TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU
Công nghệ thông tin và viễn thông đang thay đổi cuộc sống con người, trong đó công nghệ ZigBee nổi bật như một giải pháp hiệu quả cho các mạng liên lạc ZigBee là giao thức truyền thông cao cấp được phát triển dựa trên chuẩn không dây IEEE 802.15.4, phù hợp cho những ứng dụng không yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao nhưng cần bảo mật và thời gian hoạt động dài Các mạng ad-hoc sử dụng sóng vô tuyến tương tự ZigBee đã được nghiên cứu từ cuối những năm 1990, khi các chuyên gia nhận thấy rằng Wifi và Bluetooth không đáp ứng được nhu cầu của nhiều ứng dụng công nghiệp Đến năm 2004, tiêu chuẩn ZigBee chính thức được xác lập và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance.
TỔNG QUAN
1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 đang nổi lên như một giải pháp hiệu quả cho vấn đề liên lạc trong băng tần hạn chế và chia sẻ kênh tần số giữa các thiết bị Với ưu điểm như độ trễ thấp, tiêu thụ năng lượng ít, chi phí thấp, độ tin cậy cao và khả năng mở rộng linh hoạt, ZigBee được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển và giám sát không dây Nghiên cứu lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của mạng và khả năng tiết kiệm năng lượng Các node trong mạng chủ yếu sử dụng pin, do đó, việc tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng là cần thiết, và một giải thuật định tuyến hiệu quả sẽ giúp cải thiện khả năng truyền thông.
Hiện nay, nhiều tổ chức doanh nghiệp vẫn sử dụng các sản phẩm và thiết bị với giao thức định tuyến có sẵn, mà chưa phát triển giao thức riêng Để tối ưu hóa chi phí và thời gian khi đầu tư vào hệ thống truyền tin, việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp là rất quan trọng, nhằm đáp ứng tối đa nhu cầu sử dụng.
Tìm hiểu công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4, nghiên cứu các đề xuất tại thƣ viện số IEEE Xplore
Bài viết này trình bày việc sử dụng phần mềm NS2.32 để mô phỏng tám giao thức định tuyến bao gồm AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi thực hiện sáu thiết lập với tổng cộng 48 lần thu thập dữ liệu, bao gồm việc thay đổi tốc độ di chuyển của các node mạng, mật độ node trong một diện tích, số lượng node nguồn, tổng số lượng node trong mạng, tốc độ dữ liệu và kích thước gói tin.
Đánh giá các ưu và khuyết điểm của các giao thức nghiên cứu là cần thiết để tìm ra những giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Việc đưa ra các đề xuất ứng dụng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng, đồng thời cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu Nghiên cứu sâu về các giao thức này sẽ hỗ trợ trong việc phát triển các giải pháp mạng hiệu quả hơn cho các ứng dụng IoT.
Phân tích và tổng hợp lý thuyết, kinh nghiệm thực tiễn cùng các bài báo khoa học đã được công bố trên thư viện IEEE Xplore liên quan đến lĩnh vực viễn thông và khoa học máy tính Nghiên cứu bao gồm các luận văn, công trình nghiên cứu, tạp chí và sách khoa học chuyên ngành, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc và toàn diện về các xu hướng và phát triển mới trong ngành.
Phương pháp mô phỏng và các phương pháp hỗ trợ khác
Các phương pháp hỗ trợ khác như sử dụng các công cụ phần mềm NS2, phân
1.2.4 Những đóng góp mới của đề tài
Việc triển khai ứng dụng mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 giúp các tổ chức và doanh nghiệp giảm bớt gánh nặng chi phí đầu tư, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào công nghệ của nhà cung cấp.
Để phát triển tiềm lực công nghệ thông tin - truyền thông trong nước, cần xây dựng một nền tảng vững chắc, giúp chúng ta làm chủ công nghệ và tận dụng hiệu quả lợi ích từ lĩnh vực công nghệ cao, từ đó thúc đẩy sự phát triển kinh tế và xã hội của đất nước.
Tạo điều kiện cho sự phát triển sản phẩm phần mềm trong nước sẽ giúp giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào các sản phẩm nước ngoài, từ đó giảm chi phí đáng kể cho nền kinh tế đang phát triển của chúng ta.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Vào năm 2013, bài báo của Đỗ Đình Cường và Nguyễn Anh Chuyên đã được công bố trên tạp chí KH&CN thuộc trường Đại học Công nghệ Thông tin.
Đại học Thái Nguyên đã tiến hành nghiên cứu về các giao thức định tuyến đa đường nhằm giảm thời gian trễ trong mạng MANET Nghiên cứu chỉ ra những nhược điểm của các giao thức định tuyến đơn đường truyền thống trong mạng không dây không cấu trúc Để khắc phục vấn đề này, một số giao thức định tuyến đa đường đã được đề xuất với mục tiêu giảm thời gian trễ khi truyền dữ liệu Công trình này được công bố trong quyển “Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tác tử thông tin” vào tháng 6/2014, do ba tác giả Cung Trọng Cường, Nguyễn Thúc Hải thực hiện.
Võ Thanh Tú đã đề xuất cải tiến giao thức AODV bằng cách sử dụng toán tử di động Mặc dù có nhiều nghiên cứu về các giao thức định tuyến trong mạng MANET, nhưng vẫn chưa có công trình nào công bố tìm ra giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các tính năng của mạng định tuyến không dây ZigBee Một nghiên cứu tiêu biểu vào năm 2010 đã đề xuất các biện pháp giảm chi phí sử dụng mà vẫn đảm bảo tỷ lệ phân phối gói dữ liệu và chiều dài đường truyền của mạng ZigBee.
Tác giả trong nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất của cây định tuyến sẽ tối ưu khi các nút di chuyển ít hơn 3 lần trong 100 giây Khi các nút di chuyển vượt quá 4 lần, cần áp dụng các phương pháp phát hiện định tuyến để đảm bảo hiệu quả.
Nghiên cứu về hiệu suất hoạt động của các giao thức định tuyến AODV, DSDV, OLSR và DSR trong mạng MANET đã chỉ ra rằng mỗi giao thức có những ưu điểm riêng phù hợp với từng kịch bản như tỷ lệ gói tin thành công, độ trễ truyền tin và số lượng gói tin thất thoát Tương tự, nghiên cứu gần đây của M Manjunath và D H Majaiah vào tháng 3 năm 2015 đã phân tích hiệu suất của các giao thức AODV, SAODV, DSDV và AOMDV trong mạng MANET thông qua mô phỏng NS2 Kết quả cho thấy AODV nổi bật về tiết kiệm năng lượng, trong khi SAODV lại có lợi thế về thời gian trễ ngắn và cung cấp thông lượng cao hơn so với các giao thức khác.
Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá và so sánh tám giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4, nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho các ứng dụng trong mạng không dây Mặc dù có nhiều nghiên cứu trước đây sử dụng mô phỏng NS2 để phân tích các thuật toán định tuyến, nhưng chưa có công trình nào công bố về sự phù hợp của các giao thức định tuyến cho mạng ZigBee Mục tiêu chính của đề tài là xác định giao thức định tuyến hiệu quả nhất cho các ứng dụng trong môi trường mạng này.
Ngoài phần danh mục tài liệu tham khảo, nội dung của đề tài gồm 5 chương
Chương 1: Tổng quan về công ngh ệ ZigBee, giao thức định tuyến, các kết quả nghiên cứu đã công bố, mục đích, nhiệm vụ, giới hạn của đ ề tài và phương pháp nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết, nhằm phân tích m ột số thuật toán định tuyến truyền thống trên hệ thống mạng, tƣ̀ đó rút ra ƣu khuyết điểm mà các giao thức truyền thống có thể áp dụng cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Thông qua viê ̣c phân lo ại các giao thức định tuyến, thực hiện so sánh và đánh giá các giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4
Mô phỏng một số giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4
Các giao thức định tuyến như AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR được so sánh và đánh giá hiệu năng để xác định sự phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về khả năng tối ưu hóa định tuyến trong môi trường mạng này.
Chương 4: So sánh, đánh giá, đề xuất
Chương 5: Kết luâ ̣n và hướng phát triển tiếp theo
Trong quá trình nghiên cứu, do hạn chế về khả năng và thời gian thực hiện, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ dẫn, nhận xét và góp ý từ quý Thầy Cô, bạn bè và đồng nghiệp để hoàn thiện luận văn này hơn nữa.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái quát về mạng WPAN
WPAN, hay mạng vô tuyến cá nhân, được thiết kế để truyền thông tin trong các khoảng cách ngắn mà không cần nhiều cơ sở hạ tầng như mạng WLAN Điều này cho phép WPAN cung cấp các giải pháp liên lạc hiệu quả, tiết kiệm chi phí và kích thước nhỏ gọn, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu suất cao, đặc biệt trong các băng tần hạn chế.
IEEE 802.15 có thể chia ra làm 3 loại mạng WPAN, đƣợc phân biệt thông qua tốc độ truyền, mức độ tiêu hao năng lƣợng và chất lƣợng dịch vụ QoS
WPAN tốc độ cao (chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp với các ứng dụng đa phương tiện yêu cầu chất lượng dịch vụ cao
WPAN với tốc độ trung bình theo chuẩn IEEE 802.15.1/Bluetooth được sử dụng rộng rãi trong các mạng từ điện thoại di động đến máy tính cá nhân và PDA, đồng thời đảm bảo QoS phù hợp cho thông tin thoại.
WPAN tốc độ thấp (IEEE 802.15.4/LR-WPAN) được sử dụng trong các sản phẩm công nghiệp lâu dài và ứng dụng y học với yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp Công nghệ này không đòi hỏi tốc độ truyền tin cao và chất lượng dịch vụ (QoS) tốt, nhờ đó, LR-WPAN có khả năng tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
2.1.2 Phân loại các chuẩn WPAN
Tốc độ Phạm vi Cấu hình mạng Tính năng khác
802.15.1 1 Mbps 10m -100m 8 thiết bị Xác thực, mã hóa, ứng dụng truyền âm
10m 256 thiết bị Truy cập nhanh các ứng dụng đa phương tiện
802.15.4 250 Kbps Tùy theo thiết lập 1m- 100m Trung bình 10m
(256 thiết bị hoặc nhiều hơn) Kiểu mạng ngang hàng
Tuổi thọ pin kéo dài nhiều tháng
Bảng 2.1: Phân loại các chuẩn WPAN
2.2 Khái quát về ZigBee/IEEE 802.15.4
Xu hướng hiện nay trong các ngành công nghiệp không dây là tăng cường thông lượng và dữ liệu tốc độ cao Các ứng dụng kết nối không dây đơn giản yêu cầu thông lượng lớn, tiêu thụ năng lượng thấp, khoảng cách ngắn và chi phí hợp lý, đồng thời có khả năng hoạt động lâu dài mà không cần can thiệp của con người Mạng ZigBee đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, khu dân cư và y tế.
Hình 2.2 Các thành viên chính trong hiệp hội các nhà phát triển ZigBee
Giao thức ZigBee sử dụng tín hiệu vô tuyến để truyền thông tin, hoạt động trên các dải tần số khác nhau Trong dải 868.3 MHz, ZigBee chỉ có một kênh tín hiệu với tốc độ truyền đạt 20 kb/s Trong khi đó, dải tần 902 MHz - 928 MHz cung cấp 10 kênh tín hiệu, cho phép truyền tải dữ liệu hiệu quả hơn.
Giao thức ZigBee hoạt động trong dải tần 2.4 GHz – 2.835 GHz, cung cấp 16 kênh tín hiệu từ 11 đến 26, với tốc độ truyền tối đa lên đến 250 kb/s Dải tần này rất phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị, giúp người dùng dễ dàng kết nối và truyền tải dữ liệu Mỗi kênh tín hiệu cách nhau 5 MHz, tạo ra một môi trường truyền thông hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 2.3 Kiến trúc của một thiết bị ZigBee
Công nghệ ZigBee được phát triển dựa trên hai tầng PHY và MAC theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, mang lại tính tin cậy, đơn giản, tiết kiệm năng lượng và khả năng thích ứng cao Nhờ vào kiến trúc linh hoạt của thiết bị ZigBee, các nhà sản xuất có thể chế tạo sản phẩm đa dạng mà vẫn đảm bảo tính tương thích với nhau.
2.2.2 Kiến trúc liên kết mạng
ZigBee và tổ chức chuẩn IEEE đã phát triển một số cấu trúc mạng cho công nghệ ZigBee, bao gồm mạng hình sao (Star), mạng mắt lưới (Mesh) và mạng bó cụm hình cây (Cluster-Tree) Sự đa dạng này cho phép ZigBee được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có khả năng truyền tin trong khoảng cách từ 10-90m, tùy thuộc vào môi trường và công suất phát.
Hình 2.2.Các kiểu cấu trúc liên kết mạng
Mạng Ƣu điểm Nhƣợc điểm
Hình sao 1 Dễ dàng để đồng bộ hóa
2 Hỗ trợ hoạt động điện năng thấp
Hình cây 1 Chi phí định tuyến thấp
2 Có thể hình thành siêu khung để hỗ trợ chế độ chờ
3 Cho phép truyền thông qua nhiều node trung gian
4 điều phối viên và các bộ định tuyến có thể thông báo cảnh báo
1 Xây dựng định tuyến lại là tốn kém
2 Độ trễ có thể khá dài
Mắt lưới 1 Thế mạnh truyền thông qua nhiều node trung gian
2 Mạng lưới là linh hoạt hơn
1 Không thể tạo siêu khung (và do đó không thể hỗ trợ chế độ chờ )
2 Lộ trình định tuyến là tốn kém
3 Cần lưu trữ bảng định tuyến đèn hiệu thường không được phép
4 Thiết bị trong một mạng lưới chỉ có thể giao tiếp với nhau bằng cách truyền điểm tới điểm
Bảng 2.2: Ƣu và nhƣợc điểm của các cấu hình mạng 2.2.3 Các ứng dụng sử dụng ZigBee
Mạng ZigBee được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, thương mại, thiết bị điện tử tiêu dùng, đồ chơi, máy tính cá nhân, thiết bị ngoại vi, chăm sóc sức khỏe cá nhân, và tự động hóa nhà ở Công nghệ này cho phép kết nối và giao tiếp thông qua các nút cảm biến không dây, mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý và điều khiển thiết bị trong các ứng dụng khác nhau.
Hình 2.4 Các ứng dụng của ZigBee
Hình 2.5 Một hệ điều khiển nhà thông minh đơn giản
Các giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR 12
Định tuyến là quá trình lựa chọn các tuyến đường trên mạng để dữ liệu được gửi đến đúng địa chỉ Bộ định tuyến kiểm tra địa chỉ đích trong tiêu đề gói IP và xác định chặng tiếp theo để chuyển gói tin đến đích Quá trình này tiếp diễn cho đến khi gói IP đến nơi cần đến Để thực hiện điều này, bộ định tuyến cần có giao thức định tuyến được cấu hình trong bảng định tuyến, do đó việc xây dựng bảng định tuyến là rất quan trọng Các bộ định tuyến phải ghi nhớ thông tin về các tuyến đường đến mạng khác; nếu sử dụng định tuyến động, chúng sẽ tự động cập nhật thông tin từ các bộ định tuyến khác, trong khi định tuyến tĩnh yêu cầu quản trị viên mạng cấu hình thủ công.
2.3.2 Phân loa ̣i các giao thƣ́c định tuyến trong mạng ZigBee
Trong mạng ZigBee, các nút mạng được xác định là có đầy đủ chức năng, cho phép thực hiện cả định tuyến và điều phối mạng Giao thức định tuyến trong mạng ZigBee được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table-Driven Routing), hay còn gọi là giao thức chủ ứng (Proactive), yêu cầu mỗi nút trong mạng duy trì bảng định tuyến chứa thông tin về tất cả các nút khác Thông tin này được cập nhật định kỳ để đảm bảo bảng định tuyến luôn có dữ liệu mới nhất Một số giao thức hoạt động theo nguyên tắc này bao gồm DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), WRP (Wireless Routing Protocol) và GSR (Global State Routing).
Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu (On-Demand Routing), hay còn gọi là giao thức phản ứng (Reactive), tạo ra các tuyến đường khi có nhu cầu Khi một nút cần một tuyến đến đích, nó sẽ khởi đầu quá trình khám phá tuyến để tìm đường đến đích, quá trình này kết thúc khi tìm thấy tuyến đường sẵn sàng hoặc đã kiểm tra tất cả các tuyến khả thi Tuyến đường đã khám phá sẽ được duy trì cho đến khi không còn truy cập được từ nút nguồn hoặc không còn cần thiết Nhờ cơ chế này, các giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu không phát bản tin đến các nút lân cận về thay đổi bảng định tuyến, giúp tiết kiệm tài nguyên mạng Một số giao thức tiêu biểu bao gồm AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV, VSDE, GPSR, và DSR.
Giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid Routing) kết hợp cả hai cơ chế định tuyến chủ động (Proactive) và phản ứng (Reactive), phù hợp cho các mạng quy mô lớn với mật độ nút mạng dày đặc Một số giao thức định tuyến kết hợp tiêu biểu bao gồm ZPR và ZHLS.
2.3.3 Các giao thức phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.15.4
This article focuses on exploring eight routing protocols, namely AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV, and GPSR Among these, AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) is highlighted for its significance in the study.
Giao thức định tuyến AODV là một trong những giao thức phản ứng theo yêu cầu trong mạng ZigBee, cho phép phát gói tin tìm đường khi cần thiết AODV duy trì thông tin bảng định tuyến thông qua nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm việc sử dụng bảng định tuyến truyền thống để lưu trữ thông tin với mỗi mục nhập tương ứng với một địa chỉ đích.
AODV sử dụng các entry trong bảng định tuyến để phát gói tin RREP về node nguồn, từ đó node nguồn có thể gửi dữ liệu đến đích Để đảm bảo thông tin trong bảng định tuyến luôn cập nhật, AODV áp dụng kỹ thuật Sequence Number nhằm nhận diện và loại bỏ các tuyến đường không còn giá trị Mỗi node được cấp một bộ Sequence Number riêng, và quá trình định tuyến bao gồm việc khám phá tuyến đường cũng như duy trì thông tin định tuyến.
* Khám phá tuyến (Route Discovery):
Cơ chế tạo thông tin định tuyến được thiết lập khi nút nguồn cần trao đổi thông tin với nút khác trong mạng Trong hệ thống mạng ZigBee sử dụng giao thức AODV, mỗi nút luôn duy trì thông tin định tuyến để đảm bảo khả năng kết nối và truyền tải dữ liệu hiệu quả.
2 bộ đếm: Bộ đếm Sequence Number và Bộ đếm REQ_ID Cặp thông tin
là định danh duy nhất cho một gói tin RREQ
Tiến trình Route Discovery bắt đầu khi một node cần trao đổi dữ liệu với một node khác mà không có thông tin định tuyến trong bảng của nó Khi đó, node sẽ phát một gói RREQ đến các node láng giềng Gói RREQ này chứa thông tin quan trọng như địa chỉ đích, địa chỉ nguồn, số hop-count, số Sequence Number của node nguồn, số broadcast ID, và giá trị Sequence Number cuối cùng được biết của node đích.
Hình 2.7 Lưu đồ cơ chế xử lý khám phá tuyến tại node của AODV
Trước đó node chưa nhận RREQ?
Không có đường trong Router cache?
Có đường nhưng DSN của Router cache nhỏ hơn DSN của RREQ
Phản hồi RREP về nguồn
-Thiết lập đường dẫn ngược về node phát
Phát RREQ đến các hàng xóm
Thêm vào Router cache của node
Bắt đầu tiến trình khám phá tuyến tại nguồn S
Kết thúc tiến trình khám phá đường
Kết thúc tiến trình xử lý gói RREQ đã nhâ ̣n
Hình 2.8 Các trường trong gói tin RREP
* Duy trì thông tin định tuyến:
Cơ chế hoạt động của AODV không yêu cầu thông tin về các nút láng giềng, mà chỉ dựa vào các entry trong bảng định tuyến Khi một nút phát hiện rằng chặng kế tiếp không thể tìm thấy, nó sẽ phát một gói RRER (Route Error) khẩn cấp Gói tin này có số Sequence number tăng thêm 1 và Hop count bằng ∞, được gửi đến tất cả các nút láng giềng đang ở trạng thái active Những nút này tiếp tục chuyển gói tin đến các nút láng giềng của chúng cho đến khi tất cả các nút trong mạng ở trạng thái active nhận được gói tin.
Sau khi nhận thông báo về node hỏng, các node sẽ xóa tất cả các tuyến đường liên quan và có thể khởi động lại quá trình phát hiện tuyến đường (Route discovery) nếu cần thiết để định tuyến dữ liệu đến node bị hỏng Điều này được thực hiện bằng cách gửi một gói tin RREQ đến các node lân cận nhằm tìm kiếm địa chỉ đích Giao thức AOMDV (Ad Hoc On-Demand Multipath Distance Vector) hỗ trợ quá trình này.
AOMDV là một giao thức định tuyến mở rộng dựa trên AODV, chia sẻ nhiều đặc điểm như định tuyến theo véctơ khoảng cách và phương pháp hop-by-hop Tuy nhiên, điểm khác biệt chính giữa AOMDV và AODV là khả năng định tuyến đa đường của AOMDV, trong khi AODV chỉ hỗ trợ định tuyến đơn đường.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích các đặc điểm của giao thức thông qua bốn phần chính: cấu trúc bảng định tuyến, quy trình khám phá tuyến, duy trì tuyến và việc gửi các gói dữ liệu trong mạng.
Bảng định tuyến của giao thức AOMDV khác biệt so với AODV nhờ vào trường mới là advertised hopcount Ngoài ra, AOMDV còn sử dụng một danh sách tuyến để lưu trữ thông tin về các tuyến thay thế, bao gồm các yếu tố như next hop, last hop, hop count và thời gian chờ.
Hình 2.14 Cấu trúc bảng định tuyến của AOMDV c Giao thức VSDE (Valid Source Destination Edges Routing)
Kết luận chương 2
Định tuyến là một yếu tố quan trọng trong việc truyền tin trên các hệ thống mạng Chương này trình bày các thuật toán định tuyến truyền thống và đặc điểm của chúng trong hệ thống mạng ZigBee Bên cạnh đó, bài viết phân loại các giao thức định tuyến và phân tích chi tiết một số giao thức điều khiển theo yêu cầu trên mạng ZigBee, đồng thời đánh giá khả năng áp dụng của các giao thức này trong các môi trường mạng khác nhau.
MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG
Thiết lập 1 (Thay đổi tốc độ di chuyển của các node mạng)
ZigBee là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm năng lượng và không thể sử dụng mạng có dây, như trong quản lý phương tiện giao thông công cộng như xe buýt, xe khách, xe hàng và tàu hỏa.
Khi các phương tiện tiếp cận các trạm trên tuyến đường, chúng sẽ tự động gửi tín hiệu cho các trạm để thông báo và ra quyết định phù hợp.
Khi đoàn tàu hỏa tiến gần đến khu vực nguy hiểm, một trạm ZigBee cố định sẽ nhận tín hiệu không dây từ tàu, từ đó điều khiển các đèn hiệu và cổng rào gần đó, đồng thời thông báo vị trí hiện tại của tàu cho trung tâm điều hành.
Vấn đề được nêu ra nhấn mạnh tầm quan trọng của các chỉ số như thời gian trễ, tỷ lệ chuyển phát thành công và năng lượng tiêu thụ của các node mạng Những chỉ số này đóng vai trò quyết định trong việc đánh giá hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống mạng.
Mạng phải chuyển phát được thông tin của các phương tiện trong thời gian trễ cho phép để mọi tình huống đều đƣợc kiểm soát kịp thời
Tỉ lệ chuyển phát thành công cần đạt mức cao để đảm bảo không bị mất mát thông tin, đồng thời giảm thiểu thời gian và năng lượng cần thiết cho việc truyền tải thông tin.
Năng lƣợng tiêu thụ của mạng phải nhỏ để giảm tần số bảo trì và có thể ứng
Các thông số của thiết lập đƣợc thể hiện trong bảng 3.1:
Bảng 3.1: Thiết lập mô phỏng 1
Các thông số Thiết lập 1
Mô hình lan truyền không dây Two Ray Ground
Các giao thức định tuyến AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV,VSDE,
Kích thước gói tin (Byte) 1000
Tốc độ dữ liệu (Mb/s) 0.25
Mô hình truyền thông CBR
Khoản cách truyền tối đa (m) 40
Mật độ node (Nodes/km^2) 120
Thời gian giữa các lần chuyển hướng di chuyển (s) 4
Thiết lập 2 (Thay đổi mật độ node mạng trong một diện tích)
Trong chẩn đoán và điều trị bệnh nhân, việc đo và theo dõi các thông số sinh học là rất quan trọng Các chỉ số sinh học chính trong ngành y tế bao gồm hàm lượng khí trong máu, huyết áp, nhịp tim và nhiệt độ cơ thể.
Việc ứng dụng hệ thống mạng không dây trong theo dõi bệnh nhân mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho cả bệnh nhân lẫn nhân viên y tế Nhờ vào việc sử dụng máy tính tại các vị trí khác nhau trong bệnh viện, nhân viên y tế có thể theo dõi tình trạng của bệnh nhân từ xa, miễn là bệnh nhân được kết nối với mạng.
Khi mạng cảm biến ZigBee được triển khai trong môi trường có nhiều node, như trong bệnh viện với sự tập trung đông đảo bệnh nhân vào giờ ăn trưa, mật độ node mạng sẽ tăng cao Do đó, việc khảo sát khả năng đáp ứng của các giao thức định tuyến trong điều kiện thay đổi mật độ node là rất quan trọng và cần thiết.
Với vấn đề đƣợc nêu ra, tỉ lệ chuyển phát thành công cũng nhƣ năng lƣợng tiêu thụ của các node mạng là rất quan trọng
Tỉ lệ chuyển phát thành công phải đủ cao để không bị mất nhiều thông tin cũng nhƣ tốn hao năng lƣợng khi truyền lại thông tin
Năng lƣợng tiêu thụ của mạng phải nhỏ để giảm tần số bảo trì và phiền toái cho người bệnh cũng như trung tâm
Bảng 3.2: Thiết lập mô phỏng 2
Các thông số Thiết lập 2
Mô hình lan truyền không dây Two Ray Ground
Các giao thức định tuyến AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV, VSDE,
Kích thước gói tin (Byte) 1000
Tốc độ dữ liệu (Mb/s) 0.25
Mô hình truyền thông CBR
Khoảng cách truyền tối đa (m) 40
Mật độ node (Nodes/km^2) 44, 64, 84, …, 164
Thời gian giữa các lần chuyển hướng di chuyển (s) 10
Thiết lập 3 (Thay đổi số lƣợng node nguồn)
Trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, việc điều khiển có hồi tiếp từ các thiết bị cảm biến là yếu tố thiết yếu Tuy nhiên, mô hình thu thập dữ liệu có dây gặp khó khăn do sự phức tạp của mạng lưới cáp khi số lượng cảm biến lên đến hàng trăm hoặc hàng nghìn Nếu xảy ra sự cố trên đường truyền, thời gian xác định và khắc phục sự cố sẽ rất lớn, dẫn đến trì trệ và giảm hiệu suất sản xuất.
Việc áp dụng ZigBee cho mạng cảm biến không dây trong các dây chuyền sản xuất là lựa chọn tối ưu nhờ vào việc tiêu thụ năng lượng rất thấp, cho phép kéo dài thời gian giữa các lần bảo trì cảm biến lên đến vài tháng Thêm vào đó, việc thay đổi hệ thống trở nên dễ dàng hơn do không cần can thiệp nhiều vào các bó dây hiện có Các cảm biến có thể được lắp đặt ở những vị trí khó tiếp cận nguồn điện như mái nhà, ống khói, hoặc bồn nước mà vẫn đảm bảo an toàn điện.
Trong dây chuyền sản xuất, việc trạm trung tâm đưa ra quyết định điều khiển chính xác phụ thuộc vào thông tin được gửi từ nhiều cảm biến cùng một lúc Nếu các tuyến thông tin từ cảm biến đến trung tâm bị gián đoạn hoặc dữ liệu không được truyền kịp thời, hậu quả có thể rất nghiêm trọng Do đó, việc thiết lập và điều chỉnh số lượng nguồn phát thông tin trong mạng là cực kỳ quan trọng và cần được xem xét kỹ lưỡng.
Với nhiều nguồn phát, các chỉ số như thời gian trễ, tỷ lệ chuyển phát thành công và năng lượng tiêu thụ của các node mạng đều quan trọng và tương đương nhau.
Mạng phải chuyển phát được thông tin của các phương tiện trong thời gian trễ cho phép để mọi tình huống đƣợc kiểm soát kịp thời
Tỉ lệ chuyển phát thành công cần đạt mức cao để đảm bảo các thông tin quan trọng không bị bỏ sót Đồng thời, năng lượng tiêu thụ của mạng phải được tối ưu hóa để giảm tần suất bảo trì, giúp ứng dụng hiệu quả ngay cả ở những vùng địa hình khó khăn.
Bảng 3.3: Thiết lập mô phỏng 3
Các thông số Thiết lập 3
Mô hình lan truyền không dây Two Ray Ground
Các giao thức định tuyến AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV, VSDE,
Kích thước gói tin (Byte) 1000
Tốc độ dữ liệu (Mb/s) 0.25
Mô hình truyền thông CBR
Khoảng cách truyền tối đa (m) 40
Mật độ node (Nodes/km^2) 120
Thời gian giữa các lần chuyển hướng di chuyển (s) 10
Thiết lập 4 (Thay đổi tổng số lƣợng node trong mạng)
Ngôi nhà thông minh cho phép chúng ta dễ dàng điều khiển và giám sát các thiết bị dân dụng như quạt trần, cổng rào, hệ thống tưới nước và nhiều thiết bị khác thông qua một bộ điều khiển trung tâm Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống mạng có dây có thể làm giảm tính thẩm mỹ của ngôi nhà và gây khó khăn trong việc thay đổi bố trí hoặc thêm mới các thiết bị.
Việc sử dụng ZigBee trong hệ thống điều khiển và giám sát giúp cải thiện tính thẩm mỹ, linh hoạt trong việc thay đổi vị trí và quản lý số lượng thiết bị trong ngôi nhà thông minh.
Trong ngôi nhà, các thiết bị không cần truyền thông liên tục và không yêu cầu thời gian trễ nghiêm ngặt Tuy nhiên, khi số lượng thiết bị điều khiển lớn, quá trình định tuyến và truyền thông của mạng sẽ ảnh hưởng đáng kể đến năng lượng tiêu thụ cũng như thời gian bảo trì và thay mới, gây phiền toái cho người sử dụng Do đó, nghiên cứu đáp ứng của ZigBee với các giao thức khác nhau trong điều kiện có nhiều thiết bị trong mạng là rất quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của ZigBee trong môi trường như ngôi nhà thông minh.
Với sự gia tăng số lượng thiết bị kết nối, quá trình định tuyến mạng có thể gặp phải tình trạng quá tải, dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực đến các chỉ số quan trọng như thời gian trễ, tỷ lệ chuyển phát thành công và mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị mạng.
Bên cạnh đó, thông tin phải đƣợc chuyển phát đến đích trong thời gian trễ cho phép để mọi tình huống đƣợc kiểm soát kịp thời
Tỉ lệ chuyển phát thành công phải đủ cao để các thông tin có tính ảnh hưởng lớn không bị bỏ sót
Năng lƣợng tiêu thụ của mạng phải nhỏ để giảm tần số bảo trì thiết bị
Bảng 3.4: Thiết lập mô phỏng 4
Các thông số Thiết lập 4
Mô hình lan truyền không dây Two Ray Ground
Các giao thức định tuyến AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV,
Kích thước gói tin (Byte) 1000
Tốc độ dữ liệu (Mb/s) 0.25
Mô hình truyền thông CBR
Khoảng cách truyền tối đa (m) 40
Mật độ node (Nodes/km^2) 120
Thời gian giữa các lần chuyển hướng di chuyển (s) 10
Thiết lập 5 (Thay đổi tốc độ dữ liệu)
3.5.1 Đặt vấn đề biến đôi khi phải lắp ở giữa đại dương, hang động, mạch nước ngầm, ở những vùng rừng núi hiểm trở mà việc cấp năng lượng hay phủ sóng diện rộng tưởng chừng là không thể Hơn nữa, do vị trí lắp đặt các cảm biến là những nơi hiểm trở, khó tiếp cận, tuổi thọ pin của thiết bị là một yếu tố quan trọng
Việc tích hợp ZigBee vào mạng cảm biến dự báo thảm họa mang lại nhiều lợi ích đáng kể Đặc biệt, tuổi thọ pin của các cảm biến sử dụng công nghệ ZigBee có thể kéo dài từ vài tháng đến một năm, giúp giảm thiểu chi phí bảo trì Hơn nữa, các thiết bị hỗ trợ ZigBee tiêu thụ ít năng lượng, cho phép truyền dữ liệu trực tiếp đến trạm trung tâm hoặc thông qua các thiết bị trung gian cùng chức năng Điều này rất hữu ích trong những khu vực khó tiếp cận, nơi người dùng chỉ cần đặt các nút mạng ở khoảng cách phù hợp để đảm bảo thông tin được truyền về trạm chính, như ví dụ về việc đặt nút ở đầu hang và các thiết bị ở giữa và cuối hang.
Trong các ứng dụng dân dụng, người dùng thường không quá quan tâm đến tốc độ truyền dữ liệu, vì thời gian trễ do tốc độ truyền gây ra thường không dễ nhận thấy Tuy nhiên, đối với các ứng dụng dự báo thảm họa tự nhiên, thời gian trễ giữa việc nhận thông tin và chuyển phát thành công thông tin đó lại rất quan trọng Do đó, việc thiết lập tốc độ dữ liệu là cần thiết, vì tốc độ truyền ảnh hưởng đến các yếu tố khác như độ trễ, năng lượng tiêu thụ và tỷ lệ chuyển phát thành công.
Quá trình định tuyến nhanh chóng có thể dẫn đến tình trạng quá tải mạng, ảnh hưởng tiêu cực đến các chỉ số như thời gian trễ, tỉ lệ chuyển phát thành công và mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị mạng Để đảm bảo mọi tình huống được kiểm soát kịp thời, thông tin cần được chuyển phát đến đích trong khoảng thời gian cho phép.
Tỉ lệ chuyển phát thành công cần đạt mức cao để đảm bảo không bỏ sót các thông tin quan trọng Đồng thời, năng lượng tiêu thụ của mạng phải thấp nhằm giảm tần suất bảo trì và có khả năng hoạt động hiệu quả tại những khu vực khó khăn, hiểm trở mà phương tiện phải vượt qua.
Bảng 3.5: Thiết lập mô phỏng 5
Các thông số Thiết lập 5
Mô hình lan truyền không dây Two Ray Ground
Các giao thức định tuyến AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV, VSDE,
Kích thước gói tin (Byte) 1000
Tốc độ dữ liệu (Mb/s) 0.05, 0.1, ,0.25
Mô hình truyền thông CBR
Khoảng cách truyền tối đa (m) 40
Mật độ node (Nodes/km^2) 120
Thời gian giữa các lần chuyển hướng di chuyển (s) 10
Thiết lập 6 (Thay đổi kích thước gói tin)
ZigBee hỗ trợ các ứng dụng điều khiển giám sát với khả năng truyền tải thông tin lớn, như âm thanh và hình ảnh Trong lĩnh vực quân sự, khi cảm biến được lắp đặt bí mật trong rừng phát hiện hoạt động của đối phương, hệ thống camera sẽ tự động kích hoạt để gửi hình ảnh về trạm trung tâm Điều này giúp nâng cao khả năng phán đoán tình hình và đưa ra quyết định kịp thời.
Với khối lượng thông tin lớn, thời gian truyền tin có thể kéo dài, dẫn đến nguy cơ mất gói tin do gián đoạn trong điều kiện truyền thông Do đó, việc thiết lập tăng kích thước gói tin là cần thiết, với các chỉ tiêu quan trọng cần được chú ý như tỷ lệ chuyển phát thành công, năng lượng tiêu thụ, độ trễ và thông lượng.
Trong các ứng dụng quân sự, thông tin truyền tải như âm thanh và hình ảnh trực tiếp cần có băng thông mạng lớn để đảm bảo chất lượng Bên cạnh đó, năng lượng tiêu thụ cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đến kích thước và khả năng ngụy trang của thiết bị.
Bảng 3.6: Thiết lập mô phỏng 6
Các thông số Thiết lập 6
Mô hình lan truyền không dây Two Ray Ground
Các giao thức định tuyến AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV,VSDE,
Kích thước gói tin (Byte) 1000, 2000,…, 6000
Tốc độ dữ liệu (Mb/s) 0.25
Mô hình truyền thông CBR
Khoản cách truyền tối đa (m) 40
Mật độ node (Nodes/km^2) 120
Thời gian giữa các lần chuyển hướng di chuyển (s) 10
