Luận văn Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ XUÂN VINH NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHÙ HỢP CHO MẠNG ZIGBEE/IEEE 802.15.4 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 4 6 7 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ XUÂN VINH NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHÙ HỢP CHO MẠNG ZIGBEE/IEEE 802.15.4 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tháng 10, 2015
3. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 LÝ LỊCH CÁ NHÂN I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN THỊ XUÂN VINH Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 13/12/1975 Nơi sinh: Đồng Tháp Quê quán: Cao Lãnh- Đồng Tháp Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: CNV Điện Lực Ninh Kiều- Công Ty Điện Lực TP Cần Thơ Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 175/7 Nguyễn Văn Cừ, Phƣờng An Hòa, Quận Ninh Kiều, TP Cần Thơ Điện thoại di động: 0918 366 789 Điện thoại nhà riêng: 07103. 899799 Fax: E-mail: xuanvinhbd@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/1993 đến 7/1995 Nơi học (trƣờng, thành phố): Học Viện Bƣu Chính Viễn Thông 2- TP HCM Ngành học: Kỹ thuật chuyển mạch 2. Đại học: Hệ đào tạo: từ xa Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 2/ 2010 Nơi học (trƣờng, thành phố): Học Viện Bƣu Chính Viễn Thông 2- TP HCM Ngành học: Điện tử - Viễn thông Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:Nghiên cứu phần cứng tổng đài EWSD Siemens. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 7/2009 tại Học Viện Bƣu Chính Viễn Thông 2- TP HCM Ngƣời hƣớng dẫn: Ths. Phạm Đình Thuần 3. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 8/2013 đến 10/2015 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngành học: Kỹ thuật- Điện tử i
4. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Tên luận văn: Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 25/10/2015 Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Phan Văn Ca 4. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn C và B1 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Phó Phòng Tổng hợp - Điện lực Ninh Kiều - Công ty Điện 2006 đến nay Điện lực Ninh Kiều- Công lực TP Cần Thơ ty Điện lực TP Cần Thơ. IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ: Bài báo : Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA- 2015 COMPARATIVE STUDY OF SUITABLE ROUTING PROTOCOL FOR ZIGBEE /IEEE 802.15.4 USING NS2 Thi Xuan Vinh Nguyen1, Cong Khanh Le2, Hoang Son Le2, Tang Kha Duy Nguyen2 1Ho Chi Minh City University of Technology and Education 2Can Tho University Ngƣời khai Nguyễn Thị Xuân Vinh ii
5. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 10 năm 2015 Nguyễn Thị Xuân Vinh iii
6. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên em xin đƣơc̣ gƣ̉ i lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS . Phan Văn Ca, ngƣời đã tận tận hƣớng dẫn em trong suốt quá trình làm đề tài. Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiêụ , các Thầy , Cô Khoa Điêṇ -Điêṇ Tƣ̉ Trƣờng Đaị Hoc̣ Sƣ Phaṃ Kỹ Thuâṭ Thành Phố Hồ Chí Minh , đa ̃ tâṇ tình chỉ dạy, truyền đaṭ kiến thƣ́ c và taọ điều kiêṇ thuâṇ lơị cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua , những kiến thức chúng em nhận đƣợc trên giảng đƣờng Cao học sẽ là hành trang giúp chúng em vững bƣớc trên con đƣờng tƣơng lai. Em xin gƣ̉ i lời cảm ơn đến các baṇ hoc̣ viên cùng lớp Kỹ thuật điện tử khóa 2014-2016 đa ̃ nhiêṭ tình hỗ trơ,̣ góp ý động viên để em hoàn thành luận văn này. Luận văn đƣợc hoàn thành trong thời gian ngắn, chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em xin cảm ơn thầy cô, bạn bè đã có những ý kiến đóng góp chân thành cho nội dung của luận văn hoàn chỉnh. TP. HCM, tháng 10, năm 2015 Nguyễn Thị Xuân Vinh iv
7. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 NGHIÊN CỨU GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN PHÙ HỢP CHO MẠNG ZIGBEE/IEEE 802.15.4 Thực hiện bởi NGUYỄN THỊ XUÂN VINH Nộp tại Khoa Điện – Điện Tử Ngày . Tháng . Năm 2015 theo một phần yêu cầu hoàn thành chƣơng trình Thạc sỹ ngành Kỹ thuật điện tử tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Tóm tắt ZigBee, đƣợc xây dựng dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, là một tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng vô tuyến cá nhân (WPAN). ZigBee đƣợc thiết kế cho đa dạng các ứng dụng đòi hỏi chi phí lắp đặt và năng lƣợng tiêu thụ thấp. ZigBee hỗ trợ cho lƣợng lớn các ứng dụng từ điện tử dân dụng, ngoại vi máy tính, thiết bị thu thập dữ liệu y tế, cho đến dự báo thảm họa, giao tiếp, trong chiến trƣờng, điều khiển trong công nghiệp. Bởi vì các thiết bị ZigBee thƣờng đƣợc cấp nguồn bởi pin, vì vậy nó thƣờng bị giới hạn bởi năng lƣợng lúc đầu, dung lƣợng bộ nhớ và khả năng tính toán. Tuy nhiên mỗi cấu hình mạng đều có các đặc điểm riêng khi sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Do đó, mỗi giao thức định tuyến chỉ phù hợp cho những ứng dụng cụ thể. Vì vậy, việc tìm ra một giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee đóng một vai trò rất quan trọng vì định tuyến là một trong các nguyên nhân v
8. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 lớn nhất gây tổn hao năng lƣợng và mất thông tin trong mạng. Trong những năm gần đây, nhiều giao thức định tuyến đƣợc nghiên cứu cải tiến nhƣ (AODV), (AOMDV), (R-AODV), (PHR-AODV), (VSDE), (DSR), (DSDV) và (GPSR) và các mô phỏng khảo sát khả năng của giao thức đã đƣợc công bố. Tuy nhiên chƣa có nghiên cứu cụ thể nào so sánh hiệu năng để tìm ra các loại giao thức phù hợp với mạng ZigBee trong các thiết lập khác nhau. Trong luận văn này tôi đã thực hiện mô phỏng sáu thiết lập khác nhau cho mạng ZigBee sử dụng phần mềm Network Simulator 2 (NS2) để xác định ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ tốc độ di chuyển của các thiết bị, tổng số lƣợng thiết bị trong mạng, mật độ thiết bị, số lƣợng nguồn phát tín hiệu, tốc độ truyền dữ liệu hay kích thƣớc gói tin đến đáp ứng của mạng. Tôi đã nghiên cứu và phát hiện ra rằng hiệu suất của giao thức định tuyến khác nhau trong mạng ZigBee và đây là nền tảng cho các nhà phát triển ứng dụng chọn lựa một giao thức định tuyến phù hợp cho các thiết lập cụ thể khác. Từ đó tiết kiệm đƣợc thời gian và chi phí phát triển cho các nghiên cứu, mở rộng mạng. Hƣớng dẫn khoa học: TS. PHAN VĂN CA Chức danh: Giảng viên vi
9. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 COMPARATIVE STUDY OF SUITABLE ROUTING PROTOCOL FOR ZIGBEE /IEEE 802.15.4 By THI- XUAN-VINH NGUYEN Submited to Department of Electrical and Electrinics Engineering On October, 25, 2015 in partial fulfillment of the Requirement for the degree of Master of Science in Electronics and Communication Engineering at the University of Technical Education Ho Chi Minh City Abstract ZigBee, built based on IEEE 802.15.4, is a worldwide standard for wireless personal area network. It is designed for flexible wide range applications which require low cost and low power consumption. ZigBee provides a wide range of applications from consumer electronics, computer peripherals, medical data collection, embedded sensing, to disaster recovery, battlefield communication, industrial control, and commercial building. Because of ZigBee devices usually powered by batteries, ZigBee devices are limited by initially power, the storage capacity and computing power. However, each network has its own characteristics when using in various applications. Therefore, each routing protocol suit with specific application. So, selecting a suitable routing protocols play an important role in improving performance of the network.In recent year, many of various routing protocols have been developed and some performance simulations are made on numbers of routing protocols like Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV), Ad hoc On-demand Multipath Distance Vector (AOMDV), Reverse Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (R- AODV), Path Hoping Reverse Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing (PHR-AODV), Valid Source Destination Edges Routing (VSDE), Dynamic Source Routing (DSR), Destination-Sequenced Distance Vector routing vii
10. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 (DSDV) and Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR). In this paper, we performed simulations using Network Simulator 2 (NS2) considering six performance metrics. To determine the impact of network criteria on the performance of these protocols which considered six different scenarios of namely, increasing velocity, increasing number of nodes, increasing number of sources, increasing number of nodes with constant density, increasing data rate, and increasing packets size, respectively. I have found out that the performance of various routing protocol in ZigBee network and is a fundamental part for application designers to choose an appropriate protocol for their specific application scenarios. Thesis Supervisor: VAN-CA PHAN, PhD Title: Lecturer viii
11. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 MỤC LỤC LÝ LỊCH CÁ NHÂN i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv Tóm tắt v Abstract vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv DANH SÁCH CÁC HÌNH xv Chƣơng 1 TỔ NG QUAN 1 1.1 GIỚI THIỆU 1 1.2 TỔNG QUAN 1 1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2.2 Mục đích nghiên cứu 2 1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 2 1.2.4 Những đóng góp mới của đề tài 3 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 3 1.3.1 Trong nƣớc 3 1.3.2 Ngoài nƣớc 4 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Khái quát về mạng WPAN 6 2.1.1 Định nghĩa mạng WPAN 6 2.1.2 Phân loại các chuẩn WPAN 7 2.2 Khái quát về ZigBee/IEEE 802.15.4 8 ix
12. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 2.2.1 Giới thiệu 8 2.2.2 Kiến trúc liên kết mạng 9 2.2.3 Các ứng dụng sử dụng ZigBee 11 2.3 Các giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR 12 2.3.1 Giới thiệu về định tuyến trong hệ thống 12 2.3.2 Phân loaị các giao thƣ́ c định tuyến trong mạng ZigBee 13 2.3.3 Các giao thức phù hợp cho mạng ZigBee/802.15.4 14 AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR 2.4 Kết luận chƣơng 2 35 Chƣơng 3 MÔ PHỎ NG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG 36 3.1 Thiết lập 1 (Thay đổi tốc độ di chuyển của các node mạng) 36 3.1.1 Đặt vấn đề 36 3.1.2 Yêu cầu 36 3.1.3 Cơ chế hoạt động 37 3.2 Thiết lập 2 (Thay đổi mật độ node mạng trong một diện tích) 37 3.2.1 Đặt vấn đề 37 3.2.2 Yêu cầu 38 3.2.3 Cơ chế hoạt động 38 3.3 Thiết lập 3 (Thay đổi số lƣợng node nguồn) 39 3.3.1 Đặt vấn đề 39 3.3.2 Yêu cầu 39 3.3.3 Cơ chế hoạt động 40 3.4 Thiết lập 4 (Thay đổi tổng số lƣợng node trong mạng) 41 3.4.1 Đặt vấn đề 41 3.4.2 Yêu cầu 41 3.4.3 Cơ chế hoạt động 42 x
13. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 3.5 Thiết lập 5 (Thay đổi tốc độ dữ liệu) 42 3.5.1 Đặt vấn đề 42 3.5.2 Yêu cầu 43 3.5.3 Cơ chế hoạt động 44 3.6 Thiết lập 6 (Thay đổi kích thƣớc gói tin) 44 3.6.1 Đặt vấn đề 44 3.6.2 Yêu cầu 45 3.6.3 Cơ chế hoạt động 45 Chƣơng 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 46 4.1 Kết quả và đánh giá các thiết lập 46 4.1.1 Thiết lập 1 (Thay đổi tốc độ di chuyển của các node mạng) 46 4.1.2 Thiết lập 2 (Thay đổi mật độ node mạng trong một diện tích) 50 4.1.3 Thiết lập 3 (Thay đổi số lƣợng node nguồn) 53 4.1.4 Thiết lập 4 (Thay đổi tổng số lƣợng node trong mạng) 57 4.1.5 Thiết lập 5 (Thay đổi tốc độ dữ liệu) 60 4.1.6 Thiết lập 6 (Thay đổi kích thƣớc gói tin) 64 4.2 Kết luận và hƣớng phát triển 68 4.2.1 Kết luận 68 4.2.2 Hƣớng phát triển 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 xi
14. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT AES: Advanced Encryption Standard AODV: Ad hoc On Demand Distance Vector AOMDV: Ad hoc On Demand Multi Path Distance Vector CBR: Constant bit rate CBRP: Cluster Based Routing Protocol CID: Cluster Identifier CLH: Cluster Head DSDV: Destination Sequenced Distance Vector DSR: Dynamic Source Routing FFD: Full Function Device GF: Greedy Forwarding GG: Gabriel Graph GPSR: Greedy Perimeter Stateless Routing GSR: Global State Routing GTS: Guaranteed Time Slot IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers LR-WPAN: Low Rate - Wireless Personal Area Network LSA: Link State Advertisment LSDB: Link State Database MAC: Media Access Control MANET: Mobile Ad hoc Network MPDU: MAC Protocol Data Unit NS2: Network Simulator 2 OSI: Open Systems Interconnection PC: Personal Computer PF: Perimeter Forwarding PHR-AODV: Path Hoping based on Reverse AODV PHY: Physical layer PPDU: PHY Protocol Data Unit QoS: Quality of Service R-AODV: Reverse Ad hoc On Demand Distance Vector RFD: Reduced Function Device RNG: Relative Neighborhood Graph RREP: Routing Reply xii
15. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 RREQ: Routing Request R-RREQ: Reverse Routing Request TCP: Transmission Control Protocol TORA: Temporally Ordered Routing Algorihm TTL: Time to Live UDP: User Datagram Protocol VSDE: Valid Source Destination Edges WPAN: Wireless Personal Area Network WRP: Wireless Routing Protocol ZHLS: Zone-based Hierarchical Link State Routing Protocol ZPR: Zone Routing Protocol xiii
16. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Phân loại các chuẩn WPAN 7 Bảng 3.1: Thiết lập mô phỏng 1 37 Bảng 3.2: Thiết lập mô phỏng 2 38 Bảng 3.3: Thiết lập mô phỏng 3 40 Bảng 3.4: Thiết lập mô phỏng 4 42 Bảng 3.5: Thiết lập mô phỏng 5 44 Bảng 3.6: Thiết lập mô phỏng 6 45 Bảng 4.1: Tổng hợp thông số thực hiện thiết lập 69 Bảng 4.2: Tổng hợp đánh giá kết quả thực hiện thiết lập 72 xiv
17. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1. Các thành viên chính trong hiệp hội các nhà phát triển ZigBee 8 Hình 2.3. Kiến trúc của một thiết bị ZigBee 9 Hình 2.2.Các kiểu cấu trúc liên kết mạng. 10 Hình 2.4. Các ứng dụng của ZigBee 11 Hình 2.5. Một hệ điều khiển nhà thông minh đơn giản 12 Hình 2.7. Lƣu đồ cơ chế xƣ̉ lý khám phá tuyến taị node của AODV 15 Hình 2.8. Các trƣờng trong gói tin RREP 16 Hình 2.14. Cấu trúc bảng định tuyến của AOMDV 17 Hình 2.15. Ba loại tuyến đƣờng tạo ra bởi việc định tuyến 18 Hình 2.16. Định tuyến đa đƣờng 18 Hình 2.17. Loại bỏ tuyến đƣờng thừa 19 Hình 2.18.Cấu trúc của một RREQ 20 Hình 2.19.Các điều kiện trong định tuyến đa tuyến 20 Hình 2.20. Chuyển tiếp gói tin RREP không thành công 21 Hình 2.21. Định dạng gói tin RREQ 22 Hình 2.22. Định dạng gói tin R-RREQ 23 Hình 2.23. Định dạng gói tin R-RREQ trả về từ node đích 24 Hình 2.24. Các phần của gói tin dữ liệu đến đích theo các tuyến khác nhau 25 Hình 2.25. Chuyển tiếp gói tin RREQ trong giao thức DSR 26 Hình 2.26. Gói tin RREQ phát từ S chuyển tiếp đến D 26 Hình 2.27. Node D chuyển tiếp gói RREP trở lại S 27 Hình 2.28. Node S chuyển tiếp gói tin dữ liệu sau khi nhận gói RREP 28 Hình 2.29. Một ví dụ về quá trình định tuyến trong giao thức DSDV 29 Hình 2.30. Ba trƣờng hợp khi một node nhận đƣợc gói tin cập nhật 31 Hình 2.31. Minh họa cho phƣơng pháp chuyển tiếp GF 32 Hình 2.32. Một trƣờng hợp lỗi trong phƣơng pháp GF 33 xv
18. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Hình 2.33. Tuyến đƣờng của gói tin từ S đến D 34 Hình 2.34. Tuyến đƣờng của gói tin theo quy tắc bàn tay phải 34 Hình 2.35. Liên kết u v sẽ bị loại bỏ vì tồn tại w 35 Hình 3.1. Độ trễ của các giao thức trong thiết lập 1 46 Hình 3.2. Tỉ lệ chuyển phát gói tin thành công trong thiết lập 1 47 Hình 3.3. Thông lƣợng của các giao thức trong thiết lập 1 47 Hình 3.4. Số lƣợng gói tin định tuyến của các giao thức trong thiết lập 1 48 Hình 3.5. Năng lƣợng tiêu thụ của các giao thức trong thiết lập 1 48 Hình 3.6. Độ rung pha của các giao thức trong thiết lập 1 49 Hình 3.7. Độ trễ của các giao thức trong thiết lập 2 50 Hình 3.8. Tỉ lệ chuyển phát thành công của các giao thức trong thiết lập 2 50 Hình 3.9. Thông lƣợng của các giao thức trong thiết lập 2 51 Hình 3.10. Số gói tin định tuyến của các giao thức trong thiết lập 2 51 Hình 3.11. Năng lƣợng tiêu thụ của các giao thức trong thiết lập 2 52 Hình 3.12. Độ rung pha của các giao thức trong thiết lập 2 52 Hình 3.13. Độ trễ của các giao thức trong thiết lập 3 53 Hình 3.14. Tỉ lệ chuyển phát thành công của các giao thức trong thiết lập 3 54 Hình 3.15. Thông lƣợng của các giao thức trong thiết lập 3 54 Hình 3.16. Số gói tin định tuyến của các giao thức trong thiết lập 3 55 Hình 3.17. Năng lƣợng tiêu thụ của các giao thức trong thiết lập 3 55 Hình 3.18. Độ rung pha của các giao thức trong thiết lập 3 56 Hình 3.19. Độ trễ của các giao thức trong thiết lập 4 57 Hình 3.20. Tỉ lệ chuyển phát thành công của các giao thức trong thiết lập 4 57 Hình 3.21. Thông lƣợng của các giao thức trong thiết lập 4 58 Hình 3.22. Số gói tin định tuyến của các giao thức trong thiết lập 4 58 Hình 3.23. Năng lƣợng tiêu thụ của các giao thức trong thiết lập 4 59 Hình 3.24. Độ rung pha của các giao thức trong thiết lập 4 59 Hình 3.25. Độ trễ của các giao thức trong thiết lập 5 61 Hình 3.26. Tỉ lệ chuyển phát thành công của các giao thức trong thiết lập 5 61 xvi
19. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Hình 3.27. Thông lƣợng của các giao thức trong thiết lập 5 62 Hình 3.28. Số gói tin định tuyến của các giao thức trong thiết lập 5 62 Hình 3.29. Năng lƣợng tiêu thụ của các giao thức trong thiết lập 5 63 Hình 3.30. Độ rung pha của các giao thức trong thiết lập 5 63 Hình 3.31. Độ trễ của các giao thức trong thiết lập 6 64 Hình 3.32. Tỉ lệ chuyển phát thành công của các giao thức trong thiết lập 6 65 Hình 3.33. Thông lƣợng của các giao thức trong thiết lập 6 65 Hình 3.34. Số gói tin định tuyến của các giao thức trong thiết lập 6 66 Hình 3.35. Năng lƣợng tiêu thụ của các giao thức trong thiết lập 6 66 Hình 3.36. Trƣợt pha của các giao thức trong thiết lập 6 67 xvii
20. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Chƣơng 1 TỔ NG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU Công nghệ thông tin và viễn thông phát triển làm thay đổi cuộc sống con ngƣời. Một trong những công nghệ mới hiện đang đƣợc ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt đƣợc hiệu quả là công nghệ ZigBee. ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao đƣợc phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4. ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhƣng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài. Các mạng ad- hoc sử dụng sóng vô tuyến tƣơng tự ZigBee đã đƣợc thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức đƣợc tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance. 1.2 TỔNG QUAN 1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 đang đƣợc coi là hƣớng giải quyết hiệu quả cho vấn đề liên lạc trong dải băng tần eo hẹp và liệu pháp sử dụng chung kênh tần số giữa các thiết bị. Với các ƣu điểm là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lƣợng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tƣơng thích cao. ZigBee vừa cho phép mình đƣợc áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển và giám sát không dây, vừa tăng thời gian hoạt động nhờ ít tiêu tốn năng lƣợng cũng nhƣ độ tin cậy và khoảng cách hiệu quả lớn, hoạt động theo mạng lƣới. Vì vậy, nghiên cứu lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp cho ứng dụng mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 là rất cần thiết vì nó quyết định đến hiệu suất của mạng, đóng vai trò quan troṇ g trong vâṇ hành maṇ g, hệ thống hoạt động tiết kiệm năng lƣợng và đạt hiệu quả hơn Các node trong mạng chủ yếu sử dụng năng lƣợng pin để duy trì quá trình hoạt động, 1
21. Nghiên cứu giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 vấn đề tiết kiệm năng lƣợng của các node là cần thiết. Giải thuật định tuyến tốt sẽ giúp tối ƣu truyền thông. Hiện nay hầu hết các tổ chức doanh nghiệp sử dụng các sản phẩm, thiết bị có sẵn giao thức định tuyến, chƣa có giao thức định tuyến theo nhu cầu riêng của mình. Việc đầu tƣ một hệ thống truyền tin, kinh phí lớn cần đƣợc xem xét đến vấn đề lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp nhằm tiết kiệm chi phí, thời gian, đạt tối đa mục đích, nhu cầu cần sử dụng. 1.2.2 Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4, nghiên cứu các đề xuất tại thƣ viện số IEEE Xplore. Trên cở sở ứng dụng phần mềm NS2.32, chạy mô phỏng 08 giao thức định tuyến AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR. Thực hiện 06 thiết lập (48 lần dữ liệu) o Thay đổi tốc độ di chuyển của các node mạng. o Thay đổi mật độ node mạng trong một diện tích. o Thay đổi số lƣợng node nguồn. o Thay đổi tổng số lƣợng node trong mạng. o Thay đổi tốc độ dữ liệu. o Thay đổi kích thƣớc gói tin. Đánh giá ƣu khuyết điểm của các giao thức nghiên cứu, đƣa ra các đề xuất ứng dụng, tìm ra các giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4. 1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Phân tích và tổng hợp lý thuyết, kinh nghiệm thực tiễn và các bài báo khoa học đƣợc công bố trên thƣ viện IEEE Xplore về lĩnh vực viễn thông, khoa học máy tính ; các luận văn, công trình nghiên cứu, tạp chí, sách khoa học chuyên ngành Phƣơng pháp mô phỏng và các phƣơng pháp hỗ trợ khác. Các phƣơng pháp hỗ trợ khác nhƣ sử dụng các công cụ phần mềm NS2, phân tích VMWARE 2
22. S K L 0 0 2 1 5 4