Thử nghiệm mô hình mạng lorawan với giao thức định tuyến heat

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH HỒNG KHA THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH MẠNG LORAWAN VỚI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HEAT Chuyên ngành : KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2023 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS PHẠM HOÀNG ANH Cán chấm nhận xét 1: TS LÊ TRỌNG NHÂN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS TRANG HỒNG SƠN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 08 tháng 02 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Chủ tịch: PGS TS TRẦN VĂN HOÀI Thư ký: TS NGUYỄN TIẾN THỊNH GVPB 1: TS LÊ TRỌNG NHÂN GVPB 2: TS TRANG HỒNG SƠN Ủy viên: PGS TS HUỲNH TƯỜNG NGUYÊN Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MÁY TÍNH PGS TS TRẦN VĂN HỒI ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Huỳnh Hoàng Kha MSHV: 2070410 Ngày, tháng, năm sinh: 25/01/1997 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 I TÊN ĐỀ TÀI: THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH MẠNG LORAWAN VỚI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN HEAT TESTING A LORAWAN NETWORK MODEL WITH HEAT ROUTING PROTOCOL II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu, nghiên cứu giao thức định tuyến dùng cho mạng cảm biến không dây - Nghiên cứu, đề xuất phương án cải thiện giao thức định tuyến HEAT - Xây dựng mơ hình mơ giao thức cải thiện phần mềm mô mạng OMNeT++ - Thực mô đánh giá kết thực III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Phạm Hoàng Anh Tp HCM, ngày tháng năm 20 HỘI ĐỒNG NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Phạm Hoàng Anh TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MÁY TÍNH iii LỜI CẢM ƠN Hồn thành Luận Văn điều khó khăn, khơng khối lượng nghiên cứu, mà cịn giới hạn sức khỏe áp lực việc vừa học vừa làm Cơng trình khơng thể hồn thành thiếu ủng hộ, cảm thông, chia sẻ mà bộc bạch lời cảm ơn Người phải nhắc đến TS Phạm Hoàng Anh Thầy Giảng Viên Hướng Dẫn cho Luận Văn đại học tơi Trước đó, Thầy giảng dạy nhiều môn quan trọng Thầy không tâm huyết việc giảng dạy mà tâm lý, thường xuyên nhắc nhở, định hướng cho sinh viên Nhờ mà tơi học cách nhìn nhận, phân tích nhiều vấn đề chun mơn, có phương hướng rõ ràng cho sống Trong đó, tơi lại học trị khơng có bật, chí cịn có nhiều điểm hạn chế so với học trị khác Thầy Sức khỏe tơi không tốt, cần làm việc với cường độ cao thời gian dễ bị ốm, lại phải gián đoạn công việc Tôi chậm chạp, nên gần lúc cần thời gian gấp đơi so với học trị khác Thầy để hoàn thành việc Nhưng Thầy lại kiên nhẫn với tơi cách đáng kinh ngạc Đó điều thực biết ơn sâu sắc điều có sức ảnh hưởng lớn đến cách mà tơi dẫn dắt học trị sau Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Phạm Quốc Cường – chủ nhiệm Bộ mơn Kỹ thuật Máy tính Quý Thầy Cô lãnh đạo khoa Khoa học Kỹ thuật Máy tính trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM tạo điều kiện cho tơi vừa cơng tác vừa học tập Xin cảm ơn Quý Thầy Cô, Quý Anh/Chị đồng nghiệp ln sẵn lịng giúp đỡ cơng việc khoa số vấn đề đời sống Vừa học vừa làm, áp lực lớn Khơng có ủng hộ, tạo điều kiện, giúp đỡ người, tơi khơng hồn thành Luận Văn Cảm ơn ThS Trần Hoàng Quốc Bảo, KS Huỳnh Phúc Nghị xuất kịp thời lúc tơi gặp khó khăn, giúp tơi tháo gỡ khơng vấn đề cơng việc, nhờ tơi dành nhiều thời gian cho Luận Văn Không phần quan trọng, quan tâm, tin tưởng, ủng hộ gia đình chỗ dựa vững Nhờ có gia đình mà tơi không bỏ lúc xuống tinh thần Ngồi ra, gia đình tơi khơng giả, người sẵn sàng hỗ trợ mặt vật chất để tơi tập trung vào việc học Tuy nhiên thật may mắn tơi tự lo khoản chi phí Một lần xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến người thân yêu iv TÓM TẮT LUẬN VĂN LoRaWAN đặc tả kỹ thuật phát triển trì LoRa Alliance giúp chuẩn hóa mơ hình hệ thống IoT sử dụng LoRa, giúp chúng dễ dàng tích hợp với nhau, giúp nhà phát triển dễ dàng phối hợp dựa đặc tả, tiêu chuẩn chung Cấu trúc star-of-stars LoRaWAN giúp nodes gửi liệu đến gateway với độ trễ thấp, đồng thời giúp giao tiếp đường xuống thực dễ dàng Nhưng số tình huống, điều kiện hạ tầng mà khơng thể bố trí hệ thống gateways bao phủ tất nodes, cần có giải pháp để nodes ngồi tầm phủ sóng gateway gửi liệu Để giải vấn đề này, kỹ thuật flooding áp dụng sinh số vấn đề dư thừa liệu, tăng đụng độ, tiêu hao nhiều lượng Luận Văn đề xuất cải tiến áp dụng giải thuật định tuyến HEAT vào khu vực nodes gateways, cho phép giao tiếp nhiều hops hiệu Nhằm đánh giá kết thực hiện, mô thực phần mềm OMNeT++ số số tỉ lệ gửi gói thành cơng đến gateways, thơng năng, độ trễ, lượng tiêu thụ,… đo lường báo cáo THESIS ABSTRACT LoRaWAN is a technical specification developed and maintained by the LoRa Alliance It makes LoRa-based IoT systems easy to be integrated Developers are also easy to coordinate in LoRaWAN projects thanks to the mutual specifications and standards The LoRaWAN's star-of-stars topology help nodes send data to gateways with low latency and enable downlink communication But in some scenarios, due to the telecommunication infrastructure condition, engineers couldn't place enough gateways to cover all the nodes Therefore, multi-hop communications are required In such scenarios, the flooding technique may be applied But the flooding technique has some drawbacks: High data redundancy, high collision possibility, and high power consumption on nodes This thesis proposes to revise the HEAT routing algorithm and apply it to the region between nodes and gateways for better multi-hop communications To evaluate the results, some simulations were conducted with OMNeT++ Some key metrics that are measured and reported are packet reception rate, throughput, latency, and power consumption v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan chịu trách nhiệm cơng trình nghiên cứu tơi tự thực hướng dẫn khoa học TS Phạm Hồng Anh theo chương trình đào tạo bậc cao học Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM từ năm 2020 đến 2022 Mọi kết báo cáo trung thực, xác với thực hiện, chưa cơng bố tác giả khác hội nghị, tạp chí, sách Học viên cao học Huỳnh Hoàng Kha vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT LUẬN VĂN v LỜI CAM ĐOAN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG xiii Xây dựng lý thuyết 1.1 Giới thiệu .1 1.1.1 LoRaWAN 1.1.2 Một số giải thuật định tuyến 1.1.3 Vấn đề hướng cải thiện 21 1.2 Khái quát ý tưởng 30 1.2.1 Chiến lược tìm đường 30 1.2.2 Khái niệm “heat” 30 1.2.3 So sánh giá trị “heat” 34 1.2.4 Xác định giá trị “heat” 35 1.2.5 Định tuyến dựa chất lượng dịch vụ node lân cận (Adjacent-QoS-based Routing - AQoSR) 38 1.3 Thiết kế 43 1.3.1 Chống đụng độ 43 1.3.2 Duy trì mạng 52 1.3.3 Cập nhật liệu mạng nodes 54 1.3.4 Tham gia rời mạng 56 1.3.5 Chuyển tiếp liệu 57 1.4 1.4.1 Cấu trúc tin nhắn 63 Cấu trúc tổng quát 63 vii 1.4.2 Mô đo lường 69 2.1 Nội dung .69 2.1.1 Mơ hình mạng mơ 69 2.1.2 Cấu hình mạng mô 71 2.1.3 Nội dung đo lường 77 2.1.4 Phương pháp lấy kết quả, xử lý số liệu, thực thống kê 79 2.2 Các loại gói tin 63 Kết đo lường 86 2.2.1 Kết đo lường với mạng 10 nodes, gateway 86 2.2.2 Kết đo lường với mạng 20 nodes, gateways 102 Kết luận 108 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc liên kết mạng LoRaWAN Hình 1.2 Mơ hình mạng LoRaWAN Hình 1.3 Minh họa giao thức định tuyến DSDV Hình 1.4 Mơ hình mạng sử dụng giao thức định tuyến CGSR 10 Hình 1.5 Lưu đồ giải thuật tính giá trị nhiệt độ nút mạng sử dụng giao thức định tuyến HEAT 13 Hình 1.6 Ví dụ cách định tuyến HEAT 14 Hình 1.7 Phát tán gói tin yêu cầu tuyến đường (RREQ) mạng sử dụng giao thức DSR 16 Hình 1.8 Header gói tin yêu cầu tuyến đường (RREQ) mạng sử dụng giao thức DSR 16 Hình 1.9 Phản hồi tuyến đường mạng sử dụng giao thức DSR 16 Hình 1.10 Phát tán gói tin yêu cầu tuyến đường (RREQ) mạng sử dụng giao thức AODV 17 Hình 1.11 Phản hồi tuyến đường mạng sử dụng giao thức AODV 18 Hình 1.12 Phát tán gói tin truy vấn mạng sử dụng giải thuật định tuyến TORA 20 Hình 1.13 Trọng số nodes cập nhật gói tin mạng sử dụng giải thuật định tuyến TORA 20 Hình 1.14 Mơ hình mạng có số nodes nằm ngồi vùng phủ sóng gateway 22 Hình 1.15 Tình trạng mạng minh họa 10 nodes gateway có gateway Node 0, 1, 2, 3, 5, hoạt động 26 Hình 1.16 Tình trạng mạng minh họa 10 nodes gateway sau có thêm Node khởi động 27 Hình 1.17 Tình trạng mạng minh họa 10 nodes gateway có thêm Node Node khởi động 29 ix Hình 1.18 Ví dụ giá trị trường "nhiệt độ" mạng sử dụng giao thức định tuyến HEAT 31 Hình 1.19 Ví dụ mơ hình sử dụng dịch vụ cung cấp lại dịch vụ vận chuyển liệu gateway 38 Hình 1.20 Ví dụ tương tác nodes mạng 40 Hình 1.21 Ví dụ kỹ thuật định thời giao tiếp khung thời gian 44 Hình 1.22 Ví dụ luồng liệu định thời chuyển tiếp liệu mạng sử dụng kỹ thuật phân chia thời gian 45 Hình 1.23 Minh họa việc nodes quảng bá khung thời gian trống 47 Hình 1.24 Quá trình hai node thiết lập khung thời gian dành riêng để giao tiếp với 49 Hình 1.25 Lưu đồ giải thuật việc thiết lập khung thời gian giao tiếp 50 Hình 1.26 Tổng quát cách phân chia khung thời gian đề xuất 51 Hình 1.27 Các trường bảng liệu trì nodes 52 Hình 1.28 Ví dụ bảng liệu nodes lân cận node 54 Hình 1.29 Giao tiếp hai nodes khung thời gian dành riêng 54 Hình 1.30 Lưu đồ giải thuật việc cập nhật liệu mạng nodes 56 Hình 1.31 Ví dụ trường hợp gửi gián tiếp tốt gửi trực tiếp 57 Hình 1.32 Ví dụ trường hợp tuyến đường tốt khai thác hết thông 58 Hình 1.33 Mơ hình phân phối chuyển tiếp gói tin 60 Hình 1.34 Lưu đồ giải thuật điều phối gói tin (Dispatcher) 61 Hình 1.35 Lưu đồ giải thuật gửi (Deliverer) 62 Hình 1.36 Cấu trúc tổng qt thơng điệp 63 Hình 2.1 Mơ hình mạng mơ với 10 nodes gateway 69 Hình 2.2 Mơ hình mạng mơ với 20 nodes gateways 69 Hình 2.3 Kết xử lý liệu đầu chương trình mơ 83 Hình 2.4 Các vectors lưu thông tin độ trễ gói tin đến gateway, phân loại theo số hop chúng qua 84 x Có thể thấy, nodes gần gateway có luồng liệu phía gateway lớn Một số node khu vực trung tâm có luồng liệu linh hoạt, Node (0A-AA-00-00-00-09), có luồng liệu hai phía đồng Như mạng hoạt động theo thiết kế 2.2.2.2 Tỉ lệ gửi gói thành cơng đến gateway 104 Hình 2.20 Tỉ lệ gửi gói thành cơng đến gateway nodes mạng 20 nodes gateways với tần suất gửi khác áp dụng giao thức định tuyến AQoSR 105 2.2.2.3 Độ trễ Hình 2.21 Độ trễ trung bình đến gateway độ trễ trung bình qua hop nodes mạng 20 nodes gateways với tần suất gửi khác áp dụng giao thức định tuyến AQoSR 106 2.2.2.4 Năng lượng tiêu thụ Hình 2.22 Năng lượng tiêu thụ nodes mạng 20 nodes gateways với nhiều tần suất tạo gửi gói khác áp dụng giao thức định tuyến AQoSR 107 Kết luận Định tuyến mạng cảm biến không dây vấn đề mà từ lâu, nhiều kỹ sư, nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Tuy nhiên, phát triển nhanh chóng khơng ngừng đời sống xã hội xúc tiến trình phát sinh thêm nhiều nhu cầu Cách tiếp cận Luận Văn vận dụng, cải tiến cũ để giải vấn đề mới, đáp ứng nhu cầu tìm thấy bối cảnh mà việc tìm hiểu, cải tiến, vận dụng giải thuật định tuyến HEAT vào mở rộng khu vực biên LoRaWAN đem lại lợi ích Với cách tiếp cận đó, Luận Văn đưa khái niệm “định tuyến dựa chất lượng dịch vụ node lân cận” phát triển từ phần ý tưởng ban đầu giải thuật định tuyến HEAT Sau đó, giải thuật “định tuyến dựa chất lượng dịch vụ node lân cận”, qua trình nhiều bước thiết kế, định nghĩa đầy đủ Mơ hình mạng mơ cho thấy dấu hiệu khả quan tiềm ứng dụng thực tế giải thuật đề xuất Những số tỉ lệ nhận gói thành cơng, độ trễ, lượng tiêu thụ giải thuật đề xuất phù hợp để triển khai ứng dụng quan trắc diện rộng, lượng thấp, khơng u cầu tính thời gian thực nghiêm ngặt Giải pháp đề xuất Luận Văn đặc biệt phát huy tác dụng có số điểm quan trắc quan trọng lại bố trí gateway phủ sóng trực tiếp Ngồi ra, giải thuật định tuyến hứa hẹn mang lại giải pháp dễ tiếp cận để triển khai mạng mesh, khơng địi hỏi người dùng phải có kiến thức chun sâu mạng máy tính Do đó, tương lai gần, giải thuật tiếp tục thử nghiệm hoàn thiện Ý tưởng sơ đề tài ghi nhận trình bày hội nghị “2022 6th International Conference on Information Technology, Information Systems and Electrical Engineering (ICITISEE)” (chi tiết tại: Danh mục cơng trình khoa học) 108 Một vài hướng phát triển đề tài sau: - Hoàn thiện chế đa truy cập để giảm đụng độ - Đưa vào thử nghiệm thực tế thay mơi trường mơ - Tích hợp vào hệ thống LoRaWAN - Phát triển board mạch “cắm chạy” chuyên dùng để triển khai nodes quan trắc có yêu cầu mạng phù hợp 109 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Hội nghị quốc tế: H.-K Huynh and H.-A Pham, "HEAT Routing Algorithm for Multi-hop Communication in IoT-enabled LoRa-based Wireless Mesh Networks," in 2022 6th International Conference on Information Technology, Information Systems and Electrical Engineering (ICITISEE), Yogyakarta, Indonesia, 2022 110 2022 6th International Conference on Information Technology, Information Systems and Electrical Engineering (ICITISEE) HEAT Routing Algorithm for Multi-hop Communication in IoT-enabled LoRa-based Wireless Mesh Networks 1st Hoang-Kha Huynh 2nd Hoang-Anh Pham Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT) Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT) Vietnam National University Ho Chi Minh City (VNU-HCM) Vietnam National University Ho Chi Minh City (VNU-HCM) Ho Chi Minh City, Vietnam Ho Chi Minh City, Vietnam khahuynh@hcmut.edu.vn Corresponding author: anhpham@hcmut.edu.vn Abstract—There may be many routing algorithms that could be employed in a wireless mesh network Each algorithm has its own advantages and disadvantages While proactive routing algorithms can quickly provide up-to-date routing information which helps reduce the routing latency, reactive routing algorithms help reduce routing overhead but instead increase the routing time On the other hand, some routing algorithms try to provide endto-end communications despite the high routing overhead and low scalability but some others are designed for the ease of scaling up without providing end-to-end communications This paper presents a revised HEAT routing algorithm for multi-hop communication in LoRa-based wireless mesh networks expected to provide higher scalability for IoT-based applications Both software and hardware are also implemented for performance investigation Index Terms—HEAT Algorithm, Routing Algorithm, Multihop Communication, Wireless Mesh Networks, LoRa I I NTRODUCTION It has been estimated that there will be around 75 billion Internet of Things connected devices on over the world by 2025 [1] According to that enormous number, the need for low-power wide-area (LPWA) connections between ”things” are rapidly increasing Many LPWA technologies have been developed, but each has its own dominant advantages The LoRa (short for long-range) is one of the leading LPWA technologies It provides long-range and low-power consumption, a low data rate, and secure data transmission In LoRaWAN, end-devices can easily communicate with a logic server via a standard IP connection after a single-hop communication with the gateway However, if end-devices are set scattered, and there is an insufficient number of gateways, the network’s capability could reduce A mesh network with multi-hop communication [2] could be considerable and suitable for this scenario In mesh networks, routing is essential in forwarding data packets from the source to the destination node Basically, there are two types of wireless mesh routing protocols: proactive routing and reactive routing In proactive routing protocols, paths are established to all the destination nodes regardless of whether or not the routes are required to transmit data These so-called table-driven methods maintain consistent and up-to-date routing information by continuously evaluating routes to all reachable nodes Thus, the primary benefit of proactive protocols is that nodes can quickly obtain route information and establish a path Destination-Sequenced DistanceVector Routing (DSDV) [3], Cluster Head Gateway Switch Routing (CGSR) [4], Optimized Link State Routing (OLSR) [5] and Scalable Routing using HEAT [6] are well-known proactive protocols Routes are established on demand in reactive routing protocols, referred to as on-demand methods When a source node needs a path to a destination node, the route discovery process begins and continues until a route is found or no route is available after reviewing all route possibilities Active routes in mobile networks may be disconnected owing to node movement However, reactive routing algorithms scale better than proactive routing protocols because node mobility is low in wireless mesh networks Dynamic Source Routing (DSR), Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV), Link Quality Source Routing Algorithm (LQSR), and Temporally Ordered Routing Algorithm (TORA) are some well-known reactive routing protocols [7] Proactive and reactive routing protocols both have their drawbacks, but combining them allows hybrid routing methods to discover the most effective routes with minimal management overhead For example, in the ad-hoc network area, these protocols use reactive routing protocols, while the wireless backbone uses proactive protocols In this study, we choose to implement a proactive anycast routing algorithm named HEAT because this routing algorithm is the best fit with our proposed network model • Firstly, the proposed network does not tend to provide end-to-end communications Traffics in this network are mostly upstream from sensor nodes to internet gateways This property of this network is the same to which is suggested by HEAT • Secondly, the HEAT routing algorithm is a fully distributed one This characteristic leads to the high scalability of the network 111 979-8-3503-9961-5/22/$31.00 ©2022 IEEE 2022 6th International Conference on Information Technology, Information Systems and Electrical Engineering (ICITISEE) • Thirdly, the HEAT routing algorithm is field-based It uses only information of direct neighbors for routing This allows using low-cost hardware for nodes, fits with the desire of providing a cheap and easy to deploy networking solution for IoT II T HE P ROPOSED A PPROACH A System Architecture Fig shows a mesh of clusters of sensor nodes Each cluster has a cluster head node called a mesh node that represents other nodes to communicate on the mesh network by forwarding packets of sensor nodes to the internet gateway based on a routing mechanism Sensor nodes can freely and actively choose a mesh node to register as a cluster member connect to the node via a serial UART interface while the E32-TTL-1W module is a LoRa transceiver In addition, each node has an 8-bit switch to configure the network address and some LEDs indicate the node’s status Power supply Parallel to serial logic converter IC LED indicators I/O with interruption support Microcontroller/embedded computer E32-TTL-1W module Serial UART 8-bit switch Crystal oscillator Fig Node controller block diagram C Firmware and Software Design Fig Overall network design 1) Sensor nodes: In IoT monitoring systems, sensor nodes are nodes with sensors connected for surrounding data collection A sensor node will be distributed in a cluster and send collected data to the Internet gateway via a mesh node (i.e., cluster head) before forwarding it to the IoT server When starting up, it broadcasts a network information request message to get a table of available mesh nodes and then registers with the nearest node During operation, the sensor node periodically requests network information to update the shortest path to the Internet gateway at the new network status 2) Mesh nodes: A mesh node plays the role of a router and cluster head As a router, it runs routing algorithms to find the shortest path to the Internet gateway As a cluster head, it maintains a list of cluster members and transfers data from its members to the Internet gateway and vice versa through the shortest path algorithm When starting up, it immediately tries to join the mesh network with other mesh nodes B Hardware Design Figure shows the block diagram of an embedded-based controller for sensor nodes and mesh nodes The sensor can The firmware on the node controller is developed by an event-oriented program in which the E32-TTL-1W module is continuously used to transmit and receive the RF data Figure describes the state machine of the E32-TTL-1W module that monitors the operation statuses of the E32-TTL-1W module and waits for it to be ready before sending commands MODE SWITCHING e ang Ch ode m Beginning SELF TESTING AUX raising edge AUX raising edge AU X fa g llin AU ed E32 TXD INCOMING ge ing ais Xr edg e READY Se AU rais X ing edg e AUX fa ri a l wri lling ed te ge E32 RXD RECEIVING SERIAL DATA HANDLING Fig The E32-TTL-1W module operational statuses tracking state machine Network layer protocols are designated to provide hostto-host communication services for upper layers Therefore, a network layer protocol must implement host addressing, routing, packet forwarding, and data delivery mechanisms 112 2022 6th International Conference on Information Technology, Information Systems and Electrical Engineering (ICITISEE) D Addressing Each mesh node joined in the mesh network maintains a list of available mesh nodes’ addresses Any new node joining the network must execute an addressing allocation process described in Fig Addresses given to nodes are different depending on the cluster address and the type of the new joining node But the address allocation process is applied the same to sensor nodes as well as mesh nodes The difference is in the abandoned address collecting mechanisms Mesh node A InfoRequest Sensor Node A PingMsg Timeout New node Cluster Head opt [If Node A is unreachable] Mesh node B,C,D Deallocate address of A InfoRequest Alt Fig [If there is no response] Abandoned sensor node’s address deallocation sequence diagram Opt [If new node is a mesh node] [else] Assign itself an address Mesh Node A MAC address Pick an available address opt [If node B is unreachable] NewNode Announcement [If there is no response from any other mesh nodes] Address allocation sequence diagram If a sensor node leaves a cluster and abandons its address, the mesh node of that cluster collects the address after a certain period, not receiving any data from the sensor node This abandoned sensor node’s address deallocation process is depicted in Fig 5, while Fig describes another process that would be applied to an address abandoned by a mesh node When a mesh node fails to send messages to any other mesh node, it will immediately ask other mesh nodes in the network to confirm whether the destination node is still alive If the destination node is down, it collects the address and then announces that to the whole mesh To respond quickly, every mesh node has to maintain data of its adjacent node’s status E HEAT Routing Algorithm Conventionally, the HEAT routing algorithm is inspired by heat conduction in physics To adopt HEAT algorithm to a mesh network, the Internet gateways are considered heat sources and have the highest temperature Other mesh nodes have their temperature value The closer to the heat source, the higher the temperature is The temperature of a node is calculated from direct neighbors’ temperatures Assume that we have a list of neighbor’s Status of B request alt Assign address Fig Timeout Address Mesh Node C, D, PingMsg Timeout NodeInfo NodeInfo Mesh Node B Deallocates address of B Deallocation announcement Updates addresses availability [else] B is alive Fig Abandoned mesh node’s address deallocation sequence diagram temperature values named A The temperature of the current node is determined after executing two following steps The accumulated value is the current temperature of the node • • 113 Step 1: Sort the neighbors in list A in an order (ascending/descending) according to their temperatures Step 2: Iterates through list A For each neighbor, accumulate the difference between its temperature with the previous accumulated value until the end of the list or when the accumulated value is greater than or equal to the temperature of the considering neighbor 2022 6th International Conference on Information Technology, Information Systems and Electrical Engineering (ICITISEE) Fig represents the flowchart for temperature calculation as the HEAT algorithm, in which the most noticeable is the accumulative formula as (1) The coefficient k is called thermal conductivity—the higher value of k, the more significant influence of neighboring nodes on the current node Link2 and vice versa RT T = Link1.RT T Link2.RT T (3) III I MPLEMENTATION AND E XPERIMENTS A Implementation We design the schematic and PCB layout of the node controller as proposed in Fig 2, and the snapshot of our hardware implementation is shown in Fig This module integrated with E32-TTL-1W will become sensor nodes or mesh nodes as the proposed model Fig Node controller integrated with E32-TTL-1W module and connected to the debugging tool Fig B Experiments HEAT algorithm temperature calculation flowchart temp = temp + (A[iter] temp) ⇥ k (0 < k < 1) (1) As can be seen, the temperature value in the HEAT algorithm represents the distance between two nodes However, in the context of a mesh wireless network, we use link quality as an alternative representation of temperature value In wireless networks, link quality is evaluated based on two critical metrics: packet reception rate (P RR) and latency However, it is challenging to synchronize the time between nodes, so we use the round trip time (RT T ) to represent the latency Since we use PRR and RTT to evaluate link quality, their meanings differ So, it can not combine them into a single metric using an arithmetic formula Instead, we propose a data structure containing these two values and a comparison mechanism between two link qualities, Link1 = {P RR, RT T } and Link2 = {P RR, RT T } as follows • Step 1: Determine P RR formulated as (2) if P RR is a positive value, we conclude that Link1’s quality is better than Link2 and vice versa In the case that P RR is equal to zero, move to Step P RR = Link1.P RR • Link2.P RR (2) Step 2: Determine RT T formulated as (3) Since the smaller RT T is the faster link, if RT T is a negative value, we conclude that Link1’s quality is better than To experiments for evaluation, we employ Raspberry Pi as an Internet gateway, as shown in Fig 9, which is also the HEAT source in the HEAT routing algorithm Fig An Internet gateway using Raspberry Pi integrated with E32-TTL1W module for LoRa communication Table I summarizes the experimental results of RT T between two nodes at some typical air data rates The RT T between two adjacent nodes includes the outgoing transmission time, processing time, and incoming delivery time This means that if a packet is sent to the internet through a multi-hop link and the processing time on all the nodes is insignificant, then 114 2022 6th International Conference on Information Technology, Information Systems and Electrical Engineering (ICITISEE) the overall latency would be the sum of the latency sending packets between nodes Table I also shows the change of the radio coverage according to air data rates, which is an important consideration when deploying the proposed network model TABLE I E XPERIMENTAL R ESULTS OF RTT Air data rate (kbps) 0.3 2.4 19.2 Min 4069 525 126 RTT (ms) Typ 4071 526 127 AND Max 4073 527 128 C OVERAGE Coverage (m) 8000 5000 1000 The HEAT algorithm was implemented and employed on the mesh node as designed The behaviors of the mesh node work correctly However, we still need to comprehensively investigate the performance and efficiency due to the limitation of hardware resources Instead, we plan to conduct experiments on a network simulation platform such as OMNeT++, where we can deploy more mesh nodes with numerous sensor nodes Additionally, we measure the power consumption of nodes by using an adjustable power supplier (e.g., RIDEN RD6006) that can monitor and log the voltages as well as the current Table II summarizes the power consumption of a node when it works as a mesh node TABLE II E XPERIMENTAL R ESULTS OF POWER Working Mode Deep sleep Normal Working Heavy Load NCM2021-20-02 We acknowledge Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT), VNU-HCM for supporting this study R EFERENCES [1] Statista (2019) Internet of things (iot) connected devices installed base worldwide from 2015 to 2025 [Online] Available: https://www.statista.com/statistics/471264/iot-number-of-connecteddevices-worldwide [2] J R Cotrim and J H Kleinschmidt, “LoRaWAN Mesh Networks: A Review and Classification of Multihop Communication,” Sensors, vol 20, no 15, 2020 [Online] Available: https://www.mdpi.com/14248220/20/15/4273 [3] C E Perkins and P Bhagwat, “Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers,” SIGCOMM Comput Commun Rev., vol 24, no 4, p 234–244, oct 1994 [Online] Available: https://doi.org/10.1145/190809.190336 [4] K W Choi, W S Jeon, and D G Jeong, “Efficient Load-Aware Routing Scheme for Wireless Mesh Networks,” IEEE Transactions on Mobile Computing, vol 9, no 9, pp 1293–1307, 2010 [5] P Jacquet, P Muhlethaler, T Clausen, A Laouiti, A Qayyum, and L Viennot, “Optimized link state routing protocol for ad hoc networks,” in Proceedings IEEE International Multi Topic Conference, 2001 IEEE INMIC 2001 Technology for the 21st Century., 2001, pp 62–68 [6] R Baumann, S Heimlicher, V Lenders, and M May, “HEAT: Scalable Routing in Wireless Mesh Networks Using Temperature Fields,” in 2007 IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks, 2007, pp 1–9 [7] K Vijayakumar, P Ganeshkumar, and M Anandaraj, “Review on Routing Algorithms in Wireless Mesh Networks,” IJCST, vol 3, no 5, pp 87–92, 2012 CONSUMPTION Power Consumption Current (mA) Voltage (V) Min Avg Max 12 37 42.3 59 121 138.9 153 IV C ONCLUSION This paper presented an adoption of the HEAT routing algorithm for multi-hop communication in IoT-enabled LoRabased wireless mesh networks with the aim of providing higher scalability The HEAT algorithm is revised by using a tuple of PRR and RTT representing the temperature value in the conventional HEAT algorithm, which is a better fit for the practice allowing the effects of wireless link quality We also developed a system prototype for performance investigation, including software and hardware Although the experimental results have not comprehensively evaluated the proposed algorithm, some preliminary results from simple scenarios have shown that the proposed model is up-and-coming Our future work will implement the proposed model on the network simulator OMNeT++ to comprehensively investigate the proposed model’s efficiency ACKNOWLEDGMENT This research is funded by the Vietnam National University Ho Chi Minh City (VNU-HCM) under grant number 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sigfox™, [Online] Available: https://www.sigfox.com/ [Accessed December 2022] [2] Semtech®, "What Is LoRa®?," [Online] Available: https://www.semtech.com/lora/what-is-lora [Accessed December 2022] [3] GSM Association™, "Narrowband – Internet of Things (NB-IoT™)," [Online] Available: https://www.gsma.com/iot/narrow-band-internet-ofthings-nb-iot/ [Accessed December 2022] [4] LoRa Alliance®, "About LoRaWAN®," [Online] Available: https://loraalliance.org/about-lorawan/ [Accessed December 2022] [5] R Baumann, S Heimlicher, V Lenders and M May, "HEAT: Scalable Routing in Wireless Mesh Networks Using Temperature Fields," in 2007 IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks, Espoo, Finland, 2007 [6] LoRa Alliance®, [Online] Available: https://lora-alliance.org/ [Accessed December 2023] [7] J Haxhibeqiri, E De Poorter, I Moerman and J Hoebeke, "A Survey of LoRaWAN for IoT: From Technology to Application," Sensors, vol 18, no 11, p 3995, 2018 [8] LoRa Alliance®, "Certifying LoRaWAN® Products," [Online] Available: https://lora-alliance.org/lorawan-certification/ [Accessed December 2022] 116 [9] "LoRaWAN® L2 1.0.4 Specification," by LoRa Alliance®, Fremont, United States, 2020 [10] K Vijayakumar, P Ganeshkumar and M Anandaraj, "Review on Routing Algorithms in Wireless Mesh Networks," International Journal of Computer Science and Telecommunications , vol 3, no 5, 2012 117 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: HUỲNH HỒNG KHA Ngày, tháng, năm sinh: 25/01/1997 Nơi sinh: Bình Định Địa liên lạc: Số 177/19 đường số 6, khu phố Tân Lập, phường Đơng Hịa, TP Dĩ An, tỉnh Bình Dương Email: huynhhoangkha@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 09/2015 – 10/2020: Học đại học ngành Kỹ thuật Máy tính Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM 01/2021 – nay: Học cao học ngành Khoa học Máy tính Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 03/2021 – nay: Giảng viên Bộ mơn Kỹ thuật Máy tính, Khoa Khoa học Kỹ thuật Máy tính, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM 118