Nghiên cứu xây dựng thuật toán định tuyến trên cơ sở nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không dây

1 MỞ ĐẦU Tínhcấpthiếtcủađềtài Hầu hết ứng dụng mạng cảm biến khơng dây thuthập thơng tincảm nhậnđược trường cảm biếnnêncácg i a o thức thu thập liệu nhận nhiều quan tâm nghiên cứu trongcộngđồngmạngcảmbiếnkhôngdây Giao thức thu thập liệu - CTP (Collection Tree Protocol)thực thi chế thu thập liệu tin cậy bước nhảy (hop-by-hop).Các nút tự tổ chức thành cấu trúc dạng liệu đượcgửi nútchachotớikhiđến đượcđỉnh củacây(nút gốc) Giao thức CTP chứng minh giao thức thu thập liệu đạt hiệu cao mặt lượng tiêu thụ tỷ lệ chuyển phátdữ liệu thành công mạng Tuy nhiên, giao thức CTP chỉdựa vào thước đo định tuyếnETXđể lựa chọn tuyến đường tối ưu.Thước đo định tuyếnETXkhông giải vấn đề cân bằngnăng lượng nút mạng Các nút mạng thuộc tuyếnđường có chất lượng liên kết tốt phải thực nhiều việc truyền dẫntrong mạng Các nút mạng hết lượng nhanh nútmạng khác tạo thành lỗ hổng mạng, làm giảm hiệu năngcủa toàn hệ thống mạng Đây thách thức quantrọngđốivớicác mạngcảmbiến khôngdâyhoạtđộngbằngpin Một số kết đánh giá giao thức CTP dựa công cụmô Cooja thực nghiệm với phần cứng TUmote cho cáckết quảtươngtự Trong luận án này, tác giả đề xuất giao thức định tuyến mớiEACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) có nhận thức vềnănglượngnhằmgiảiquyếtđiểmyếu nàycủa giao thức CTP Đốitƣợngvàphạmvinghiêncứu Đối tượng nghiên cứu luận án tốn định tuyến có sựnhận thức lượng áp dụng cho giao thức thu thập liệu(bài toán định tuyến EACTP) mạng cảm biến không dây nhằmđảm bảođượcsựcânbằng nănglượng giữacácnútm n g t h u ộ c tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời giansốngcủa nútmạng Phạm vi nghiên cứu luận án tác giả tập trung vào cácphương pháp định tuyến dựa nhận thức lượng trongmạngcảmbiến khôngdây 3 Mụctiêu củaluậnán Mục tiêu luận án đề xuất giao thức định tuyến mớiEACTP có nhận thức lượng nhằm đảm bảo cân bằngnăng lượng nút mạng thuộc tuyến đườngc ó c h ấ t lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Từ đó,thựcthivàđánhgiáhiệunăngcủagiaothứcnàydựatrênmơphỏngv àthực nghiệm Mục tiêu cụ thể luận án là: Nghiên cứu giao thức địnhtuyến có nhận thức lượng cho mạng cảm biến khơng dây,phân tích đánh giá so sánh loại giao thức định tuyến; Nghiêncứug i a o t h ứ c đ ị n h t u y ế n c â y t h u t h ậ p d ữ l i ệ u C T P c h o m n g c ả m biến không dây; Đề xuất giao thức định tuyến có nhậnthức lượng EACTP; Xây dựng mơ hình phân tích mơ hìnhtốn học cho giao thức EACTP dựa lý thuyết đồ thị; Thực thi vàphân tích đánh giá hiệu giao thức EACTP dựa môphỏng; Xây dựng hệ thống triển khai thực nghiệm cho phép tùybiến,tíchh ợp c c c c nă ng địnht u y ế n m ới v đá nh gi hi ệ u n ă n g củacácgiaothứcnàytrongđiều kiệnthựctế Phƣơngphápluậnnghiêncứu Phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp nghiêncứu lý thuyết với nghiên cứu mô thực nghiệm Về nghiêncứu lý thuyết, tác giả nghiên cứu khảo sát giao thức định tuyến cósự nhận thức lượng cho mạng cảm biến không dây dựa vàocáckiến thức vàcáckếtquả nghiên cứu lý thuyếtđãđ ợ c công bố Về nghiên cứu mô thực nghiệm, tác giả thực hiệncài đặt giao thức định tuyến mới, chạy thử nghiệm giao thức địnhtuyến dựa mô thực nghiệm nút cảm biếnthật, từ tác giả đánh giá kết mô phỏng, thực nghiệm kếtluậnvề tínhưu việtcủagiao thức định tuyến Nội dung củaluậnán Luậnán đượctrình bàythành03 chươngnhưsau: Chương 1: Bài tốn định tuyến mạng cảm biến khơngdây.Chương trình bày nhữngkếtquảnghiên cứukhảosátv đánh giá giao thức định tuyến dựa nhận thức nănglượng cho mạng cảm biến khơng dây, phát biểu tốn định tuyến cósự nhận thức lượng với giao thức thu thập liệu lựachọn phươngpháptiếp cậnbàitoáncủatácgiảtrongluận án Chương 2: Giao thức thu thập liệu có nhận thức vềnăng lượng.Chương nàyđềxuấtmộtgiaothứcđịnh tuyếnmớiEACTP có nhận thức lượng Giao thức EACTP xâydựng nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyếnđườngcóchấtlượngliênkếttốtvànângcaothờigiansống nút mạng Một số kết thực thi đánh giá giao thứcEACTP dựa công cụ mơ Cooja trình bày trongchươngnày Chương3 : T r i ể n k h a i đ n h g i t h ự c n g h i ệ m T r o n g c h n g này,tácgiảxâydựngmộthệthốngtriểnkhaithựcnghiệmdựatrên10nútcảmbiếnphầncứngTUmote (ThainguyenUniversitymote) Hệthống triển khai thực nghiệm cho phép tùy biến, tích hợp chứcnăngđịnhtuyếnmớivàđánhgiáhiệunăngcủacácgiaothứcnàytrong điều kiện thực tế Một số kết đánh giá so sánh hiệu nănggiữa giao thức EACTP giao thức CTP thông qua triển khai thựcnghiệmcũngđược trình bàytrongchươngnày Cuối cùnglà kết luận, tóm tắt đề xuất tác giả dựkiến hướngnghiêncứutiếptheocủaluậnán Đóng góp củaluậnán Trên sở phân tích mơ hình tốn học dựa lý thuyết đồ thịcho giao thức thu thập liệu có nhận thức lượng, tácgiảđã có mộtsốđónggóp mớitrongluậnán sau: - Đề xuất giao thức định tuyến giao thức thuthập liệu có nhận thức lượng - EACTP (Energy AwareCollection Tree Protocol) Trong giao thức EACTP, tác giả thựchiệnm ộ t s ố c ả i t i ế n : T n h ấ t , t c gi ả đ ã b ổ s u n g thê m thànhp h ầ n ướclượngnănglượngcònlạitrênmỗinútcảmbiến;Thứhai,tácgiảđã đề xuất thước đo định tuyến trạng thái lượngcịn lạiES (Energy State)để xác định tuyến đường tối ưu mạng;Thứ ba, tác giả đề xuất thuật toán lựa chọn tuyến đường tối ưumới dựa kết hợp hai thước đo định tuyến chất lượngliên kết tuyến đường trạng thái lượng lại nútchuyển tiếp - Mô đánh giá hiệu giao thức EACTP thơng quamột số mơ hình mạng Tác giả xác định thước đo đánh giá phùhợp cho bàitoánđịnh tuyến EACTP đưa mộtsố kếtq u ả đ n h giá so sánh hiệu giao thức EACTP giao thức CTP Cáckếtquảđánhgiámôphỏngchothấy thờigian sốngcủamạngkhihoạt động theo giao thức EACTP đề xuất cải thiện tốt so vớigiaothức CTP ban đầu - Xây dựng môi trường thực nghiệm dựa 10 nút cảm biếnphầncứngTUmote(ThainguyenUniversitymote),chophéptùybiến,tíchhợpcácchứcnăngđịnhtuyến mớivàđánhgiáhiệunăngcủacácgiao thức CTP, EACTP điều kiện thực tế Môi trường thựcnghiệmn y h o n t o n c ó t h ể s d ụ n g l i đ ợ c c h o c c n g h i ê n c ứ u thựcnghiệmkháctronglĩnhvựcmạngcảmbiếnkhơngdâyvàcóthểrút ngắn thời gian để đưa mơ hình nghiên cứu lý thuyết sang cácmơ hình thực nghiệm có tính ứng dụng Kết đánh giá thực nghiệmtrên10nútcảmbiếnphầncứng TUmote kiểm chứng lại tính đúngđắn kết mơ lập luận tính hiệuquảcủa giao thức EACTPmớiđề xuất CHƢƠNG1 BÀI TỐN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNGCẢMBIẾNKHƠNGDÂY 1.1 Vấnđềnănglƣợngtiêuthụtrongmạngcảmbiếnkhơngdây Vấn đề lượng tiêu thụ nút cảm biến quan trọng vìnhiều nútcảmbiếnbịhạnchếvềnguồnnănglượng.Cácnútcảmbiếnkhơngdâycóthểhoạtđộngbằngpinhoặccũng cóthểtừcácnguồnnăng lượng khácđược tíchtrữtừ môitrường.Trong cảh a i t r n g hợp, nănglượngđềulà mộtnguồn tàinguyên hạn chế Trong mạng cảm biến khơng dây, q trình truyền thơng tiêu tốnnhiều lượng Vì vậy, điều quan trọng cần xây dựng cácgiao thức truyền thông cho nút cảm biến sử dụng hiệuquả nguồn tài nguyên sẵn có Do đó, phần cứng phần mềm cần xácđịnh tiêu hao lượng cung cấp thông tin đếntầngmạngđể phục vụ cho việc địnhtuyến dữliệu 1.2 Vấnđề địnhtuyến mạngcảmbiến khôngdây 1.2.1 Khái niệm phân loại giao thức định tuyến cho mạngcảmbiếnkhông dây Định tuyến giao thức quan trọng mạngcảm biến không dây Nhiệm vụ giao thức định tuyến tìm rađược tuyến đường tốt từ nguồn đến đích Trong mạng cảm biếnkhơng dây, nút cảm biến thực đồng thời hai chức đólà: Chức sinh liệu chức định tuyến liệu Các giaothứcđịnhtuyếnnàycóthểđượcphânloạithànhbốnnhómsau:Định tuyếnphẳng,địnhtuyếnphâncấp,địnhtuyếndựavàothơngtinvịtrívàđịnh tuyến dựa vào chấtlượngdịch vụ Hình 1.2:Phân loại giao thức định tuyến chomạngcảmbiến khôngdây 1.2.2 Những thách thức vấn đề định tuyến mạng cảmbiến không dây Các đặc điểm mạng cảm biến không dây làm cho việc pháttriểnmô hìnhđịnhtuyếnchocácmạngnàygặpnhiềukhókhăn.Sauđây số thách thức cần phải giải phát triển giaothứcđịnhtuyến cho mạngcảmbiến khôngdây: - Nguồn lượng tích trữ phụ thuộc vào dung lượng củapin Các nút cảm biến khơng dây có kích thước nhỏ nên nguồnnăng lượng chúng bị hạn chế Điều dẫn đến ràngbuộc khắtkhe chomọihoạtđộngcủa nútcảmbiến - Khả lưu trữ tính tốn nút cảm biến làm hạnchế nhiều đến giao thức định tuyến Do đó, thuật tốn địnhtuyến đơn giản, gọn nhẹ cần phải nghiên cứu phát triển chocác mạngcảmbiếnkhôngdây - Cácn ú t k h ô n g đ n g n h ấ t c ầ n p h ả i đ ợ c t í n h đ ế n k h i t h i ế t k ế giaothứcđịnhtuyếnchomạngcảmbiếnkhơngdây.Cóhaingunnhân dẫn đến việc nút mạng khơng đồng Thứnhất hồn tồn tăng hiệu mạng thơng qua việctriểnkhaimộtsốnútmạngcónăng lượng,cókhảnănglưutrữvàtínhtốntốthơncácnútcịnlạitrongmạng.Thứhailàsựkhácbiệtgiữacác nút cảm biến phát sinh q trình hoạt động mạng.Mộts ốnútc ả m biếncóthểphải thự c hiệ nnhiề unhiệm vụhơn dẫn đếnviệc chúng bịhết lượng nhanhhơn nútkhác.D o đ ó , giaothứcđịnh tuyếncầnphảitránhviệcchuyển tiếpcácbản tin thơng qua nút mạng có trạng thái nguồn lượng cịn lại mức thấpđểbù lạisự khôngđồngđều nănglượnggiữa núttrongmạng - Khả chịu lỗi cần phải quan tâm định tuyếncác tin Tuy nhiên, nút bị lỗi ảnh hưởng đến tồnbộ hoạt động chung mạng Các thuật toán định tuyến cần phảicó tuyến đường dự phịng cần phải xây dựng kịp thời mộttuyếnđườngkhác trongtrườnghợp liên kếtmạngbịlỗi - Khả mở rộng vấn đề quan trọng mạng cảmbiến không dây Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quảtrongcác mạnglớnbao gồmhàngngàncác nútcảmbiến 1.3 Giaothứccây thuthập dữliệu CTP Giao thức thu thập liệu CTP thực thi chế thu thập dữliệu tin cậy bước nhảy (hop-by-hop) Các nút tổ chức thànhmộtcấu trúcdạngcâyvàdữliệuluônđượcgửivềnútchachotớikhiđến đỉnh (nút gốc) Nút gốc gán đỉnh vàtấtcảcácnútkhácđượckhởitạolàcácnútlá.Cácnútsẽ cậpnhậtvịtrí trình mở rộng dần với điểmxuấtphát ba nđầ u làtừnút gố c D ữ liệuđư ợc gử i qua m ột c ấ u t rúccâyđếnnútgốc.Hình1.8minhhọamộtcấutrúcliênkếtmạngđượcxâydựngtheo giaothức CTP Hình1.8:Cấutrúcliênkếtmạngđượcxâydựngtheogiao thứcCTP Trong trình xây dựng trì cấu trúc định tuyến, cácnút cần phải xác định thước đo định tuyến để lựa chọn nút lân cận tốtnhất (nút cha) Hiện tại, giao thức CTP sử dụng thước đo định tuyếnchấtlượngliênkếtETXđểxâydựngcấutrúccâyđịnhtuyến.Cácnút cần phải thu thập thông tin chất lượng liên kết nút lân cậnvà dựa vào thơng tin để tính tốn lựa chọn nút cha Để thực hiệnđiều này,cácnútđịnhkỳtraođổicácbảntinđiềukhiển.Bảntinđiềukhiển mang thông tin chất lượng tuyến đường(rtmetric)từ nút đóđếnnútgốc Giao thức CTP dựa vào thước đo định tuyếnETXđể lựa chọntuyến đường tối ưu Thước đo định tuyếnETXkhông giải đượcvấn đề cân lượng nút mạng Bởi vậy, giao thứcCTP dễ bịmấtcân lượng Các nútm n g t h u ộ c t u y ế n đường tối ưu phải thực nhiều việc truyền dẫn nút khác.Chúng hết lượng nhanh nút khác tạo thành lỗhổngtrongmạng, làmgiảmhiệu năngcủatoàn hệthốngmạng Một số kết đánh giá giao thức CTP dựa công cụ mô Cooja thực nghiệm với phần cứng TUmote cho cáckết quảtươngtự 1.4 BàitoánđịnhtuyếnEACTP Điểmthuthập Nút gốc Nút gốc n … Hình 1.13:Cấu trúc liên kết mạng xét đến trongbàitoán địnhtuyến EACTP Hình 1.13 minh họa mơ hình cấu trúc liên kết mạng tác giảxét đến luận án Mạng chia thành nhiều cụm nhỏ khácnhau.Dothuậttốnđểxâydựngcấutrúccâytrongcáccụmnhỏnàylà hồntồngiốngnhaunêntácgiảchỉxétđếnviệctốiưuhóathờigiansốngcủamộtcụmtrongmạng Bài tốn định tuyến EACTP phát biểu sau: Cho cấutrúcm n g G = ( V , E ) l m ộ t đ t h ị , t r o n g đ ó V l s ố đ ỉ n h , E l s ố cạnh Bài toán định tuyến EACTP đặt tìm cấu trúccây tối ưu dựa hai tham số chất lượng liên kết nútmạng trạng thái lượng lại nút mạng Hình 1.14 làvídụminhhọamộtcấutrúchìnhhọccủabàitốnđ ị n h t u y ế n EACTP Mỗi đỉnh thuộc biểu diễn nút mạng có chức sinhdữ liệu chức định tuyến Mỗi nút mạng xác định sốnăng lượng lạiEI (Energy Indicator)của Mỗi cạnh thuộc câylà tuyến (link) kết nối hai nút mạng(u,v)bất kỳ biểudiễnbởichất lượng liên kếtgiữahainútmạng theotham sốc h ấ t lượngliên kết(ETXlink) Hình 1.14:Ví dụ minh họa cấu trúc hình học củabàitốn địnhtuyến EACTP Gọi độ dài đường điPnối từ điểm trênG = (V, E)đếnnút gốc xác định tổngETXlinkcủa tất tuyến kết nốithuộc tuyến đường Mỗi nút gán nhãn(rtmetric)chính làđộ dài đường tốt từ nút đến nút gốc xác định theothước đo định tuyến chất lượng liên kếtETX Bài toán định tuyếnEACTP phát biểu sau: Tìm nút n thuộc tập hợp nút lâncận N nút nguồnstrên cấu trúcG = (V, E)sao cho nútnthỏa mãncácđiều kiệnsau: (1.2) rtmetrics argmin(rtmetricnETXlink(s n)) nN  n.EI Threshold Trong đó:rtmetricnlà nhãn nútn,rtmetricslà nhãn nútsđược xác định theo nútn,ETXlink(s-n)là chất lượng liên kết núts nútn,n.EIlà số lượng cịn lại nútn,Thresholdlàngưỡngchỉsố nănglượngcịn lại Bài tốn định tuyến EACTP xuất phát từ đề tài thực tế đangđược triển khai Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học Tự động hóađó là: Nhiệm vụ khoa học cơng nghệ cấp nhà nước về“Nghiên cứuthiết kế, chế tạo hệ thống quan trắc ô nhiễm nước tự động, lưu động”,mãsố07.12/CNMT;Nhiệmvụkhoahọccôngnghệcấpnhànướcvề“Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống quan trắc lưu lượng dịng chảyvàlượngmưahỗtrợđiềutiết antồnhệthốnghồchứanướcSơngĐà”, mã số ĐTĐL.2011-G/48 Trong hai đề tài này, nút cảm biếnthường triển khaiở vịtríxa nguồn điện lướih o ặ c vị trí gặp nhiều khó khăn việc kéo đường dây điện từnguồn điện lưới Vì vậy, nút mạng cảm biến thường sử dụngnhữngn g u n n ă n g l ợ n g t í c h t r ữ ( V D : P i n , Ắ c q u y ) D o đ ó , m ộ t trongnhữngnhiệmvụcấpthiếtđặtrađó là:Cần phảiđềxuấtm ộ t giao thứctruyềnthơngthuthậpdữliệucósựnhậnthứcvềnănglượngnhằmtăngthờigiansốngcủacácnútmạngsử dụngnhữngdạngnguồn nănglượngtíchtrữnày 1.5 Hiệntrạngnghiêncứuvàphƣơngpháptiếpcậnbàitốnđịnhtuyếncósự nhậnthứcvềnănglƣợngtrongcácnghiêncứutrƣớcđây 1.5.1 Địnhtuyếnvớitổngnăng lượngtốithiểu MTPR Gọiei,jbiểu thị lượng tiêu thụ để truyền tin từ nútiđến nútjlân cận Nếu tin phải qua tuyến đường p baogồm nútn1, , nkthì tổng lượng E cần thiết để truyền tinlà: k1 E  en ,n i i1 (1.3) i1 Trong tập P tuyến đường có thể, tuyến đường lựachọn tuyến đường có tổng lượng tiêu thụ nhỏ Nhượcđiểm thước đo định tuyến MTPR khơng cung cấp thơngtin thời gian sống cịn lại pin Điều dẫn đến việc mộtsốnútmạngsẽ hếtnănglượngnhanh nútmạngkhác 1.5.2 Địnhtuyếnvớichi phí nguồnpin nhỏnhấtMBCR Thướcđ o M B C R d ự a v o d u n g l ợ n g p i n c ò n l i t r ê n m ỗ i n ú t mbiến.Mỗinútcảmbiếnđượcgánmộtchiphí.Chiphínàyđượctính nghịch đảo dung lượng pin lại nút cảm biến TrongmộttậpP tuyếnđường cóthể, tuyếnđ n g đ ợ c l ự a c h ọ n l tuyến đường có tổng chi phí nhỏ Nhược điểm thước đođịnh tuyến MBCR tuyến đường lựa chọn bao gồmmột số nút mạng có dung lượng pin cịn lại mức thấp Những nútmạngnàysẽ hếtnănglượngnhanh hơncác nútmạngkhác 1.5.3 Giaothứcđịnhtuyếnnhận thứcvề nănglượng EAR Giao thức EAR sử dụng thước đo lượng để xác định cáctuyến đường tốt Thước đo lượng xác định chiphí chuyển phát tin lượng lại nút chuyểntiếp Tuy nhiêngiao thức EAR tồn hainhượcđ i ể m c h í n h đ ó l : Thứ nhất, giao thức EAR dựa vào lượng lại tuyếnđường mà bỏ qua khác lượng nút riêng lẻtrên tuyến đường Một tuyến đường với lượng lại nhiềukhơng có nghĩa tất nút tuyến đường cịn nhiều nănglượng Thứ hai, giao thức EAR xác định thước đo chi phí lượngdựa trênsự hỗtrợ phầncứngtrên nútcảmbiến 1.5.4 Giaothứcđịnhtuyến E-Span Trong giaothứcE-Span,nútcó lượng lại ởmứcc a o chọn làm nút gốc Các nút khác sẽl ự a c h ọ n n ú t c h a số nút lân cận dựa mức lượng lại số bướcnhảy đến nút gốc Nhược điểm giao thức định tuyến đólà tuyến đường tối ưu lựa chọn dựa vào thước đo định tuyến sốbước nhảy Thước đođịnhtuyếnnày không xétđếnhiệus u ấ t c ủ a liên kết tuyến đường từ nguồn đến đích Mạng cảm biếnkhơng dây bao gồm nhiều liên kết tổn hao (có mát tin) Vìvậy, tuyến đường với số bước nhảy tối thiểu hồn tồn baogồm liên kết tổn hao Bản tin phải truyền lại nhiều lầngâylãngphívề nănglượngvà tăngđộ trễ truyền bảntin 1.5.5 Giao thức định tuyến có nhận thức lượng cânbằng tải Trong giao thức này, chế ước lượng lượng tiêu thụ dựavào hoạt động (truyền, nhận) thu phát vô tuyến Bước nhảykế tiếp lựa chọn nút có lượng cịn lại mức cao nhất.Mộtnútmạngđượcxácđịnhlàqtảidựatrênsốlượngcácbảntin truyền, nhận thu phátv ô t u y ế n N h ợ c đ i ể m c ủ a g i a o t h ứ c định tuyến tuyến đường tối ưu lựa chọn dựa vào nănglượng lại nút chuyển tiếp Thước đo định tuyến cónhược điểm giống thước đo định tuyến số bước nhảy khôngxét đến chất lượng liên kết nút mạng Ngồi ra, mơ hình nănglượng tiêu thụ nút cảm biến sử dụng giao thức nàycũngc h ỉ x é t đ ế n n ă n g l ợ n g t i ê u t h ụ c ủ a b ộ t h u p h t v ô t u y ế n m chưakể đếncácthành phầntiêu thụ nănglượngkhác 1.5.6 Giaothứcđịnhtuyến ICTP Giao thức ICTP đề xuất nhằm giải vấn đề cânbằng tải giao thức CTP Giao thức ICTP tồn ba nhược điểmchính: Thứ nhất, việc lựa chọn tuyến đường dựa xác suất có thểdẫn đến việc lựa chọn tuyến đường có chất lượng xấu Điều dẫnđến việc phải gửi lại tin nhiều lần làm tăng lượng tiêu thụtrongtoànmạng;Thứ hai, giao thứcICTP làm phát sinhthêm chi phínăng lượng việc gửi thơng tin lượng cịn lại nútcảmbiến;Thứba,cơchếướclượngnănglượngtiêuthụtrong giaothứcICTP cịnđơn giảnvà khơngphù hợp vớithựctế 1.5.7 GiaothứcđịnhtuyếnEQLR Giao thức EQLR xây dựng cấu trúc thu thập liệu dựa trênhai thước đo định tuyến chất lượng liên kết lượng pin cònlại nút cảm biến Tuy nhiên, giao thức EQLR tồn tạimột số nhược điểm: Thứ nhất, tin điều khiển cần phải bổ sungthêm trường lượng lại để mang thơng tin mức lượngcịnlại củapin.Điềunàysẽlàmphátsinhthêmchiphívềnănglượngtrong việc gửi tin điều khiển; Thứ hai, ngưỡng lượng để xácđịnh nút hết lượng giá trị cố định Để xác định mộtngưỡng lượng cố định tối ưu khó; Thứ ba, thuật tốn lựachọntuyếnđường đượcdựatrênngưỡngETX.CáctácgiảchọnngưỡngETXthay đổi từ 50 - 500 Ngưỡng xác định dựa trênthựcnghiệmvới nútcảmbiến vàgiá trịlớn nhấtđođượccủaETXlà 500 Tuy nhiên, triển khai thực tế với số lượng nút lớn việcxácđịnh ngưỡngETXdựatrênthựcnghiệmsẽ gặp nhiềukhó khăn 1.5.8 GiaothứcđịnhtuyếnELR Giao thức ELR xây dựng cấu trúc định tuyến dựa thước đo chất lượng liên kết phần trăm lượng lại nútcảm biến Giao thức ELR tồn số nhược điểm: Thứnhất,bảntinđiềukhiểnđượcmởrộngthêm16bitđểmangthơngtin mức lượng cịn lại nút cảm biến Điều làm phátsinht h ê m c h i p h í v ề n ă n g l ợ n g t r o n g v i ệ c g i b ả n t i n đ i ề u k h i ể n ; Thứhai,ngưỡngnănglượngđượcthiếtlậplàmộtgiátrịcốđịnh10%.Đểxácđịnhmộtngưỡng lượng tối ưu khó; Thứ ba, tácgiả chọn ngưỡng khác biệt chất lượng liên kếtETXdiffThlà mộtgiá trị cố định 10 Các tác giả chưa phân tích rõ giá trịngưỡng cố định Trong triển khai thực tế, việc xác định ngưỡngETXdiffThlà mộtkhó khăn cần đượcgiảiquyết 1.6 Giảipháp tiếpcận bàitoántrongluậnán Trong luận án này, tác giả đề xuất giao thức định tuyến mớiEACTP có nhận thức lượng nhằm đảm bảo cân bằngnăng lượng giữacác nút mạng thuộcnhững tuyến đường cóc h ấ t lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Giaothức EACTP cải tiến dựa giao thức CTP ba điểm: Thứnhất, giao thức EACTP bổ sung thêm thành phần ước lượng nănglượng tiêu thụ nút cảm biến Thứ hai, giao thức EACTP bổ sungthêm thước đo định tuyến trạng thái lượng lạiES(EnergySt at e) c mỗinút m biến.Thứba,gia othứ c EAC TPbổ sung tiêu chí định tuyến nhằm đảm bảo cân lượngtiêu thụ nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượngliênkếttốt CHƢƠNG2 GIAO THỨC CÂY THU THẬP DỮ LIỆUCÓSỰNHẬNTHỨCVỀNĂNGLƢỢN G 2.1 Đề xuất giao thức thu thập liệu có nhận thức vềnănglƣợng 2.1.1 Mụctiêuđề xuấtvànhữngtháchthức Trong giaothứcCTPhiệntại,cácnútcảm biếnthuộct u y ế n đường có chất lượng liên kết tốt chọn làm nút cha phầnlớn thời gian nút tham gia nhiều vào q trình truyền thơngtrong mạng Điều dẫn đến việc nút thuộc tuyến đườngcó chất lượng liên kết tốt bị hết lượng nhanh nút khácvàlàmgiảmthờigian sốngcủa toàn mạng Mộtsố tháchthức đặt xâydựnggiao thức EACTPđó là: Thứ nhất, cần phải xác định lượng lại nútcảmbi ế n C c h x c đ ị n h n ă n g l ợ n g c ò n l i t r ê n m ỗ i n ú t c ả m bi ế n cần thực nhiều kiến trúcphần cứng khácnhauv khơnglàmphátsinhthêmbấtkỳmộtchiphívề phầncứngnào Thứ hai, cần phải đưa thước đo định tuyến phù hợp dựatrênthơngtin nănglượngcịn lạitrên mỗinútcảmbiến Thứba,tuyếnđườngtốiưuđượclựachọntronggiaot h ứ c EACTP phải có tỷ lệ chuyển phát tin liệu thành công đến nútgốc mức cao tuyến đường hiệu mặt nănglượng 2.1.2 Nhữngđềxuấtcảitiến tronggiaothứcEACTP 2.1.2.1 Ướclượngnănglượng tiêuthụtrênnút cảm biến Tác giả sử dụng chế ước lượng lượng tiêu thụ dựa trênphần mềm cho nút cảm biến không dây Cơ chế ước lượng nănglượng dựa phần mềm sử dụng mô hình tiêu thụ lượng tuyếntính Cơ chế đạt độ xác đến 96% Tổng lượng Eđượctính tốn sau: (2.4) E U(I ataI l tlI t ttI r tr I citci) i Cơchếước lượng lượng sửdụng mơhìnhtuyếntínhs ẽ gọi đến thiết bị phần cứng bật tắt chuyểnchếđộ.Khimộtthiếtbị phầncứngđượcbậtthìmơđunướclượngnăng lượng lưu dấu thời gian Khi thiết bị phần cứng đượctắt sai khác thời gian hai thời điểm tính tốn vàđược cộng vào tổng thời gian bật thiết bị Sau đó, mơ đun ướclượng lượng tiêu thụ sử dụng thơng số kỹ thuật dịng tiêu thụcủa thiết bị để tính tốn tổng lượng tiêu thụ nútcảmbiến Bảng2.1 mơhình nănglượngcủaphầncứng TUmote Bảng 2.1:Mơ hình nănglượngcủaTUmote Thànhphần Trạngthái Dịng tiêu thụ Tích cực 1,95mA MSP430 F1611 Côngsuấtthấp 0,0026mA Truyền(0dBm) 17,4mA Truyền(-15dBm) 9,9mA CC2420 Nhận 18,8mA SHT11 Tích cực 0,55mA 2.1.2.2 Thướcđochỉ sốnănglượngcịnlạithíchứng Chỉsố nănglượngcịn lạitrênmỗinútcảmbiến tạimột thờiđiểmtbấtkỳcó thể xác định theocơngthứcsau: _energy (2.7) EI(%)residual 100% E0 Trong đó:residual_energylà lượng cịn lại nút cảmbiến,E0là nănglượngbanđầu nútcảmbiến Giao thức EACTP đề xuất ý tưởng ngưỡng số lượng cịnlại thích ứng Mỗi nút có bốn trạng thái lượng cịn lại khác nhau.Bảng2.2minhhọabốntrạngtháinăng lượng lạicủa mộtn ú t Bốn trạng thái lượng cịn lại nút cảm biến mãhóa bit dự trữ tin điều khiển Vì vậy, giải pháp nàykhơng làm phát sinh chi phí lượng việc gửi cácbảntin điều khiển Bảng2.2:Cáctrạngtháinănglượngcủanútcảmbiến Trạng Chỉ sốEI tháinănglƣợn g 30%-100% 10%-30% 5%-10% 0-5% Môtả Ngƣỡng chỉsốEI Nhiều nănglượng Thiếuhụtnănglượng Thiếu nhiều nănglượng Hếtnănglượng 30% 10% 5% 2.1.2.3 Bổsungthơngtinvềtrạngtháinănglượngcịnlạicủanútcảmb iếntrong cấutrúcbản tin điềukhiển Bảng 2.3 bảng mã hóa bốn trạng thái lượng cịn lại trênmỗinútcảmbiến Bảng 2.3: Hình2.4: Hình 2.4 minh họa cấu trúc khung tin điều khiển tronggiaothứcEACTP Bảntinnàyđượcbổsungthêmtrườngtrạng thái lượng lại ES gồm hai bit ES[1] ES[0] để mã hóa bốntrạngtháinănglượngkhác nútcảmbiến 2.1.2.4 Thuật tốnlựa chọntuyếnđườngmới Vớiviệclựachọnngưỡngnănglượngthíchứng,giaothứcEACTP phân loại nút cảm biến theo số trạng thái nănglượng khác Đề xuấtnày tốt so với việc lựa chọn mộtngưỡng lượng cố định trình lựa chọn tuyến đường dựtrữ điều chỉnh nhiều khoảng ngưỡng lượng khácnhau Các nút có số lượng cịn lại mức thấp không đượclựa chọn làm nút cha giai đoạn đầu trình suy giảmnănglượng 2.2 Thựcthi giaothứcEACTPtrênhệđiềuhànhContiki Cácthànhphầncủagiao thứcEACTPđượcminhhọaởhình 2.6 - Khối ước lượng chất lượng liên kết:Khối tính tốn chấtlượng liên kết hai nút mạng dựa thống kê tin điềukhiểnnh ậ n đư ợ c v s ố b ả n t i n dữliệ uđư ợc truyền t h n h c ô n g gi ữahainútmạng - Khối quản lý tin điều khiển:Khối có nhiệm vụphát quảngbá thơngtinvềthướcđo định tuyếncủa mỗinút - Khối quản lý nút lân cận:Khối lưu trữ thông tin củacác nút lân cận bảng định tuyến Các thông tin bao gồm địachỉ nút lân cận, thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX vàtrạng thái lượng lại ES nút lân cận Ngồi ra, mộtthuật tốn lựa chọn tuyến đường tối ưu thực thi khốinày Lớp ứng dụng Lớp mạng (Giao thức EACTP) Quản lý nút lân cận Quản lý tin điều khiển Thu thập Ước lượng chất lượng liên kết Ước lượng lượng tiêu thụ Lớp điều khiển truy nhập kênh truyền Lớpvậtlý Hình2.6:Các thànhphầnchínhcủagiaothứcEACTP - Khối ước lượng lượng tiêu thụ:Khối có nhiệm vụướclượng lượng tiêu thụ trênnútcảm biến,tính tốnchỉs ố nănglư ợngcịnlại E I vàx c đ ị n h trạ ngt hái nă ngl ợng cònlại E S củamỗinútcảmbiến - Khối thu thập:Đây khối trung tâm giao thức EACTP.Khốinà ycungcấpcácgiaotiế pchocácl ớp trênvàlớpdướ i.Khối thực việc khởi tạo cho khối cịn lại Nó thực hiệnviệc gửi nhận tin liệu tin xác nhận,phát sửa chữa vòng lặp định tuyến, phát tránh sựtrùnglặp bảntin dữliệu 2.3 ĐánhgiágiaothứcEACTPdựa trênmô 2.3.1 Cáctham sốđánhgiá 2.3.1.1 Tỷlệcác nútcònsống trongmạng Tỷ lệ nút sống mạngANR (Alive Node Ratio)đượcxác định tỷ số số nút sống mạng tổng số nútbanđầutrongmạng N alive_nodes 0 % ANR(%) (2.9) N Trong đó:Nalive_nodeslà tổng số nút sống mạng,Nlà tổngsốnútban đầu trongmạng 2.3.1.2 Tỷlệchuyểnphátbảntindữ liệu Tỷ lệ chuyểnphátbản tin dữliệuDDR (Data DeliveryR a t i o ) xác định tỷ số số tin liệu nhận nút gốcvàtổngsố bảntin dữliệuđượcgửiđi bởitấtcảcácnút trongmạng .100 N DDR(%) received (2.10) % Ndata Trongđó:Nreceivedlàtổngsốbảntindữ liệunhậnđượctạinútgốc, Ndatalàtổngsốbảntindữliệu đượcgửibởitất cảcácnúttrongmạng 2.3.1.3 Sựcân nănglượng giữacácnúttrongmạng ThướcđođánhgiásựcânbằngnănglượngE I B ( E n e r g y Indicator Balance)giữa nút mạng xác định theo côngthứcsau: N EIB(%) (EIEI)(%) i (2.11) i1 Trong đó:EIlà số lượng cịn lại trung bình nútmạng 2.3.1.4 Thờigiansốngcủamạng Thời gian sống mạng định nghĩa khoảng thờigianbắtđầumộttruyềndẫnđầutiênởtrongmạngvàkếtthúckhitỷlệ phầntrăm cácnút hết nănglượngdưới mộtngưỡngchotrước Giátrịngưỡng đượcthiếtlập tùy thuộcvàotừng ứngdụng (cóthểl 100% hoặcthấphơn) 2.3.2 Mơhình đánhgiámơ Một mơ hình cụm gồm 30 nút cảm biến phân bố ngẫu nhiêntrong mặt phẳng có kích thước 100m x 100m Các nút mạng định kỳsau 20s gửimộtbản tin liệu nút gốc nút số 30.M h ì n h truyền thông vô tuyến sử dụng mô làm h ì n h truyền thơng UDI, phạm vi truyền thơng hiệu 30m vàphạm vi ảnh hưởng nhiễu 50m Các nút số 2, 5, 8, 10, 19, 24,27, 28, 29 truyền thông trực tiếp đến nút gốc (nút số 30) Cácnút cịn lại phải thực truyền thơng theo mơ hình đa chặng đến nútgốc Hình 2.14, 2.15, 2.16 kết mô đánh giá sosánh tỷ lệ nút sống mạng, tỷ lệ chuyển phát tin dữliệu cân lượng nút mạng giao thứcCTP giao thức EACTPtrongkịch mơphỏng Hình2.13:Mơhìnhmơphỏng Hình2.14:SosánhANR Hình2.15:SosánhDDR Hình2.16:SosánhEIB Hình 2.14, 2.15 cho thấy tỷ lệ nút sống mạng củagiao thức EACTP caohơnso vớigiao thức CTP.Tuynhiên, giao thức EACTP đảm bảo tỷ lệ chuyển phát tin liệu mứcchấpnhận đượcso vớigiaothức CTPban đầu Nếu giá trị ngưỡng thiết lập để xác định thời gian sống củamạng 100% hình 2.14 cho thấy thời gian sống mạnghoạt động theo giao thức EACTP cải thiện đáng kể so với giaothức CTP: Trong kịch mô phỏng, thời điểm nút hết lượngđầu tiên giao thức CTP phút thứ 29 giao thứcEACTP phútthứ33(nhưvậy,thờigian sốngcủamạngtăng14%) Hình 2.16 kết so sánh cân lượng nútmạng Kếtquả mô phỏngc h o t h ấ y g i a o t h ứ c E A C T P đ ả m b ả o đ ợ c cân lượng nút mạng tốt so với giao thứcCTP ban đầu Điều thể số EIB giao thứcEACTPthấp so với chỉsốEIBcủagiao thứcCTP Các kết mô cho thấy: Khi tỷ lệ nút cịn sốngtrong mạng giảm tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu(DDR) số đánh giá cân lượng (EIB) haigiao thức CTP giao thức EACTP giảm theo Kết mơphỏnghồn tồn phù hợpvớinhữnglậpluận, phântích lýthuyết 2.4 ĐánhgiágiaothứcEACTPdựatrênphântíchlý thuyết Khi so sánh giao thức EACTP với giao thức định tuyến có sựnhận thức lượng khác (đã trình bày mục 1.5) giaothứcEACTP có mộtsố ưuđiểmsau: Thứ nhất, giao thức EACTP khơng làm phát sinh thêm chi phí vềnăng lượng việc gửi tin điều khiển giao thức nàychỉ sử dụng2bitdự trữtrongcấu trúc bảntinđiều khiển Thứhai,mơhìnhnănglượngđượcxétđếntronggiaothứcEACTP đầy đủ xét đến thành phần tiêu thụ lượngchínhtrongcấu trúcphầncứngcủa nútcảmbiến Thứ ba, chế ước lượng lượng tiêu thụ dựa phần mềmcho phép thực thi giao thức EACTP tảng phần cứng màkhônglàmphát sinhthêmbất kỳmột chiphímớinào vềphầncứng Thứt , t u y ế n đ n g t ố i u đ ợ c l ự a c h ọ n d ự a t r ê n s ự k ế t h ợ p giữahaithướcđođịnhtuyếnlàchấtlượngliênkếtvàtrạngtháinănglượng lại nút chuyển tiếp Tuyến đường tối ưu vừa đảm bảođược số lần truyền cần thiết giúp giảm nhiễu phát sinh trongmạng, tiết kiệm lượng nút mạng vừa đảmbảo cân lượng nút chuyển tiếp thuộc nhữngtuyến đường có chất lượng liên kết tốt, giúp tăng thời gian sống củamạng CHƢƠNG3 TRIỂNKHAIĐÁNH GIÁTHỰCNGHIỆM 3.1 Phầncứngchomạngcảm biến không dây Trong thời gian qua, có nhiều tảng phần cứng khác nhauđược nghiên cứu phát triển cho mạng cảm biến khơng dây Các nềntảngphần cứngcó thể đượcchiathành hailoạicơbảnsau: - Các tảng phần cứng mức thấp:Các tảng phần cứngnày đặc trưng hạn chế khả xử lý, nhớ khảnăng truyền thông Các tảng phần cứng thường triểnkhaivớisốlượnglớnđểthựchiệnnhiệmvụcảmnhậncũngnhưtạ osựkếtnốigiữa nútmạng - Các tảng phần cứng mức cao:Ngồi nhiệm vụ cảm nhậnthìcácnềntảngphầncứngnàycịnthựchiệnnhiệmvụtổnghợp,x ửlýdữliệu,kếtnốimạngcảmbiếnkhơngdâyvớicácmạngkhácbênngồi Các tảng phần cứng địi hỏi vi xử lý có khả xửlýmạnh hơn, dunglượngbộ nhớ nhiều 3.2 ĐềxuấtcấutrúcphầncứngTUmote Hình3.4:Sơ đồ khốicấutrúc phầncứngTUmote Dựa nghiên cứu khảo sát cấu trúc phần cứngcho mạng cảm biến không dây, tác giả đề xuất cấu trúc phầncứng riêng để phục vụ cho việc nghiên cứu đánh giá thực nghiệmvới giao thức EACTP Phần cứng hoàn tồn sử dụng lạiđược cho nghiên cứu thực nghiệm khác lĩnh vực mạng cảmbiến không dây có thểr ú t n g ắ n t h i g i a n đ ể đ a c c mơ h ì n h nghiêncứulýthuyết sangcác mơhình thực nghiệmcótínhứngdụng