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

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hầu hết ứng dụng mạng cảm biến không dây thu thập thông tin cảm nhận trường cảm biến nên giao thức thu thập liệu nhận nhiều quan tâm nghiên cứu cộng đồng mạng cảm biến không dây 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 gửi nút cha đến đỉnh (nút gốc) Giao thức CTP chứng minh giao thức thu thập liệu đạt hiệu cao mặt lượng tiêu thụ tỷ lệ chuyển phát liệu thành công mạng Tuy nhiên, giao thức CTP dựa vào thước đo định tuyến ETX để lựa chọn tuyến đường tối ưu Thước đo định tuyến ETX không giải vấn đề cân lượng nút mạng Các nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt phải thực nhiều việc truyền dẫn mạng Các nút mạng hết lượng nhanh nút mạng khác tạo thành lỗ hổng mạng, làm giảm hiệu toàn hệ thống mạng Đây thách thức quan trọng mạng cảm biến không dây hoạt động pin Một số kết đánh giá giao thức CTP dựa công cụ mô Cooja thực nghiệm với phần cứng TUmote cho kết tương tự Trong luận án này, tác giả đề xuất giao thức định tuyến EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) có nhận thức lượng nhằm giải điểm yếu giao thức CTP Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án tốn định tuyến có nhận thức lượng áp dụng cho giao thức thu thập liệu (bài toán định tuyến EACTP) mạng cảm biến không dây nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Phạm vi nghiên cứu luận án tác giả tập trung vào phương pháp định tuyến dựa nhận thức lượng mạng cảm biến không dây 2 Mục tiêu luận án Mục tiêu luận án đề xuất giao thức định tuyến EACTP có nhận thức lượng nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Từ đó, thực thi đánh giá hiệu giao thức dựa mô thực nghiệm Mục tiêu cụ thể luận án là: Nghiên cứu giao thức định tuyến có nhận thức lượng cho mạng cảm biến khơng dây, phân tích đánh giá so sánh loại giao thức định tuyến; Nghiên cứu giao thức định tuyến thu thập liệu CTP cho mạng cảm biến không dây; Đề xuất giao thức định tuyến có nhận thức lượng EACTP; Xây dựng mơ hình phân tích mơ hình tốn học cho giao thức EACTP dựa lý thuyết đồ thị; Thực thi phân tích đánh giá hiệu giao thức EACTP dựa mô phỏng; Xây dựng hệ thống triển khai thực nghiệm cho phép tùy biến, tích hợp chức định tuyến đánh giá hiệu giao thức điều kiện thực tế Phƣơng pháp luận nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu mô thực nghiệm Về nghiên cứu lý thuyết, tác giả nghiên cứu khảo sát giao thức định tuyến có nhận thức lượng cho mạng cảm biến không dây dựa vào kiến thức kết nghiên cứu lý thuyết công bố Về nghiên cứu mô thực nghiệm, tác giả thực cài đặt giao thức định tuyến mới, chạy thử nghiệm giao thức định tuyến dựa mô thực nghiệm nút cảm biến thật, từ tác giả đánh giá kết mô phỏng, thực nghiệm kết luận tính ưu việt giao thức định tuyến Nội dung luận án Luận án trình bày thành 03 chương sau: Chương 1: Bài tốn định tuyến mạng cảm biến khơng dây Chương trình bày kết nghiên cứu khảo sát đánh giá giao thức định tuyến dựa nhận thức lượng cho mạng cảm biến khơng dây, phát biểu tốn định tuyến có nhận thức lượng với giao thức thu thập liệu lựa chọn phương pháp tiếp cận toán tác giả luận án 3 Chương 2: Giao thức thu thập liệu có nhận thức lượng Chương đề xuất giao thức định tuyến EACTP có nhận thức lượng Giao thức EACTP xây dựng nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Một số kết thực thi đánh giá giao thức EACTP dựa công cụ mô Cooja trình bày chương Chương 3: Triển khai đánh giá thực nghiệm Trong chương này, tác giả xây dựng hệ thống triển khai thực nghiệm dựa 10 nút cảm biến phần cứng TUmote (Thainguyen University mote) Hệ thống triển khai thực nghiệm cho phép tùy biến, tích hợp chức định tuyến đánh giá hiệu giao thức điều kiện thực tế Một số kết đánh giá so sánh hiệu giao thức EACTP giao thức CTP thông qua triển khai thực nghiệm trình bày chương Cuối kết luận, tóm tắt đề xuất tác giả dự kiến hướng nghiên cứu luận án Đóng góp luận án Trên sở phân tích mơ hình tốn học dựa lý thuyết đồ thị cho giao thức thu thập liệu có nhận thức lượng, tác giả có số đóng góp luận án sau: - Đề xuất giao thức định tuyến giao thức thu thập liệu có nhận thức lượng - EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) Trong giao thức EACTP, tác giả thực số cải tiến: Thứ nhất, tác giả bổ sung thêm thành phần ước lượng lượng lại nút cảm biến; Thứ hai, tác giả đề xuất thước đo định tuyến trạng thái lượng cịn lại ES (Energy State) để xác định tuyến đường tối ưu mạng; Thứ ba, tác giả đề xuất thuật toán lựa chọn tuyến đường tối ưu dựa kết hợp hai thước đo định tuyến chất lượng liên kết tuyến đường trạng thái lượng lại nút chuyển tiếp - Mô đánh giá hiệu giao thức EACTP thơng qua số mơ hình mạng Tác giả xác định thước đo đánh giá phù hợp cho toán định tuyến EACTP đưa số kết đánh giá so sánh hiệu giao thức EACTP giao thức CTP Các kết đánh giá mô cho thấy thời gian sống mạng hoạt động theo giao thức EACTP đề xuất cải thiện tốt so với giao thức CTP ban đầu - Xây dựng môi trường thực nghiệm dựa 10 nút cảm biến phần cứng TUmote (Thainguyen University mote), cho phép tùy biến, tích hợp chức định tuyến đánh giá hiệu giao thức CTP, EACTP điều kiện thực tế Mơi trường thực nghiệm hồn tồn sử dụng lại cho nghiên cứu thực nghiệm khác lĩnh vực mạng cảm biến không dây rút ngắn thời gian để đưa mơ hình nghiên cứu lý thuyết sang mơ hình thực nghiệm có tính ứng dụng Kết đánh giá thực nghiệm 10 nút cảm biến phần cứng TUmote kiểm chứng lại tính đắn kết mơ lập luận tính hiệu giao thức EACTP đề xuất CHƢƠNG BÀI TỐN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 1.1 Vấn đề lƣợng tiêu thụ mạng cảm biến không dây Vấn đề lượng tiêu thụ nút cảm biến quan trọng nhiều nút cảm biến bị hạn chế nguồn lượng Các nút cảm biến khơng dây hoạt động pin từ nguồn lượng khác tích trữ từ mơi trường Trong hai trường hợp, lượng nguồn tài nguyên hạn chế Trong mạng cảm biến khơng dây, q trình truyền thơng tiêu tốn nhiều lượng Vì vậy, điều quan trọng cần xây dựng giao thức truyền thơng cho nút cảm biến sử dụng hiệu nguồn tài nguyên sẵn có Do đó, phần cứng phần mềm cần xác định tiêu hao lượng cung cấp thông tin đến tầng mạng để phục vụ cho việc định tuyến liệu 1.2 Vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây 1.2.1 Khái niệm phân loại giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây Định tuyến giao thức quan trọng mạng cảm biến không dây Nhiệm vụ giao thức định tuyến tìm tuyến đường tốt từ nguồn đến đích Trong mạng cảm biến không dây, nút cảm biến thực đồng thời hai chức là: Chức sinh liệu chức định tuyến liệu Các giao thức định tuyến phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ Hình 1.2: Phân loại giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 1.2.2 Những thách thức vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây Các đặc điểm mạng cảm biến không dây làm cho việc phát triển mơ hình định tuyến cho mạng gặp nhiều khó khăn Sau số thách thức cần phải giải phát triển giao thức định tuyến cho mạng cảm biến khơng dây: - Nguồn lượng tích trữ phụ thuộc vào dung lượng pin Các nút cảm biến khơng dây có kích thước nhỏ nên nguồn lượng chúng bị hạn chế Điều dẫn đến ràng buộc khắt khe cho hoạt động nút cảm biến - Khả lưu trữ tính tốn nút cảm biến làm hạn chế nhiều đến giao thức định tuyến Do đó, thuật tốn định tuyến đơn giản, gọn nhẹ cần phải nghiên cứu phát triển cho mạng cảm biến không dây - Các nút không đồng cần phải tính đến thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây Có hai ngun nhân dẫn đến việc nút mạng khơng đồng Thứ hồn tồn tăng hiệu mạng thơng qua việc triển khai số nút mạng có lượng, có khả lưu trữ tính tốn tốt nút lại mạng Thứ hai khác biệt nút cảm biến phát sinh trình hoạt động mạng Một số nút cảm biến phải thực nhiều nhiệm vụ dẫn đến việc chúng bị hết lượng nhanh nút khác Do đó, giao thức định tuyến cần phải tránh việc chuyển tiếp tin thơng qua nút mạng có trạng thái nguồn lượng lại mức thấp để bù lại không đồng lượng nút mạng - Khả chịu lỗi cần phải quan tâm định tuyến tin Tuy nhiên, nút bị lỗi ảnh hưởng đến toàn hoạt động chung mạng Các thuật tốn định tuyến cần phải có tuyến đường dự phòng cần phải xây dựng kịp thời tuyến đường khác trường hợp liên kết mạng bị lỗi - Khả mở rộng vấn đề quan trọng mạng cảm biến không dây Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu mạng lớn bao gồm hàng ngàn nút cảm biến 1.3 Giao thức thu thập liệu CTP Giao thức thu thập liệu CTP thực thi chế thu thập liệu tin cậy bước nhảy (hop-by-hop) Các nút tổ chức thành cấu trúc dạng liệu gửi nút cha đến đỉnh (nút gốc) Nút gốc gán đỉnh tất nút khác khởi tạo nút Các nút cập nhật vị trí q trình mở rộng dần với điểm xuất phát ban đầu từ nút gốc Dữ liệu gửi qua cấu trúc đến nút gốc Hình 1.8 minh họa cấu trúc liên kết mạng xây dựng theo giao thức CTP Hình 1.8: Cấu trúc liên kết mạng xây dựng theo giao thức CTP Trong trình xây dựng trì cấu trúc định tuyến, nút cần phải xác định thước đo định tuyến để lựa chọn nút lân cận tốt (nút cha) Hiện tại, giao thức CTP sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX để xây dựng cấu trúc định tuyến Các nút cần phải thu thập thông tin chất lượng liên kết nút lân cận dựa vào thơng tin để tính toán lựa chọn nút cha Để thực điều này, nút định kỳ trao đổi tin điều khiển Bản tin điều khiển mang thông tin chất lượng tuyến đường (rtmetric) từ nút đến nút gốc Giao thức CTP dựa vào thước đo định tuyến ETX để lựa chọn tuyến đường tối ưu Thước đo định tuyến ETX không giải vấn đề cân lượng nút mạng Bởi vậy, giao thức CTP dễ bị cân lượng Các nút mạng thuộc tuyến đường tối ưu phải thực nhiều việc truyền dẫn nút khác Chúng hết lượng nhanh nút khác tạo thành lỗ hổng mạng, làm giảm hiệu toàn hệ thống mạng Một số kết đánh giá giao thức CTP dựa công cụ mô Cooja thực nghiệm với phần cứng TUmote cho kết tương tự 1.4 Bài toán định tuyến EACTP Điểm thu thập Nút gốc Nút gốc n … Hình 1.13: Cấu trúc liên kết mạng xét đến toán định tuyến EACTP Hình 1.13 minh họa mơ hình cấu trúc liên kết mạng tác giả xét đến luận án Mạng chia thành nhiều cụm nhỏ khác Do thuật toán để xây dựng cấu trúc cụm nhỏ hoàn toàn giống nên tác giả xét đến việc tối ưu hóa thời gian sống cụm mạng Bài toán định tuyến EACTP phát biểu sau: Cho cấu trúc mạng G = (V, E) đồ thị, V số đỉnh, E số cạnh Bài tốn định tuyến EACTP đặt tìm cấu trúc tối ưu dựa hai tham số chất lượng liên kết nút mạng trạng thái lượng lại nút mạng Hình 1.14 ví dụ minh họa cấu trúc hình học tốn định tuyến EACTP Mỗi đỉnh thuộc biểu diễn nút mạng có chức sinh liệu chức định tuyến Mỗi nút mạng xác định số lượng cịn lại EI (Energy Indicator) Mỗi cạnh thuộc tuyến (link) kết nối hai nút mạng (u,v) biểu diễn chất lượng liên kết hai nút mạng theo tham số chất lượng liên kết (ETXlink) Hình 1.14: Ví dụ minh họa cấu trúc hình học tốn định tuyến EACTP Gọi độ dài đường P nối từ điểm G = (V, E) đến nút gốc xác định tổng ETXlink tất tuyến kết nối thuộc tuyến đường Mỗi nút gán nhãn (rtmetric) độ dài đường tốt từ nút đến nút gốc xác định theo thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX Bài toán định tuyến EACTP phát biểu sau: Tìm nút n thuộc tập hợp nút lân cận N nút nguồn s cấu trúc G = (V, E) cho nút n thỏa mãn điều kiện sau: rtmetrics  arg min(rtmetricn  ETX link ( s n ) )  nN  n.EI  Threshold  (1.2) Trong đó: rtmetricn nhãn nút n, rtmetrics nhãn nút s xác định theo nút n, ETXlink(s-n) chất lượng liên kết nút s nút n, n.EI số lượng lại nút n, Threshold ngưỡng số lượng cịn lại Bài tốn định tuyến EACTP xuất phát từ đề tài thực tế triển khai Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học Tự động hóa là: Nhiệm vụ khoa học công nghệ cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống quan trắc ô nhiễm nước tự động, lưu động”, mã số 07.12/CNMT; Nhiệm vụ khoa học công nghệ cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống quan trắc lưu lượng dòng chảy lượng mưa hỗ trợ điều tiết an tồn hệ thống hồ chứa nước Sơng Đà”, mã số ĐTĐL.2011-G/48 Trong hai đề tài này, nút cảm biến thường triển khai vị trí xa nguồn điện lưới vị trí gặp nhiều khó khăn việc kéo đường dây điện từ nguồn điện lưới Vì vậy, nút mạng cảm biến thường sử dụng nguồn lượng tích trữ (VD: Pin, Ắc quy) Do đó, nhiệm vụ cấp thiết đặt là: Cần phải đề xuất giao thức truyền thơng thu thập liệu có nhận thức lượng nhằm tăng thời gian sống nút mạng sử dụng dạng nguồn lượng tích trữ 1.5 Hiện trạng nghiên cứu phƣơng pháp tiếp cận tốn định tuyến có nhận thức lƣợng nghiên cứu trƣớc 1.5.1 Định tuyến với tổng lượng tối thiểu MTPR Gọi ei,j biểu thị lượng tiêu thụ để truyền tin từ nút i đến nút j lân cận Nếu tin phải qua tuyến đường p bao gồm nút n1, , nk tổng lượng E cần thiết để truyền tin là: k 1 E   eni ,ni1 (1.3) i 1 Trong tập P tuyến đường có thể, tuyến đường lựa chọn tuyến đường có tổng lượng tiêu thụ nhỏ Nhược điểm thước đo định tuyến MTPR khơng cung cấp thơng tin thời gian sống cịn lại pin Điều dẫn đến việc số nút mạng hết lượng nhanh nút mạng khác 10 1.5.2 Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ MBCR Thước đo MBCR dựa vào dung lượng pin lại nút cảm biến Mỗi nút cảm biến gán chi phí Chi phí tính nghịch đảo dung lượng pin lại nút cảm biến Trong tập P tuyến đường có thể, tuyến đường lựa chọn tuyến đường có tổng chi phí nhỏ Nhược điểm thước đo định tuyến MBCR tuyến đường lựa chọn bao gồm số nút mạng có dung lượng pin cịn lại mức thấp Những nút mạng hết lượng nhanh nút mạng khác 1.5.3 Giao thức định tuyến nhận thức lượng EAR Giao thức EAR sử dụng thước đo lượng để xác định tuyến đường tốt Thước đo lượng xác định chi phí chuyển phát tin lượng lại nút chuyển tiếp Tuy nhiên giao thức EAR tồn hai nhược điểm là: Thứ nhất, giao thức EAR dựa vào lượng lại tuyến đường mà bỏ qua khác lượng nút riêng lẻ tuyến đường Một tuyến đường với lượng cịn lại nhiều khơng có nghĩa tất nút tuyến đường cịn nhiều lượng Thứ hai, giao thức EAR xác định thước đo chi phí lượng dựa hỗ trợ phần cứng nút cảm biến 1.5.4 Giao thức định tuyến E-Span Trong giao thức E-Span, nút có lượng lại mức cao chọn làm nút gốc Các nút khác lựa chọn nút cha số nút lân cận dựa mức lượng lại số bước nhảy đến nút gốc Nhược điểm giao thức định tuyến tuyến đường tối ưu lựa chọn dựa vào thước đo định tuyến số bước nhảy Thước đo định tuyến không xét đến hiệu suất liên kết tuyến đường từ nguồn đến đích Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều liên kết tổn hao (có mát tin) Vì vậy, tuyến đường với số bước nhảy tối thiểu hồn tồn bao gồm liên kết tổn hao Bản tin phải truyền lại nhiều lần gây lãng phí lượng tăng độ trễ truyền tin 1.5.5 Giao thức định tuyến có nhận thức lượng cân tải Trong giao thức này, chế ước lượng lượng tiêu thụ dựa vào hoạt động (truyền, nhận) thu phát vô tuyến Bước nhảy lựa chọn nút có lượng cịn lại mức cao Một nút mạng xác định tải dựa số lượng tin 11 truyền, nhận thu phát vô tuyến Nhược điểm giao thức định tuyến tuyến đường tối ưu lựa chọn dựa vào lượng lại nút chuyển tiếp Thước đo định tuyến có nhược điểm giống thước đo định tuyến số bước nhảy không xét đến chất lượng liên kết nút mạng Ngồi ra, mơ hình lượng tiêu thụ nút cảm biến sử dụng giao thức xét đến lượng tiêu thụ thu phát vô tuyến mà chưa kể đến thành phần tiêu thụ lượng khác 1.5.6 Giao thức định tuyến ICTP Giao thức ICTP đề xuất nhằm giải vấn đề cân tải giao thức CTP Giao thức ICTP tồn ba nhược điểm chính: Thứ nhất, việc lựa chọn tuyến đường dựa xác suất dẫn đến việc lựa chọn tuyến đường có chất lượng xấu Điều dẫn đến việc phải gửi lại tin nhiều lần làm tăng lượng tiêu thụ toàn mạng; Thứ hai, giao thức ICTP làm phát sinh thêm chi phí lượng việc gửi thơng tin lượng cịn lại nút cảm biến; Thứ ba, chế ước lượng lượng tiêu thụ giao thức ICTP đơn giản không phù hợp với thực tế 1.5.7 Giao thức định tuyến EQLR Giao thức EQLR xây dựng cấu trúc thu thập liệu dựa hai thước đo định tuyến chất lượng liên kết lượng pin lại nút cảm biến Tuy nhiên, giao thức EQLR tồn số nhược điểm: Thứ nhất, tin điều khiển cần phải bổ sung thêm trường lượng lại để mang thơng tin mức lượng cịn lại pin Điều làm phát sinh thêm chi phí lượng việc gửi tin điều khiển; Thứ hai, ngưỡng lượng để xác định nút hết lượng giá trị cố định Để xác định ngưỡng lượng cố định tối ưu khó; Thứ ba, thuật tốn lựa chọn tuyến đường dựa ngưỡng ETX Các tác giả chọn ngưỡng ETX thay đổi từ 50 - 500 Ngưỡng xác định dựa thực nghiệm với nút cảm biến giá trị lớn đo ETX 500 Tuy nhiên, triển khai thực tế với số lượng nút lớn việc xác định ngưỡng ETX dựa thực nghiệm gặp nhiều khó khăn 1.5.8 Giao thức định tuyến ELR Giao thức ELR xây dựng cấu trúc định tuyến dựa thước đo chất lượng liên kết phần trăm lượng lại nút cảm biến Giao thức ELR tồn số nhược điểm: Thứ nhất, tin điều khiển mở rộng thêm 16 bit để mang thơng tin 12 mức lượng cịn lại nút cảm biến Điều làm phát sinh thêm chi phí lượng việc gửi tin điều khiển; Thứ hai, ngưỡng lượng thiết lập giá trị cố định 10% Để xác định ngưỡng lượng tối ưu khó; Thứ ba, tác giả chọn ngưỡng khác biệt chất lượng liên kết ETXdiffTh giá trị cố định 10 Các tác giả chưa phân tích rõ giá trị ngưỡng cố định Trong triển khai thực tế, việc xác định ngưỡng ETXdiffTh khó khăn cần giải 1.6 Giải pháp tiếp cận toán luận án Trong luận án này, tác giả đề xuất giao thức định tuyến EACTP có nhận thức lượng nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Giao thức EACTP cải tiến dựa giao thức CTP ba điểm: Thứ nhất, giao thức EACTP bổ sung thêm thành phần ước lượng lượng tiêu thụ nút cảm biến Thứ hai, giao thức EACTP bổ sung thêm thước đo định tuyến trạng thái lượng lại ES (Energy State) nút cảm biến Thứ ba, giao thức EACTP bổ sung tiêu chí định tuyến nhằm đảm bảo cân lượng tiêu thụ nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt CHƢƠNG GIAO THỨC CÂY THU THẬP DỮ LIỆU CÓ SỰ NHẬN THỨC VỀ NĂNG LƢỢNG 2.1 Đề xuất giao thức thu thập liệu có nhận thức lƣợng 2.1.1 Mục tiêu đề xuất thách thức Trong giao thức CTP tại, nút cảm biến thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt chọn làm nút cha phần lớn thời gian nút tham gia nhiều vào trình truyền thơng mạng Điều dẫn đến việc nút thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt bị hết lượng nhanh nút khác làm giảm thời gian sống toàn mạng Một số thách thức đặt xây dựng giao thức EACTP là: Thứ nhất, cần phải xác định lượng lại nút cảm biến Cách xác định lượng lại nút cảm biến 13 cần thực nhiều kiến trúc phần cứng khác không làm phát sinh thêm chi phí phần cứng Thứ hai, cần phải đưa thước đo định tuyến phù hợp dựa thông tin lượng lại nút cảm biến Thứ ba, tuyến đường tối ưu lựa chọn giao thức EACTP phải có tỷ lệ chuyển phát tin liệu thành công đến nút gốc mức cao tuyến đường hiệu mặt lượng 2.1.2 Những đề xuất cải tiến giao thức EACTP 2.1.2.1 Ước lượng lượng tiêu thụ nút cảm biến Tác giả sử dụng chế ước lượng lượng tiêu thụ dựa phần mềm cho nút cảm biến không dây Cơ chế ước lượng lượng dựa phần mềm sử dụng mơ hình tiêu thụ lượng tuyến tính Cơ chế đạt độ xác đến 96% Tổng lượng E tính tốn sau: (2.4) E  U ( I ata  I l tl  I t tt  I r tr   I citci ) i Cơ chế ước lượng lượng sử dụng mơ hình tuyến tính gọi đến thiết bị phần cứng bật tắt chuyển chế độ Khi thiết bị phần cứng bật mơ đun ước lượng lượng lưu dấu thời gian Khi thiết bị phần cứng tắt sai khác thời gian hai thời điểm tính tốn cộng vào tổng thời gian bật thiết bị Sau đó, mơ đun ước lượng lượng tiêu thụ sử dụng thông số kỹ thuật dòng tiêu thụ thiết bị để tính tốn tổng lượng tiêu thụ nút cảm biến Bảng 2.1 mơ hình lượng phần cứng TUmote Bảng 2.1: Mơ hình lượng TUmote Thành phần Trạng thái Dòng tiêu thụ SHT11 1,95 mA Công suất thấp 0,0026 mA 17,4 mA Truyền (-15 dBm) 9,9 mA Nhận CC2420 Tích cực Truyền (0 dBm) MSP430 F1611 18,8 mA Tích cực 0,55 mA 14 2.1.2.2 Thước đo số lượng cịn lại thích ứng Chỉ số lượng lại nút cảm biến thời điểm t xác định theo công thức sau: residual _ energy (2.7) EI (%)  100% E0 Trong đó: residual_energy lượng lại nút cảm biến, E0 lượng ban đầu nút cảm biến Giao thức EACTP đề xuất ý tưởng ngưỡng số lượng cịn lại thích ứng Mỗi nút có bốn trạng thái lượng lại khác Bảng 2.2 minh họa bốn trạng thái lượng lại nút Bốn trạng thái lượng lại nút cảm biến mã hóa bit dự trữ tin điều khiển Vì vậy, giải pháp khơng làm phát sinh chi phí lượng việc gửi tin điều khiển Bảng 2.2: Các trạng thái lượng nút cảm biến Trạng thái lƣợng Chỉ số EI Mô tả 30%-100% 10%-30% 5%-10% 0-5% Nhiều lượng Thiếu hụt lượng Thiếu nhiều lượng Hết lượng Ngƣỡng số EI 30% 10% 5% 2.1.2.3 Bổ sung thông tin trạng thái lượng lại nút cảm biến cấu trúc tin điều khiển Bảng 2.3 bảng mã hóa bốn trạng thái lượng lại nút cảm biến Bảng 2.3: Hình 2.4: Hình 2.4 minh họa cấu trúc khung tin điều khiển giao thức EACTP Bản tin bổ sung thêm trường trạng thái 15 lượng lại ES gồm hai bit ES[1] ES[0] để mã hóa bốn trạng thái lượng khác nút cảm biến 2.1.2.4 Thuật toán lựa chọn tuyến đường Với việc lựa chọn ngưỡng lượng thích ứng, giao thức EACTP phân loại nút cảm biến theo số trạng thái lượng khác Đề xuất tốt so với việc lựa chọn ngưỡng lượng cố định trình lựa chọn tuyến đường dự trữ điều chỉnh nhiều khoảng ngưỡng lượng khác Các nút có số lượng cịn lại mức thấp không lựa chọn làm nút cha giai đoạn đầu trình suy giảm lượng 16 2.2 Thực thi giao thức EACTP hệ điều hành Contiki Các thành phần giao thức EACTP minh họa hình 2.6 - Khối ước lượng chất lượng liên kết: Khối tính tốn chất lượng liên kết hai nút mạng dựa thống kê tin điều khiển nhận số tin liệu truyền thành công hai nút mạng - Khối quản lý tin điều khiển: Khối có nhiệm vụ phát quảng bá thông tin thước đo định tuyến nút - Khối quản lý nút lân cận: Khối lưu trữ thông tin nút lân cận bảng định tuyến Các thông tin bao gồm địa nút lân cận, thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX trạng thái lượng lại ES nút lân cận Ngoài ra, thuật toán lựa chọn tuyến đường tối ưu thực thi khối 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 Lớp vật lý Hình 2.6: Các thành phần giao thức EACTP - Khối ước lượng lượng tiêu thụ: Khối có nhiệm vụ ước lượng lượng tiêu thụ nút cảm biến, tính tốn số lượng cịn lại EI xác định trạng thái lượng lại ES nút cảm biến - Khối thu thập: Đây khối trung tâm giao thức EACTP Khối cung cấp giao tiếp cho lớp lớp Khối 17 thực việc khởi tạo cho khối cịn lại Nó thực việc gửi nhận tin liệu tin xác nhận, phát sửa chữa vòng lặp định tuyến, phát tránh trùng lặp tin liệu 2.3 Đánh giá giao thức EACTP dựa mô 2.3.1 Các tham số đánh giá 2.3.1.1 Tỷ lệ nút sống mạng Tỷ lệ nút sống mạng ANR (Alive Node Ratio) xác định tỷ số số nút sống mạng tổng số nút ban đầu mạng N alive _ nodes (2.9) ANR (%)  100% N Trong đó: Nalive_nodes tổng số nút sống mạng, N tổng số nút ban đầu mạng 2.3.1.2 Tỷ lệ chuyển phát tin liệu Tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR (Data Delivery Ratio) xác định tỷ số số tin liệu nhận nút gốc tổng số tin liệu gửi tất nút mạng N (2.10) DDR(%)  received 100% N data Trong đó: Nreceived tổng số tin liệu nhận nút gốc, Ndata tổng số tin liệu gửi tất nút mạng 2.3.1.3 Sự cân lượng nút mạng Thước đo đánh giá cân lượng EIB (Energy Indicator Balance) nút mạng xác định theo công thức sau: EIB(%)  N  ( EI  EI ) i 1 i (%) (2.11) Trong đó: EI số lượng cịn lại trung bình nút mạng 2.3.1.4 Thời gian sống mạng Thời gian sống mạng định nghĩa khoảng thời gian bắt đầu truyền dẫn mạng kết thúc tỷ lệ phần trăm nút hết lượng ngưỡng cho trước Giá trị ngưỡng thiết lập tùy thuộc vào ứng dụng (có thể 100% thấp hơn) 18 2.3.2 Mơ hình đánh giá mơ Một mơ hình cụm gồm 30 nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên mặt phẳng có kích thước 100m x 100m Các nút mạng định kỳ sau 20s gửi tin liệu nút gốc nút số 30 Mơ hình truyền thông vô tuyến sử dụng mô mơ hình truyền thơng UDI, phạm vi truyền thông hiệu 30m phạm vi ảnh hưởng nhiễu 50m Các nút số 2, 5, 8, 10, 19, 24, 27, 28, 29 truyền thơng trực tiếp đến nút gốc (nút số 30) Các nút cịn lại phải thực truyền thơng theo mơ hình đa chặng đến nút gốc Hình 2.14, 2.15, 2.16 kết mô đánh giá so sánh tỷ lệ nút sống mạng, tỷ lệ chuyển phát tin liệu cân lượng nút mạng giao thức CTP giao thức EACTP kịch mô Hình 2.13: Mơ hình mơ Hình 2.14: So sánh ANR Hình 2.15: So sánh DDR Hình 2.16: So sánh EIB Hình 2.14, 2.15 cho thấy tỷ lệ nút sống mạng giao thức EACTP cao so với giao thức CTP Tuy nhiên, giao thức 19 EACTP đảm bảo tỷ lệ chuyển phát tin liệu mức chấp nhận so với giao thức CTP ban đầu Nếu giá trị ngưỡng thiết lập để xác định thời gian sống mạng 100% hình 2.14 cho thấy thời gian sống mạng hoạt động theo giao thức EACTP cải thiện đáng kể so với giao thức CTP: Trong kịch mô phỏng, thời điểm nút hết lượng giao thức CTP phút thứ 29 giao thức EACTP phút thứ 33 (như vậy, thời gian sống mạng tăng 14%) Hình 2.16 kết so sánh cân lượng nút mạng Kết mô cho thấy giao thức EACTP đảm bảo cân lượng nút mạng tốt so với giao thức CTP ban đầu Điều thể số EIB giao thức EACTP thấp so với số EIB giao thức CTP Các kết mô cho thấy: Khi tỷ lệ nút cịn sống mạng giảm tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu (DDR) số đánh giá cân lượng (EIB) hai giao thức CTP giao thức EACTP giảm theo Kết mơ hồn tồn phù hợp với lập luận, phân tích lý thuyết 2.4 Đánh giá giao thức EACTP dựa phân tích lý thuyết Khi so sánh giao thức EACTP với giao thức định tuyến có nhận thức lượng khác (đã trình bày mục 1.5) giao thức EACTP có số ưu điểm sau: Thứ nhất, giao thức EACTP không làm phát sinh thêm chi phí lượng việc gửi tin điều khiển giao thức sử dụng bit dự trữ cấu trúc tin điều khiển Thứ hai, mơ hình lượng xét đến giao thức EACTP đầy đủ xét đến thành phần tiêu thụ lượng cấu trúc phần cứng nút cảm biến Thứ ba, chế ước lượng lượng tiêu thụ dựa phần mềm cho phép thực thi giao thức EACTP tảng phần cứng mà không làm phát sinh thêm chi phí phần cứng Thứ tư, tuyến đường tối ưu lựa chọn dựa kết hợp hai thước đo định tuyến chất lượng liên kết trạng thái lượng lại nút chuyển tiếp Tuyến đường tối ưu vừa đảm bảo số lần truyền cần thiết giúp giảm nhiễu phát sinh mạng, tiết kiệm lượng nút mạng vừa đảm bảo cân lượng nút chuyển tiếp thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt, giúp tăng thời gian sống mạng 20 CHƢƠNG TRIỂN KHAI ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 3.1 Phần cứng cho mạng cảm biến không dây Trong thời gian qua, có nhiều tảng phần cứng khác nghiên cứu phát triển cho mạng cảm biến khơng dây Các tảng phần cứng chia thành hai loại sau: - Các tảng phần cứng mức thấp: Các tảng phần cứng đặc trưng hạn chế khả xử lý, nhớ khả truyền thông Các tảng phần cứng thường triển khai với số lượng lớn để thực nhiệm vụ cảm nhận tạo kết nối nút mạng - Các tảng phần cứng mức cao: Ngồi nhiệm vụ cảm nhận tảng phần cứng thực nhiệm vụ tổng hợp, xử lý liệu, kết nối mạng cảm biến không dây với mạng khác bên Các tảng phần cứng địi hỏi vi xử lý có khả xử lý mạnh hơn, dung lượng nhớ nhiều 3.2 Đề xuất cấu trúc phần cứng TUmote Hình 3.4: Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng TUmote Dựa nghiên cứu khảo sát cấu trúc phần cứng cho mạng cảm biến không dây, tác giả đề xuất cấu trúc phần cứng riêng để phục vụ cho việc nghiên cứu đánh giá thực nghiệm với giao thức EACTP Phần cứng hoàn toàn sử dụng lại cho nghiên cứu thực nghiệm khác lĩnh vực mạng cảm biến không dây rút ngắn thời gian để đưa mơ hình nghiên cứu lý thuyết sang mơ hình thực nghiệm có tính ứng dụng 21 Hình 3.4 sơ đồ khối cấu trúc phần cứng TUmote TUmote sử dụng vi điều khiển MSP430F1611 Texas Instruments với 48KB nhớ chương trình 10KB nhớ RAM Đây vi điều khiển 16 bit với tần số xung đồng hồ lên tới 8MHz TUmote trang bị thu phát vô tuyến CC2420 Texas Instruments tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4 Bộ thu phát vơ tuyến CC2420 có cơng suất tiêu thụ thấp với phạm vi truyền sóng 100m có tốc độ truyền liệu 250kbit/s TUmote tích hợp sẵn board cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT11 hãng Sensirion AG Một số loại cảm biến khác kết nối với TUmote thông qua kết nối mở rộng 3.3 Triển khai mô hình đánh giá thực nghiệm Bảng 3.4, 3.5 tóm tắt kịch đánh giá thực nghiệm với hai giao thức CTP EACTP Bảng 3.4, 3.5: Kịch đánh giá thực nghiệm Các tham số Kịch Kịch Trong tầm Cây cối Mơi trường truyền sóng nhìn thẳng tầm thấp Số nút mạng (nút) 10 Khoảng cách nút mạng 1,5 x 1,5 20 x 20 mạng (m x m) Năng lượng ban đầu nút 10J Công suất phát -15 dBm dBm Chu kỳ gửi tin liệu 60s Nguồn gửi tin liệu Tất nút mạng Giao thức lớp MAC CSMA/ContikiMAC Hình 3.7 minh họa sơ đồ bố trí nút cảm biến TUmote kịch Các nút cảm biến định kỳ sau 60s gửi tin liệu nút gốc Hình 3.8, 3.9, 3.10 kết thực nghiệm đánh giá so sánh tỷ lệ nút sống mạng, tỷ lệ chuyển phát tin liệu, cân lượng nút mạng giao thức CTP giao thức EACTP kịch Tương tự vậy, hình 3.13, 3.14, 3.15 kết đánh giá thực nghiệm kịch Các kết đánh giá thực nghiệm cho thấy: 22 Hình 3.7: Sơ đồ bố trí nút Hình 3.9: So sánh DDR Hình 3.12: Triển khai TUmote Hình 3.8: So sánh ANR Hình 3.10: So sánh EIB Hình 3.13: So sánh ANR Hình 3.14: So sánh DDR Hình 3.15: So sánh EIB - Nếu giá trị ngưỡng thiết lập để xác định thời gian sống mạng 100% hình 3.8, 3.13 cho thấy thời gian sống mạng 23 hoạt động theo giao thức EACTP cải thiện so với giao thức CTP: Tăng 10 phút (tương ứng với 15,4% hình 3.8) tăng phút (tương ứng với 7,7% hình 3.13) Như vậy, mô thực nghiệm cho kết giống giao thức EACTP có thời gian sống mạng tốt so với giao thức CTP ban đầu - Hình 3.8, 3.9, 3.13, 3.14 cho thấy số lượng nút mạng hết lượng tăng lên số lượng tin liệu gửi nút gốc giảm Do vậy, tỷ lệ chuyển phát tin liệu mạng giảm theo Qua đó, nhận thấy kết đánh giá thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với phân tích lý thuyết - Giao thức EACTP đảm bảo cân lượng nút mạng tốt so với giao thức CTP Điều thể số EIB giao thức EACTP thấp so với số EIB giao thức CTP Như vậy, kết đánh giá thực nghiệm tương đồng với kết đánh giá mô KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Trong luận án này, tác giả tập trung giải tốn định tuyến có nhận thức lượng áp dụng cho giao thức thu thập liệu (bài tốn định tuyến EACTP) mạng cảm biến khơng dây Mục tiêu luận án là: Đề xuất giao thức định tuyến EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) có nhận thức lượng nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Từ đó, thực thi đánh giá hiệu giao thức phương pháp mô phỏng, thực nghiệm Trên sở phân tích mơ hình tốn học dựa lý thuyết đồ thị cho toán định tuyến thu thập liệu có nhận thức lượng EACTP, tác giả có số đóng góp luận án sau: - Đề xuất giao thức định tuyến giao thức thu thập liệu có nhận thức lượng - EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) Trong giao thức EACTP, tác giả thực số cải tiến: Thứ nhất, tác giả bổ sung thêm thành phần ước lượng lượng lại nút cảm biến; Thứ hai, tác giả đề xuất thước đo định tuyến trạng thái lượng lại ES (Energy State) để xác định tuyến đường tối ưu mạng; 24 Thứ ba, tác giả đề xuất thuật toán lựa chọn tuyến đường tối ưu dựa kết hợp hai thước đo định tuyến chất lượng liên kết tuyến đường trạng thái lượng lại nút chuyển tiếp - Mô đánh giá hiệu giao thức EACTP thông qua số mơ hình mạng Tác giả xác định thước đo đánh giá phù hợp cho toán định tuyến EACTP đưa số kết đánh giá so sánh hiệu giao thức EACTP giao thức CTP Các kết đánh giá so sánh dựa mô cho thấy giao thức EACTP đạt số tiêu chí quan trọng là: Tăng thời gian sống nút mạng, đạt tỷ lệ chuyển phát tin liệu mạng mức cao, đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt, không làm phát sinh thêm chi phí lượng việc gửi tin điều khiển - Xây dựng môi trường thực nghiệm dựa 10 nút cảm biến phần cứng TUmote (Thainguyen University mote), cho phép tùy biến, tích hợp chức định tuyến đánh giá hiệu giao thức CTP, EACTP điều kiện thực tế Mơi trường thực nghiệm hồn tồn sử dụng lại cho nghiên cứu thực nghiệm khác lĩnh vực mạng cảm biến không dây rút ngắn thời gian để đưa mơ hình nghiên cứu lý thuyết sang mơ hình thực nghiệm có tính ứng dụng Kết đánh giá thực nghiệm 10 nút cảm biến phần cứng TUmote kiểm chứng lại tính đắn kết mơ lập luận tính hiệu giao thức EACTP đề xuất là: Thời gian sống mạng hoạt động theo EACTP cải thiện tốt so với giao thức CTP ban đầu Hƣớng phát triển đề tài: Ứng dụng phần cứng TUmote giao thức EACTP cho hệ thống quan trắc nhanh môi trường nghiên cứu triển khai Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa Hiện tại, phần cứng TUmote nghiên cứu phát triển cho ứng dụng giám sát lượng tiêu thụ thiết bị điện Đây ứng dụng thuộc đề tài cấp Bộ Công thương “Nghiên cứu phát triển thiết bị đo chấp hành thông minh nối mạng Smart Metter dựa công nghệ mạng cảm biến không dây phục vụ cho việc quản lý tiết kiệm lượng điện” thực Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “EACTP: Giao thức thu thập liệu cải tiến cho mạng cảm biến không dây,” Chuyên san Cơng nghệ thơng tin Truyền thơng, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Học viện Kỹ thuật quân sự, số 157, 10/2013, ISSN 1859-0209, trang 65-79 Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “Một nghiên cứu so sánh hiệu giao thức thu thập liệu với giao thức MAC khác nhau,” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 5(66), 2013, ISSN 1859-1531, trang 62-67 Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “Về hệ thống nghiên cứu thực nghiệm cho mạng cảm biến không dây,” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 3(64), 2013, ISSN 1859-1531, trang 103-109 Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh Nguyen Huu, “Operating System for Wireless Sensor Networks and an Experiment of Porting ContikiOS to MSP430 Microcontroller,” Journal of Computer Science and Information, Vol 5, Issue 1, February 2012, ISSN: 2088-7051, pp 50-56 Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh Nguyen Huu, “A Comparative Study on Hardware Platforms for Wireless Sensor Networks,” International Journal on Advanced Science Engineering Information Technology, 2012, ISSN: 2088-5334, Vol 2, No 1, pp 70-74 Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “EACTP: Giao thức thu thập liệu với thông lượng cao đảm bảo cân lượng,” Chuyên san Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng Cơng nghệ thơng tin Truyền thơng, Tạp chí Cơng nghệ thông tin & Truyền thông, Chuyên san Kỳ 3, Tập V-1, 2014, ISSN: 1859-3526, trang 41-50  ... giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 1.2.2 Những thách thức vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây Các đặc điểm mạng cảm biến khơng dây làm cho việc phát triển mơ hình định tuyến cho. .. là: Nghiên cứu giao thức định tuyến có nhận thức lượng cho mạng cảm biến không dây, phân tích đánh giá so sánh loại giao thức định tuyến; Nghiên cứu giao thức định tuyến thu thập liệu CTP cho mạng. .. mạng cảm biến không dây Định tuyến giao thức quan trọng mạng cảm biến không dây Nhiệm vụ giao thức định tuyến tìm tuyến đường tốt từ nguồn đến đích Trong mạng cảm biến không dây, nút cảm biến