Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)

Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN IPv6 CHO CÁC ỨNG DỤNG SMART GRID Mã số: ĐH2015-TN07-05 Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Chiến Thắng Thái Nguyên, 6/2017 i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG DANH SÁCH THÀNH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TT Họ tên TS Vũ Chiến Thắng Đơn vị công tác lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể giao Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ Điện tử Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ thông tin Chủ nhiệm đề tài Truyền thông Chuyên môn: Điện tử Viễn thông Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ Nghiên cứu IoT thông tin, Trường Đại học Công (Internet of Things) nghệ thông tin Truyền thông ứng dụng Smart Grid Chuyên môn: Công nghệ thông tin TS Nguyễn Văn Tảo Nghiên cứu giao Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ thức truyền thông Điện tử Truyền thông, Trường IPv6 chuẩn TS Phùng Trung Nghĩa Đại học Công nghệ thông tin truyền thông lớp vật Truyền thông lý IEEE802.15.4 cho ứng dụng Smart Chuyên môn: Điện tử Viễn thông Grid ThS Nguyễn Thanh Tùng Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ Điện tử Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ thông tin Thiết kế, chế tạo Truyền thông phần cứng Chuyên môn: Tự động hóa ThS Vương Thị Yến Đơn vị công tác: Phòng KHCN&HTQT, trường Đại học Công Thư ký hành nghệ Thông tin Truyền thông đề tài Chuyên môn: Toán Ghi ii MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 2.1 Tình hình nghiên cứu nước 2.2 Tình hình nghiên cứu nước Mục tiêu nghiên cứu Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Chương MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 1.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 1.1.3 Những thách thức vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây 1.1.4 Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây 1.1.5 Mô hình tính toán cho mạng cảm biến không dây 1.2 Mạng cảm biến không dây kiến trúc IP 1.2.1 Giới thiệu kiến trúc IP 1.2.2 Ưu điểm mạng cảm biến không dây kiến trúc IP 1.2.3 Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây kiến trúc IP Chương GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4 CHO ỨNG DỤNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH GẮN VỚI HẠ TẦNG AMI 2.1 Tổng quan ứng dụng lưới điện thông minh 2.2 Hệ thống tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI 2.3 Công nghệ mạng cảm biến không dây cho phép khả truyền thông AMI 2.4 Giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 2.4.1 Giới thiệu chung 2.4.2 Khái niệm thuật ngữ sử dụng giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 iii 2.4.3 Thước đo định tuyến ETX 2.4.4 Các tin điều khiển 2.4.5 Hoạt động giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 2.5 Hệ điều hành Contiki 2.6 Thực thi giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 hệ điều hành Contiki Chương PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4 3.1 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 3.1.1 Các thước đo đánh giá 3.1.1.1 Tỷ lệ chuyển phát tin liệu 3.1.1.2 Công suất tiêu thụ trung bình toàn mạng 3.1.1.3 Số lần thay đổi nút cha trung bình toàn mạng 3.1.2 Kịch đánh giá mô 3.2 Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 10 3.2.1 Mục tiêu thách thức 10 3.2.2 Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 10 3.2.2.1 Giải pháp 10 3.2.2.2 Giải pháp 11 3.2.3 Thực thi giải pháp 11 3.3 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa mô 11 3.3.1 Các thước đo đánh giá 11 3.3.1.1 Sự cân lượng nút mạng 12 3.3.1.2 Thời gian sống mạng 12 3.3.2 Kịch đánh giá mô 12 3.3.3 Kết đánh giá mô 12 3.3.3.1 Kết đánh giá mô cho giải pháp 12 3.3.3.2 Kết đánh giá mô cho giải pháp 13 3.3.3.3 So sánh hai giải pháp 13 3.4 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa thực nghiệm 14 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 15 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ đầy đủ Chữ viết tắt AMI Advanced Metering Infrastructure ANR Alive Node Ratio BAS Building Automation System CTP Collection Tree Protocol DAG Directed Acyclic Graph DAO Destination Advertisement Object DDR Data Delivery Ratio DODAG Destination Oriented DAG DIS DODAG Information Solicitation DIO DODAG Information Object EI Energy Indicator EIB Energy Indicator Balance ETX Expected Transmission EU European Union FCS Frame Check Sequence FFD Full Function Device HAN Home Area Network HART Highway Addressable Remote Transducer IP Internet Protocol IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force IoT Internet of Things IRPL Improved RPL LBR Lossy network Border Router LLNs Low-Power and Lossy Networks LoWPAN Low-power and Wireless Personal Area Network MAC Medium Access Control MANET Mobile Adhoc Network MDMS Meter Data Management System MP2P Multi-Point to Point OSI Open Systems Interconnection Reference Model OUI Organizational Unique Identifier v PAN Personal Area Network PC Personal Computer PLC Power Line Communication P2P Point to Point P2MP Point to Multi-Point QoS Quality of Service RAM Random Access Memory RPL IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network ROM Read-Only Memory RoLL Routing over Low power and Lossy network RFD Reduced Function Device SON Smart Object Networks SFD Start of Frame Delimiter TCP Transport Control Protocol TUmote Thainguyen University mote TU2C Thainguyen University Control and Collection UDP User Datagram Protocol UDG Unit Disk Graph UDI UDG with Distance Interference WiFi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WSN Wireless Sensor Networks vi ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây IPv6 cho ứng dụng Smart Grid - Mã số: ĐH2015-TN07-05 - Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Chiến Thắng - Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - Thời gian thực hiện: 1/2015-12/2016 Mục tiêu: - Nghiên cứu, xây dựng hệ thống mạng cảm biến không dây chạy giao thức truyền thông IPv6 ứng dụng Smart Grid Tính sáng tạo: - Đề xuất mô hình ứng dụng giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI - Đề xuất giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến cho việc tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI - Thực thi đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa mô thực nghiệm Kết nghiên cứu: - Nghiên cứu mạng cảm biến không dây kiến trúc IPv6 ứng dụng mô hình mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things) - Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 - Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho cho việc tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI - Thực thi đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa mô thực nghiệm Sản phẩm: - Sản phẩm khoa học: + 02 báo đăng tạp chí nước + 01 báo đăng kỷ yếu hội nghị, hội thảo nước + 01 báo đăng tạp chí quốc tế không thu tiền tác giả vii Vũ Chiến Thắng, Lê Nhật Thăng (2015), “Đánh giá hiệu giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây”, Tạp chí nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, Số 38, 8/2015, tr 51-58 Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Vũ Văn San, Lê Nhật Thăng (2016), “Giải pháp kết hợp thước đo định tuyến chất lượng liên kết lượng giao thức IRPL”, Tạp chí nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, Số 46, 12/2016, tr 86-92 Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Vũ Văn San, Lê Nhật Thăng (2015), “Giao thức định tuyến IPv6 có nhận thức lượng cho mạng cảm biến không dây”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia 2015 Điện tử truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2015), tr 87-91 Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao (2016), “A Performance Evaluation of Improved IPv6 Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, International Journal of Intelligent Systems and Applications, Volume 8, Number 12, pp 18-25 - Sản phẩm đào tạo: 02 đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học Phùng Mạnh Hùng, Thiết kế chế tạo ổ cắm điện thông minh, mã số S2015-08-14, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học năm 2015, Quyết định số 1065/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 31 tháng 12 năm 2015 Đinh Gia Sơn, Thiết kế, chế tạo module đo hiển thị nồng độ khí gas, dùng mạng cảm biến không dây ứng dụng robot tự động hỗ trợ công tác cứu hộ phòng cháy chữa cháy, mã số S2015-08-21, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học năm 2015, Quyết định số 1065/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 31 tháng 12 năm 2015 - Sản phẩm khác: 02 đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên Nguyễn Hà Phương Thùy, Nghiên cứu cải tiến hiệu giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây, Đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên năm 2016, Quyết định số 273/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 07 tháng năm 2016 Dương Thị Nương, Nghiên cứu giao thức truyền tải Web môi trường tài nguyên hạn chế, Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên năm 2016, Quyết định số 273/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 07 tháng năm 2016 Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: - Sản phẩm đề tài ứng dụng giảng dạy môn học mạng cảm biến ứng dụng Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - Sản phẩm đề tài sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên - Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến ứng dụng với hệ thống tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI Ngày Cơ quan chủ trì tháng năm 2017 Chủ nhiệm đề tài TS Vũ Chiến Thắng viii INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Research and development of wireless sensor network based on IPv6 architecture for smart grid applications Code number: DH2015-TN07-05 Coordinator: Dr Vu Chien Thang Implementing institution: Thai Nguyen University of Information and Communication Technology Duration: from 1/2015 to 12/2016 Objective(s): - Researching and developing a wireless sensor network operated on IPv6 communication protocol for smart grid applications Creativeness and innovativeness: - Proposing the application model of IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with Advanced Metering Infrastructure - Proposing an improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with Advanced Metering Infrastructure - Implementing and evaluating the improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol based on simulations and experiments Research results: - Researching on wireless sensor network based on IPv6 architecture and internet of things applications - Researching and evaluating the IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol - Developing the IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with Advanced Metering Infrastructure - Implementing and evaluating the improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol based on simulations and experiments Products: - Scientific paper: + 02 papers in national journals + 01 paper in proceedings of national conference + 01 paper in international journal Vu Chien Thang, Le Nhat Thang (2015), “Performance evaluation of IPv6 routing protocol for wireless sensor network”, Journal of military science and technology, 2015, pp 51-58 Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao, Vu Van San, Le Nhat Thang (2016), “A solution for combination of link quality and residual energy in IRPL protocol”, Journal of military science and technology, 2016, pp 86-92 ix Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao, Vu Van San, Le Nhat Thang (2015), “An energy-aware IPv6 routing protocol for wireless sensor network”, in Proceedings of 2015 national conference on electronics, communications and information technology, pp 87-91 Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao (2016), “A Performance Evaluation of Improved IPv6 Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, International Journal of Intelligent Systems and Applications, Volume 8, Number 12, pp 18-25 - Science research of student: 02 Phung Manh Hung, Designing and prototying smart socket, code number: S2015-08-14, Project of student in 2015, number 1065/QD DHCNTT&TT, 31/12/2015 Dinh Gia Son, Designing, prototying the module to measure and display the gas concentration using wireless sensor network, applying to robot for recusing and fire protection, code number: S2015-08-21, Project of student in 2015, number 1065/QD DHCNTT&TT, 31/12/2015 - Graduation Thesis: 02 Nguyen Ha Phuong Thuy, Studying and improving the performance of IPv6 routing protocol for wireless sensor network, Graduation thesis of student in 2016, number 273/QD DHCNTT&TT, 07/4/2016 Duong Thi Nuong, Studying of web transfer protocol in constraint environment, Graduation thesis of student in 2016, number 273/QD DHCNTT&TT, 07/4/2016 Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: - Research results could be used for teaching and learning about wireless sensor network at Thai Nguyen University of Information and Communication Technology - Research results could be used as learning materials for students - The improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol could be used for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with advanced metering infrastructure 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Theo nghiên cứu giới, người dùng biết lượng điện tiêu thụ thời gian thực nhận cảnh báo tiết kiệm từ 5-20% tiêu thụ Mạng lưới điện thông minh (Smart Grid) ứng dụng mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things – IoT) tương lai Các mạng lưới điện thông minh cho phép hoạt động toàn hệ thống điện tự động tối ưu hóa lúc Khách hàng chủ động kiểm soát việc sử dụng lượng mình, với việc biết lượng điện tiêu thụ mức bao nhiêu, điều làm họ tiết kiệm nhờ tổng lượng điện phân phối đến tất nơi tiêu thụ, cố cao điểm hạn chế tối đa Hạ tầng đo lường tiên tiến AMI hệ thống đo lường thông minh theo thời gian thực cho công ty điện, nước, gas có tiềm cải thiện hoạt động kinh doanh độ tin cậy kỹ thuật tác nghiệp khác thuộc công ty Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, đề tài tập trung nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 2.1 Tình hình nghiên cứu nước Tiết kiệm lượng nâng cao chất lượng điện vấn đề quan tâm hàng đầu phủ cấp quản lý Việc ứng dụng sản phẩm giải pháp nước khó phù hợp với điều kiện Việt nam giá thành cao lưới điện Việt nam có nhiều đặc thù gây khó khăn lớn triển khai giải pháp nước Đơn cử giải pháp tuyền thông dùng PLC (Power Line Communication) cho thiết bị đo chấp hành thông minh thành công nước khó triển khai Việt nam suy hao truyền tải lớn chất lượng nguồn điện Việt nam thấp (qua số triển khai thử nghiệm nghiên cứu nước) 2.2 Tình hình nghiên cứu nước Trong suốt thập kỷ qua, cộng đồng nghiên cứu triển khai ứng dụng với công nghệ mạng cảm biến không dây cho kiến trúc IP không phù hợp với ứng dụng mạng cảm biến Các nút cảm biến bị hạn chế nhớ, khả xử lý lượng Trong vài năm trở lại đây, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF nỗ lực đề xuất giải pháp nhằm chuẩn hóa kiến trúc IPv6 cho mạng thiết bị có tài nguyên hạn chế nói chung mạng cảm biến không dây nói riêng Nhóm công tác RoLL IETF đề xuất giao thức truyền thông IPv6 Giao thức truyền thông IPv6 thiết kế cho mạng tổn hao công suất thấp LLNs (Low-Power and Lossy Networks) với nút mạng có tài nguyên hạn chế kết nối với liên kết tổn hao (có mát tin) Hiện nay, giao thức truyền thông IPv6 quan tâm nghiên cứu, cải tiến nhằm đáp ứng yêu cầu khác ứng dụng Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu - Khảo sát nghiên cứu giới đánh giá giải pháp công nghệ thực - Kết hợp việc nghiên cứu lý thuyết mạng cảm biến không dây tiến hành kiểm chứng thực nghiệm hệ phần cứng nhúng KIT phát triển ứng dụng - Từ kết trên, xây dựng giải pháp thiết kế hệ thống 2 - Phát triển ý tưởng, giải pháp định tuyến cho mạng cảm biến không dây nhằm tối ưu hóa việc sử dụng lượng mạng cảm biến không dây - Cài đặt, triển khai ý tưởng đưa - Đo đạc đánh giá hiệu dựa mô thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu - Phân tích, mô phỏng, đo đạc, triển khai thực nghiệm Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây kiến trúc IP - Phạm vi nghiên cứu: Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, mô hình mạng lưới Internet kết nối vạn vật, ứng dụng tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI - Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6 chuẩn truyền thông lớp vật lý IEEE802.15.4 - Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho ứng dụng tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI - Thực thi đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa mô - Thực thi đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa thực nghiệm Chương MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (WSN - Wireless Sensor Network) kết cấu hạ tầng bao gồm thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán truyền thông nhằm cung cấp cho người quản trị khả đo đạc, quan sát tác động lại với kiện, tượng môi trường xác định Các ứng dụng điển hình mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập liệu, theo dõi, giám sát y học… 1.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây - Một mạng cảm biến không dây thường bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên với mật độ cao trường cảm biến - Các nút cảm biến thường triển khai ngẫu nhiên chúng bảo trì - Các nút cảm biến bị hạn chế nguồn lượng, khả xử lý, phạm vi truyền thông dung lượng nhớ - Mặc dù khả di động nút bị hạn chế cấu trúc liên kết mạng lại thay đổi - Các mạng cảm biến không dây chủ yếu thiết kế để thu thập thông tin - Lưu lượng liệu tạo có dư thừa có tương quan không gian 3 1.1.3 Những thách thức vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây - Thời gian tồn dự kiến mạng cảm biến không dây kéo dài từ đến 10 năm tùy thuộc vào ứng dụng Nguồn lượng tích trữ phụ thuộc vào dung lượng pin - Khả mở rộng: Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu mạng lớn bao gồm hàng ngàn nút cảm biến - Khả lưu trữ tính toán nút cảm biến làm hạn chế nhiều đến giao thức định tuyến - Các nút không đồng cần phải tính đến thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây - Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động mạng - Vấn đề di động gặp phải số ứng dụng mạng cảm biến không dây 1.1.4 Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây Chuẩn IEEE 802.15.4 chuẩn truyền thông không dây cho ứng dụng công suất thấp tốc độ liệu thấp Tiêu chuẩn phát triển cho mạng cá nhân (PAN) nhóm làm việc Viện kỹ thuật điện điện tử (IEEE) Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ liệu tối đa 250.000 bit/s công suất đầu tối đa 1mW Các thiết bị IEEE 802.15.4 có phạm vi phủ sóng hẹp vài chục mét Điểm đặc điểm kỹ thuật chuẩn IEEE 802.15.4 cho phép thu phát chi phí thấp phức tạp, điều làm cho chuẩn IEEE 802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây 1.1.5 Mô hình tính toán cho mạng cảm biến không dây - Mô hình kết nối nút mạng cảm biến không dây dựa lý thuyết đồ thị: Để phát triển thuật toán đưa chứng minh toán học hiệu mạng cảm biến không dây cần phải xây dựng mô hình toán cho mạng cảm biến không dây Một mô hình toán sử dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây mô hình toán xây dựng dựa lý thuyết đồ thị Bởi cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây coi đồ thị nên thuật toán cho mạng cảm biến không dây thường sử dụng mô hình toán từ lý thuyết đồ thị Trong mô hình lý thuyết đồ thị, nút cảm biến đại diện cho đỉnh liên kết vô tuyến đại diện cho cạnh đồ thị - Các vấn đề nhiễu mạng cảm biến không dây theo mô hình UDI với nhiễu khoảng cách: Các nút phân bố tùy ý mặt phẳng Hai nút truyền thông trực tiếp với khoảng cách Euclide lớn phía thu không bị ảnh hưởng nút thứ ba với khoảng cách Euclide nhỏ số R  Hình 1.9: Mô hình UDI 4 Hình 1.9 mô tả ví dụ mô hình UDI với hai bán kính: Một bán kính truyền dẫn (bằng 1) bán kính nhiễu (R  1) Trong ví dụ này, nút v nhận truyền dẫn từ nút u nút x truyền liệu đồng thời đến nút w nút v không liền kề với nút x 1.2 Mạng cảm biến không dây kiến trúc IP 1.2.1 Giới thiệu kiến trúc IP Kiến trúc TCP/IP thiết kế cách khoảng 35 năm sử dụng hàng tỷ thiết bị khắp giới từ thiết bị cầm tay, máy tính xách tay đến siêu máy tính 1.2.2 Ưu điểm mạng cảm biến không dây kiến trúc IP - Khả cộng tác - Một kiến trúc phát triển linh hoạt - Tính ổn định phổ biến kiến trúc - Kích thước nhớ nhỏ gọn 1.2.3 Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây Để xây dựng kiến trúc giao thức IP cho mạng hạn chế tài nguyên có mạng cảm biến không dây, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF tạo nhóm làm việc để chuẩn hóa giao thức là: - Nhóm làm việc 6LoWPAN: Nhóm làm việc IPv6 mạng PAN không dây công suất thấp yêu cầu chuẩn hóa thích ứng cần thiết IPv6 cho mạng sử dụng lớp vật lý IEEE 802.15.4 - Nhóm làm việc ROLL: IETF giao cho nhóm làm việc vấn đề định tuyến qua kênh truyền tổn hao công suất thấp nhằm chuẩn hóa giao thức định tuyến IPv6 cho thiết bị hạn chế tài nguyên 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây kiến trúc IP - Nhà thông minh - Tự động hóa tòa nhà - Mạng thành phố đô thị thông minh Chương GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4 CHO ỨNG DỤNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH GẮN VỚI HẠ TẦNG AMI 2.1 Tổng quan ứng dụng lưới điện thông minh Hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid) hệ thống điện có sử dụng công nghệ thông tin truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện nhà sản xuất hộ tiêu thụ, hợp sở hạ tầng điện với sở hạ tầng thông tin liên lạc Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có hai lớp: lớp hệ thống điện thông thường bên lớp 2, hệ thống thông tin, truyền thông, đo lường Những lợi ích lưới điện thông minh đem lại, người dùng tối ưu hóa tiết kiệm lượng điện tiêu thụ, đồng thời giảm chi phí điện hàng tháng nhờ vào khả đo lường lượng điện tiêu thụ hàng ngày Còn công ty điện lực, lưới điện thông minh giúp họ quản lý mạng lưới điện tốt hơn, cải thiện độ tin cậy hệ thống, giảm thiểu tổn thất điện bảo vệ môi trường 5 2.2 Hệ thống tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI Hạ tầng đo lường tiên tiến AMI định nghĩa bao gồm thành phần phần cứng, phần mềm truyền thông, hệ thống liên kết phần mềm quản lý liệu Các thành phần kết nối tạo thành mạng thiết bị đo hệ thống tiện ích kinh doanh cho phép thu thập phân phối thông tin cho khách hàng bên tham gia Các thành phần AMI bao gồm: - Các thiết bị đo thông minh (Smart Meters) - Mạng truyền dẫn liệu đo - Hệ thống quản lý liệu thiết bị đo MDMS 2.3 Công nghệ mạng cảm biến không dây cho phép khả truyền thông AMI Công nghệ mạng cảm biến không dây giải yêu cầu truyền thông hai chiều thông qua thiết bị truyền thông không dây công suất thấp Công nghệ mạng cảm biến không dây đem lại hiệu so với công nghệ truyền thông truyền thống bao gồm việc triển khai nhanh chóng, chi phí thấp, mềm dẻo Trong hạ tầng đo lường tiên tiến AMI, thiết bị đo điện, nước, gas triển khai hộ gia đình kết nối với theo mô hình truyền thông đa chặng (hình 2.3) Giao thức truyền thông đề xuất mô hình giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 Mạng thiết bị đo chia thành cụm cụm có nút Gateway (nút gốc) để thu thập liệu cụm Gateway Water meter Electricity meter Gas meter Hình 2.3: Mạng thiết bị đo thông minh AMI 2.4 Giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 2.4.1 Giới thiệu chung Vài năm trở lại đây, chứng kiến việc đẩy mạnh trình nghiên cứu phát triển mạng lưới thông minh (SONs – Smart Object Networks) Mạng cảm biến không dây thành phần mạng SONs Mạng cảm biến không dây phù hợp với số ứng dụng mạng SONs đo lường tự động AMI mạng gia đình HAN Nhóm công tác vấn đề truyền thông qua kênh truyền tổn hao công suất thấp thực nhiệm vụ chuẩn hóa giao thức truyền thông IPv6 cho thiết bị có tài nguyên hạn chế Nhóm đề xuất giao thức RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) nhằm xây dựng cấu trúc liên kết mạng bền vững qua liên kết tổn hao công suất thấp với yêu cầu trạng thái liên kết tối thiểu 2.4.2 Khái niệm thuật ngữ sử dụng giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 - DAG (Directed Acyclic Graph): Là đồ thị định hướng có đặc điểm tất cạnh định hướng cho không tồn vòng kín Tất cạnh chứa tuyến đường định hướng kết thúc nhiều nút gốc 6 - DODAG (Destination Oriented DAG): Là DAG kết thúc đích đến - Nút gốc DODAG (DODAG root): Là nút nút gốc DODAG DODAG root đóng vai trò định tuyến biên (border router) cho DODAG - Thứ bậc (Rank) nút: Rank nút xác định vị trí tương đối nút so với nút gốc - Hàm mục tiêu (Objective Function): Một hàm mục tiêu xác định thước đo định tuyến, mục tiêu tối ưu hóa hàm có liên quan sử dụng để tính toán Rank - DODAG parent: Parent nút xét DODAG nút gần tuyến đường hướng đến nút gốc 2.4.3 Thước đo định tuyến ETX Thước đo định tuyến ETX liên kết số lần truyền cần thiết để gửi thành công tin từ nguồn đến đích qua liên kết bao gồm việc truyền lại Hình 2.5 minh họa cách tính thước đo ETX1hop liên kết Hình 2.5: ETX1hop liên kết Thước đo ETX1hop liên kết xác định theo công thức sau: ETX 1hop  D f Db (2.1) Trong đó: Df : Tỉ lệ chuyển phát tin theo chiều từ nút A đến nút B; Db : Tỉ lệ chuyển phát tin theo chiều ngược lại từ nút B đến A 2.4.4 Các tin điều khiển - Bản tin DIS gửi từ nút tự mạng nhằm quảng bá xuất nút, thăm dò xuất nút lân cận yêu cầu nút khác phản hổi tin DIO - Bản tin DIO sử dụng để quảng bá thông tin định tuyến DODAG xác định mạng, phục vụ trình xây dựng DODAG định tuyến theo chiều hướng lên (upward) - Bản tin DAO sử dụng để quảng bá thông tin đích, gửi từ nút có rank cao đến nút có rank thấp dọc theo DODAG 2.4.5 Hoạt động giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 (giao thức RPL) xây dựng cấu trúc mạng gồm nhiều DODAG (Destination Oriented Direct Acyclic Graph) Quá trình xây dựng DODAG minh họa hình 2.7 Thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX Hàm mục tiêu xác định tuyến đường có ETX nhỏ Rank tính dựa số bước nhảy Bước 1: Nút gốc (LBR) bắt đầu gửi multicast tin DIO liên kết cục Một số nút nhận tin DIO định gửi tin DIS Trong trường hợp đó, nút gốc gửi lại tin DIO Bước 2: Nút 11, 12 13 nhận tin DIO Sau trình xử lý tin DIO, nút 11, 12 13 lựa chọn nút gốc nút Parent chúng Sau đó, nút 11, 12 13 tính toán Rank chúng dựa số bước nhảy giá trị ETX tuyến đường tính toán Nút 11 lựa chọn nút 12 “anh em” ngược lại (có Rank) 7 Hình 2.7: Ví dụ việc hình thành DODAG Bước 3: Minh họa kết DODAG sau số lần lặp lại trình tương tự Lưu ý liên kết 22-11 loại bớt khỏi DODAG nút 12 Parent tốt xem xét theo hàm mục tiêu (ETX tuyến đường nhỏ nhất) Nút 23 lựa chọn hai nút Parent có chi phí tuyến đường (ETX = 3.3) 2.5 Hệ điều hành Contiki Contiki hệ điều hành mã nguồn mở thiết kế cho hệ thống mạng nhúng nói chung mạng cảm biến không dây nói riêng Hệ điều hành Contiki thiết kế cho vi điều khiển có nhớ nhỏ, với thông số 2KB RAM 40KB ROM Hệ điều hành Contiki kèm với công cụ mô Cooja/MSPSim Công cụ mô cho phép đoạn mã chương trình viết hệ điều hành Contiki mô phỏng, thử nghiệm trước triển khai 2.6 Thực thi giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 hệ điều hành Contiki Hình 2.10 minh họa mô hình cấu trúc thực thi giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 hệ điều hành Contiki Ngăn xếp truyền thông uIPv6 gọi đến module ContikiRPL nhận tin ICMPv6 (DIO, DIS, DAO) cần tìm kiếm nút lân cận Module ContikiRPL gọi đến ngăn xếp truyền thông uIPv6 để thiết lập tuyến đường bảng định tuyến Module ContikiRPL sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX (Expected Transmission) để thiết lập truyến đường mạng Thông tin phản hồi chất lượng liên kết thực bời khối ước lượng chất lượng liên kết (Link Estimator) Hình 2.10 cho thấy giao thức RPL dựa vào thước đo định tuyến ETX để thiết lập tuyến đường mạng Tuyến đường tối ưu lựa chọn tuyến đường có số lần truyền cần thiết Tuy nhiên, giao thức RPL chưa có nhận thức nguồn lượng nút chuyển tiếp Điều dẫn đến hai nhược điểm là: Thứ nhất, số nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt bị hết lượng nhanh so với nút mạng khác; Thứ hai, mạng hỗn hợp bao gồm nhiều nút cảm biến trang bị loại nguồn lượng khác giao thức RPL chưa có phân loại chất lượng dịch vụ cho kiểu lưu lượng liệu khác Với lưu lượng liệu đòi hỏi có độ trễ thấp tuyến đường lựa chọn bao gồm tất nút mạng hoạt động pin với loại lưu lượng liệu không yêu cầu thời gian thực tuyến đường lựa chọn nên tránh nút hoạt động pin để bảo tồn lượng Lớp ứng dụng Lớp giao vận (TCP/UDP) ICMPv6 (DIO, DIS, DAO) Ngăn xếp truyền thông uIPv6 Tìm kiếm nút lân cận ContikiRPL Thiết lập tuyến đường ETX Khối ước lượng chất lượng liên kết Các gói tin liệu điều khiển Thông tin phản hồi chất lượng liên kết Lớp MAC, PHY theo chuẩn IEEE 802.15.4 Hình 2.10: Thực thi giao thức RPL hệ điều hành Contiki Chương PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4 3.1 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 3.1.1 Các thước đo đánh giá 3.1.1.1 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 DDR(%)  N received 100% N data (3.1) Trong đó: Nreceived tổng số tin liệu nhận nút gốc; Ndata tổng số tin liệu gửi tất nút mạng Tỷ lệ chuyển phát tin liệu cao hiệu truyền thông mạng tốt 3.1.1.2 Công suất tiêu thụ trung bình toàn mạng Các nút mạng cảm biến không dây thường vận hành pin nên vấn đề bảo toàn lượng mục tiêu quan trọng Vì vậy, tập trung đánh giá công suất tiêu thụ trung bình toàn mạng Để đánh giá thành phần công suất này, sử dụng mô hình lượng sau: Econsumption  U ( I ata  Il tl  It tt  I r tr   I citci ) (3.2) i Trong đó: U điện áp nguồn cung cấp; Ia, ta dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ tích cực (active mode); Il, tl dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ công suất thấp (low power mode); It, tt dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ truyền (transmit); Ir, tr dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ nhận (receive); Ici, tci dòng tiêu thụ thời gian hoạt động phận khác cảm biến, LED Trong đề tài này, đánh giá giao thức RPL sử dụng phần cứng TUmote Bảng 3.1 trình bày mô hình lượng cho phần cứng TUmote 9 Bảng 3.1: Mô hình lượng phần cứng TUmote Thành phần Trạng thái Đặc điểm Tích cực 1,95 mA MSP430F1611 Công suất thấp 0,0026 mA Truyền (-15dBm) 9,9 mA CC2420 Nhận 19,7 mA SHT11 Tích cực 0,55 mA 3.1.1.3 Số lần thay đổi nút cha trung bình toàn mạng Số lần thay đổi nút cha trung bình toàn mạng xác định dựa thống kê số lần thay đổi nút cha nút mạng 3.1.2 Kịch đánh giá mô Bảng 3.2: Kịch đánh giá mô Các tham số Mô hình truyền sóng Số nút mạng Kích thước mạng Phạm vi phủ sóng nút Chu kỳ gửi tin liệu Nguồn gửi tin liệu Giao thức lớp MAC Giá trị UDI (Unit Disk Graph with Interference) 31 100m x 100m Phạm vi truyền hiệu quả: 30m Phạm vi ảnh hưởng nhiễu: 50m 30s, 40s, 50s, 60s Tất nút mạng CSMA/ContikiMAC Để đánh giá giao thức RPL dựa mô phỏng, sử dụng công cụ mô Cooja Chúng xét DODAG bao gồm 31 nút mạng phân bố ngẫu nhiên trường cảm biến có kích thước (100m x 100m) Chúng so sánh hiệu giao thức RPL với giao thức CTP Hình 3.2, 3.3, 3.4 kết đánh giá mô so sánh tỷ lệ chuyển phát tin liệu (DDR), công suất tiêu thụ trung bình số lần thay đổi nút cha toàn mạng giao thức RPL giao thức CTP Hình 3.2: So sánh tỷ lệ DDR Hình 3.3: So sánh công suất tiêu thụ trung bình Hình 3.4: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình toàn mạng Hình 3.2 cho thấy giao thức RPL có tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR thấp so với giao thức CTP Tuy nhiên, tỷ lệ DDR giao thức RPL mức tương đối cao (> 90%) 10 Hình 3.3 cho thấy mức tiêu thụ công suất trung bình toàn mạng giao thức RPL giao thức CTP Kết mô thực nghiệm tương đồng cho thấy giao thức RPL hiệu mặt lượng so với giao thức CTP Hình 3.4 phản ánh số lần thay đổi nút cha trung bình toàn mạng Kết đánh giá cho thấy, giao thức RPL có độ ổn định cấu trúc mạng so với giao thức CTP Điều dẫn đến nhược điểm 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 thời gian sống mạng 3.2 Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 3.2.1 Mục tiêu thách thức Mục tiêu thiết kế giao thức RPL cải tiến 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 thách thức đặt thiết kế giao thức IRPL là: Thứ nhất, cần phải xác định số lượng lại nút mạng Cách xác định số lượng lại nút mạng cần thực nhiều kiến trúc phần cứng khác không làm phát sinh thêm chi phí phần cứng; Thứ hai, cần phải đề xuất thuật toán lựa chọn tuyến đường dựa hai thước định tuyến chất lượng liên kết ETX số lượng nút chuyển tiếp Tuyến đường chuyển tiếp tin liệu lựa chọn phải đảm bảo có chất lượng liên kết tốt đồng thời tránh nút mạng gần hết lượng 3.2.2 Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 Năng lượng lại nút cảm biến xác định theo công thức: Eresidual  E0  Econsumption (3.3) Trong đó: Eresidual, E0, Econsumption lượng lại, lượng ban đầu lượng tiêu thụ nút cảm biến Năng lượng tiêu thụ nút cảm biến tính toán theo công thức (3.2) Chỉ số lượng lại EI (Energy Indicator) nút cảm biến xác định theo công thức sau: EI (%)  E residual 100% E0 (3.4) Trong đề tài này, đề xuất giải pháp kết hợp hai thước đo định tuyến ETX EI 3.2.2.1 Giải pháp Chỉ số lượng lại EI so sánh với ngưỡng cho trước Nếu số lượng lại thấp ngưỡng cho trước tương ứng với trạng thái gần hết lượng nút cảm biến không tham gia vào trình chuyển tiếp tin liệu mạng Trạng thái lượng nút cảm biến mã hóa bit mang trường cờ (Flags) tin điều khiển DIO Hình 3.5 mô tả cấu trúc tin điều khiển DIO Hình 3.5: Cấu trúc tin điều khiển DIO 11 3.2.2.2 Giải pháp Chỉ số lượng EI mang trường dự trữ (Reserved) tin điều khiển DIO Chúng kết hợp hai thước đo định tuyến EI ETX theo công thức sau: ETX (3.5) 100  (1   )(100  EI ) ETX max Trong đó: α trọng số cho phép điều chỉnh hai thông số ETX, EI để tính toán thước đo định tuyến kết hợp, giá trị α nằm khoảng từ đến 1; ETXmax giá trị chất lượng liên kết lớn tuyến đường mạng Thước đo định tuyến kết hợp metricETX_EI mang trường dự trữ tin điều khiển DIO Hình 3.6 trình bày thuật toán lựa chọn nút cha tốt dạng mã giả Nút cha tốt phải thỏa mãn đồng thời hai yêu cầu: Thứ nhất, nút phải có số lượng lại (EI) mức cao để đảm bảo cân lượng mạng; Thứ hai, chất lượng liên kết tuyến đường (ETX) qua nút mức thấp để tiết kiệm lượng (do số lần truyền tin đến nút gốc thấp) Khi kết hợp hai yêu cầu công thức (3.5), nút cha tốt lựa chọn phải nút có thước đo định tuyến kết hợp metricETX_EI nhỏ metricETX _ EI (%)   Hình 3.6: Thuật toán lựa chọn nút cha tốt Hình 3.7: Thực thi giao thức IRPL Contiki 3.2.3 Thực thi giải pháp Hình 3.7 minh họa thành phần giao thức IRPL Chúng mở rộng cấu trúc bảng định tuyến ContikiRPL để lưu thông tin trạng thái lượng lại nút lân cận Module ContikiRPL sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX số lượng lại (EI) nút lân cận để thiết lập tuyến đường mạng Thông tin phản hồi chất lượng liên kết thực khối ước lượng chất lượng liên kết Khối ước lượng lượng tiêu thụ có nhiệm vụ xác định số lượng lại nút cảm biến Trong giải pháp 1, số lượng lại so sánh với ngưỡng cho trước để xác định trạng thái lượng lại nút cảm biến Thông tin chất lượng liên kết trạng thái lượng lại gửi tới nút lân cận thông qua tin DIO Trong giải pháp 2, module ContikiRPL tính toán thước đo định tuyến kết hợp (metricETX-EI) dựa hai thước đo định tuyến ETX EI 3.3 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa mô 3.3.1 Các thước đo đánh giá Chúng đánh giá so sánh hiệu giao thức IRPL giao thức RPL thông qua số thước đo đánh giá: Tỷ lệ chuyển phát tin liệu, cân lượng nút mạng, thời gian sống mạng Thước đo đánh giá tỷ lệ chuyển phát tin liệu trình bày mục 3.1.1.1 12 3.3.1.1 Sự cân lượng nút mạng Thước đo đánh giá cân lượng EIB (Energy Indicator Balance) nút mạng xác định theo công thức sau: N  ( EI  EI ) EIB  i 1 (3.6) i Trong đó: EI số lượng lại trung bình nút mạng 3.3.1.2 Thời gian sống mạng Thời gian sống mạng khoảng thời gian bắt đầu truyền dẫn mạng kết thúc tỷ lệ phần trăm nút hết lượng ngưỡng cho trước Trong phạm vi đề tài này, chọn ngưỡng để xác định thời gian sống mạng 100% 3.3.2 Kịch đánh giá mô Bảng 3.3 tóm tắt kịch đánh giá mô với hai giao thức IRPL RPL Bảng 3.3: Kịch đánh giá mô Các tham số Mô hình truyền sóng Số nút mạng Kích thước mạng Phạm vi phủ sóng nút Năng lượng ban đầu Chu kỳ gửi tin liệu Nguồn gửi tin liệu Giao thức lớp MAC Giá trị UDI (Unit Disk Graph with Interference) 26 100m x 100m Phạm vi truyền hiệu quả: 30m Phạm vi ảnh hưởng nhiễu: 50m 10J 15s Tất nút mạng CSMA/ContikiMAC 3.3.3 Kết đánh giá mô 3.3.3.1 Kết đánh giá mô cho giải pháp Hình 3.9: So sánh tỷ lệ ANR mạng Hình 3.10: So sánh tỷ lệ DDR Hình 3.11: So sánh cân lượng nút mạng 13 Kết đánh giá mô hình 3.9 cho thấy thời gian sống nút mạng mạng hoạt động theo giao thức IRPL cải thiện tốt so với giao thức RPL ban đầu Hình 3.9 cho thấy với ngưỡng số lượng lại 25% thời gian sống mạng cải thiện tốt (tăng 46% so với giao thức RPL) Hình 3.10 cho thấy tỷ lệ chuyển phát tin liệu giao thức IRPL thấp so với giao thức RPL Giao thức IRPL đảm bảo cân lượng nút mạng tốt so với giao thức RPL ban đầu (hình 3.11) Từ kết mô hình 3.9, 3.10, thấy giao thức IRPL với ngưỡng số lượng lại 25% đạt hiệu tốt thời gian sống mạng đồng thời đảm bảo tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR mức chấp nhận so với giao thức RPL ban đầu 3.3.3.2 Kết đánh giá mô cho giải pháp Hình 3.12: So sánh tỷ lệ ANR Hình 3.13: So sánh tỷ lệ DDR Hình 3.14: So sánh cân lượng nút mạng Kết đánh giá mô cho thấy, giao thức IRPL với giá trị trọng số α = 0.9 đạt hiệu tốt xét tỷ lệ nút sống mạng (hình 3.12) Thời gian sống mạng tăng 46% so với giao thức RPL ban đầu Kết mô hình 3.13 cho thấy giao thức IRPL với giá trị trọng số α = 0.9 đạt hiệu tỷ lệ chuyển phát tin liệu (DDR) cao so với giao thức RPL ban đầu Với giá trị trọng số α = 0.9, giao thức IRPL đạt cân lượng nút mạng tốt so với giao thức RPL ban đầu (hình 3.14) 3.3.3.3 So sánh hai giải pháp Hình 3.15, 3.16, 3.17 kết đánh giá mô so sánh tỷ lệ nút sống mạng (ANR), tỷ lệ chuyển phát tin liệu (DDR), cân lượng (EIB) giao thức IRPL cải tiến theo giải pháp (IRPL_alpha với α = 0,9), giao thức IRPL cải tiến theo giải pháp với ngưỡng số lượng lại 25% (IRPL_25) giao thức RPL ban đầu Kết đánh giá mô hình 3.15 cho thấy giải pháp cải tiến cho phép tăng thời gian sống mạng lên đến 46% so với giao thức RPL ban đầu.Kết mô hình 3.16 cho thấy giải pháp cải tiến thứ đem lại hiệu tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR cao so với giải pháp cải tiến thứ Cả hai giải pháp đề xuất đảm bảo cân lượng nút mạng tốt so với giao thức RPL ban đầu (hình 3.17) 14 Hình 3.15: So sánh tỷ lệ ANR Hình 3.16: So sánh tỷ lệ DDR Hình 3.17: So sánh cân lượng nút mạng 3.4 Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa thực nghiệm Từ kết đánh giá mô mục 3.3.3, lựa chọn giải pháp ứng với α = 0,9 để đánh giả thực nghiệm Kịch đánh giá thực nghiệm gồm nút TUmote triển khai hình 3.21 Bảng 3.5 kịch đánh giá thực nghiệm Các nút mạng thu thập liệu gửi liệu nút Sink Hình 3.21: Mô hình đánh giá thực nghiệm Bảng 3.5: Kịch đánh giá thực nghiệm Các thông số Giá trị Môi trường truyền sóng Trong nhà Số nút mạng Công suất phát dBm Năng lượng ban đầu 10J Chu kỳ gửi liệu 30s Nguồn gửi tin liệu Tất nút mạng Giao thức lớp MAC CSMA/ContikiMAC 15 Hình 3.22: So sánh tỷ lệ ANR Hình 3.23: So sánh tỷ lệ DDR Hình 3.24: So sánh cân lượng nút mạng Với giả sử ngưỡng để xác định thời gian sống mạng 100% kết đánh giá mô hình 3.22 cho thấy thời gian sống nút mạng mạng hoạt động theo giao thức IRPL cải thiện tốt (tăng 17%) so với giao thức RPL ban đầu Hình 3.23 cho thấy giao thức IRPL đạt hiệu tỷ lệ chuyển phát tin liệu tốt so với giao thức RPL Giao thức IRPL đảm bảo cân lượng nút mạng tốt so với giao thức RPL (hình 3.24) Như vậy, kết đánh giả thực nghiệm lần chứng minh lại ưu việt giải pháp đề xuất Với giao thức IRPL đề xuất theo giải pháp (ứng với α = 0,9), thời gian sống mạng cân lượng nút mạng cải thiện so với giao thức RPL ban đầu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong thời gian thực đề tài, nhóm nghiên cứu đạt số kết nghiên cứu sau: Nghiên cứu mạng cảm biến không dây kiến trúc IPv6 ứng dụng mô hình mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things); Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI; Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho cho việc tự động thu thập liệu số điện tiêu thụ mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI; Thực thi đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa mô thực nghiệm Tuy nhiên, đề tài số hạn chế sau: Với nguồn kinh phí hạn hẹp nên nhóm nghiên cứu chưa có điều kiện để phát triển phần cứng phục vụ cho ứng dụng Smart Grid công tơ điện thông minh, ổ cắm điện thông minh ; Mô hình đánh giá thực nghiệm hạn chế với nút mạng Trong thời gian tới, có thêm điều kiện thời gian kinh phí, nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển đề tài khắc phục vấn đề hạn chế đề tài  ... HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây IPv6 cho ứng dụng Smart Grid - Mã số:... biến với mạng cảm biến không dây 1.1.5 Mô hình tính toán cho mạng cảm biến không dây - Mô hình kết nối nút mạng cảm biến không dây dựa lý thuyết đồ thị: Để phát triển thuật toán đưa chứng minh... pháp nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Chương MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6 1.1 Tổng quan mạng cảm biến không