NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN THỊ THU HẰNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Tiến Ban TS Nguyễn Chiến Trinh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG vào hồi: Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Mạng cảm biến không dây (WSN) đã, tiếp tục lĩnh vực nhiều nhà nghiên cứu quan tâm phát triển mở rộng từ năm đầu kỷ 21 Tới cảm biến phần thiếu sống nhiều so với máy vi tính dùng giới IoT thiết bị cảm biến thành phần thiết yếu Những công nghệ không dây vi điện tử (MEMS) cho phép triển khai nhiều ứng dụng WSN điều kiện mạng đặc biệt khắc nghiệt, cho phép thay người hay thiết bị truyền thông thông dụng lĩnh vực quân sự, giao thông, y tế, môi trường, công nông nghiệp … Trong giai đoạn phát triển ban đầu, với ứng dụng cảm biến chuyên biệt, cảm biến mạng có nhiệm vụ cảm nhận trạng thái hay trình vật lý/hóa học mơi trường cần khảo sát, biến đổi chúng thành thơng tin trạng thái hay q trình gửi tín hiệu mang thơng tin qua hạ tầng truyền thông trung tâm để xử lý Sau đó, trung tâm đưa cảnh báo/điều khiển cho mạng Ngày nay, yêu cầu ứng dụng đa dạng cần kết hợp nhiều kiểu loại cảm biến ứng dụng cảnh báo cháy rừng, công nghiệp hầm mỏ, nông nghiệp thông minh, nhà thông minh hay y tế thơng minh …, cảm biến cần có khả phân tích thơng tin nhiều loại kiện khác gửi cảnh báo trung tâm với kiện có yêu cầu truyền thông khác độ trễ, tốc độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …Như nhiều thách thức việc thiết kế mạng cảm biến không dây đặc điểm khác biệt mạng so với mạng truyền thông truyền thống: số lượng thông tin cảm biến lớn, kích thước nút cảm biến nhỏ, lượng hạn chế mơi trường có độ tổn thất cao phải có khả tự vận hành, quản lý mạng cảm biến có thêm thách thức việc thiết kế mạng cho đáp ứng nhiều yêu cầu khác chất lượng dịch vụ (QoS) nhiều kiện mạng Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu mạng cảm biến không dây đa kiện với nhiệm vụ truyền thông thiết bị cảm biến thực xuất kiện đặc biệt mạng có nhiều kiện xuất mạng với yêu cầu chất lượng khác Tuy nhiên, nghiên cứu trước đáp ứng vài yêu cầu chất lượng trễ, độ tin cậy và/hoặc sử dụng hiệu lượng mạng, giải nhiều yêu cầu khác biệt xuất mạng Chính vậy, cần có thêm nghiên cứu chuyên sâu để theo kịp phù hợp với nhu cầu phát triển nhanh ứng dụng WSN đa kiện Xuất phát từ phân tích trên, nghiên cứu sinh định chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện” cho luận án nghiên cứu MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu luận án nghiên cứu, tìm kiếm xây dựng giải pháp cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây, cụ thể giảm thời gian trễ truyền gói, tăng độ tin cậy đảm bảo sử dụng lượng hiệu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu vấn đề liên quan tới giải pháp cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây, bao gồm:  Kỹ thuật định tuyến đa đường linh hoạt theo kiện có nhận thức lượng WSN  Giao thức MAC ưu tiên WSN Phạm vi nghiên cứu  Mạng cảm biến bao gồm số lượng nút hữu hạn có vị trí cố định với phân bố ngẫu nhiên trường cảm biến có phạm vi giới hạn  Nút cảm biến đồng (về cấu trúc, lượng, phạm vi thu phát) thời điểm mạng bắt đầu hoạt động Suy hao lượng cảm biến phụ thuộc vào hoạt động thu, phát ngẫu nhiên cảm biến  Các kiện xuất mạng cảm biến ngẫu nhiên theo thời gian Có thời điểm nhiều kiện xuất  Các kiện có yêu cầu chất lượng khác phân loại trước truyền PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án nghiên cứu lý thuyết dựa việc phân tích giao thức, phân tích tốn học kết hợp với mô số đối sánh với phương pháp trước Cụ thể, phương pháp nghiên cứu lý thuyết sử dụng cho nghiên cứu nguyên lý hoạt động mạng cảm biến không dây giao thức định tuyến giao thức MAC Phương pháp tính tốn số kết hợp với cơng cụ phần mềm mô sử dụng để kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết đối sánh với phương pháp trước CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN Các kết đóng góp khoa học luận án phân thành hai nhóm hướng tới đối tượng nghiên cứu mạng cảm biến không dây đa kiện xuất đồng thời: Đóng góp thứ luận án đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện sử dụng kỹ thuật định tuyến linh hoạt EARPM phiên cải tiến từ giải thuật DRPDS đề xuất thứ với giải thuật định tuyến phát triển dựa việc nhận thức lượng lại kết hợp với tính tốn khoảng cách để nâng cao hiệu tiêu thụ lượng nhằm kéo dài thời gian sống mạng Kết phân tích tốn học mơ cho thấy hiệu hai giải pháp đáp ứng yêu cầu khác trễ độ tin cậy ba loại kiện khác đảm bảo sử dụng hiệu lượng, kéo dài thời gian sống mạng Đóng góp thứ hai luận án đề xuất giải pháp cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên PMME Giao thức kết hợp chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên liệu với chế nhận sớm Beacon Kết phân tích tốn học mơ cho thấy giải pháp mang lại hiệu mặt chất lượng mạng giảm trễ truyền liệu, đảm bảo tỷ lệ truyền gói thành cơng cao mà sử dụng lượng hiệu BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện sử dụng giao thức định tuyến linh hoạt Chương 3: Cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN Mạng cảm biến không dây đa kiện (như mạng cảnh báo cháy rừng, mạng cảm biến nhà thơng minh …) WSN nút cảm biến cần chuyển tiếp thông tin cảm biến kiện tới điểm tập hợp liệu (sink) Mỗi kiện có yêu cầu khác chất lượng dịch vụ độ trễ, tốc độ, độ tin cậy, độ ưu tiên …(Hình 1.1) Các nút cảm biến nằm rải rác trường cảm biến thường gồm vài thiết bị cảm biến đơn giản, nhỏ gọn, giá thành rẻ… tạo nên kết hợp khả cảm biến, xử lý chuyển tiếp thông tin qua hạ tầng không dây điểm tập hợp liệu từ chuyển tiếp tới người sử dụng cuối Nút quản lý nhiệm vụ Yêu cầu QoS ứng dụng: Độ trễ thấp Độ tin cậy cao Thông lượng cao Internet vệ tinh Người sử dụng Yêu cầu WSN: Sử dụng hiệu lượng Sự kiện QoS1 Sự kiện QoS2 Sin SINK Sự kiện n QoSn Sự kiện QoS3 Trường cảm biến Các nút cảm biến Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây đa kiện với ứng dụng yêu cầu đa dạng chất lượng - Nút mạng Mạng lưới liên kết Mơ hình lượng Định tuyến mạng cảm biến không dây Định tuyến đa đường WSN Định tuyến thay Định tuyến song song Định tuyến truyền liệu tin cậy Định tuyến sử dụng tài nguyên mạng hiệu Định tuyến cân tải Định tuyến kết hợp Định tuyến hiệu lượng Hình 1.5: Phân loại giao thức định tuyến đa đường - Giao thức MAC mạng cảm biến không dây Các giao thức MAC Không xung đột TDMA FDMA CDMA Dựa xung đột Dị Đồng - SMAC - TMAC - DSMAC - PQMAC Lai ghép xuyên lớp Bên gửi khởi hoạt - BMAC - X-MAC - CR-MAC - DeepSleepMAC Sink khởi hoạt CDMA+CSMA TDMA+CSMA Bên nhận khởi hoạt - PP-MAC - RI-MAC - MTTP-MAC - RICER - RF-AASP - A-MAC - ERI-MAC - QAEEMAC - MPQ Hình 1.6: Phân loại giao thức MAC mạng cảm biến không dây - Những yêu cầu chất lượng đặc biệt WSN đa kiện 1.2 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - Hiệu sử dụng lượng Thời gian sống Năng lượng cho việc truyền đơn vị liệu Trễ gói tin Độ tin cậy 1.3 CÁC TIẾP CẬN LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.3.1 Phân tích, đánh giá tiếp cận Việt Nam Tại Việt Nam chưa có nghiên cứu đáp ứng cải thiện đồng thời nhiều tham số hiệu cho WSN đa kiện 1.3.2 Phân tích, đánh giá tiếp cận giới Trên giới, WSN lĩnh vực nghiên cứu quan trọng khả sử dụng lĩnh vực ứng dụng rộng khắp, có nghiên cứu bật chung mạng nhiều nghiên cứu liên quan tới việc cải thiện hiệu WSN kéo dài thời gian sống, tiết kiệm lượng để đạt tiêu chí gói, độ phủ, trễ thơng tin mạng Tuy nhiên, nghiên cứu dừng việc đáp ứng hai yêu cầu hiệu đơn lẻ đáp ứng tiêu chí chất lượng nhiều cấp độ ưu tiên khác kỹ thuật nén tổng hợp liệu, kỹ thuật phân cụm, giao thức lớp MAC, kỹ thuật định tuyến hiệu lượng, kỹ thuật cân tải, kỹ thuật định tuyến đa đường đảm bảo độ tin cậy, sử dụng kỹ thuật hàng đợi đảm bảo độ ưu tiên kiện mạng 1.3.2.1 Hạn chế nghiên cứu giao thức định tuyến 1.3.2.2 Hạn chế nghiên cứu sử dụng hàng đợi ưu tiên 1.3.2.3 Hạn chế nghiên cứu giao thức MAC 1.4 HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Trên sở kết phân tích hạn chế nghiên cứu liên quan, hướng nghiên cứu đề xuất luận án (1) đề xuất giải pháp cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện sử dụng định tuyến linh hoạt (2) đề xuất giao thức MAC ưu tiên đảm bảo QoS cho mạng cảm biến không dây đa kiện Trong hai hướng nghiên cứu mình, nghiên cứu sinh nghiên cứu giải pháp trước kết hợp với yêu cầu đa mức chất lượng nhiều kiện mạng cảm biến để đưa giải pháp cho luận án Có ba mục tiêu hiệu hướng tới giảm độ trễ, tăng độ tin cậy đảm bảo sử dụng hiệu lượng cho WSN có phân biệt ưu tiên kiện 1.4.1 Các giải pháp để làm giảm độ trễ 1.4.2 Các giải pháp làm tăng độ tin cậy 1.4.3 Các giải pháp để tăng hiệu sử dụng lượng mạng 1.4.4 Sự trả giá cho tham số hiệu WSN 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày khái quát WSN tham số hiệu WSN đa kiện Ngồi ra, nghiên cứu sinh phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến mạng cảm biến nói chung hiệu mạng cảm biến nói riêng chương Qua phân tích, đánh giá, nghiên cứu sinh hạn chế nghiên cứu trước WSN đa kiện, khảo sát phân tích giải pháp cải thiện hiệu WSN đa kiện Trên sở hạn chế này, hướng nghiên cứu luận án đề xuất giải pháp cải thiện hiệu WSN đa kiện CHƯƠNG 2: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN SỬ DỤNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LINH HOẠT 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong số WSN, có nhiều loại kiện phân biệt theo mức độ quan trọng Sự kiện quan trọng thường dành cho tình bất thường Những thơng số đo đạc môi trường theo chu kỳ độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khí quyển, cường độ ánh sáng coi kiện bình thường (khơng nghiêm trọng) Với WSN cho tòa nhà thơng minh, hệ thống giám sát môi trường xử lý cơng nghiệp thơng minh, nhiều kiện có mức độ quan trọng khác xuất mạng Như giới thiệu mục 1.1, với ứng dụng mạng cảm biến cháy rừng có nhiều cấp độ cảnh báo khác nhau, cấp độ lại yêu cầu mức độ ưu tiên khác độ trễ độ tin cậy Các điểm cháy đồng thời xuất nhiều địa điểm với nhiều cấp độ khác lúc mạng cảm biến cho cảnh báo cháy rừng trở thành mạng cảm biến đa kiện đa yêu cầu chất lượng Yêu cầu tiết kiệm lượng u cầu sống với mạng cảm biến cảm biến thường bị giới hạn kích thước, lượng, dung lượng khả xử lý Thời gian sống nút cảm biến phụ thuộc nhiều vào thời gian sống pin mà có Vì có nhiều nghiên cứu tập trung vào thiết kế giao thức giải thuật nhận thức lượng cho mạng cảm biến Để đáp ứng nhiều yêu cầu chất lượng cho kiện đảm bảo mạng sử dụng lượng hiệu quả, có ba hướng tiếp cận sử dụng giao thức định tuyến Một để đảm bảo yêu cầu độ tin cậy, có nhiều nghiên cứu dựa định tuyến đơn đường đa đường Mặc dù việc tìm đơn đường đơn giản có độ phức tạp thấp sử dụng tài nguyên tối thiểu song mạng có thay đổi (lỗi nút kênh) lại phản ứng chậm không đảm bảo độ tin cậy theo yêu cầu giới hạn việc truyền đường Vì nhiều nghiên cứu giao thức định tuyến đa đường thực để khắc phục nhược điểm Tuy nhiên độ phức tạp cho tìm đa đường cao lượng tiêu thụ cho việc truyền liệu chép nhiều đường tăng tỷ lệ với số lần chép Thứ hai, việc tách lưu lượng gửi nhiều đường hỗ trợ u cầu băng thơng giảm nghẽn cho nhiều loại ứng dụng khác dẫn tới giảm trễ truyền thông Tuy nhiên việc kéo theo việc gia tăng độ phức tạp độ trễ cho việc tách hợp lưu lượng Thứ ba, nhiều giao thức định tuyến hiệu lượng đề xuất hướng tới việc tiêu thụ lượng hiệu kéo dài thời gian sống cho mạng Tuy nhiên, theo kiến thức mà nghiên cứu sinh khảo sát tổng hợp, giải pháp dành cho mạng cảm biến có hai loại kiện có yêu cầu khác biệt chất lượng độ tin cậy và/hoặc độ trễ, vài nghiên cứu xem xét sử dụng lượng hiệu song chưa khảo sát trường hợp đa kiện xuất đồng thời Đã có nghiên cứu đưa vấn đề đa kiện, song tình xuất nhiều kiện đồng thời giải pháp khơng hiệu thời gian sống mạng giảm đi, nguyên nhân có nguồn liệu (đơn kiện) tách lưu lượng lên đa đường làm cho lượng tiêu thụ san đều, nhiên có nhiều kiện đồng thời lưu 11 Cũng thời gian chuyển tiếp REQ này, nguồn nút lân cận nhận tin phản hồi REP từ lân cận sống biết lân cận hoạt động Trên sở đó, nút xác định lân cận lựa chọn làm nút chuyển tiếp đường chuyển gói liệu tới đích (Hình 2.4) 2.3.3 Phân tích hiệu WSN đa kiện truyền đa đường 2.3.3.1 Phân tích độ tin cậy Phần tính tốn mức độ tin cậy cho định tuyến đơn đa đường Kết cho thấy chuyển gói chép đa đường làm tăng mức độ tin cậy 2.3.3.2 Phân tích tính trễ gói 2.3.3.3 Một số trường hợp đặc biệt làm ảnh hưởng tới lợi trễ độ tin cậy định tuyến đa đường 2.3.4 Đánh giá hiệu WSN đa kiện sử dụng DRPDS 2.3.4.1 Kịch mô 2.3.4.2 Kết mơ đánh giá a) Tỷ lệ lỗi gói a) burstLength =40 gói, round=0,64 giây a) burstLength =20 gói, round=0,32 giây 12 b) burstLength =10 gói, round=0,16 giây Hình 2.11: Đánh giá tỷ lệ lỗi gói ba loại gói liệu ba loại gói kiện (A, B C) điều kiện WSN đa kiện khác sử dụng DRPDS Hình 2.11 kết mơ với trường hợp 20 kiện/vòng (các kiện xuất ngẫu nhiên vòng) Khi tỷ lệ lỗi kênh cao PER loại kiện tăng Có thể thấy PER gói tin kiện B cải thiện đáng kể so với PER gói tin kiện A C Cụ thể PER kiện B giảm nhỏ 1% kích thước hàng đợi lớn (trên 120 gói) PER kiện A C khoảng đến 5% tỷ lệ lỗi kênh truyền chặng tương ứng 2% b) Thời gian trễ hiệu trễ gói loại C so với A B Hình 2.12 kết đo trễ gói mơ Có thể thấy gói kiện loại C có độ trễ trung bình nhỏ tốt Trễ gói kiện loại C cải thiện hẳn so với kiện loại A B (từ 15-30%) Vì gói kiện loại C san hai đường nên lưu lượng đường giảm C gây nghẽn so với A B a) burstLength =40 gói, round=0,64 giây 13 b) burstLength =20 gói, round=0,32 giây c) burstLength =10 gói, round=0,16 giây Hình 2.12: Đánh giá độ trễ ba loại gói liệu ba loại gói kiện (A, B C) WSN với điều kiện khác sử dụng DRPDS 2.4 GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN NHẬN THỨC NĂNG LƯỢNG EARPM Dựa đề xuất DRPDS, nghiên cứu sinh tiếp tục cải tiến giải thuật định tuyến linh hoạt có nhận thức lượng có tên EARPM để đáp ứng yêu cầu sử dụng hiệu lượng WSN đa kiện 2.4.1 Phân tích giải pháp chọn tuyến EARPM Hình 2.13 mô tả chế định tuyến linh hoạt đề xuất cho WSN đa kiện Nút nguồn cần tìm (cho Hình 2.13: Mơ tả chế định tuyến kết kiện loại A) hai nút lân cận hợp đơn đường, đa đường nhận thức lượng 14 (cho kiện loại B C) số nút lân cận có khoảng cách tới sink gần để truyền gói tin mà cảm nhận được, nút chuyển tiếp cần tìm lân cận tốt số lân cận để chuyển tiếp gói tin tới đích sink Giao thức đề xuất EARPM xem xét chọn đường dựa hai tiêu chí theo lựa chọn ưu tiên: (1) lượng lại nút lân cận, (2) khoảng cách từ lân cận tới sink 2.4.2 Giải thuật định tuyến EARPM Hình 2.14 mơ tả ngắn gọn hoạt động giao thức EARPM nút phát kiện nhận yêu cầu định tuyến từ nút lân cận, nút phải lựa chọn hai lân cận để chuyển tiếp gói liệu tới đích Chỉ có nút nguồn phải xác định số lượng đường để gửi gói tin theo loại gói tin, nút chuyển tiếp cần lựa chọn nút lân cận tốt theo hai tiêu chí (1) lượng lại lớn lượng trung bình lân cận (2) có khoảng cách ngắn sink Hình 2.14: Mơ tả hoạt động giải thuật định tuyến EARPM 15 2.4.3 Đánh giá hiệu WSN đa kiện sử dụng EARPM 2.4.3.1 Kịch mô 2.4.3.2 Kết mô đánh giá a) Thời gian sống số lượng nút chết Hình 2.15 kết so sánh thời gian sống mạng cảm biến không dây đa kiện chạy giao thức EARPM so với thời gian sống chạy giao thức định tuyến DRPDS dựa khoảng cách EARPM sử dụng thêm tiêu chí lượng lại kết hợp tiêu chí khoảng cách nên thời gian sống kịch khác tốc độ gửi gói kéo dài (khoảng 70%), EARPM có yêu cầu phức tạp giải thuật định tuyến so với DRPDS, chế phản hồi tin yêu cầu định tuyến có thêm thơng tin mức lượng lại dẫn đến nhược điểm tăng thêm độ trễ tính tốn tăng lượng cho việc truyền thêm xử lý thơng tin Hình 2.16 cho thấy số lượng nút chết theo thời gian WSN Trong giải pháp đề xuất EARPM, nút chết xuất muộn so với giải pháp định tuyến DRPDS, nguyên nhân EARPM Hình 2.15: So sánh thời gian sống mạng WSN đa kiện sử dụng EARPM so với DRPDS xem xét lượng lại so với lượng lại trung bình chọn ln phiên nút chuyển giá trị động này, việc tiêu hao lượng mạng dàn hơn, nút hết lượng chậm chết muộn Tuy Hình 2.16: Số lượng nút chết thời gian sống nhiên sau bắt đầu có mạng WSN đa kiện sử dụng EARPM so với nút chết EARPM số DRPDS 16 nút chết gia tăng nhanh b) Tỷ lệ lỗi gói Hình 2.17 kết mô với trường hợp kiện/vòng (các trường hợp khác có kết so sánh tương tự) Có thể thấy PER gói tin kiện B cải thiện đáng kể so với PER gói tin kiện A B Hình 2.17: Phân tích tỷ lệ lỗi gói ba loại gói liệu mạng WSN đa kiện sử dụng EARPM DRPDS c) Thời gian trễ Hình 2.18: Phân tích độ trễ ba loại gói liệu mạng WSN đa kiện sử dụng EARPM Theo kết mô phỏng, giải pháp định tuyến EARPM với việc chọn tuyến động dựa loại kiện lượng lại mang tới ba lợi ích đồng thời: giảm PER cho kiện loại B, giảm trễ cho kiện loại C kéo dài tuổi thọ cho toàn mạng 17 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung Chương tập trung nghiên cứu giải pháp đề xuất giải thuật định tuyến đa đường WSN đảm bảo QoS cho WSN đa kiện Nghiên cứu sinh đề xuất hai giải pháp định tuyến DRPDS EARPM Kết DRPDS giúp mạng đáp ứng yêu cầu đồng thời ba loại kiện khác điều kiện khác tỷ lệ lỗi gói với kiện loại C yêu cầu trễ thấp giảm 20% thời gian trễ so với loại kiện lại, kiện loại B yêu cầu độ tin cậy cao đáp ứng yêu cầu tỷ lệ gói nhỏ nhiều lần so với tỷ lệ lỗi gói chặng nhỏ so với kiện khác dù truyền thông đa chặng Kết mô EARPM cho thấy mạng sử dụng lượng hiệu thể việc thời gian sống toàn mạng kéo dài thêm khoảng 70%, độ tin cậy gói tin loại kiện B đảm bảo cao so với gói loại kiện khác, độ trễ gói tin loại kiện C cải thiện điều kiện mạng có nghẽn song khơng giảm nhiều DRPDS Kết phản ánh thực trạng khó giải toán đa ràng buộc: đảm bảo tiêu chí hiệu ảnh hưởng tới tiêu chí hiệu khác CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ĐA SỰ KIỆN SỬ DỤNG GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong WSN đa kiện, nhiều kiện đồng thời xuất yêu cầu nhiều mức độ ưu tiên truyền thông khác phải đảm bảo sử dụng lượng hiệu Mới có vài nghiên cứu sử dụng giao thức lớp MAC để đảm bảo ưu tiên Những giải pháp có ưu điểm đảm bảo ưu tiên chất lượng cho kiện khác mạng cảm biến, song hạn chế việc giới hạn số mức ưu tiên bị động theo số nút gửi đồng thời, để thời gian trễ truy nhập kéo dài với kiện có mức ưu tiên khơng phải cao Để vừa giải vấn đề ưu tiên cho nhiều kiểu kiện có yêu cầu chất lượng khác nhau, vừa khắc phục hạn chế nghiên cứu trên, nghiên cứu sinh đề xuất giao thức MAC có tên PMME dựa hai giao thức có ưu tiên QAEE MPQ Trên sở kết hợp chế CSMA p-persistent với giá trị p thay đổi theo mức độ ưu tiên liệu với chế nhận sớm Tx-Beacon, PMME tự động linh hoạt 18 việc xử lý ưu tiên liệu theo yêu cầu, đồng thời đảm bảo tiêu chí hiệu quan trọng cho mạng cảm biến 3.2 GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN 3.2.1 Giao thức QAEE QAEE xem xét hai mức ưu tiên gói tin cao thấp, cho phép gói tin có độ ưu tiên cao truyền nhanh QAEE có hai nhược điểm: xét hai mức ưu tiên gói cao (1) thấp (0); nút nhận phải chờ tới nhận toàn Tx-Beacon từ nút gửi thời gian Tw tiến hành gửi Rx-Beacon Điều có nghĩa bên nhận nhận Tx-Beacon có mức ưu tiên cao phải chờ tới hết Tw Vì nút gửi dù có mức ưu tiên cao phải chờ đợi nút phải tiêu tốn thời gian lượng chờ nhận Rx-Beacon 3.2.2 Giao thức MPQ MPQ cải tiến QAEE hai điểm: xét bốn mức ưu tiên khác giảm trễ đáng kể cho gói tin có độ ưu tiên cao cách bên nhận nhận Tx-Beacon có mức ưu tiên cao gửi ln Rx-Beacon bên gửi truyền khung liệu mà chờ hết thời gian Tw Giao thức MPQ sử dụng chế CSMA p-persistent với giá trị p gán tỷ lệ nghịch số nút gửi ns để dàn việc gửi gói giúp giảm bớt xung đột Tuy nhiên MPQ có hai hạn chế: khung liệu có độ ưu tiên cao xử lý sớm việc gán giá trị p cứng nhắc không thực tế phải biết xác số nút gửi thời điểm, điều khơng phù hợp với WSN đa kiện có số kiện ngẫu nhiên Để cải thiện tồn hai giao thức QAEE MPQ, nghiên cứu sinh tiếp tục cải tiến giao thức MAC để cải thiện hiệu mạng, cụ thể giảm trễ chờ nhận Rx-Beacon sử dụng giá trị p linh hoạt theo mức độ ưu tiên liệu không cứng nhắc theo số nút gửi liệu đồng thời hai giao thức kể 3.3 ĐỀ XUẤT GIAO THỨC MAC ƯU TIÊN PMME 3.3.1 Giao thức MAC ưu tiên PMME Giao thức đề xuất PMME có hai thay đổi so với QAEE MPQ thời gian nút gửi gửi Tx-Beacon sau nhận Wakeup-Beacon thời gian nút nhận gửi phản hồi Rx-Beacon 19 3.3.1.1 Cơ chế CSMA p-persistent thay đổi theo mức độ ưu tiên gói tin Hình 3.4 cho thấy thay đổi chế CSMA p-persistent cho việc gửi Tx-Beacon với p thay đổi theo mức độ ưu tiên liệu cần truyền Nếu nút gửi nhận Wakeup-Beacon, cảm nhận kênh truyền để định việc gửi Tx-Beacon Nếu cảm nhận bận nút gửi quay lại cảm nhận kênh truyền Nếu kênh truyền rỗi thực bước sau : i Gieo ngẫu nhiên prand so với giá trị xác suất p (p thay đổi theo mức độ ưu tiên liệu) Trong đề xuất, gán hai kiểu giá trị p khác nhau: tuyến tính phi tuyến ii Nếu prand nhỏ giá trị p, nút truyền khung liệu Hình 3.4: Cơ chế CSMA p-persistent cho việc gửi iii Nếu prand lớn giá Tx-Beacon theo mức độ ưu tiên liệu trị p chờ sau PMME khe thời gian lại cảm nhận lại kênh truyền 3.3.1.2 Cơ chế chấp nhận Tx-Beacon sớm Giao thức PMME sử dụng chế gửi phản hồi chấp nhận nút gửi TxBeacon sớm việc gửi tin Rx-Beacon sau Việc khơng giúp giảm trễ truy nhập môi trường khung liệu mà giúp tiết kiệm lượng cho tồn mạng so với QAEE MPQ 3.3.2 Phân tích hiệu WSN đa kiện sử dụng PMME Phần phân tích trễ gói tính tốn mức độ tin cậy cho việc truyền thông lớp MAC sử dụng PMME 3.3.2.1 Phân tích ảnh hưởng mức độ ưu tiên tới trễ gói sử dụng giao thức PMME 20 Chương tập trung nghiên cứu dMAC trễ truy nhập môi trường khung tin, giá trị trễ ảnh hưởng trực tiếp tới trễ gói truyền tin Giả sử có nút yêu cầu truyền khung liệu với giá trị pi thay đổi theo mức ưu tiên, số lần gửi lại lên tới giá trị m ta có :  d TxB , m m2 d  pi  pi  1  p i    p i  1  pi   TxB , m 1 m 1     m  1 d ts  m  d CCA   pi  1  pi   m 1 p i  pi  1  pi    pi  1  pi       d CCA  p i   d ts  d CCA   pi  1  pi     m 1      m  1 d ts  m  d CCA   pi  1  pi      m 1 p i  pi  1  pi    pi  1  pi  (3.6)  d CCA  p i   d ts  d CCA   pi  1  pi     m 1      m  1 d ts  m  d CCA   pi  1  pi     m  1  pi  3.3.2.2 Phân tích ảnh hưởng mức độ ưu tiên tới độ tin cậy sử dụng giao thức PMME a) p tuyến tính b) p phi tuyến, a=2 21 c) p phi tuyến, a=3 Hình 3.5: Đánh giá trễ truyền tỷ lệ truyền thành công Tx-Beacon nút gửi với tham số khác 3.3.3 Đánh giá hiệu WSN đa kiện sử dụng PMME Phần phân tích kết mô PMME dựa phần mềm Castalia 3.3 OMNeT++4.6 sử dụng chuẩn thiết bị thu phát CC2420 3.3.3.1 Kịch mô 3.3.3.2 Kết mô đánh giá a) Trễ gói trung bình a) Trễ gói trung bình b) Trễ loại gói ưu tiên (p tuyến tính) Hình 3.6: Thời gian trễ trung bình gói tin sử dụng giao thức PMME so với sử dụng giao thức QAEE MPQ b) Trễ gói PMME theo mức độ ưu tiên gói tin Trễ gói theo mức độ ưu tiên gói tin PMME thể Hình 3.7 Khi số nút gửi cạnh tranh cao độ phân biệt rõ nét 22 Hình 3.7: Thời gian trễ trung bình gói tin PMME với mức ưu tiên khác với hai kiểu p khác c) Tỷ lệ truyền gói thành cơng Hình 3.8: Tỷ lệ truyền gói thành cơng mạng sử dụng giao thức QAEE, MPQ PMME với maxTxRetries =10 d) Hiệu tiêu thụ lượng Hình 3.9: Năng lượng tiêu thụ trung bình (mj/bit) 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày nguyên lý hoạt động hai giao thức MAC có xét tới mức độ ưu tiên liệu QAEE MPQ đề xuất thiết kế giao thức MAC có xét mức ưu tiên liệu có tên PMME Giao thức đề xuất kết hợp hai chế: (1) chế CSMA ppersistent linh hoạt theo mức độ ưu tiên liệu với hai kiểu gán giá trị 23 p khác tuyến tính phi tuyến (2) chế nhận sớm Tx-Beacon Dựa nghiên cứu lý thuyết, ảnh hưởng tham số số lần thử truyền tối đa lớp MAC, thời gian cảm nhận xác mơi trường truyền dCCA khe thời gian dts sau lần gieo xác suất để gửi yêu cầu TxBeacon tới trễ độ tin cậy việc truyền tin định lượng cách cụ thể Các kết mô thực chứng minh tính hiệu giải giảm trễ truyền tin, hiệu sử dụng lượng tăng đạt tỷ lệ truyền tin thành công cao KẾT LUẬN Với mục tiêu cải thiện hiệu WSN đa kiện qua giao thức định tuyến linh hoạt giao thức MAC ưu tiên, luận án đạt mục tiêu đề đề xuất giải pháp cải thiện hiệu WSN đa kiện đáp ứng đồng thời nhiều yêu cầu hiệu khác cho kiện xuất mạng mà đảm bảo sử dụng hiệu lượng Những kiến thức tảng kết nghiên cứu trình bày luận án với bố cục ba chương sau: (1) Tổng quan vấn đề nghiên cứu, (2) Cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện sử dụng giao thức định tuyến linh hoạt (3) Cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện sử dụng giao thức MAC ưu tiên Các kết đóng góp khoa học luận án phân thành hai nhóm lớn: Đề xuất giải pháp cải thiện hiệu mạng cảm biến không dây đa kiện sử dụng định tuyến linh hoạt Đề xuất 02 giải pháp cải thiện hiệu WSN đa kiện sử dụng kỹ thuật định tuyến linh hoạt DRPDS EARPM Giao thức định tuyến DRPDS linh hoạt kết hợp định tuyến đơn đa đường với chế phân tải lưu lượng linh hoạt theo kiện Kết mô cho thấy DRPDS giúp mạng đáp ứng yêu cầu đồng thời nhiều kiện khác loại điều kiện khác tỷ lệ lỗi gói, (a) kiện yêu cầu trễ thấp giảm 20% thời gian trễ so với loại kiện lại, (b) kiện yêu cầu độ tin cậy cao đáp ứng yêu cầu tỷ lệ gói nhỏ nhiều lần so với tỷ lệ lỗi gói chặng nhỏ so với kiện khác dù truyền thông đa chặng; Giải thuật EARPM tiếp tục phát triển dựa DRPDS kết hợp với việc nhận thức lượng lại để nâng cao hiệu tiêu thụ lượng 24 nhằm kéo dài thời gian sống mạng đáp ứng yêu cầu QoS khác biệt kiện có mức ưu tiên khác Kết mơ kiểm chứng khả đáp ứng yêu cầu hiệu khác biệt cho WSN đa kiện, cụ thể giảm độ trễ cho kiện cần ưu tiên thời gian, tăng độ tin cậy với gói tin cần độ tin cậy cao sử dụng hiệu lượng, kéo dài thời gian sống toàn mạng lên khoảng 70% so với việc sử dụng DRPDS Đề xuất giao thức MAC ưu tiên đảm bảo QoS cho mạng cảm biến không dây đa kiện Giao thức PMME đề xuất sở hai giao thức MAC có xét mức ưu tiên gói khác QAEE MPQ Cụ thể giao thức đề xuất kết hợp chế CSMA p-persistent linh hoạt theo mức độ ưu tiên liệu cảm biến với hai kiểu gán giá trị p khác tuyến tính phi tuyến với chế nhận Tx-Beacon sớm Giá trị p đề xuất gán linh hoạt theo mức ưu tiên kiện làm thay đổi tần suất gửi khung mang liệu kiện mức ưu tiên khác nhau, khơng cần giới hạn Tw bên thu hai giao thức tiền nhiệm Việc phân tích tính tốn tham số hiệu trễ, độ tổn thất chế đề xuất kiểm nghiệm đánh giá mô cho thấy hiệu giải pháp đề xuất Kết mô cho thấy PMME cải thiện đáng kể hiệu cho WSN đa kiện so với hai giao thức tiền nhiệm: (1) thời gian trễ truyền gói giảm với tất mức ưu tiên khác nhau, số lượng nút gửi cạnh tranh tăng từ đến 10 trễ gói PMME tăng chậm, giảm so với QAEE MPQ; (2) hiệu sử dụng lượng tốt so với QAEE so với MPQ (3) tỷ lệ truyền gói thành cơng cao Hướng nghiên cứu luận án tập trung vào giải pháp xuyên lớp để cải thiện hiệu WSN đa kiện có xét tới khả nạp lại lượng Cụ thể đề xuất giải pháp kết hợp ưu tiên gói tin lớp MAC với định tuyến nhận thức lượng CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ BÀI BÁO KHOA HỌC [J1] [J2] [J3] [J4] Nguyễn Thị Thu Hằng, Nguyễn Chiến Trinh, Nguyễn Tiến Ban (2016), “Khảo sát số giao thức định tuyến đa đường mạng cảm biến không dây đề xuất xây dựng giao thức định tuyến đa đường định hướng đa kiện mạng”, Tạp chí Khoa học công nghệ thông tin truyền thông (JSTIC), ISSN 2525-2224, số (CS.01) 2016, tr 41-49 Nguyen Thi Thu Hang, Nguyen Chien Trinh, Nguyen Tien Ban (2017), “Dynamic Routing Protocol and Delivering Scheme for MultiEvent Wireless Sensor Network”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ thơng tin truyền thông (JSTIC), ISSN 2525-2224, số 02&03 (CS.01) 2017, tr 30-39 Nguyen Thi Thu Hang, Nguyen Chien Trinh, Nguyen Tien Ban (2018), “Novel Energy Aware Routing Protocol for MultiEvent Wireless Sensor Network”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Quân sự, ISSN 1859 - 1043, số 55, 06-2018, tr 52-68 Nguyen Thi Thu Hang, Nguyen Chien Trinh, Nguyen Tien Ban (2019), “PPME – Priority MAC protocol for MultiEvent Wireless Sensor Network”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Quân sự, ISSN 1859 - 1043, số 59, 02-2019, tr 12-25 HỘI NGHỊ KHOA HỌC [C1] [C2] [C3] [C4] Nguyen Thi Thu-Hang, Nguyen Tien Ban (2017), “Hybrid Routing Protocol and Dynamic Delivering Scheme for MultiEvent Wireless Sensor Network”, The Eighth International Symposium on Information and Communication Technology (SoICT 2017), 7-8 December 2017, Nha Trang, Viet Nam, pp 286-292 DOI:10.1145/3155133.3155192 Nguyen Thi Thu-Hang, Nguyen Chien Trinh, Nguyen Tien Ban (2018), “Energy Aware Event Driven Routing Protocol and Dynamic Delivering Scheme for MultiEvent Wireless Sensor Network”, IEEE 2nd International Conference on Recent Advances in Signal Processing, Telecommunications & Computing (SigTelCom2018), January 29th-31st , 2018, Ho Chi Minh, Vietnam, pp 224-229 DOI:10.1109/SIGTELCOM.2018.8325795 Nguyễn Thị Thu Hằng, Nguyễn Chiến Trinh, Nguyễn Tiến Ban (2018), “Đề xuất giao thức MAC ưu tiên đảm bảo QoS cho mạng cảm biến không dây đa kiện”, Kỷ yếu Hội nghị Quốc gia lần thứ XXI Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin, (REV-ECIT 2018), 14-15/12/2018, Hà Nội, tr.123-128 Nguyen Thi Thu-Hang, Nguyen Chien Trinh, Nguyen Tien Ban (2019), “Delay and Reliability Analysis of p-persistent Carrier Sense Multiple Access for MultiEvent Wireless Sensor Network”, in Proc IEEE 26th International Conference on Telecommunications (ICT-2019), April 8-10, Hanoi, Vietnam, pp 426-430 DOI:10.1109/ICT.2019.8798849