Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu giao thức định tuyến cho mạng Zigbee IEEE 802.15.4

• Tác giả: Nguyễn Thị Xuân Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Phan Văn Ca
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Giao Thức Định Tuyến Phù Hợp Cho Mạng Zigbee/IEEE 802.4
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH CÁ NHÂN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục đích nghiên cứu
• 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
• 1.5. Những đóng góp mới của đề tài
• 1.6. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Khái quát về mạng WPAN
• 2.1.1. Định nghĩa mạng WPAN
• 2.1.2. Phân loại các chuẩn WPAN
• 2.2. Khái quát về ZigBee/IEEE 802.4
• 2.2.1. Kiến trúc liên kết mạng
• 2.2.2. Các ứng dụng sử dụng ZigBee
• 2.2.3. Các giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee/IEEE 802.4 AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR
• 2.3. Giới thiệu về định tuyến trong hệ thống
• 2.3.1. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng ZigBee
• 2.3.2. Các giao thức phù hợp cho mạng ZigBee/802.14 AODV, AOMDV, RAODV, PHRAODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR
• 2.4. Kết luận chƣơng 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG
• 3.1. Cơ chế hoạt động
• 4. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Kết quả và đánh giá các thiết lập
• 4.2. Kết luận và hƣớng phát triển
• 4.3. Hƣớng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về mạng Zigbee và giao thức định tuyến

Mạng Zigbee là một tiêu chuẩn toàn cầu cho mạng không dây cá nhân, được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4. Công nghệ này được thiết kế để phục vụ cho các ứng dụng yêu cầu chi phí lắp đặt thấp và tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Giao thức định tuyến trong mạng Zigbee đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất mạng, đặc biệt trong các ứng dụng IoT. Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp có thể giúp tiết kiệm năng lượng và tăng cường độ tin cậy của mạng. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích và so sánh các giao thức định tuyến hiện có, nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho mạng Zigbee tại HCMUTE.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng mạng không dây ngày càng tăng, đặc biệt trong các ứng dụng như mạng cảm biến và mạng IoT. Giao thức định tuyến không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn quyết định đến khả năng tiết kiệm năng lượng của các thiết bị trong mạng. Việc nghiên cứu và phát triển các giao thức định tuyến phù hợp cho mạng Zigbee là cần thiết để đảm bảo hiệu quả hoạt động và giảm thiểu chi phí cho các tổ chức, doanh nghiệp. Các giao thức như AODV, AOMDV, và DSR đã được nghiên cứu và mô phỏng để đánh giá hiệu suất trong các điều kiện khác nhau.

II. Các giao thức định tuyến trong mạng Zigbee

Trong mạng Zigbee, có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được phát triển để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ứng dụng. Các giao thức như AODV, AOMDV, và DSR được sử dụng phổ biến nhờ vào khả năng thích ứng với các điều kiện mạng khác nhau. Mỗi giao thức có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của mạng. Việc so sánh hiệu suất của các giao thức này trong các thiết lập khác nhau là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các yếu tố như tốc độ di chuyển của thiết bị, mật độ thiết bị, và kích thước gói tin đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của giao thức định tuyến.

2.1. Phân loại giao thức định tuyến

Giao thức định tuyến trong mạng Zigbee có thể được phân loại thành hai nhóm chính: giao thức định tuyến theo yêu cầu và giao thức định tuyến theo bảng. Giao thức AODV thuộc nhóm theo yêu cầu, cho phép tìm kiếm đường đi khi cần thiết, trong khi DSDV sử dụng bảng định tuyến tĩnh. Sự lựa chọn giữa hai loại giao thức này phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và điều kiện hoạt động của mạng. Nghiên cứu này sẽ phân tích hiệu suất của từng giao thức trong các tình huống khác nhau để xác định giao thức nào phù hợp nhất cho mạng Zigbee.

III. Phương pháp nghiên cứu và mô phỏng

Nghiên cứu này sử dụng phần mềm mô phỏng NS2 để thực hiện các thí nghiệm với các giao thức định tuyến khác nhau trong mạng Zigbee. Các thiết lập mô phỏng được thực hiện với nhiều kịch bản khác nhau, bao gồm thay đổi tốc độ di chuyển của thiết bị, mật độ thiết bị, và kích thước gói tin. Mục tiêu là đánh giá hiệu suất của các giao thức trong các điều kiện khác nhau và tìm ra giao thức tối ưu cho mạng Zigbee. Kết quả từ các mô phỏng sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp trong các ứng dụng thực tế.

3.1. Thiết lập mô phỏng

Mô phỏng được thực hiện với sáu thiết lập khác nhau, mỗi thiết lập sẽ thay đổi một yếu tố cụ thể như tốc độ di chuyển của thiết bị hoặc số lượng thiết bị trong mạng. Các thông số như độ trễ, tỷ lệ chuyển phát thành công, và tiêu thụ năng lượng sẽ được ghi nhận và phân tích. Kết quả từ các mô phỏng này sẽ giúp xác định giao thức nào hoạt động hiệu quả nhất trong từng tình huống cụ thể, từ đó đưa ra các khuyến nghị cho việc triển khai mạng Zigbee trong thực tế.

IV. Kết quả và đánh giá

Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng hiệu suất của các giao thức định tuyến khác nhau có sự khác biệt rõ rệt trong các điều kiện mạng khác nhau. Giao thức AODV cho thấy hiệu suất tốt trong các tình huống có mật độ thiết bị cao, trong khi DSR hoạt động hiệu quả hơn trong các mạng có tốc độ di chuyển thấp. Việc đánh giá này không chỉ giúp xác định giao thức phù hợp mà còn cung cấp thông tin cho các nhà phát triển ứng dụng trong việc tối ưu hóa thiết kế mạng. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ mạng cảm biến đến mạng IoT, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống này.

4.1. Đề xuất ứng dụng

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các giao thức định tuyến được đề xuất cho các ứng dụng cụ thể trong mạng Zigbee. Việc lựa chọn giao thức phù hợp không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất truyền thông. Các tổ chức và doanh nghiệp có thể áp dụng các khuyến nghị này để tối ưu hóa hệ thống của mình, từ đó giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả hoạt động. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các ứng dụng dựa trên công nghệ Zigbee, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ mạng không dây ngày càng phát triển mạnh mẽ, trong đó ZigBee dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 được xem là giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí triển khai thấp. ZigBee được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, y tế, công nghiệp, và điều khiển tự động. Tuy nhiên, các thiết bị ZigBee thường bị giới hạn bởi năng lượng pin, dung lượng bộ nhớ và khả năng tính toán, do đó việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hiệu suất mạng.

Luận văn tập trung nghiên cứu và đánh giá hiệu năng của tám giao thức định tuyến phổ biến gồm AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV, VSDE, DSR, DSDV và GPSR trong mạng ZigBee/IEEE 802.15.4. Qua mô phỏng trên phần mềm Network Simulator 2 (NS2), tác giả thực hiện sáu thiết lập khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tốc độ di chuyển của node, mật độ node, số lượng nguồn phát, tổng số node, tốc độ truyền dữ liệu và kích thước gói tin đến hiệu suất của các giao thức.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định giao thức định tuyến phù hợp nhất cho từng thiết lập mạng ZigBee cụ thể, từ đó giúp các nhà phát triển ứng dụng lựa chọn giải pháp tối ưu, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả vận hành mạng. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện từ năm 2013 đến 2015, tập trung vào môi trường mạng ZigBee tại Việt Nam, với ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ thông tin truyền thông trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Mạng không dây cá nhân với phạm vi ngắn, tốc độ truyền dữ liệu thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với các ứng dụng ZigBee. WPAN được phân loại thành ba chuẩn chính: tốc độ cao (IEEE 802.3), tốc độ trung bình (Bluetooth), và tốc độ thấp (IEEE 802.15.4).

• Chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4: ZigBee xây dựng trên nền tảng chuẩn IEEE 802.15.4, cung cấp các cấu trúc mạng hình sao, mạng lưới (mesh) và cây cụm (cluster-tree), với ưu điểm về độ tin cậy, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng mở rộng.

• Các giao thức định tuyến trong mạng ZigBee: Giao thức định tuyến được phân loại thành ba nhóm chính:

  • Proactive (định tuyến theo bảng): Duy trì bảng định tuyến cập nhật liên tục, ví dụ DSDV.
  • Reactive (định tuyến theo yêu cầu): Khám phá tuyến khi cần, ví dụ AODV, DSR.
  • Hybrid (kết hợp): Kết hợp hai phương pháp trên, phù hợp với mạng quy mô lớn.

• Các giao thức định tuyến nghiên cứu: AODV, AOMDV, R-AODV, PHR-AODV, VSDE, DSR, DSDV, GPSR. Mỗi giao thức có cơ chế hoạt động và ưu nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất mạng ZigBee.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Luận văn sử dụng dữ liệu mô phỏng thu thập từ phần mềm Network Simulator 2 (NS2), một công cụ phổ biến trong nghiên cứu mạng không dây.

• Phương pháp phân tích: Thực hiện mô phỏng tám giao thức định tuyến trên sáu thiết lập khác nhau, tổng cộng 48 lần chạy mô phỏng. Các thiết lập bao gồm thay đổi tốc độ di chuyển node, mật độ node, số lượng nguồn phát, tổng số node, tốc độ dữ liệu và kích thước gói tin.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mạng ZigBee mô phỏng với số lượng node thay đổi từ khoảng 20 đến 100, mật độ và cấu trúc mạng được thiết kế phù hợp với các ứng dụng thực tế. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các kịch bản mô phỏng đại diện cho các điều kiện vận hành khác nhau.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2013-2015, với các bước tổng hợp lý thuyết, thiết kế mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển node: Khi tốc độ di chuyển tăng từ thấp đến cao, giao thức AOMDV và PHR-AODV duy trì tỉ lệ chuyển phát gói tin thành công trên 85%, trong khi DSDV giảm xuống dưới 60%. Điều này cho thấy các giao thức đa đường và dựa trên yêu cầu thích nghi tốt hơn với mạng động.

2. Ảnh hưởng của mật độ node: Với mật độ node tăng từ 10 đến 50 node trên diện tích cố định, giao thức VSDE và GPSR thể hiện thông lượng cao hơn 20% so với AODV và DSR, nhờ khả năng định tuyến đa đường và sử dụng vị trí địa lý.

3. Ảnh hưởng số lượng nguồn phát: Khi số lượng nguồn phát tăng, năng lượng tiêu thụ của giao thức DSR tăng nhanh hơn 30% so với AOMDV và PHR-AODV, do DSR phải lưu trữ và xử lý nhiều thông tin định tuyến hơn.

4. Ảnh hưởng kích thước gói tin: Kích thước gói tin tăng từ 64 byte lên 512 byte làm tăng độ trễ trung bình của các giao thức lên khoảng 15-25%, trong đó GPSR có độ trễ thấp nhất nhờ cơ chế chuyển tiếp dựa trên vị trí.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy các giao thức định tuyến đa đường như AOMDV, PHR-AODV và VSDE phù hợp hơn với mạng ZigBee có tính động cao và mật độ node lớn, giúp tăng độ tin cậy và giảm tiêu hao năng lượng. Giao thức GPSR tận dụng thông tin vị trí để tối ưu hóa đường truyền, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp.

Ngược lại, các giao thức định tuyến theo bảng như DSDV không thích hợp với mạng ZigBee do khả năng cập nhật bảng định tuyến chậm và tiêu tốn năng lượng cao khi mạng thay đổi cấu trúc. Các phát hiện này tương đồng với các nghiên cứu trong mạng MANET, nhưng được điều chỉnh phù hợp với đặc điểm tiêu thụ năng lượng và cấu trúc mạng ZigBee.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh tỉ lệ chuyển phát thành công, độ trễ và năng lượng tiêu thụ theo từng giao thức và thiết lập mô phỏng, giúp trực quan hóa hiệu quả từng giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ưu tiên sử dụng giao thức đa đường AOMDV hoặc PHR-AODV cho các ứng dụng ZigBee có tính động cao và mật độ node lớn nhằm tăng tỉ lệ chuyển phát thành công và tiết kiệm năng lượng. Thời gian triển khai: 6-12 tháng; chủ thể: các nhà phát triển hệ thống mạng.

2. Áp dụng giao thức GPSR trong các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp như điều khiển công nghiệp hoặc y tế, tận dụng vị trí địa lý để tối ưu hóa đường truyền. Thời gian triển khai: 3-6 tháng; chủ thể: các nhà tích hợp hệ thống.

3. Tránh sử dụng giao thức định tuyến theo bảng như DSDV trong môi trường ZigBee động, nhằm giảm thiểu tiêu hao năng lượng và độ trễ không cần thiết. Thời gian thực hiện: ngay lập tức; chủ thể: các nhà quản trị mạng.

4. Phát triển công cụ mô phỏng và đánh giá giao thức định tuyến tùy chỉnh dựa trên NS2 để hỗ trợ lựa chọn giao thức phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian phát triển. Thời gian thực hiện: 12 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà phát triển ứng dụng mạng ZigBee: Nghiên cứu giúp lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp, tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho sản phẩm.

2. Các nhà quản trị mạng và kỹ sư hệ thống: Áp dụng kiến thức để thiết kế và vận hành mạng ZigBee hiệu quả, giảm thiểu sự cố và chi phí bảo trì.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông: Tham khảo phương pháp mô phỏng, phân tích giao thức định tuyến và các kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn.

4. Doanh nghiệp công nghệ và nhà cung cấp thiết bị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường, giảm sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần chọn giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ZigBee?
   Việc chọn giao thức phù hợp giúp tối ưu hiệu suất mạng, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành, đặc biệt quan trọng với các thiết bị sử dụng pin như ZigBee.

2. Giao thức nào phù hợp nhất cho mạng ZigBee có nhiều node di động?
   Các giao thức đa đường như AOMDV và PHR-AODV thể hiện hiệu quả cao trong môi trường mạng động nhờ khả năng duy trì nhiều tuyến dự phòng.

3. GPSR có ưu điểm gì so với các giao thức khác?
   GPSR sử dụng thông tin vị trí địa lý để định tuyến, giúp giảm độ trễ và tăng hiệu quả truyền dữ liệu trong các ứng dụng yêu cầu thời gian phản hồi nhanh.

4. Tại sao DSDV không phù hợp với mạng ZigBee?
   DSDV duy trì bảng định tuyến cập nhật liên tục, gây tiêu hao năng lượng lớn và không thích ứng nhanh với sự thay đổi cấu trúc mạng động của ZigBee.

5. Làm thế nào để mô phỏng hiệu quả các giao thức định tuyến?
   Sử dụng phần mềm NS2 với các thiết lập mô phỏng đa dạng về tốc độ, mật độ, số lượng node và kích thước gói tin giúp đánh giá toàn diện hiệu năng giao thức.

Kết luận

• ZigBee/IEEE 802.15.4 là công nghệ mạng không dây tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với nhiều ứng dụng đa dạng.
• Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ mạng ZigBee.
• Nghiên cứu mô phỏng tám giao thức định tuyến trên NS2 với sáu thiết lập khác nhau đã chỉ ra ưu nhược điểm cụ thể của từng giao thức.
• Giao thức đa đường như AOMDV, PHR-AODV và GPSR được khuyến nghị sử dụng trong các môi trường mạng ZigBee khác nhau.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển công cụ mô phỏng nâng cao và ứng dụng thực tế các giao thức phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả mạng ZigBee trong nước.

Hành động đề xuất: Các nhà phát triển và quản trị mạng nên áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn giao thức định tuyến tối ưu, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng nhằm nâng cao năng lực công nghệ trong lĩnh vực mạng không dây.