻ lịch trình Trong hình 3.4 nút A, B, C, D, E F hình thành mạng đa bước nhảy mà nút nghe thơng tin truyền từ lân cận Giả thiết nút A truyền gói liệu tới nút B Câu hỏi đặt nút phải chuyển sang trạng thái ngủ Xung đột dễ xảy nút nhận, nút D cần phải ngủ truyền ảnh hưởng tới tiếp nhận tín hiệu B Cũng dễ để nhận nút E nút F không phát sinh nhiễu, chúng khơng cần phải ngủ Nút C có nên ngủ hay khơng? C cách B hai bước truyền khơng gây nhiễu tới tiếp nhận B, tự phép SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 45 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC truyền tới lân cận, ví dụ E Tuy nhiên, C nhận trả lời từ E, truyền E xung đột với truyền A nút C Như truyền C đơn giản tiêu phí lượng Tóm lại, tất lân cận tức thời nút gửi nút nhận cần phải chuyển trạng thái ngủ chúng nghe thấy gói RTS CTS truyền thời kết thúc 3.6 Nghe thích ứng a) Mục tiêu Kết hợp chế RTS/CTS NAV tạo khả nghe thích ứng ứng dụng cho việc trao đổi liệu nút cảm biến Ý tưởng nghe thích ứng khơng áp dụng, gói liệu truyền bước khung thời gian Khi nghe thích ứng áp dụng, gói liệu truyền lại cho nút hop mà chờ giai đoạn lắng nghe khung sau b) Cách hoạt động Nghe thích ứng áp dụng S-MAC truyền gói tin mạng tuyến tính đa bước Giả sử có bốn nút A, B, C D đặt hình 3.5 Mỗi nút nghe thấy nút lân cận A nguồn D nút đích Bây gói liệu tạo nút nguồn Giả định tất nút chia sẻ lịch trình Hình 3.5: Một mạng hop với nút nguồn nút sink Trong hình 3.6, nghe thích ứng khơng sử dụng, nút gửi gói liệu lần khung Trong hình 3.6, cần ba khung để truyền gói liệu từ A đến D SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 46 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC Hình 3.6: Vận chuyển gói DATA mà khơng có nghe thích ứng Bây nghe thích ứng áp dụng Khi kết thúc lần truyền, S-MAC cung cấp cho nút lân cận nghe lỏm trình truyền Hình 3.7 minh họa chức nghe thích ứng S-MAC Hình 3.7: Vận chuyển gói liệu qua hop với nghe thích ứng Trong hình 3.7, việc truyền gói liệu từ A đến B giai đoạn DATA theo lịch trình kéo dài đến thời gian ngủ sau Nút A B sử dụng Neighbor NAV để cảm nhận môi trường, C nghe lỏm trình truyền sử dụng NAV cho việc cảm nhận trình truyền liệu diễn A B Cả NAV SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 47 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC Neighbor NAV chứa giá trị, thời gian dành riêng cho việc truyền Khi NAV đếm ngược thể trình truyền kết thúc nghe thích ứng C kích hoạt Các bước sau thực nghe thích ứng kích hoạt nút định 1) Kiểm tra xem thời gian lại khung (từ đến thời gian nghe tiếp theo) có ngắn thời gian DATA khơng Nếu có, từ bỏ thực bước sau Nếu khơng tiếp tục bước Giả sử ví dụ hình 3.7 thỏa mãn điều kiện 2) Đặt hẹn (bộ hẹn nghe thích ứng) để đưa nút trở lại giấc ngủ điều kiện cho phép nút ngủ vào thời điểm Thời gian hết hạn cho định thời với khoảng thời gian DATA gọi thời gian nghe thích ứng, xem khoảng thời gian ALP hình 3.7 3) Nếu nút ngủ nút phải thức dậy Ví dụ nút C hình 3.7, ngủ lại tình cờ nghe đường truyền trước lân cận nên phải thức dậy để truyền tiếp liệu 4) Kiểm tra xem cờ txData lịch biểu nút đặt chưa (xem nút có gói liệu đệm lịch trình khơng) Nếu có nút cố gắng gửi gói liệu cách nút làm lịch trình DATA Ngồi ra, nút phải giữ tỉnh táo, lân cận lắng nghe thích ứng muốn nói chuyện với Xin lưu ý gói liệu quảng bá không gửi nghe thích ứng, khơng liệu tất lân cận nút nghe thích ứng Một số lân cận nút khơng biết việc truyền tải trước mà nút tham gia, chúng khơng thực nghe thích ứng ngủ Đối với ví dụ hiển thị hình 3.7, B thỏa mãn điều kiện gửi, vừa nhận gói liệu từ A cần truyền lại cho C Sau trao đổi RTS/CTS với C thành cơng, B truyền gói liệu sang C Đối với A nghe thấy RTS mà B gửi cho C Vì vậy, A ngủ để tránh tình cờ nghe thấy truyền B C 5) Bộ hẹn nghe thích ứng đặt bước hết hạn Nếu nút thức nút khơng có để gửi khơng nghe thấy giai đoạn nghe thích ứng này, nút quay trở lại giấc ngủ lần Ví dụ hình 3.8, khơng có nút ngủ lý nêu B C khơng thể, B truyền đến C, A nghe lỏm đường truyền ngủ trước hết nghe thích ứng Tại S-MAC kiểm tra thời gian lại khung trước bắt đầu nghe thích ứng Điều cốt yếu việc nghe thích ứng thêm khoảng thời gian DATA khác thời gian ngủ theo lịch trình để nút có thêm hội gửi nhận gói liệu khơng muốn thấy giai đoạn nghe thích ứng trùng lặp với giai đoạn SYNC tiếp theo, để không làm cản trở việc truyền gói SYNC Nhưng phải nhận thực tế, thời gian nghe thích ứng đặt xác bên thời gian ngủ, việc truyền kéo dài sang giai đoạn SYNC tiếp SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 48 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC theo Một ví dụ hiển thị hình 3.8 Làm cho giai đoạn nghe thích ứng khơng trùng lặp với giai đoạn SYNC ưu tiên việc nghe thích ứng khơng đảm bảo khơng va chạm với giai đoạn SYNC Hình 3.8: Nghe thích ứng thực khung Việc nghe thích ứng làm giảm đáng kể độ trễ gây giấc ngủ định kỳ nút mạng đa hop Hãy xem xét gói liệu, truyền qua mạng đa hop Khi nghe thích ứng khơng áp dụng, gói liệu truyền bước khung thời gian Khi nghe thích ứng áp dụng, gói liệu truyền lại cho nút hop sau q trình truyền cuối kết thúc Theo giả định này, gói liệu nhảy tối đa hai bước khung, sử dụng hình 3.9 để minh họa vấn đề Khi kết thúc trình truyền A B, việc nghe thích ứng kích hoạt B bắt đầu truyền lại gói liệu đến C Vào cuối trình truyền B C, việc nghe thích ứng thứ hai kích hoạt Giả định thời gian nghe từ đến lần nghe đủ dài để đáp ứng đủ thời gian nghe thích ứng Bây C cố gắng truyền lại gói liệu đến D gửi gói RTS sau cảm biến sóng mang Nhưng rõ ràng D ngủ D chưa nhận thức việc lắng nghe thích ứng xảy với lân cận Vì C để gói liệu truyền tiếp C chờ CTS từ D dẫn đến phải đợi giai đoạn DATA đến SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 49 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC Hình 3.9: Nghe thích ứng thực hai lần khung 3.7 Truyền thông điệp a) Mục tiêu Phân nhỏ gói tin cần truyền để giảm tiêu hao lượng b) Cách thực Truyền liệu dài gói tin chi phí cho việc truyền lại có vài bít lỗi lần truyền cao Tuy nhiên, chia nhỏ thông điệp vào nhiều gói nhỏ độc lập q trình xử lý q nhiều gói tin khiến độ trễ truyền tăng S-MAC xử lý vấn đề cách chia nhỏ thông điệp dài thành nhiều phân đoạn nhỏ truyền chúng cụm (burst) sử dụng gói tin RTS gói tin CTS Mỗi lần đoạn liệu truyền, nơi gửi đợi xác nhận ACK từ nơi nhận Nếu khơng nhận ACK, mở rộng thời gian chiếm dụng đường truyền cho đủ phân đoạn truyền lại phân đoạn liệu thời Như biết, tất gói tin có trường duration, thời gian cần để phát tất phân đoạn liệu lại gói ACK Nếu nút vùng lân cận nhận gói RTS CTS chuyển sang trạng thái ngủ khoảng thời gian truyền tất phân đoạn Mục đích việc sử dụng ACK sau phân đoạn liệu nhằm ngăn ngừa vấn đề nút ẩn Có thể nút lân cận thức dậy nút gia nhập vùng lân cận trình truyền Nếu nút lân cận nút nhận khơng phải lân cận nút gửi khơng nghe thấy phân đoạn liệu phát từ nút gửi Nếu nút nhận không gửi ACK thường xun, nút gây nhiễu Nếu nút SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 50 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC khởi động tiến trình phát trình truyền thời bị hỏng nút nhận Mỗi phân đoạn liệu gói tin ACK có trường duration Bằng cách này, nút gia nhập q trình truyền, chuyển sang trạng thái ngủ lân cận nút gửi hay nút nhận Giả sử nút lân cận nhận RTS nút gửi CTS từ nút nhận, chuyển trạng thái ngủ tồn thời gian cung cấp thơng điệp Nếu bên gửi mở rộng thời gian truyền phân đoạn liệu lỗi, ngủ nên nút lân cận không ý thức mở rộng Tuy nhiên, nút biết điều từ phân đoạn mở rộng gói tin ACK tỉnh dậy 3.8 So Sánh hiệu S-MAC so với 802.11 Phần so sánh em tham khảo lấy kết từ báo a) Mục đích Mục đích việc thực để so sánh hiệu giao thức S-MAC với giao thức MAC 802.11 thông qua thử nghiệm thiết bị Rene Motes b) Thiết bị sử dụng Sử dụng Rene Motes phát triển UCB để thử nghiệm, thiết bị hình 3.10 Một vi trần lớn, trái tim vi điều khiển Atmel AT90LS8535, có 8K byte nhớ lập trình 512 byte nhớ liệu Hình 3.10: Bộ Rene Mote UCB Bộ thu phát vô tuyến vi trần mẫu TR1000 từ RF Monolithics Khi sử dụng điều chế OOK (bật tắt), cung cấp tốc độ truyền 19,2 Kb/giây Có ba chế độ làm việc nhận, truyền ngủ Mỗi chế độ 4,5mA, 12mA (cực đại) 5µA tương ứng Mote sử dụng TinyOS, hệ điều hành hướng kiện hiệu quả, cung cấp chế để truyền, nhận xử lý gói, chia sẻ liệu tái sử dụng Kể từ tháng năm 2001, phát hành tiêu chuẩn TinyOS có loại gói, bao gồm tiêu đề, tải trọng kiểm tra dự phòng theo chu kỳ (CRC) Độ dài SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 51 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC tiêu đề tải trọng thay đổi thành giá trị khác Tuy nhiên tất gói có độ dài định dạng Trong triển khai MAC tiêu đề, tải trọng trường CRC có 6B, 30B 2B Thơng thường gói điều khiển, chẳng hạn RTS, CTS ACK ngắn khơng có tải trọng Vì tạo loại gói khác TinyOS Gói điều khiển có tiêu đề byte CRC bye sửa đổi số thành phần TinyOS để chứa gói Điều cho phép thực thường xuyên giao thức MAC đo lường xác hiệu suất chúng c) Cài đặt thơng số Triển khai ba đối tượng MAC tảng vi trần TinyOS  IEEE 802.11 DCF  Overhearing avoidance  S-MAC Với mục đích so sánh hiệu năng, triển khai phiên đơn giản IEEE 802.11 DCF Các phần bao gồm cảm giác sóng mang vật lý ảo, backoff thử lại, trao đổi gói RTS / CTS / DATA / ACK hỗ trợ phân mảnh Thời lượng cảm nhận sóng mang thời gian ngẫu nhiên cửa sổ tranh chấp Để đơn giản, cửa sổ tranh chấp không tăng theo cấp số nhân backoff xảy Hỗ trợ phân mảnh tuân theo quy trình tương tự tiêu chuẩn IEEE 802.11 Với 802.11, radio nút không chuyển sang chế độ ngủ mà chế độ nghe, nhận chế độ truyền Đối tượng thứ hai Overhearing avoidance (thông điệp truyền với tránh nghe lén) tiết kiệm lượng cách tránh nghe lén, giảm thời gian kiểm sốt tranh chấp Overhearing avoidance khơng bao gồm thời gian nghe ngủ Vì vậy, khơng có độ trễ bổ sung so với chuẩn 802.11 Dùng Overhearing avoidance để xem, tránh nghe mà khơng có chu kỳ nghe ngủ khác S-MAC Với đối tượng thứ giao thức S-MAC, kết hợp đầy đủ tính chuyển tin nhắn, nghe ngủ định kỳ Thời gian nghe cho nút 300ms thời gian ngủ thay đổi thành giá trị khác nhau, chẳng hạn 300ms, 500ms, 1s từ tạo chu kỳ nhiệm vụ khác Chỉ định tần suất mà gói SYNC gửi để cập nhật lịch biểu nút lân cận Chọn thời gian ngủ giây tần suất cập nhật lịch biểu 10 lần nghe / thời gian ngủ, tức 13 giây Cần lưu ý việc tiết kiệm lượng việc thực giấc ngủ radio vi điều khiển không ngủ Nếu đặt vi điều khiển vào chế độ ngủ radio ngủ tiết kiệm nhiều lượng d) Mơ hình giao thức thực SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 52 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC Hình 3.11 cấu trúc liên kết sử dụng thí nghiệm Đây mạng hai hop với hai nguồn hai đích đến Các gói từ nguồn A thông qua nút C kết thúc D, gói từ B qua C kết thúc E Cấu trúc liên kết đơn giản, hiển thị đặc điểm giao thức MAC Hình 3.11: Mơ hình giao thức sử dụng thử nghiệm mạng hai hop với hai nút nguồn hai nút đích đến Bây xem xét mức tiêu thụ lượng nút sử dụng giao thức MAC khác tải trọng khác Hai nguồn định kỳ tạo thông điệp cảm biến, chia thành số đoạn Trong MAC 802.11, đoạn gửi thành cụm, tức RTS/CTS không sử dụng cho phân đoạn Đo MAC 802.11 dựa vào phân đoạn, coi phân đoạn gói độc lập sử dụng RTS / CTS Trong giao thức sử dụng, việc truyền tin nhắn sử dụng đoạn tin nhắn truyền theo cụm Thay đổi tải trọng cách thay đổi thời gian đến tin nhắn Nếu khoảng thời gian gửi tin nhắn giây, tin nhắn tạo sau giây nút nguồn Trong thử nghiệm sau đây, thời gian thông báo thay đổi từ đến 10 giây Đối với mẫu, thực 10 thử nghiệm độc lập để đo mức tiêu thụ lượng nút sử dụng giao thức MAC khác Trong thử nghiệm, nguồn định kỳ tạo 10 thông báo, chia thành 10 gói liệu nhỏ TinyOS hỗ trợ Do đó, thí nghiệm, có 200 gói liệu TinyOS truyền từ nguồn đến đích Đối với tốc độ cao với thời gian xen kẽ giây, kênh không dây sử dụng gần hồn tồn băng thơng thấp Đo lượng thời gian mà nút sử dụng để truyền gói phần trăm thời gian mà radio nút sử dụng chế độ truyền, nhận, nghe ngủ Mức tiêu thụ lượng nút sau tính cách nhân thời gian với công suất cần thiết để vận hành radio chế độ Mức tiêu thụ lượng từ bảng liệu thu phát vô tuyến, tương ứng 13.5mW, 24.75mW 15µW tương ứng việc nhận, truyền ngủ Khơng có khác biệt nghe nhận mơ hình thu phát vơ tuyến SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 53 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC e) Kết phân tích Ba đối tượng MAC triển khai nút thử nghiệm Trong biểu đồ kết quả, 802.11 DCF ký hiệu IEEE 802.11 Thông điệp truyền qua với việc tránh nghe lỏm xác định “Overhearing ovoidance” cuối SMAC  Tiêu thụ lượng đo nút nguồn Đầu tiên xem kết thí nghiệm nút nguồn A B Hình 3.12 mức tiêu thụ lượng trung bình đo từ hai nút Trong trường hợp thời gian gửi tin nhắn nhỏ 4s, IEEE 802.11 sử dụng hai lần lượng mà S-MAC sử dụng Vì nghe nhàn rỗi xảy ra, tiết kiệm lượng từ giấc ngủ định kỳ hạn chế S-MAC đạt tiết kiệm lượng chủ yếu cách tránh nghe sử dụng truyền thông điệp Khi khoảng thời gian gửi tin nhắn lớn 4s, tải trọng trở nên nhẹ Trong trường hợp này, giao thức S-MAC có thuộc tính lượng tốt vượt xa so với 802.11 MAC Truyền tin nhắn với việc tránh nghe hoạt động tốt so với 802.11 MAC Tuy nhiên, nghe nhàn rỗi chi phối tổng mức tiêu thụ lượng, giấc ngủ định kỳ đóng vai trò việc tiết kiệm lượng Mức tiêu thụ lượng S-MAC tương đối độc lập với mẫu hình Hình 3.12: Tiêu thụ lượng đo nút nguồn So với 802.11, overhearing avoidance giúp tiết kiệm gần mức lượng tất điều kiện tải trọng Kết việc nghe lỏm nút A, B C Số lượng gói tin gửi nút số chúng  Đo phần trăm thời gian mà nút nguồn chế độ ngủ SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 54 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC Hình 3.13 cho thấy tỷ lệ phần trăm thời gian mà nút nguồn chế độ ngủ Điều thú vị giao thức S-MAC điều chỉnh thời gian ngủ theo mẫu hình Khi tải trọng thấp, nút có thời gian ngủ nhiều (mặc dù có giới hạn chu kỳ nhiệm vụ nút) Khi tải trọng tăng, nút có hội vào giấc ngủ định kỳ nhiều thời gian để truyền Hình 3.13: Đo phần trăm thời gian mà nút nguồn chế độ ngủ Đây tính hữu ích cho ứng dụng mạng cảm biến tải trọng thực thay đổi theo thời gian Khi khơng có kiện cảm biến, tải trọng nhẹ Khi số nút phát kiện, kích hoạt cảm biến lớn máy ảnh, điều tạo tải trọng nặng Giao thức S-MAC thích ứng với thay đổi hệ thống Để so sánh, mơ-đun tin nhắn chuyển qua tránh tình trạng nghe khơng có giấc ngủ định kỳ nút dành nhiều thời gian để lắng nghe tải giảm xuống  Tiêu thụ lượng đo nút trung gian Hình 3.14 cho thấy mức tiêu thụ lượng đo nút trung gian C Có thể thấy, S-MAC vượt trội so với 802.11 MAC Trong trường hợp tải trọng chưa cao, tiêu thụ lượng nhiều chút so với 802.11 Một lý S-MAC có chi phí đồng hóa việc gửi nhận gói SYNC Một lý khác S-MAC có độ trễ nhiều thực sử dụng nhiều thời gian để truyền lượng liệu SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 55 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC Hình 3.14: Tiêu thụ lượng đo nút trung gian Trên thực tế, tải trọng nặng nút hội để tuân theo lịch trình giấc ngủ nó, kế hoạch lắng nghe ngủ định kỳ hồn tồn khơng mang lại lợi ích Tuy nhiên overhearing avoidance phương tiện tiết kiệm lượng hiệu Điều minh họa kết nút nguồn hình 3.12 f) Kết luận S-MAC so với 802.11 có đặc tính bảo tồn lượng tốt so với chuẩn 802.11 Giao thức thực nút thử nghiệm Rene Mote, cho thấy hiệu tốt S-MAC Một đặc tính thú vị khác giao thức có khả đánh đổi lượng độ trễ theo điều kiện tải trọng Đôi để lợi mặt lượng độ trễ tăng lên Cơng việc tương làm bao gồm nghiên cứu mở rộng hệ thống phân tích tham số Nhiều thử nghiệm thực mơ hình lớn với số lượng nút độ phức tạp hệ thống khác 3.9 Kết luận chương Trong S-MAC, tránh va chạm chủ đề chung cho tất MAC dựa tranh chấp Dựa vào ưu điểm chu kỳ nghe ngủ định kỳ, S-MAC giúp node tiếp kiệm nhiều lượng Các tính mà S-MAC áp dụng bao gồm cảm giác sóng mang vật lý ảo, trình tự RTS / CTS / DATA / ACK cho vấn đề node ẩn Việc nghe trở thành nguồn lãng phí lượng chính, đặc biệt mật độ cao lưu lượng truy cập lớn mạng Để truyền tải thông điệp dài cách hiệu lượng độ trễ, SMAC hỗ trợ truyền chúng cụm S-MAC sử dụng cặp RTS / CTS cho SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 56 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Kiến trúc S-MAC thông điệp qua, yêu cầu gói ACK cho đoạn Khi nút nhận gói liệu từ nút trước, nút khơng thể truyền lại gói tin tới nút mà phải đợi thời gian nghe nút nhận xuất Vì vậy, tồn chậm trễ việc truyền liệu Để giảm độ trễ đó, S-MAC đề xuất chế quan trọng gọi nghe thích ứng Mục đích cung cấp cho tất nút, có liên quan đến việc truyền tải, hội để truyền gói tin chúng cuối q trình truyền Cuối so sánh hiệu giao thức S-MAC với 802.11 DCF, từ thấy S-MAC có hiệu tốt so với 802.11 Giao thức S-MAC nói riêng kỹ thuật truy nhập MAC nói chung mạng WSN thực cần thiết node truy nhập môi trường, đảm bảo tiết kiệm lượng SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 57 Đồ án tốt nghiệp Đại học Kết luận KẾT LUẬN Mạng cảm biến không dây ngày trở nên quan trọng sống Vì mà đồ án em tìm hiểu đặc điểm mạng cảm biến không dây, đặc biệt kỹ thuật truy nhập môi trường mạng cảm biến không dây có giao thức S-MAC Tồn nội dung đồ án bao gồm : Chương : Tổng quan mạng cảm biến không dây Giới thiệu qua mạng cảm biến, đưa cấu trúc mạng cảm biến nêu ứng dụng mạng cảm biến sống Chương : Các kỹ thuật truy nhập mơi trường gồm có phân loại kỹ thuật MAC chung chi tiết kỹ thuật truy nhập mạng cảm biến khơng dây, tìm hiểu cách nút truy nhập môi trường dựa kỹ thuật Chương : Kiến trúc S-MAC giúp nêu rõ kỹ thuật mà S-MAC sử dụng truy nhập môi trường so sánh hiệu lượng S-MAC với giao thức MAC 802.11, từ thấy hiệu tiết kiệm lượng S-MAC lớn Mạng cảm biến không dây lĩnh vực nghiên cứu vô rộng, kiến thức đề cập đồ án phần nhỏ kiến thức mạng cảm biến Mặc dù nghiên cứu lớp truy nhập phương tiện MAC mạng cảm biến khơng dây, tìm hiểu qua đặc điểm, kỹ thuật sử dụng giao thức S-MAC nghiên cứu lợi ích mặt lượng sử dụng giao thức S-MAC so với 802.11 Với kiến thức đưa đề tài nhiều hạn chế Tuy em hy vọng giúp ích cho người việc nghiên cứu ứng dụng đề tài khoa học sau SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 58 Đồ án tốt nghiệp Đại học Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh mục tài liệu tham khảo tiếng Anh: [1] ‘‘Analysis of Different Hierarchical Protocol of Wireless Sensor Networks”, Dipti Balkrushna Ram, Grishma ShaileshKumar Shah , 2013 [2] ‘‘Analysis of Different Hierarchical Protocol of Wireless Sensor Networks”, Dipti Balkrushna Ram, Grishma ShaileshKumar Shah, 2013 [3] ‘‘Wireless Sensor NetworkTechnology and Protocols, Overview of Wireless Sensor Network, Intech’’ M.A Martin and M.M Islam, 2012 [4] ‘‘An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks’’ W Ye, J.Heidemann, and D Estrin., June 2002 Danh mục tài liệu tham khảo tiếng việt: [1] ‘‘Giáo trình Wireless Sensor Networks kỹ thuật giao thức ứng dụng ’’, Đỗ Duy Tân, Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 2011 SVTH: Nguyễn Thị Duyên – D14CQVT04 59 ... hàng ngày Trong chương em tìm hiểu vấn đề sau:  Đặc điểm mạng cảm biến không dây  Cấu trúc mạng cảm biến không dây  Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 1.2 Đặc điểm mạng cảm biến khơng dây ... tổng quan mạng cảm biến không dây Hình 2: Các thành phần nút cảm biến Hình 3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Hình 4: Cấu trúc phẳng mạng cảm biến không dây ... TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu 1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3.1 Cấu tạo node cảm biến