Nghiên cứu một số kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng nâng cao chất lượng truyền thông không dây

1 TĂNG THỊ HIỀN THƢƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG CHẤT LƢỢNG TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TRUYỀN THÔNG KHƠNG DÂY : 60 48 01 TĨM TẮT PGS.TS PHẠM VIỆT BÌNH 2013 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến không dây Hình 1.2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 11 Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 12 Hình 1.4: Phân chia kênh vô tuyến dải 24Ghz 13 Hình 1.5: Mơ hình Điểm – Điểm mạng cảm biến không dây 15 Hình 1.6: Mơ hình Điểm – Đa điểm mạng cảm biến khơng dây 15 Hình 1.7: Mơ hình Đa điểm - điểm mạng cảm biến khơng dây 16 Hình 1.8: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến nông nghiệp 22 Hình 9: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến mơi trường 23 Hình 10: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến giao thông 23 Hình 11: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến dân dụng 24 Hình 12: Minh họa cách tính ETX liên kết 27 Hình 1.13: Minh họa cách tính ETX tuyến 27 Hình 2.1: Lưu đồ cập nhật ETX (LQI) 30 Hình 2.2: Lưu đồ trình gửi gói tin beacon (ETX) 32 Hình 2.3: Lưu đồ q trình nhận gói tin beacon kỹ thuật ETX 32 Hình 2.4: Lưu đồ q trình xử lý gói beacon nhận (ETX) 33 Hình 2.5: Lưu đồ cập nhật EXT kỹ thuật DE 35 Hình 2.6: Lưu đồ trình thêm hàng xóm kỹ thuật DE 36 Hình 2.7: Lưu đồ cập nhật hàng xóm kỹ thuật DE 36 Hình 2.8: Lưu đồ cập nhật ETX kỹ thuật Extend - DE 38 Hình 2.9: Lưu đồ q trình quản lý hàng xóm 4B 40 Hình 2.10: Lưu đồ trình cập nhật ETX kỹ thuật 4B 41 Hình 3.1: Lưu đồ trình cập nhật ETX kỹ thuật kết hợp 45 Hình 3.2: Sơ đồ mơ mạng cảm biến không dây tảng Zolertia hệ điều hành Contiki 56 Hình 3.3: Màn hình mơ hệ điều hành Contiki 57 Hình 3.4: So sánh tỷ lệ truyền thành cơng gói tin kỹ thuật DE, LQI LQIDE 58 Hình 3.5: So sánh chi phí truyền gói tin kỹ thuật DE, LQI LQI-DE 59 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Stt Từ viết tắt Tiếng Anh WSNs Wirless Sensor Networks IoT Internet of Things SN Sink Node Nút chủ IP Base Station Trung tâm ADC Analog Digital Converter Chuyển đổi tương tự - số IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Chuẩn IEEE SH Smart Home 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 PDR PL PQ PDC ETX LQI SNR DE 4B MAC PAN FFDs 20 RSSI Packet Delivery Ratio Path Length Path Quality Packet Delivery Cost Expected Transmission Count Link Quality Indicator Signal-to-Noise Ratio Direct Estimate Four - Bit Media Access Control Personal Area Network Full Functional Dependencies Received Signal Strength Indicator Signal to Noise Ratio Collection Tree Protocol Acknowledged Packet Time Division Multiple Access Reduced-function Devices 21 SNR 22 CTP 23 ACK 24 TDMA 25 RFDs Số hóa Trung tâm Học liệu Tiếng Việt Mạng cảm biến không dây Tập hợp thiết bị có khả kết nối với Ngơi nhà thơng minh Tỷ lệ nhận gói Số chặng Chất lượng quãng đường Chi phí gửi tin Số lần truyền kỳ vọng Kỹ thuật LQI Tín hiệu nhiễu sóng Kỹ thuật de Kỹ thuật 4B Lớp liên kết liệu Mạng cá nhân Chức đầy đủ Chỉ số cường độ tín hiệu nhận Chỉ số tín tạp Giao thức thu thập Thơng báo gửi tin Đa truy cập phân chia thời gian Thiết bị có chức hạn chế http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Mục lục MỞ ĐẦU Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây ƣớc lƣợng chất lƣợng tuyến 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 10 1.1.3 Cấu trúc nút cảm biến 11 1.1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 12 1.1.5 Các chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây 14 1.1.6 Một số thách thức mạng WSNs 18 1.1.7 Một số ứng dụng mạng cảm biến không dây 21 1.2 Ước lượng chất lượng tuyến 24 1.2.1 Giới thiệu 24 1.2.2 Một số thông số đánh giá kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến 25 1.2.3 Thông số ETX 26 Chƣơng 2: Một số kỹ thuật đánh giá chất lƣợng tuyến mạng cảm biến không dây 28 2.1 Đặt vấn đề 28 2.2 Kỹ thuật LQI (Link Quality Indicator) 29 2.2.1 Ý tưởng kỹ thuật LQI 29 2.2.2 Mô tả kỹ thuật LQI 29 2.2.3 Nhận xét kỹ thuật LQI 30 2.3 Kỹ thuật ETX (Expected Transmission Count) 31 2.3.1 Ý tưởng kỹ thuật ETX 31 2.3.2 Mô tả kỹ thuật ETX 31 2.3.3 Nhận xét kỹ thuật ETX 34 2.4 Kỹ thuật DE (Direct Estimate) 34 2.4.1 Ý tưởng kỹ thuật DE 34 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.4.2 Mô tả kỹ thuật DE 34 2.4.3 Nhận xét kỹ thuật DE 37 2.5 Kỹ thuật Extend - DE ( Extend - Direct Estimate) 37 2.5.1 Ý tưởng kỹ thuật E-DE 37 2.5.2 Mô tả kỹ thuật E-DE 37 2.5.3 Nhận xét kỹ thuật E-DE 39 2.6 Kỹ thuật 4B ( Four - Bit) 39 2.6.1 Ý tưởng kỹ thuật 4B 39 2.6.2 Mô tả kỹ thuật 4B 39 2.6.3 Nhận xét kỹ thuật 4B 42 2.7 Kỹ thuật kết hợp DE-LQI 43 2.7.1 Mô tả toán 43 2.7.2 Ý tưởng kỹ thuật 43 2.7.3 Mô tả kỹ thuật 44 Chƣơng 3: Cài đặt đánh giá hiệu số kỹ thuật ƣớc lƣợng tuyến 46 3.1 Dẫn nhập 46 3.2 Cài đặt kỹ thuật LQI, kỹ thuật DE kỹ thuật kết hợp DE-LQI 46 3.2.1 Kỹ thuật LQI 50 3.2.2 Kỹ thuật DE 51 3.2.3 Kỹ thuật DE-LQI 51 3.3 Mô đánh giá hiệu DE, LQI, DE-LQI 53 3.3.1 Yêu cầu thực đánh giá kỹ thuật ước lượng tuyến mô hệ điều hành Contiki 53 3.3.2 Thiết lập thơng số cho q trình mơ 54 3.4 Đánh giá kết mô 57 3.4.1 Quá trình thu nhận kết 57 3.4.2 Đánh giá kết mô 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 65 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây (WSNs - Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ gọn, tiêu thụ lượng đa ngày nghiên cứu phát triển ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực xã hội quốc phịng, an ninh, nơng lâm nghiệp, cơng nghiệp, y tế dân dụng Tuy nhiên, với đặc điểm truyền thông không dây đa chặn, nên vấn đề liên kết truyền thông, nhiễu đường truyền di động nút dẫn đến mát liệu q trình truyền thơng, gây ảnh hưởng đến hiệu q trình truyền thơng mạng cảm biến không dây Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông mạng cảm biến khơng dây chất lượng tuyến Tức là, xác định chất lượng tuyến trước thực truyền thơng hiệu q trình truyền thơng khơng dây cải thiện Bởi vậy, việc xác định chất lượng tuyến trước thực truyền thông vấn đề mấu chốt định đến chất lượng truyền thông không dây không mạng cảm biến khơng dây Chính vậy, chủ đề nghiên cứu lĩnh vực chất lượng tuyến đánh giá chất lượng tuyến, xây dựng kỹ thuật, kỹ thuật để xác định chất lượng tuyến hiệu cộng đồng khoa học quan tâm nghiên cứu Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “ Nghiên cứu số kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến mạng cảm biến không dây, ứng dụng nâng cao chất lượng truyền thông không dây” khơng có mục tiêu nghiên cứu kỹ thuật hay kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến mạng cảm biến khơng dây, mà cịn thực việc đánh giá kỹ thuật Kết luận văn làm tảng cho hướng nghiên cứu chủ đề ước lượng tuyến mạng cảm biến không dây Bố cục luận văn gồm nội dung sau: Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chương Tổng quan mạng cảm biến khơng dây ước lượng chất lượng tuyến Trình bày kiến trúc, phương thức truyền thông, thách thức truyền thông mạng cảm biến không dây việc đánh giá chất lượng tuyến mạng Chương Một số kỹ thuật đánh giá chất lượng tuyến mạng cảm biến khơng dây Trình bày chi tiết kỹ thuật tiêu biểu việc xác định chất lượng tuyến mạng cảm biến không dây LQI, DE,… Căn vào đánh giá kỹ thuật này, nghiên cứu kỹ thuật kết hợp nhằm nâng cao việc đánh giá chất lượng tuyến mạng cảm biến khơng dây trình bày chương Chương Cài đặt đánh giá hiệu số kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến Trình bày chi tiết thuật tốn kết hợp DE-LQI nhằm nâng cao việc đánh giá chất lượng tuyến mạng cảm biến không dây Đồng thời, phân tích kết mơ kỹ thuật dựa việc mô triển khai kết mơi trường thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây ƣớc lƣợng chất lƣợng tuyến 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1.1 Giới thiệu chung Trong năm qua, với tiến vượt bậc công nghệ thông tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông tạo thuận lợi xu hội tụ công nghệ hệ thống đại với nhiều khả năng, thông minh Trong đó, khả thơng minh hệ thống đại dựa chủ yếu vào thành phần cảm biến Dựa vào thơng tin thiết bị cảm biến mà hệ thống đưa đáp ứng phù hợp Bởi vậy, việc phát triển công nghệ cảm biến đem lại nhiều khả pham vị ứng dụng cho hệ thống đại Bên cạnh đó, với xu IoT (Internet of Things) WoT (Web of Things) mở nhiều thuận lợi lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng triển khai mạng hệ thống thông minh tồn cầu Chính điều đặt u cầu cần phải liên kết nút cảm biến với để tạo mạng cảm biến - WSNs (Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa liệu, nâng cao khả tính kinh tế trình triển khai hệ thống Mạng WSNs hiểu đơn giản liên kết kết nối nút cảm biến với nhằm để trao đổi thông tin đáp ứng yêu cầu người dùng Mỗi nút cảm biến không dây bao gồm thu phát vô tuyến, vi xử lý, cảm biến Mạng cảm biến không dây liên kết nút cảm biến với thông qua giao tiếp khơng dây nút mạng thường (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp có số lượng lớn, phân bố cách khơng có hệ thống có hệ thống phạm vi liên kết với mạng khác để tạo mạng cảm biến có phạm vi rộng Các nút cảm biển sử dụng nguồn lượng hạn chế (pin), nên có giới hạn thời gian hoạt động Các nút cảm biến có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính tốn, thu thập, đáp ứng yêu cầu người dùng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ theo dõi, chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết bị điện, hay chế độ ngủ Hình 1.1 minh họa mơ hình mạng cảm biến khơng dây điển hình Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây Qua hình 1.1, thấy nút cảm biến phân bố cách phù hợp theo vị trí thu thập thông tin đảm bảo liên kết truyền thơng với nhau, liệu truyền đa chặn để tới nút chủ (sink node) Các nút cảm biến thường có chức thu thập số liệu mơi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng; theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động,… Các nút giao mô hình ad-hoc có khả chuyển tiếp gói tin nút khác để truyền tới nút chủ Nút chủ hay gọi nút trung tâm (base station) có khả thu thập số liệu nút khác, đưa yêu cầu tới nút theo nhiệm vụ riêng Thơng qua nút chủ, liệu mạng cảm biến chia sẻ qua hệ thống mạng IP mạng Internet, hay mạng viễn thơng theo mục đích người dùng Nhờ vậy, phạm vi hoạt động mạng cảm biến khơng bị hạn chế, mà cịn phát triển thành liên kết mạng cảm biến với Từ đó, kế thừa phát triển nhiều ứng dụng khác cộng đồng phạm vi tồn cầu Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 1.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây Khác với mạng cảm biến thông thông, mạng cảm biến khơng dây có đặc điểm tiểu tiểu sau:  Mạng cảm biến không dây thường triển khai phạm vi rộng, số lượng node cảm biến lớn phân bố cách ngẫu nhiên, theo quy luật xác định Các node mạng di chuyển làm thay đổi sơ đồ bố trí mạng Do vậy, mạng cảm biến khơng dây có tính linh động nút cảm biến mạng có khả tự điều chỉnh, tự cấu hình nhằm đảm bảo ổn định cho mạng WSNs  Mạng WSN không sử dụng chế giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính 802.11 mà địi hỏi phải có chế giao thức truyền vô tuyến riêng  Do giới hạn nguồn lượng cung cấp yêu cầu hoạt động thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ lượng tiêu chí thiết kế quan trọng mạng cảm biến khơng dây  Có khả chịu lỗi: trường hợp số nút cảm biến khơng hoạt động thiếu lượng, hư hỏng vật lý ảnh hưởng môi trường Bởi vậy, khả chịu lỗi mạng WSNs thể việc mạng hoạt động bình thường, trì chức số nút mạng không hoạt động Ở đây, người ta sử dụng phân bố Poisson để xác định xác suất sai hỏng khoảng thời gian (0,t): a Rk (t) = e –λkt b Trong đó: c λk : tỉ lệ lỗi nút k d T :khoảng thời gian khảo sát e Rk(t): độ tin cậy khả chịu lỗi nút cảm biến  Khả mở rộng: Khi triển khai mạng cảm biến không dây số lượng nút cảm biến triển khai đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 57 Hình 3.3: Màn hình mơ hệ điều hành Contiki 3.4 Đánh giá kết mơ 3.4.1 Q trình thu nhận kết Các kỹ thuật mô với nhiều tham số khác để tìm tham số cho kết tốt Kết q trình mơ lấy theo dạng file.txt Từ file xuất ra, lọc riêng file nhỏ tương ứng theo thông số đánh giá Các thông số đánh giá xử lý excel để tính trung bình độ lệch chuẩn theo thông số Kết xử lý trải qua trình thống kê cho kết đánh giá cuối thể dạng biểu đồ Trong q trình mơ phỏng, tơi tập trung đánh giá kỹ thuật LQI, DE kỹ thuật kết hợp LQI-DE Bởi vì, Kỹ thuật 4b đại diện cho lớp kỹ thuật tính ETX theo thơng số phần cứng thu nhận cịn DE đại diện cho lớp kỹ thuật tính ETX từ thơng số thu thập đựơc phần mềm cịn DE-LQI kỹ thuật kết hợp Bên cạnh đó, kỹ thuật LQI-DE kế thừa hai kỹ thuật LQI kỹ thuật DE, nên không sử dụng tin beacon q trình ước lượng tuyến, nên Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 58 lượng tiêu hao kỹ thuật tương đương với kỹ thuật mà kế thừa Dưới đây, tơi thực mô đánh giá tham số PDR PDC ba kỹ thuật DE, LQI LQI-DE với - Dưới kết tổng hợp file excell thu sau chạy mô phỏng: 3.4.2 Đánh giá kết mô 3.4.2.1 Tỷ lệ truyền thành cơng gói tin – PDR Hình 3.4: So sánh tỷ lệ truyền thành cơng gói tin kỹ thuật DE, LQI LQI-DE Qua hình 3.4 , thấy rằng: Trong trường hợp mạng cảm biến không dây có lưu lượng cao, tức 5s hay 10s, nút gửi tin lên mạng, tỉ lệ truyền thành cơng gói Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 59 tin kỹ thuật DE cao so với kỹ thuật LQI Trong đó, kỹ thuật kết hợp LQI - DE xấp xỉ với DE Trong trường hợp mạng cảm biến không dây có lưu lượng khơng cao 15s hay 20s, nút gửi tin lên mạng, kỹ thuật DE có tỷ lệ truyền thành cơng gói tin thấp so với hai kỹ thuật LQI kỹ thuật kết hợp LQI - DE Tuy nhiên, tỷ lệ truyền thành cơng gói tin trường hợp cao so với trường hợp mạng không dây có lưu lượng cao Trong trường hợp, lưu lượng mạng thấp, 25s, 30s truyền tin, thấy tỷ lệ truyền thành công kỹ thuật DE kỹ thuật kết hợp DE-LQI thấp kỹ thuật LQI Như vậy, trường hợp lưu lượng mạng lớn, số lượng tin truyền đơn vị thời gian nhiều, kỹ thuật DE kỹ thuật kết hợp DE-LQI tốt so với kỹ thuật LQI Ngược lại, kỹ thuật LQI tốt so hai kỹ thuật lại 3.4.2.2 Chi phí truyền gói tin - PDC Hình 3.5: So sánh chi phí truyền gói tin kỹ thuật DE, LQI LQI-DE Qua hình 3.5 , thấy rằng: Trong trường hợp mạng cảm biến khơng dây có lưu lượng cao, tức 5s hay 10s, nút gửi tin lên mạng, kỹ thuật dựa phần Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 60 cứng LQI có chi phí cao kỹ thuật kết hợp LQI-DE Kỹ thuật có chi phí truyền gói thấp trường hợp kỹ thuật DE Trong trường hợp mạng cảm biến khơng dây có lưu lượng không cao 15s hay 20s, nút gửi tin lên mạng, kỹ thuật dựa vào thông số phần cứng LQI lại thấp kỹ thuật dựa vào thông số phần mềm lại nhận kết chi phí truyền gói tin cao chút so với kỹ thuật kết hợp LQI-DE Trong trường hợp, lưu lượng mạng thấp, 25s, 30s truyền tin, chi phí gửi gói tin LQI thấp nhất, sau đến kỹ thuật kết hợp DE-LQI Kỹ thuật DE có chi phí gửi gói tin cao Như vậy, trường hợp lưu lượng mạng lớn, số lượng tin truyền đơn vị thời gian nhiều, chi phí truyền gói tin kỹ thuật DE kỹ thuật kết hợp DE-LQI tốt so với kỹ thuật LQI Ngược lại, kỹ thuật LQI tốt so hai kỹ thuật lại 3.4.2.3 Đánh giá kết Như biết để đánh giá hiệu kỹ thuật ước lượng tuyến dựa vào PDR PDC giá trị phản ánh tiêu thụ lượng mạng cảm biến khơng dây Do đó, bên cạnh việc đánh giá riêng rẽ tham số PDR PDC cho kỹ thuật người ta thực việc đánh giá kết hợp PDR PDC Từ đó, q trình đánh giá hiệu kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến rõ ràng xác theo mốc thời gian đưa phân tích đánh giá để phục vụ cho nghiên cứu phát triển Với số liệu thống kê trình bày hình 3.6.1, hình 3.6.2 nhận xét trên, tác giả đưa đánh sau: Lưu lượng mạng cảm biến khơng dây có ảnh hưởng đến hai tham số PDR PDC ba kỹ thuật LQI, DE kỹ thuật kết hợp DE-LQI Trong trường hợp lưu lượng mạng lớn (5s, 10s) ước lượng tuyến dựa phần cứng có hiệu thấp hai kỹ thuật DE DESố hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 61 LQI Cịn ước lượng chất lượng tuyến dựa thông số phần mềm kỹ thuật DE kết nhận lại tốt hai kỹ thuật LQIvà DE-LQI Điều chứng tỏ dựa vào kết thu nhận đựơc từ phần mềm hiệu tốt so với phần cứng lúc độ lệch kết trường hợp phần cứng phần cứng lại cao ta khẳng định đựơc kỹ thuật có độ xác Vậy, dựa vào kết thu nhận đựoc ta thấy, giải thuật kết hợp thuộc khoảng giữ giá trị hai kỹ thuật nên giải thuật kết hợp có kết thuyết phục Trong trường hợp lưu lượng mạng trung bình (15s, 20s) hiệu ba kỹ thuật xấp xỉ hai tham số PDR PDC Tuy nhiên, kỹ thuật LQI kỹ thuật kết hợp DE-LQI có hiệu cao so với DE Trong trường hợp lưu lượng mạng thấp (>20s) hiệu của kỹ thuật có khác đáng kể Kỹ thuật LQI kỹ thuật DE-LQI có hiệu cao so với DE Điều đó, chứng tỏ q trình trao đổi liên kết có ảnh hưởng lớn kỹ thuật ước lượng tuyến dựa phần mềm, phần cứng kết hợp Như vậy, qua kết mô kết phân tích trên, tác giả cho kỹ thuật kết hợp DE-LQI có khả thích nghi với thay đổi lưu lượng mạng cảm biến khơng dây Tức là, kỹ thuật kết hợp DE-LQI có điều chỉnh thích hợp để đảm bảo xác định tuyến truyền thơng có chất lượng tốt so với hai kỹ thuật riêng lẻ kỹ thuật DE kỹ thuật LQI Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 62 KẾT LUẬN Vấn đề lượng tiêu thụ nút cảm biến, liên quan mật thiết đến thời gian sống mạng vấn đề quan trọng mạng cảm biến khơng dây Tuy nhiên đặc tính truyền thơng vô tuyến bất đối xứng, thay đổi liên tục, dẫn tới việc liệu, hao phí lượng định tuyến khơng xác Vì vậy, việc ước lượng chất lượng đường truyền để giảm thiểu truyền thông đóng vai trị quan trọng tiết kiệm lượng mạng cảm biến không dây Luận văn “Nghiên cứu số kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến mạng cảm biến không dây, ứng dụng nâng cao chất lượng truyền thơng khơng dây” trình bày kỹ thuật ước lượng tuyến tiêu biểu WSN so sánh hiệu kỹ thuật hệ điều hành Contiki, với tảng Zolertia Đồng thời, đề xuất việc kết hợp LQI với DE để tạo kỹ thuật kết hợp LQI-DE với việc bổ sung lựa chọn ETX phù hợp cho trình xác định ước lượng tuyến truyền Kết đạt luận văn sau: Nghiên cứu kiến trúc, ứng dụng mạng cảm biến không dây, vấn đề ước lượng tuyến mạng cảm biến khơng dây Nghiên cứu, phân tích cài đặt kỹ thuật LQI, DE, LQI-DE kết hợp Triển khai đánh giá mô kỹ thuật LQI, DE, LQI-DE kết hợp hệ điều hành Contiki với tảng Zolertia Cài đặt bổ sung kỹ thuật LQI-DE kết hợp Qua nghiên cứu, phân tích, cài đặt đánh giá kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến đưa đánh sau: Lưu lượng mạng cảm biến khơng dây có ảnh hưởng đến hai tham số PDR PDC ba kỹ thuật LQI, DE kỹ thuật kết hợp DE-LQI Trong trường hợp lưu lượng mạng lớn (5s, 10s) ước lượng tuyến dựa phần cứng hiệu thấp so với kỹ thuật lại DE kỹ thuật kết hợp DE-LQI Qua đó, thấy rằng, việc q trình trao đổi liên kết thường xuyên thông tin giúp cho việc ước lượng tuyến hiệu Tuy nhiên, điều làm thời gian sống mạng cảm biến khơng dây giảm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 63 Trong trường hợp lưu lượng mạng trung bình (15s, 20s) hiệu ba kỹ thuật xấp xỉ hai tham số PDR PDC Tuy nhiên, kỹ thuật LQI kỹ thuật kết hợp DE-LQI có hiệu cao so với DE Trong trường hợp lưu lượng mạng thấp (>20s) hiệu của kỹ thuật có khác đáng kể Kỹ thuật LQI kỹ thuật DE-LQI có hiệu cao so với DE Điều đó, chứng tỏ q trình trao đổi liên kết có ảnh hưởng lớn kỹ thuật ước lượng tuyến dựa phần mềm, hay có gói tin beacon Tuy nhiên, trình nghiên cứu mình, yếu tố di động nút cảm biến chưa đánh giá Nên thời gian tới, hướng nghiên cứu luận văn sau: Mở rộng qui mô, thời gian mô phỏng: Tăng số nút mô phỏng, tăng khoảng cách mô phỏng, thời gian mô để có số liệu phong phú ổn định Bổ sung thêm kịch mô thay đổi vị trí nút q trình mơ (nút di động) để đánh giá khả tích ứng kỹ thuật trường hợp topology mạng thay đổi Triển khai kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến nút cảm biến thật, module Z1 đánh giá thực tế hiệu kỹ thuật LQI, DE, LQI-DE kết hợp mạng cảm biến thực tế Xây dựng nút cảm biến có nguồn lượng tái tạo (năng lượng mặt trời) để tăng cường thời gian sống cho mạng, triển khai nút ưu tiên, đo lượng tiêu thụ lại nút nhằm đưa chế luân chuyển truyền thông phù hợp để kéo dài thời gian sống cho nút mạng, toàn mạng cảm biến không dây Xây dựng mạng cảm biến không dây truyền thông đa chặng cố định, hoạt động với chế ước lượng tuyến khtốt nhất: tỷ lệ truyền thành cơng, tiêu tốn lượng, thích ứng nhanh với thay đổi nảy sinh bất ngờ mạng Khi mạng xây dựng chạy ứng dụng với hiệu suất cao (truyền nhiệt đô, độ ẩm, thông tin bất kỳ…) Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vu Thanh Vinh, Pham Viet Binh, “A survey of routing using DHTs over wireless sensor networks”, Journal of Computer and Communication, USA, 2011 [2] H Zhang, A Arora, and P Sinha, “Link estimation and Routing in Sensor Network Backbones: Beacon-based or Data-driven?”,IEEE Transaction on Mobile Computing, vol8, issue 5, p.653-667 [3] Tao Liu, Ankur Kamthe, Lun Jiang and Alberto Cerpa, “Performance Evaluation of Link Quality Estimation Metrics for Static Multihop Wireless Sensor Networks”, In Secon’ 09, Rome, Italy, June 2009 [4] Ward Van Heddeghem,“Cross-layer Link Estimation for Contiki-based Wireless Sensor Networks”,Master thesis, VUB, 2009 [5] Kannan Srinivasan and Philip Levis, “RSSI is Under Appreciated”, In Proceedings of the Third Workshop on Embedded Networked Sensors (EmNets 2006) [6] D D Couto, D Aguayo, J Bicket, and R Morris, “A High-Throughput Path Metric for Multi-hop Wireless Routing”,In MobiCom’03, San Diego, CA, Sept 2003 [7] Ward Van Heddeghem,“Cross-layer Link Estimation for Contiki-based Wireless Sensor Networks”,Master thesis, VUB, 2009 [8] R Fonseca, O Gnawali, K Jamieson, and P Levis,“Four Bit Wireless Link Estimation”,In HotNets’ 07, Atlanta, GA, 2007 [9] O Gnawali, R Fonseca , K Jamieson, D Moss and P Levis, “Collection Tree Protocol”, Proceeding of the 7th ACM Conference on Embedded Networked Sensor System (SenSys), 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 65 PHỤ LỤC Code chương trình example-collect.c #include "contiki.h" #include "lib/random.h" #include "net/rime.h" #include "net/rime/collect.h" #include "dev/leds.h" #include "dev/button-sensor.h" #include "net/netstack.h" #include static struct collect_conn tc; uint16_t dem=1,gui=1; /* -*/ PROCESS(example_collect_process, "Bat dau chuong trinh"); AUTOSTART_PROCESSES(&example_collect_process); /* -*/ static void recv(const rimeaddr_t *originator, uint8_t seqno, uint8_t hops) { printf(" Sink nhan duoc ban tin tu %d.%d, seqno %d, hops %d: dai %d noi dung'%s'\n", originator->u8[0], originator->u8[1], seqno, hops, packetbuf_datalen(), (char *)packetbuf_dataptr()); printf("tong so ban tin nhan duoc tai sink la: %d\n",dem); dem = dem++; } /* -*/ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 66 static const struct collect_callbacks callbacks = { recv }; /* -*/ PROCESS_THREAD(example_collect_process, ev, data) { static struct etimer periodic; static struct etimer et; PROCESS_BEGIN(); collect_open(&tc, 130, COLLECT_ROUTER, &callbacks); if(rimeaddr_node_addr.u8[0] == && rimeaddr_node_addr.u8[1] == 0) { printf("I am sink\n"); collect_set_sink(&tc, rimeaddr_node_addr.u8[0]); } /* Allow some time for the network to settle */ etimer_set(&et, 120 * CLOCK_SECOND); PROCESS_WAIT_UNTIL(etimer_expired(&et)); while(1) { /* Send a packet every 30 seconds */ if(etimer_expired(&periodic)) { etimer_set(&periodic, CLOCK_SECOND * 30); etimer_set(&et, random_rand() % (CLOCK_SECOND * 30)); } PROCESS_WAIT_EVENT(); Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 67 if(etimer_expired(&et)) { static rimeaddr_t oldparent; const rimeaddr_t *parent; printf("da gui %d ban tin\n",gui); packetbuf_clear(); packetbuf_set_datalen(sprintf(packetbuf_dataptr(), "%s,%d", "Hello",gui) + 1); gui++; collect_send(&tc, 15); parent = collect_parent(&tc); if(!rimeaddr_cmp(parent, &oldparent)) { if(!rimeaddr_cmp(&oldparent, &rimeaddr_null)) { printf("#L %d 0\n", oldparent.u8[0]); } if(!rimeaddr_cmp(parent, &rimeaddr_null)) { printf("#L %d 1\n", parent->u8[0]); } rimeaddr_copy(&oldparent, parent); } } } PROCESS_END(); } /* -*/ collect-link-estimate.c Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 68 #include "net/rime/collect.h" #include "net/rime/collect-link-estimate.h" #include "dev/cc2420.h"e #define INITIAL_LINK_ESTIMATE 16 #define COLLECT_LINK_ESTIMATE_ALPHA ((3 (COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT)) / 8) #define MAX_ESTIMATES 255 #define ETX_HISTORY_WINDOW #define DEBUG #if DEBUG #include #define PRINTF( ) printf( VA_ARGS ) #else #define PRINTF( ) #endif /* -*/ static void set_all_estimates(struct collect_link_estimate *le, uint16_t value) { int i; for(i = 0; i < ETX_HISTORY_WINDOW; i++) { le->history[i] = value; } } /* -*/ void collect_link_estimate_new(struct collect_link_estimate *le) { set_all_estimates (le,0); Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ * 69 le->historyptr = 0; //le->num_estimates = 0; le->etx_accumulator = COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT; } /* -*/ void collect_link_estimate_update_tx(struct collect_link_estimate *le, uint8_t tx) { if(tx == 0) { /* printf("ERROR tx == 0\n");*/ return; } if(le != NULL) { if(le->historyptr == 0) { le->etx_accumulator = tx * COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT; } le->history[le->historyptr] = tx; le->historyptr = (le->historyptr) % ETX_HISTORY_WINDOW; if(le->historyptr < ETX_HISTORY_WINDOW) { le->historyptr++;} /* if(le->num_estimates < MAX_ESTIMATES) { le->num_estimates++; }*/ le->etx_accumulator = (((uint32_t)tx COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT) * COLLECT_LINK_ESTIMATE_ALPHA + le->etx_accumulator * (COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ * 70 COLLECT_LINK_ESTIMATE_ALPHA)) / COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT; } /*if(le != NULL) { if(le->num_estimates == 0) { le->etx_accumulator = tx * COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT; } if(le->num_estimates < MAX_ESTIMATES) { le->num_estimates++; } le->etx_accumulator = (((uint32_t)tx COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT) * COLLECT_LINK_ESTIMATE_ALPHA + le->etx_accumulator * (COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT COLLECT_LINK_ESTIMATE_ALPHA)) / COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT; }*/ } /* -*/ void collect_link_estimate_update_tx_fail(struct collect_link_estimate *le, uint8_t tx) { collect_link_estimate_update_tx(le, tx * 2); } /* -*/ void Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ * 71 collect_link_estimate_update_rx(struct collect_link_estimate *n) { } /* -*/ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... học quan tâm nghiên cứu Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “ Nghiên cứu số kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến mạng cảm biến không dây, ứng dụng nâng cao chất lượng truyền thông không dây? ?? khơng... truyền thông, thách thức truyền thông mạng cảm biến không dây việc đánh giá chất lượng tuyến mạng Chương Một số kỹ thuật đánh giá chất lượng tuyến mạng cảm biến khơng dây Trình bày chi tiết kỹ. .. mạng cảm biến khơng dây chất lượng tuyến Bởi vậy, việc xác định chất lượng tuyến trước thực truyền thông vấn đề mấu chốt định đến chất lượng truyền thông không dây không mạng cảm biến không dây