Nghiên cứu đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng cảm biến không dây trong môi trường di động

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VILAYSAK Akone NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG MÔI TRƢỜNG DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VILAYSAK Akone NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG MÔI TRƢỜNG DI ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 8520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Vũ Chiến Thắng Thái Nguyên - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: VILAYSAK Akone, học viên lớp cao học K17 – Kỹ thuật viễn thông – Trƣờng đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đánh giá giao thức định tuyến thu thập liệu cho mạng cảm biến không dây môi trƣờng di động” Thầy giáo TS Vũ Chiến Thắng hƣớng dẫn, cơng trình nghiên cứu thân tơi thực hiện, dựa hƣớng dẫn Thầy giáo hƣớng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Tơi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, năm 2020 Học viên VILAYSAK Akone LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, suốt trình thực đề tài nghiên cứu, nhận đƣợc quan tâm giúp đỡ của: Thầy giáo hƣớng dẫn trực tiếp TS Vũ Chiến Thắng, giúp đỡ tận tình phƣơng hƣớng phƣơng pháp nghiên cứu nhƣ hoàn thiện luận văn Các thầy, cô giáo khoa Công nghệ Điện tử Truyền thông, Trƣờng đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thời gian, địa điểm nghiên cứu, phƣơng tiện vật chất cho tác giả Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất giúp đỡ quý báu Thái Nguyên, năm 2020 Học viên VILAYSAK Akone MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 10 Tính cấp thiết đề tài 10 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 10 Mục tiêu đề tài 10 Phƣơng pháp nghiên cứu 11 Nội dung luận văn 11 Đóng góp luận văn 11 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12 1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 12 1.2 Ngăn xếp truyền thông cho mạng cảm biến không dây 13 1.2.1 Lớp vật lý 14 1.2.2 Lớp liên kết liệu 14 1.2.3 Lớp mạng 16 1.2.4 Lớp giao vận 16 1.2.5 Lớp ứng dụng 17 1.3 Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây 19 1.3.1 Mơ hình truyền thơng mạng cảm biến không dây 19 1.3.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây 21 1.4 Đặc điểm mạng cảm biến không dây ảnh hƣởng đến vấn đề định tuyến 28 1.5 Phần cứng cho mạng cảm biến không dây 29 1.6 Phần mềm cho mạng cảm biến không dây 30 1.7 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 31 1.7.1 Ứng dụng quân 31 1.7.2 Ứng dụng môi trƣờng ngành nông nghiệp 32 1.7.3 Ứng dụng tự động hóa gia đình 32 1.7.4 Ứng dụng tự động hóa tịa nhà 33 1.8 Kết luận chƣơng 34 Chƣơng ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 35 2.1.Tổng quan vấn đề định tuyến cho mạng cảm biến không dây 35 2.2 Những thách thức thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 36 2.3 Các thƣớc đo định tuyến cho mạng cảm biến không dây 38 2.4 Khảo sát số giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 39 2.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm liệu 39 2.4.2 Giao thức định tuyến dựa phân cụm 43 2.5 Giao thức định tuyến thu thập liêu cho mạng cảm biến không dây 47 2.5.1 Giao thức định tuyến CTP 47 2.5.2 Giao thức định tuyến RPL 50 2.6 Kết luận chƣơng 53 Chƣơng ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG MÔI TRƢỜNG DI ĐỘNG 54 3.1 Giới thiệu hệ điều hành Contiki công cụ mô Cooja 54 3.1.1 Hệ điều hành Contiki 54 3.1.2 Công cụ mô Cooja 54 3.2 Xây dựng kịch di động công cụ mô Cooja 59 3.3 Đánh giá giao thức CTP RPL môi trƣờng di động 60 3.3.1 Các thƣớc đo đánh giá 60 3.3.2 Kịch mô đánh giá 62 3.3.3 Kết mô đánh giá với giao thức CTP môi trƣờng di động 64 3.3.4 Kết mô đánh giá với giao thức RPL môi trƣờng di động 65 3.4 Nhận xét khuyến nghị 67 3.5 Kết luận chƣơng 68 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Mơ hình lƣợng Tmote Sky công suất phát 0dBm 61 Bảng 3.2: Kịch đánh giá mô 64 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với nút cảm biến phân bố rải rác trƣờng cảm biến 12 Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến khơng dây 13 Hình 1.3: Mơ hình truyền thơng Điểm - Điểm mạng cảm biến khơng dây 19 Hình 1.4: Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm mạng cảm biến không dây 19 Hình 1.5: Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm mạng cảm biến khơng dây.21 Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với nút FFDs thể nhƣ chấm đen nút RFDs thể chấm trắng Hai FFDs điều phối viên PAN hai mạng PAN đƣợc biểu diễn vòng tròn đen Mạng PAN bên phải bao gồm hai FFDs nhƣng FFD điều phối viên PAN 22 Hình 1.7: Hai định dạng địa hỗ trợ IEEE 802.15.4 địa dài (64 bit) địa ngắn (16 bit) 23 Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý 24 Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên kênh 802.11 Kênh 25 26 không đƣợc bao bọc kênh 802.11 Khi kênh 1, 11 802.11 đƣợc sử dụng, hai kênh 15 20 802.15.4 không bị ảnh hƣởng 802.11 25 Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 định dạng tiêu đề lớp MAC 27 Hình 1.11: Các thành phần cấu trúc phần cứng nút cảm biến không dây 29 Hình 1.12: Bo mạch MicaZ hãng Crossbow Technology 30 Hình 1.13: Quá trình phát triển phần mềm cho nút cảm biến không dây Mã nguồn đƣợc biên dịch thành mã máy đƣợc ghi vào ROM vi điều khiển nút cảm biến 31 Hình 1.14: Mơ hình ứng dụng mạng cảm biến khơng dây qn 32 Hình 1.15: Mơ hình hệ thống nhà thông minh 33 Hình 2.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây với nút cảm biến phân bố rải rác trƣờng cảm biến 35 Hình 2.2: Phân loại giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây 36 Hình 2.3: Giao thức SPIN 40 Hình 2.4: Hoạt động giao thức Directed Diffusion 41 Hình 2.5: Kiến trúc phân cấp dựa cụm 43 Hình 2.6: Cấu trúc chuỗi PEGASIS 44 Hình 2.7: Kiến trúc phân cấp giao thức TEEN 46 Hình 2.8: Cấu trúc liên kết mạng đƣợc xây dựng theo giao thức CTP 48 Hình 2.9: ETXlink liên kết 48 Hình 2.10: Các thành phần giao thức CTP 49 Hình 2.11: Ví dụ DODAG 51 Hình 2.12: Ví dụ việc hình thành DODAG 52 Hình 2.13: Thực thi giao thức RPL hệ điều hành Contiki 53 Hình 3.1: Mơ hình UDG 56 Hình 3.2: Mơ hình UDI 57 Hình 3.3: Màn hình ban đầu với Cooja 57 Hình 3.4: Tạo mơ với Cooja 58 Hình 3.5: Thêm nút cảm biến Sky mote Cooja 58 Hình 3.6: Thêm nút cảm biến Sky mote Cooja 59 Hình 3.7: Cấu trúc liên kết mạng đƣợc xét đến luận văn 62 Hình 3.8: Mơ hình cụm gồm 16 nút mạng 63 Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu mạng 64 Hình 3.10: So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình mạng 65 Hình 3.11: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình mạng 65 Hình 3.12: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu mạng 66 Hình 3.13: So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình mạng 66 Hình 3.14: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình mạng 66 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Tiếng Việt ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động BAS Building Automation System Hệ thống tự động hóa tịa nhà CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh trống CTP Collection Tree Protocol Giao thức thu thập DAG Directed Acyclic Graph Đồ thị có hƣớng khơng chu trình DDR Data Delivery Ratio Tỷ lệ chuyển phát gói liệu DODAG Destination Oriented DAG DIS DODAG Information Solicitation Đồ thị khơng chu trình hƣớng điểm đến Bản tin yêu cầu thông tin DODAG DIO DODAG Information Object Đối tƣợng thông tin DODAG DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp EC Error Control Điều khiển lỗi ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng FEC Forward Error Control Điều khiển lỗi chuyển tiếp FFDs Full Function Devices Các thiết bị có chức đầy đủ IEEE ICMP Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Control Message Protocol MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad Hoc Network MCTP Mobile Collection Tree Protocol MRPL Mobile IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network MIC Message Integrity Check Viện kỹ sƣ điện điện tử Giao thức tin điều khiển Internet Điều khiển truy nhập kênh truyền Mạng Ad hoc di động Giao thức thu thập liệu di động Giao thức định tuyến IPv6 di động cho mạng tổn hao công suất thấp Kiểm tra tính tồn vẹn tin 58 Ngƣời dùng chọn File>New Simulation hình hiển thị hình 3.4 xuất Các cài đặt hình khơng cần phải thay đổi Hình 3.4: Tạo mô với Cooja Tiếp theo, ngƣời dùng chọn nút Create Điều dẫn đến hình mơ ban đầu nhƣ hình 3.5 Hiện khơng có nút mạng đƣợc tạo mơ Hình 3.5: Thêm nút cảm biến Sky mote Cooja 59 Các nút mạng đƣợc thêm vào cách chọn Motes>Add motes>Create new mote type sau chọn Sky mote nhƣ hình 3.5 Sky mote phần cứng đơn giản đƣợc sử dụng mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc sử dụng công cụ mơ Cooja Màn hình hình 3.6 cho phép ngƣời dùng nạp mã nguồn chƣơng trình cho nút mạng cảm biến Hình 3.6: Thêm nút cảm biến Sky mote Cooja 3.2 Xây dựng kịch di động công cụ mô Cooja BonnMotion phần mềm Java tạo phân tích kịch di động đƣợc sử dụng phổ biến nhƣ công cụ để khảo sát đặc điểm mạng ad hoc di động Các kịch đƣợc sử dụng cho số trình giả lập mạng, chẳng hạn nhƣ ns-2, ns-3, GloMoSim/QualNet, COOJA, MiXiM ONE BonMotion đƣợc hợp tác phát triển nhóm nghiên cứu hệ thống truyền thông Đại học Bon, Đức, nhóm Toilers Trƣờng Colorado, Golden, CO, Hoa Kỳ nhóm hệ thống phân tán Đại học Osnabruck, Đức Để sử dụng phần mềm này, cần cài đặt JDK JRE Nó đƣợc biên dịch thử nghiệm với Java v1.8.0 25 Trong trình cài đặt, số tập lệnh shell khác đƣợc tạo thƣ mục bin Hiện tại, có số mơ hình di động có sẵn sử dụng BonnMotion Trong luận văn này, tác giả sử dụng mơ hình điểm đích ngẫu nhiên (Random Waypoint) Theo mơ hình Random Waypoint, nút có vị trí ngẫu nhiên khu 60 vực mơ khoảng thời gian gọi thời gian tạm dừng Khi quãng thời gian hết hạn, nút chọn ngẫu nhiên đích đến khu vực mơ tốc độ phân bố đồng [Speedmin, Speedmax] Sau đó, nút di chuyển tới vị trí với tốc độ chọn Khi tới vị trí mới, nút dừng khoảng thời gian sau tiếp tục lại q trình Để tạo kịch mơ di động theo mơ hình Random Waypoint, chạy lệnh sau cửa sổ Terminal: Lệnh tạo kịch mô di động tệp test1 tệp thông số Tệp thông số lƣu thông số đƣợc sử dụng để tạo kịch di động Trong lệnh trên, sử dụng mơ hình di động Random Waypoint cho 25 nút mạng đƣợc triển khai phạm vi 40m x 40m, tốc độ di chuyển lớn nhỏ nút mạng lần lƣợt m/s m/s, tổng thời gian mô 1200s Để chuyển đổi tệp kết test1 định dạng phù hợp với mơ hình di động Contiki cooja, sử dụng ứng dụng WiseML công cụ BonnMotion với câu lệnh nhƣ sau: Thông số “-L 1” để xác định khoảng thời gian hai thời điểm 1s Sau chạy lệnh trên, tệp WiseML “test1.wml” đƣợc tạo Chúng ta cần chuyển đổi tệp thành tệp “positions.dat” để sử dụng để mơ với Cooja Để tạo tệp này, sử dụng lệnh sau: 3.3 Đánh giá giao thức CTP RPL môi trƣờng di động 3.3.1 Các thƣớc đo đánh giá Tác giả mô hoạt động mạng điều kiện tốc độ di chuyển nút mạng khác để đánh giá hiệu hoạt động mạng Các thƣớc đo để đánh giá hiệu hoạt động mạng bao gồm: Năng lƣợng tiêu thụ trung bình, tỷ lệ chuyển phát thành cơng tin liệu thành công, số lần thay đổi nút cha trung bình (churn) Năng lƣợng tiêu thụ trung bình: Đây thơng số quan trọng có ảnh hƣởng đến thời gian hoạt động nút mạng Trong môi trƣờng di động, nút mạng thƣờng sử dụng nguồn pin Để ƣớc lƣợng đƣợc lƣợng tiêu thụ nút mạng cảm biến, tác giả sử dụng chế ƣớc lƣợng lƣợng dựa 61 phần mềm sử dụng mơ hình tiêu thụ lƣợng tuyến tính Tổng lƣợng E đƣợc tính tốn nhƣ sau [20]: E  U ( I ata  I l tl  I t tt  I r tr   I ci tci ) (3.1) i Trong đó: - U: Là điện áp nguồn cung cấp (điện áp pin) - Ia , ta: Là dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ tích cực (active mode) - Il , tl: Là dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ công suất thấp (low power mode) - It, tt: Là dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ truyền (transmit) - Ir, tr: Là dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ nhận (receive) - Ici, tci: Là dòng tiêu thụ thời gian hoạt động phận khác nhƣ cảm biến, LED Trong đề tài này, tác giả quan tâm đến lƣợng tiêu thụ thu phát vô tuyến vi điều khiển Bảng 3.1 trình bày mơ hình lƣợng phần cứng Tmote Sky Trong đó, số liệu dịng tiêu thụ đƣợc lấy từ tài liệu kỹ thuật nhà sản xuất linh kiện Bảng 3.1: Mơ hình lƣợng Tmote Sky công suất phát 0dBm Thành phần Trạng thái Dịng tiêu thụ Tích cực 1,95 mA MSP430 F1611 Công suất thấp 0,0026 mA Truyền (0 dBm) 17,4 mA CC2420 Nhận 19,7 mA Tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR (Data Delivery Ratio): Thông số đánh giá hiệu truyền thông tin liệu mạng Thông số đƣợc xác định tỷ số số tin liệu nhận đƣợc nút gốc tổng số tin liệu đƣợc gửi tất nút mạng N received 100% (3.2) N data Trong đó: Nreceived tổng số tin liệu nhận đƣợc nút gốc; Ndata tổng số tin liệu đƣợc gửi tất nút mạng Tỷ lệ chuyển DDR (%)  62 phát tin liệu DDR cao hiệu truyền thơng mạng tốt Số lần thay đổi nút cha trung bình mạng (Churn): Thơng số đánh giá độ ổn định mạng Thông số đƣợc xác định dựa thống kê số lần thay đổi nút cha nút mạng Các mạng cảm biến không dây hoạt động liên kết vô tuyến có tổn hao Các liên kết vơ tuyến thƣờng có chất lƣợng khơng ổn định thay đổi thƣờng xuyên theo thời gian Vì vậy, cấu trúc liên kết mạng cần phải có thay đổi để thích ứng với môi trƣờng truyền thông vô tuyến Để đánh giá thay đổi thích ứng này, tác giả dựa vào số liệu thống kê số lần thay đổi nút cha trung bình tồn mạng 3.3.2 Kịch mơ đánh giá Hình 3.7 minh họa mơ hình cấu trúc liên kết mạng đƣợc tác giả xét đến luận văn Mạng đƣợc chia thành nhiều cụm nhỏ khác Trong cụm, nút cảm biến di động định kỳ gửi liệu nút gốc Điểm thu thập Nút gốc Nút gốc n … Hình 3.7: Cấu trúc liên kết mạng đƣợc xét đến luận văn Tác giả mô đánh giá giao thức định tuyến thu thập liệu CTP RPL cụm với giả thiết sau: Các nút mạng khơng đồng mạng có hai loại nút nút mạng cảm biến thu thập liệu nút gốc Các nút mạng cảm biến sử 63 dụng nguồn lƣợng pin có khả xử lý nhƣ có nhớ hạn chế Nút gốc có nguồn lƣợng, khả lƣu trữ tính tốn tốt nút mạng khác Nút mạng đóng vai trị thu thập liệu từ nút mạng cảm biến khác Các nút mạng cảm biến đọc gửi liệu nút gốc kỹ thuật truyền đa chặng thông qua nút mạng trung gian khác Trong suốt toàn trình hoạt động mạng, nút truyền mức cơng suất khơng đổi Khơng có tập hợp liệu đƣợc thực mạng Tất liệu thu thập đƣợc gửi tới nút gốc Mạng đƣợc phân bố vùng triển khai đƣợc xem phẳng (mạng 2D) Nút gốc đƣợc triển khai cố định khu vực khác Mô đƣợc thực với trình mơ Cooja Contiki-2.7 Mạng mô cụm bao gồm 16 nút mạng đƣợc phân bố ngẫu nhiên khu vực 50m x 50m, nút mạng có phạm vi truyền thơng hiệu bán kính 30m Ở hình 3.8, nút gốc nút số 16 nút lại nút thành viên có nhiệm vụ thu thập gửi liệu cho nút gốc Hình 3.8: Mơ hình cụm gồm 16 nút mạng Các tham số đƣợc sử dụng suốt thời gian đánh giá mơ đƣợc tóm tắt bảng 3.2 Mơ hình truyền thơng vơ tuyến đƣợc sử dụng mơ mơ hình truyền thơng UDI, phạm vi truyền thông hiệu 30m phạm vi ảnh hƣởng nhiễu 50m Giao thức tiết kiệm lƣợng lớp MAC đƣợc sử dụng kịch mô giao thức ContikiMAC 64 Bảng 3.2: Kịch đánh giá mô Các tham số Mơ hình truyền thơng vơ tuyến Số nút mạng (nút) Kích thƣớc mạng (m x m) Tỷ lệ truyền, nhận thành công (%) Giao thức lớp mạng Phạm vi phủ sóng nút (m) Tốc độ di chuyển Chu kỳ gửi tin liệu (giây) Nguồn gửi tin liệu Giao thức lớp MAC Giá trị UDI 16 50 x 50 90 CTP, RPL Phạm vi truyền hiệu quả: 30 Phạm vi ảnh hƣởng nhiễu: 50 Cố định (0 m/s) Di chuyển với tốc độ chậm (0,1 m/s) Di chuyển với tốc độ nhanh (5 m/s) 30 Tất nút mạng (ngoài nút gốc) ContikiMAC 3.3.3 Kết mô đánh giá với giao thức CTP mơi trƣờng di động Hình 3.9, 3.10 3.11 lần lƣợt kết mô đánh giá tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu, cơng suất tiêu thụ trung bình mạng, số lần thay đổi nút cha trung bình mạng với giao thức CTP nút mạng cố định (CTP), nút mạng di chuyển với tốc độ chậm 0,1 m/s (MCTP_0.1) nút mạng di chuyển với tốc độ nhanh m/s (MCTP_5) Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu mạng 65 Hình 3.10: So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình mạng Hình 3.11: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình mạng 3.3.4 Kết mô đánh giá với giao thức RPL mơi trƣờng di động Hình 3.12, 3.13 3.14 lần lƣợt kết mô đánh giá tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu, cơng suất tiêu thụ trung bình mạng, số lần thay đổi nút cha trung bình mạng với giao thức RPL nút mạng cố định (RPL), nút mạng di chuyển với tốc độ chậm 0,1 m/s (MRPL_0.1) nút mạng di chuyển với tốc độ nhanh m/s (MRPL_5) 66 Hình 3.12: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành cơng tin liệu mạng Hình 3.13: So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình mạng Hình 3.14: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình mạng 67 3.4 Nhận xét khuyến nghị Kết mơ hình 3.9, 3.12 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức CTP đạt hiệu cao so với mạng hoạt động theo giao thức RPL mặt tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu Trong trƣờng hợp mạng cố định di động với tốc độ thấp chênh lệch tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu hai giao thức CTP RPL không đáng kể Tuy nhiên, nút mạng di động với tốc độ nhanh (5 m/s), thấy đƣợc chênh lệch nhiều tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu Mạng RPL sử dụng giao thức UDP lớp giao vận UDP giao thức truyền tin khơng tin cậy, khơng có chế xác nhận truyền lại nên tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu mạng RPL giảm rõ rệt môi trƣờng di động Hình 3.10, 3.13 cho thấy cơng suất tiêu thụ trung bình mạng giao thức CTP cao so với giao thức RPL tất trƣờng hợp Mạng hoạt động theo giao thức CTP sử dụng chế truyền lại cho phép đạt đƣợc hiệu cao tỷ lệ chuyển phát tin liệu nhƣng tăng chi phí lƣợng tiêu thụ Hình 3.11, 3.14 cho thấy mạng mạng hoạt động theo giao thức CTP thay đổi cấu trúc liên mạng nhiều so với mạng hoạt động theo giao thức RPL Trong trƣờng hợp nút mạng di động với tốc độ nhanh, số lần thay đổi nút cha trung bình mạng giao thức CTP tăng lên đáng kể (trung bình 6,267 lần) so với giao thức RPL (trung bình 1,667 lần) Mỗi lần thay đổi nút cha mạng, nút phải gửi tin điều khiển để thông báo cho nút khác biết để cập nhật lại cấu trúc liên kết mạng Điều làm tăng chi phí lƣợng đối mạng hoạt động theo giao thức CTP Dựa kết mô trên, tác giả đƣa số khuyến nghị triển khai mạng cảm biến không dây môi trƣờng di động nhƣ sau: Thứ nhất, môi trƣờng di động nút mạng thƣờng sử dụng nguồn pin nên vấn đề tiết kiệm lƣợng thƣờng đƣợc quan tâm Giao thức RPL hoạt động tốt điều kiện nút mạng di động với tốc độ thấp (ví dụ với dụng giám sát vật nuôi khu vực chăn thả) Trong điều kiện này, mạng hoạt động theo giao thức RPL vừa đảm bảo tiết kiệm lƣợng đạt đƣợc hiệu tƣơng đối tốt tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu Thứ hai, điều kiện mạng di động với tốc độ cao, vấn đề lƣợng khơng phải vấn đề cần đƣợc quan tâm (ví dụ ứng dụng quân sự) giao thức CTP lại phù hợp so với giao thức RPL Giao thức CTP cho phép 68 mạng hoạt động tin cậy hiệu tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu 3.5 Kết luận chƣơng Trong chƣơng này, tác giả mô đánh giá giao thức CTP RPL môi trƣờng di động với kịch mô khác Kết đánh giá cho thấy, giao thức CTP hoạt động hiệu so với giao thức RPL tỷ lệ chuyển phát tin liệu Tuy nhiên, giao thức CTP có mức tiêu thụ cơng suất trung bình cao so với giao thức RPL Trong môi trƣờng di động, mạng hoạt động theo giao thức CTP thay đổi cấu trúc liên kết mạng thích ứng nhanh so với giao thức RPL 69 KẾT LUẬN Trong đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu đánh giá khả áp dụng, tính hiệu giao thức định tuyến thu thập liệu CTP, RPL cho mạng cảm biến không dây môi trƣờng di động Một số kết nghiên cứu đạt đƣợc nhƣ sau: Tìm hiểu tổng quan mạng cảm biến không dây số ứng dụng đƣợc đề xuất cho mạng cảm biến không dây môi trƣờng di động nhƣ quân sự, giám sát vật nuôi… Nghiên cứu giao thức định tuyến cho mạng cảm biến khơng dây tập trung vào hai giao thức định tuyến thu thập liệu CTP RPL Nghiên cứu, đánh giá hiệu hoạt động giao thức CTP RPL môi trƣờng di động Dựa kết đánh giá mô phỏng, tác giả đƣa số khuyến nghị áp dụng giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây môi trƣờng di động Mặc dù cố gắng nhƣng luận văn khơng thể tránh đƣợc thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến từ nhà nghiên cứu, bạn bè, đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện báo cáo đƣợc tốt Xin trân trọng cảm ơn! 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Zinon Zinonos, Vasos Vassiliou, “Mobility Management Solutions in Industrial Wireless Sensor Networks”, 15th International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems, 2019 [2] Sijo Sudheendran, Ons Bouachir, Sherif Moussa, Adel Omar Dahmane, “Review - Challenges of mobility aware MAC protocols in WSN”, 2018 Advances in Science and Engineering Technology International Conferences, 2018 [3] Hajer Ben Fradj, Rajoua Anane, Ridha Bouallegue, “Energy Consumption for Opportunistic Routing Algorithms in WSN”, IEEE 32nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications, 2018 [4] Pengfei Wu , Meng Wang, Routing Algorithm based on Energy and Hop Number for Linear Distributed WSN, IEEE 7th Data Driven Control and Learning Systems Conference, 2018 [5] X Chen, K Makki, K Yen, and N Pissinou, “Sensor network security: A survey”, IEEE Commun Surveys Tutorials, vol 11, no 2, pp 52–73, 2009 [6] R Sugihara and R K Gupta, “Programming models for sensor networks: A survey”, ACM Trans Sensor Netw (TOSN), 2008 [7] Q Wang, Y Zhu, and L Cheng, “Reprogramming wireless sensor networks: Challenges and approaches”, IEEE Netw Mag., vol 20, no 3, pp 48–55, 2006 [8] M Li and Y Liu, “Underground structure monitoring with wireless sensor networks”, in Proc ACM/IEEE IPSN, 2007 [9] Z Yang, M Li, and Y Liu, “Sea depth measurement with restricted floating sensors”, in Proc IEEE RTSS, 2007 [10] T He, S Krishnamurthy, J A Stankovic, T A L Luo, R Stoleru, T Yan, L Gu, and J H B Krogh, “Energy-efficient surveillance system using wireless sensor networks”, in Proc ACM MobiSys, 2004 [11] R Szewczyk, A Mainwaring, J Polastre, and J A D Culler, “An analysis of a large scale habitat monitoring application”, in Proc ACM SenSys, 2004 [12] N Xu, S Rangwala, K Chintalapudi, D Ganesan, A Broad, R Govindan, and D Estrin, “A wireless sensor network for structural monitoring”, in Proc ACM SenSys, 2004 71 [13] Omprakash Gnawali, Rodrigo Fonseca, Kyle Jamieson, David Moss, and Philip Levis, “Collection Tree Protocol,” In Proceedings of the 7th ACM Conference on Embedded Net-worked Sensor Systems, Berkeley, CA, USA, 2009 [14] Joakim Flathagen, Erlend Larsen, Paal E Engelstad (2012), “O-CTP: Hybrid Opportunistic Collection Tree Protocol for Wireless Sensor Networks,” in Proceedings of 7th IEEE International Workshop on Practical Issues in Building Sensor Network Applications, SensrApp 2012, Clearwater, Florida [15] Ugo Colesanti, Silvia Santini, “The Collection Tree Protocol for the Castalia Wireless Sensor Networks Simulator,” Technical Report Nr 729, Department of Computer Science, ETH Zurich, 2011 [16] Winter et al, “RPL: IPv6 routing protocol for low-power and lossy networks”, RFC 6550, 2012 [17] Martocci J, De Mil P, Vermeylen W, Riou N, “Building automation routing requirements in low-power and lossy networks,” RFC5867, IETF, 2010 [18] De Couto D, Aguayo D, Bicket J, Morris R , “A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing” In: Proceedings of the 9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, New York, 2003 [19] Azzedine Boukerche, “Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Networks,” John Wiley & Sons Inc., ISBN: 9780470396360, 2008 [20] Adam Dunkels, Fredrik Osterlind, Nicolas Tsiftes, Zhitao He (2007), “Software-based Online Energy Estimation for Sensor Nodes,” Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors [21] C Intanagonwiwat, R Govindan, and D Estrin, “Directed diffusion: a scalable and robust communication paradigm for sensor networks,” in MobiCom: Proceedings of the 6th annual international conference on Mobile com-puting and networking, New York, NY, USA, 2000, ACM, pp 56–67 [22] A Chandrakasan, and H Balakrishnan W Heinzelman, "Energy efficient Communication Protocol for Wireless Micro Sensor Networks," in 33rd Annual Hawaii International Conf on System Sciences, Washington, 2000 [23] S Lindsey and C Raghavendra, "PEGASIS: Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems," in Aerospace Conference Proceedings, 2002, vol 3, 2002, pp 3-1125 - 3-1130 [24] Dharma P Agrawal Arati Manjeshwar, "TEEN: A Routing Protocol for Enhanced Efficiency in Wireless Sensor Networks," in 15th International Parallel 72 and Distributed Processing Symposium (IPDPS'01) Workshops, vol 3, 2001, p pp.30189a [25] Ian F Akyildiz, Mehmet Can Vuran, “Wireless Sensor Networks,” Wiley, 2010 ... 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Chƣơng 2: Định tuyến cho mạng cảm biến không dây Chƣơng 3: Đánh giá giao thức định tuyến thu thập liệu cho mạng cảm biến không dây môi trƣờng di động Cuối kết... lý thuyết cho việc nghiên cứu sâu giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây chƣơng luận văn 35 Chƣơng ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1.Tổng quan vấn đề định tuyến cho mạng cảm. .. Lossy Networks) cho mạng cảm biến không dây 2.5.1 Giao thức định tuyến CTP Một giao thức thu thập liệu hiệu cho mạng cảm biến khơng dây giao thức thu thập liệu CTP [13] Giao thức CTP đƣợc xây