TRẦN HẢI YẾN
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Trần Hải Yến HỆ THỐNG THÔNG TIN

THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG TRONG
MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

2012 – 2013


NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS Đặng Văn Chuyết
HÀ NỘI - 2014
i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung
của luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên những
tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có
xuất xứ rõ ràng và đƣợc trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo
quy định cho lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2013
Tác giả luận văn
Trần Hải Yến

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE 3
1.1. Tổng quan về IEEE 802.15.4 3
1.2. Cấu hình mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 4
1.3. Mạng cảm biến ZigBee theo chuẩn IEEE 802.15.4 5
1.3.1. Khái niệm 5
1.3.2. Ƣu và nhƣợc điểm của ZigBee 6
1.3.3. Dải tần trong mạng ZigBee 7
1.4. Cấu trúc mạng cảm biến ZigBee 9
1.4.1. Tổng quan 9
1.4.2. Kiến trúc cụ thể của mạng ZigBee 10
1.4.3. Mô hình mạng ZigBee 11
1.4.4. Một số ứng dụng của mạng cảm biến ZigBee 12

3.2.1. Thuật toán AODV 45
3.2.2. Mạng ZigBee 46
3.3. Thử nghiệm 46
3.4. Đánh giá kết quả 48
3.4.1. Thuật toán định tuyến AODV 48
3.4.2. Mạng ZigBee 54
Kết quả trong Nam 54
KẾT LUẬN 57
HƢỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
PHY
Physical Layer
Tầng vật lý
DLL
Data Link Layer
Tầng liên kết dữ liệu
PAN
Private Area Net
Khu vực mạng riêng tƣ
LLC
Logical Link Control
Điều khiển kết nối logic

NL
Network Layer
Tầng mạng
AL
Application Layer
Tầng ứng dụng
NLME
Network Layer Management
Entity
Tầng mạng quản lý
thực thể
vi

NLDE
Network Layer Data Entity
Tầng mạng dữ liệu thực
thể
ZDO
ZigBee Device Object
Đối tƣợng thiết bị
ZigBee
ZAP
ZigBee Application Profile
Hồ sơ ứng dụng ZigBee
ZC
ZigBee Coordinator
Điều phối ZigBee
ZR
ZigBee Router
Định tuyến ZigBee vii

DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang
1.1
Bảng ƣu nhƣợc điểm của ZigBee
6
1.2
So sánh ZigBee và Bluetooth
7
1.3
Nhà cung cấp ZigBee
13


kiến trúc ZigBee
10
1.5
Mô hình tầng ZigBee đơn giản
11
1.6
Các mô hình mạng trong ZigBee
11
1.7
Các ứng dụng trong mạng cảm biến
ZigBee
13
2.1
Định tuyến Anycast -1
15
2.2
Định tuyến Anycast -2
15
2.3
Định tuyến Broadcast
16
2.4
Định tuyến Multicast
16
2.5
Định tuyến Unicast
16
2.6
Mô hình định tuyến ZigBee đơn giản
18

3.8
Toàn bộ 101 node đƣợc khởi tạo trong mô
hình
50
3.9
Quá trình truyền tin của mạng ZigBee
50
3.10
Quá trình truyền tin của mạng ZigBee
51
3.11
Quá trình truyền tin của mạng ZigBee
51

1

MỞ ĐẦU

Mạng viễn thông ngày nay đã tạo ra một cầu nối liên kết loài ngƣời trên khắp
thế giới, con ngƣời sử dụng mạng để trao đổi, quản lý, giao tiếp, mua bán… Việc sử
dụng tai nghe không dây, truy cập wifi đang trở nên quen thuộc và tác động đến đời
sống hàng ngày. Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, mạng cảm
biến không dây xuất hiện ngày một phổ biến với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực
của cuộc sống nhƣ ứng dụng giám sát và điều khiển trong sản xuất, tự động hóa gia

Chƣơng này giới thiệu về công cụ mô phỏng, cách thức cài đặt và kết quả thử
nghiệm, đánh giá 3

Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE

Mạng cảm biến ZigBee đƣợc xây dựng theo chuẩn giao thức IEEE 802.15.4, vì vậy
để có cái nhìn khái quát nhất, ta tìm hiểu qua về chuẩn IEEE 802.15.4
1.1. Tổng quan về IEEE 802.15.4
Chuẩn giao thức IEEE 802.15.4 đƣợc quy định tại tầng vật lý (Physical
Layer- PHY) và tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer – DLL). Nó là chuẩn cho
giao tiếp trong mạng không dây, năng lƣợng thấp. Các thiết bị trong mạng tự tổ
chức thành một mạng nhỏ gọi là mạng cá nhân (Private Area Net – PAN).
IEEE 802.15.4 định nghĩa hai tầng con của tầng DLL – Điều khiển liên kết
logic (Logical Link Control – LLC) và Điều khiển truy cập truyền thông (Media
Acsess Control – MAC). Tầng MAC định nghĩa việc truy cập tới môi trƣờng chung

kết hợp nhiều mạng PAN là có thể, thậm chí khi các mạng PAN đó sử dụng chung
một tần số. Với cấu trúc tự tổ chức, các mạng PAN rất dễ dàng bảo trì và tự sửa lỗi.
1.2. Cấu hình mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4
Chuẩn IEEE 802.15.4 cung cấp 2 cấu hình mạng cơ bản, mạng hình sao
(Star) và mạng ngang hàng (Peer-to-Peer).
Trong mạng hình sao, một node trung tâm là FFD. Node trung tâm sẽ chịu
trách nhiệm đảm bảo giao tiếp giữa các RFD trong mạng. Khi một RFD muốn giao
tiếp với một RFD khác trong mạng, nó bắt buộc phải giao tiếp thông qua node trung
tâm. Mạng cấu hình này sẽ làm quá tải node trung tâm, và khi node trung tâm bị
hỏng thì mọi giao tiếp giữa các thiết bị RFD trong mạng sẽ không thực hiện đƣợc.
Trong mạng ngang hàng, thiết bị FFD sẽ trực tiếp giao tiếp với các thiết bị khác.
Giao tiếp giữa các thiết bị RFD là cho phép, lúc này FFD đóng vai trò nhƣ một bộ
5

chuyển tiếp. Trong mạng này, một thiết bị lỗi có thể đƣợc loại bỏ đi bằng cách tăng
thêm số hàng xóm trực tiếp. Tuy nhiên, với mạng ngang hàng thì việc định tuyến
dọc theo mạng là không thể, khả năng duy nhất để giao tiếp thông qua mạng đó là
sử dụng quảng bá, tuy nhiên việc đó sẽ tăng đƣờng truyền trong mạng.
1.3. Mạng cảm biến ZigBee theo chuẩn IEEE 802.15.4
1.3.1. Khái niệm
Chúng ta đã từng biết đến các chuẩn giao tiếp không dây khá phổ biến nhƣ
:Wimax, 3G, Bluetooth Với các ứng dụng video không dây, dữ liệu không dây,
mạng không dây, cảm biến không dây…. Hình 1.1 : Các ứng dụng không dây
Trong những năm gần đây xuất hiện một chuẩn giao tiếp mới đƣợc ứng dụng
rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đó là mạng ZigBee (đƣợc công bố lần đầu tiên vào
năm 2002 bởi liên minh ZigBee).
Mạng ZigBee đƣợc tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá

Để cho rõ ràng hơn, ta hãy làm một phép so sánh giữa Mạng ZigBee và một
chuẩn không dây cũng khá phổ biến khác. 7

Bảng 1.2: So sánh ZigBee và Bluetooth
Đặc tính
ZigBee
Bluetooth
Tiêu thụ công suất
10W
100W
Giá thành ( đầu 2005)
1,1 $
3$
Độ nhạy
-92dbm(0,63pW)
-62dbm(6,2pW)
Độ linh hoạt
65536 node
(trong sơ đồ sao)
7 node
(trong sơ đồ sao)
Độ an toàn
128 bit mã hóa
64/128 bit mã hóa
Vùng làm việc
Hiệu quả ở 10 - 75m
Hiệu quả ở < 10m

 Mạng không dây bản chất là không tin cậy, nguyên nhân là do đặc
tính vật lý của nó. Kim loại, nƣớc, thậm chí cả cơ thể con ngƣời cũng có thể là vật
cản sóng hoặc ảnh hƣởng tới sóng truyền trong mạng không dây. Tránh một thiết bị
không dây để nhận sóng truyền từ một thiết bị là hết sức dễ dàng. Chính vì thế, các
thiết bị trong mạng ZigBee sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để làm tăng độ tin cậy
của mạng không dây.
 Bảo mật trong mạng ZigBee dựa trên thuật toán chuẩn mã hóa cao cấp
– AES 128. Sự chứng thực và tính toàn vẹn của thông điệp đƣợc cung cấp bởi 1 bộ
mã hóa để đảm bảo độ tin cậy giao tiếp giữa hai node trong mạng. Ý tƣởng của việc
này dựa trên một trung tâm xác thực. Điển hình cho kiểu thiết kế này chính là thiết
bị ZC (ZigBee Coordinator), nó đƣợc thiết kế nhƣ một trung tâm xác thực thông tin.
9

Khi mà khái niệm về trung tâm xác thực đƣợc sử dụng, tất cả khóa cho việc mã hóa
thông tin giữa hai thiết bị đều đƣợc cung cấp bới trung tâm xác thực.
 Mạng ZigBee đƣợc thiết kế và phân phối giống nhƣ một chuẩn mở
toàn cầu. Nó cung cấp mọi khả năng cho các nhà sản xuất có thể sản xuất các thiết
bị dựa trên các đặc tả ZigBee cung cấp với giả rẻ. Hơn thế nữa, sự tƣơng thích giữa
các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau là rất tốt, miễn sao các nhà sản xuất tuân
thủ đúng các chuẩn do mạng ZigBee cung cấp. Đây là một điều có lợi cho ngƣời
tiêu dùng, ngƣời tiêu dùng có thể mua giá rẻ, đƣợc lựa chọn các sản phẩm của các
nhà sản xuất khác nhau mà không cần lo lắng vấn đề tƣơng thích giữa các thiết bị
ZigBee của các nhà sản xuất khác nhau.
1.4. Cấu trúc mạng cảm biến ZigBee
1.4.1. Tổng quan
Trong truyền thông, khi thực hiện một giao thức, ngƣời ta thƣờng dựa trên
một mô hình kiến trúc chuẩn. Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể qui
chiếu tới một lớp nào đó trong mô hình của kiến trúc tƣơng ứng. Trong truyền
thông ta đã biết đến mô hình qui chiếu OSI 7 lớp.
Trong mạng ZigBee, ngƣời ta cũng định nghĩa một kiến trúc giao tiếp, đó là

Hình 1.2: Mô hình tầng ZigBee đơn giản
Hình 1.5 cho ta cái nhìn tổng quan về mô hình tầng ZigBee. Nó mô tả liên
kết giữa ZDO – ZAP cũng nhƣ giữa NLME – NLDE. Hơn thế nữa, bằng cách sử
dụng mô hình đƣợc định nghĩa bởi tầng mạng và tầng ứng dụng, hai tầng trong
ZigBee đã có thể trao đổi thông tin với nhau.
1.4.3. Mô hình mạng ZigBee
Trong truyền thông dùng mạng ZigBee thƣờng hỗ trợ 3 mô hình mạng chính:
mạng hình sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lƣới.

Hình 1.6: Các mô hình mạng trong ZigBee
Trong lớp mạng ZigBee cho phép 3 kiểu thiết bị:
Bộ điều phối Zigbee (ZigBee Coordinator - ZC): Chỉ có duy nhất 1 ZC trong
bất kỳ mạng ZigBee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin về mạng
thông qua cấu hình các kênh, PAN ID và hiện trạng ngăn xếp.
12

Bộ định tuyến Zigbee (ZigBee Router - ZR): Là một thành phần của hệ
thống mạng mà chức năng của nó là thực hiện việc vận chuyển các gói tin trong
mạng. Nó thực hiện các bảng kết nối cũng nhƣ định vị địa chỉ cho các ZED của nó.
Thiết bị cuối Zigbee (ZigBee End Device - ZED): Là một thành phần của hệ
thống mạng nhƣng không tham gia vào quá trình vận chuyển tin. Nó có đƣợc tối ƣu
sao cho công suất tiêu thụ là nhỏ nhất nhờ các chế độ bắt tín hiệu và kỹ thuật “ngủ”
("sleep").
Quá trình thiết lập trong một mạng ZigBee nhƣ sau:
- Quét mạng (Network Scan): Các thiết bị trong mạng sẽ quét các kênh tín
hiệu, ví dụ nếu dùng dải tần 2,4GHz thì sẽ có 16 kênh để quét, sau đó thiết bị sẽ
chọn kênh phù hợp nhất để giao tiếp trong mạng. Ta gọi đó là sự chiếm chỗ
(ocupacy).
- Thiết lập/Gia nhập mạng: Thiết bị có thể tạo ra một mạng trên một kênh
hoặc gia nhập vào một mạng đã tồn tại sẵn.


2.1. Tổng quan định tuyến
2.1.1. Khái niệm
Trong ngành mạng máy tính, định tuyến (tiếng Anh: routing hay routeing)
là quá trình chọn lựa các đƣờng đi trên một mạng máy tính để gửi dữ liệu qua đó.
Việc định tuyến đƣợc thực hiện cho nhiều loại mạng, trong đó có mạng điện thoại,
liên mạng, Internet, mạng giao thông.
Định tuyến chỉ ra hƣớng, sự di chuyển của các gói (dữ liệu) đƣợc đánh địa
chỉ từ điểm nguồn của chúng, hƣớng đến đích cuối thông qua các node trung gian;
thiết bị phần cứng chuyên dùng đƣợc gọi là router (bộ định tuyến). Tiến trình định
tuyến thƣờng chỉ hƣớng đi dựa vào bảng định tuyến, đó là bảng chứa những lộ trình
tốt nhất đến các đích khác nhau trên mạng. Vì vậy việc xây dựng bảng định tuyến,
đƣợc tổ chức trong bộ nhớ của router, trở nên vô cùng quan trọng cho việc định
tuyến hiệu quả.
Các mạng nhỏ có thể có các bảng định tuyến đƣợc cấu hình thủ công, còn
những mạng lớn hơn có topo mạng phức tạp và thay đổi liên tục thì xây dựng thủ
công các bảng định tuyến là vô cùng khó khăn. Tuy nhiên, hầu hết mạng điện thoại
chuyển mạch chung (public switched telephone network - PSTN) sử dụng bảng
định tuyến đƣợc tính toán trƣớc, với những tuyến dự trữ nếu các lộ trình trực tiếp
đều bị nghẽn. Định tuyến động (dynamic routing) cố gắng giải quyết vấn đề này
bằng việc xây dựng bảng định tuyến một cách tự động, dựa vào những thông tin
đƣợc giao thức định tuyến cung cấp, và cho phép mạng hành động gần nhƣ tự trị
trong việc ngăn chặn mạng bị lỗi và nghẽn.
Định tuyến động chiếm ƣu thế trên Internet. Tuy nhiên, việc cấu hình các
giao thức định tuyến động thƣờng đòi hỏi nhiều kinh nghiệm cho nên tốt nhất vẫn là
nên kết hợp giữa định tuyến thủ công và tự động.