Phần còn lại của bài báo được bố cục như sau: Đầu tiên, chúng tôi trình bày đề xuất mới về giải pháp kết hợp giữa hai thước đo định tuyến ETX và EI trong giao thức IRPL; Tiếp theo, chú[r]
(1)GIẢI PHÁP KẾT HỢP GIỮA THƯỚC ĐO ĐỊNH TUYẾN CHẤT LƯỢNG LIÊN KẾT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG GIAO THỨC IRPL
Vũ Chiến Thắng1*, Nguyễn Văn Tảo1, Vũ Văn San2, Lê Nhật Thăng2 Tóm tắt: Các thiết bị Internet of Things triển khai với số lượng lớn các nút mạng hoạt động pin Trong mạng không dây công suất thấp, vấn đề tiết kiệm lượng nhằm nâng cao thời gian sống mạng yêu cầu quan trọng Trong báo này, đề xuất giải pháp kết hợp thước đo định tuyến chất lượng liên kết số lượng cịn lại giao thức IRPL Chúng tơi kết hợp hai thước đo định tuyến dựa theo trọng số α Từ đó, chúng tơi thực thi đánh giá mô giải pháp đề xuất Kết đánh giá mô cho thấy, giải pháp đề xuất cho phép tăng thời gian sống mạng tăng tỷ lệ chuyển phát tin liệu mạng
Từ khóa: Mạng cảm biến khơng dây, Đánh giá hiệu mạng, Hệ điều hành Contiki, Giao thức định tuyến RPL cải tiến
1 GIỚI THIỆU
Mạng Internet kết nối vạn vật (IoT – Internet of Things) kịch hàng tỷ thiết bị kết nối với nhau, thiết bị có địa tồn cầu Các ứng dụng mạng cảm biến không dây tự động hóa tịa nhà, ngơi nhà thơng minh với mơ hình kết nối đa chặng chạy chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4 thành phần IoT
Giao thức định tuyến RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) đề xuất cho mạng tổn hao cơng suất thấp nói chung cảm biến khơng dây nói riêng [1] RPL giao thức vectơ khoảng cách Giao thức xây dựng cấu trúc mạng gồm một/nhiều đồ thị khơng có chu trình định hướng tới một/nhiều đích đến - DODAG (Destination Oriented Direct Acyclic Graph) [2] Giao thức RPL sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX (Expected Transmission) để lựa chọn tuyến đường tối ưu mạng Tuy nhiên, thước đo định tuyến ETX không đảm bảo vấn đề cân lượng nút mạng Vì vậy, nhược điểm giao thức RPL cân lượng nút mạng Các nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt sử dụng nhiều trình chuyển tiếp tin liệu đến nút gốc Các nút hết lượng nhanh tạo thành lỗ hổng mạng, làm giảm thời gian sống mạng [3]
(2)đường nhiều lượng khơng có nghĩa tất nút tuyến đường cịn nhiều lượng Thứ hai, giao thức EAR xác định thước đo chi phí lượng dựa hỗ trợ phần cứng nút cảm biến Tuy nhiên, phần cứng hỗ trợ khả
Trong báo [5], Kamgueu cộng đề xuất việc sử dụng thước đo định tuyến lượng lại cho giao thức RPL Tuy nhiên, tác giả lại bỏ qua thước đo định tuyến chất lượng liên kết Trong báo [6], tác giả đề xuất thước đo định tuyến thời gian sống kỳ vọng (ELT - Expected LifeTime) để ước lượng thời gian sống nút thắt cổ chai Các tác giả sử dụng lưu lượng tin độ tin cậy liên kết để ước lượng lượng tiêu thụ trung bình của nút thắt cổ chai
Trong báo [7], đề xuất giải pháp kết hợp hai thước đo định tuyến chất lượng liên kết trạng thái lượng lại nút chuyển tiếp để lựa chọn tuyến đường tối ưu Mỗi nút mạng ước lượng số lượng lại Chỉ số lượng lại so sánh với ngưỡng cho trước Khi số lượng lại nút mạng thấp ngưỡng cho trước nút mạng khơng tham gia vào q trình chuyển tiếp tin liệu Giải pháp có ưu điểm thước đo số lượng lại ước lượng phần mềm thực nhiều kiến trúc phần cứng khác mà không làm phát sinh thêm chi phí phần cứng Kết mô cho thấy, giải pháp đề xuất báo [7] cho phép tăng thời gian sống mạng lại làm giảm tỷ lệ chuyển phát tin liệu
Trong báo này, đề xuất giải pháp kết hợp thước đo định tuyến ETX EI nhằm cải thiện tỷ lệ chuyển phát tin liệu mạng giao thức IRPL Phần lại báo bố cục sau: Đầu tiên, chúng tơi trình bày đề xuất giải pháp kết hợp hai thước đo định tuyến ETX EI giao thức IRPL; Tiếp theo, đánh giá hiệu giao thức định tuyến IRPL theo giải pháp đề xuất so sánh với giải pháp kết hợp ban đầu; Cuối cùng, đưa số kết luận cho báo
2 GIAO THỨC IRPL VÀ GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT Hình cấu trúc thực thi
giao thức IRPL hệ điều hành Contiki [7]
Module ContikiRPL sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX số lượng lại 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
(3)tiêu thụ có nhiệm vụ xác định số lượng lại nút mạng
Trong báo này, đề xuất giải pháp kết hợp hai thước đo định tuyến chất lượng liên kết (ETX) số lượng lại (EI) theo công thức sau:
_
ax
(%) 100 (1 )(100 )
ETX EI m ETX metric EI ETX
(1) Trong đó: α trọng số cho phép điều chỉnh hai thơng số ETX, EI để tính tốn 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
được mang trường dự trữ tin điều khiển DIO [8] Hình trình bày thuật tốn 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 (1), nút cha tốt lựa chọn phải nút có thước đo định tuyến kết hợp
metricETX_EI nhỏ
3 ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT VỚI GIAO THỨC IRPL 3.1 Các tham số đánh giá
3.1.1 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
% 100 (%) data received N N
DDR (2) 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 DDR cao hiệu truyền thơng mạng tốt
3.1.2 Sự cân lượng nút mạng
Để đánh giá cân lượng nút mạng, dựa vào số lượng lại EI nút mạng Thước đo đánh giá cân lượng EBI (Energy Balance Indicator) nút mạng xác định theo công thức sau:
1
( )
N
i i
EBI EI EI
(3) Hình 2. Thuật toán lựa chọn nút (4)Trong đó: EI số lượng cịn lại trung bình nút mạng, N số nút mạng
3.1.3 Thời gian sống mạng
Thời gian sống mạng định nghĩa khoảng thời gian bắt đầu truyền dẫn mạng kết thúc tỷ lệ phần trăm nút hết lượng ngưỡng cho trước Giá trị ngưỡng thiết lập tùy thuộc vào ứng dụng
Định nghĩa có liên quan đến thời gian sống nút mạng khơng xét đến vai trị cụ thể nút mạng bị hết lượng Nếu tỷ lệ phần trăm thiết lập 100% thời điểm nút mạng hết lượng thời điểm kết thúc thời gian sống mạng
3.2 Kết đánh giá
Chúng xét DODAG bao gồm 26 nút mạng phân bố ngẫu nhiên trường cảm biến có kích thước (100m x 100m) Bảng tóm tắt kịch đánh giá mơ với hai giao thức IRPL RPL Chúng thay đổi trọng số α để đánh giá ảnh hưởng trọng số đến hiệu mạng Giá trị trọng số α 0.8, 0.85, 0.9, 0.95
Hình mơ hình triển khai mạng gồm 26 nút Các nút mạng định kỳ gửi tin liệu nút gốc (DODAG root) nút số Hình 4, 5, kết đánh giá mô so sánh tỷ lệ nút sống mạng (ANR), tỷ lệ chuyển phát tin liệu (DDR), cân lượng (EBI) giao thức IRPL với giá trị trọng số α khác giao thức RPL
Bảng 1 Kịch đánh giá mô
Kết đánh giá mô cho thấy, giao thức IRPL với giá trị trọng số α = 0.9 đạt hiệu tốt xét tỷ lệ nút cịn sống mạng (hình 4) Thời gian sống mạng tăng 46% so với giao thức RPL ban đầu Kết mơ hình 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 Tổng hợp kết hình 4, cho thấy giao thức IRPL với giá trị trọng số α = 0.9 đảm bảo cân tốt thời gian sống mạng tỷ lệ chuyển phát tin liệu mạng
Các tham số Giá trị
Mô hình truyền thơng vơ tuyến UDI (Unit Disk Graph with Distance Interference)
Số nút mạng 26
Kích thước mạng 100m x 100m
Phạm vi phủ sóng nút Phạm vi truyền hiệu quả: 30m Phạm vi ảnh hưởng nhiễu: 50m
Năng lượng ban đầu 10J
Chu kỳ gửi tin liệu 15s
Nguồn gửi tin liệu Tất nút mạng
(5)Hình Mơ hình triển khai mạng gồm 26 nút.
Hình So sánh tỷ lệ các nút sống.
Hình 5. So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin liệu.
Hình 6. So sánh cân năng lượng.
Chúng so sánh kết mô báo với kết mô đề xuất báo [7] Hình 7, 8, kết đánh giá mô so sánh giao thức IRPL theo giải pháp ngưỡng EI = 25% [7] giao thức IRPL theo giải pháp trọng số α = 0.9 với giao thức RPL ban đầu
Kết đánh giá mơ hình cho thấy giao thức IRPL theo giải pháp trọng số α = 0.9 (IRPL_0.9) cho hiệu thời gian sống mạng tương đương so với giải pháp chọn ngưỡng EI = 25% (IRPL_25) Cả hai giải pháp cho phép tăng thời gian sống mạng lên đến 46% so với giao thức RPL ban đầu
(6)Hình So sánh tỷ lệ nút cịn sống.
Hình So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin liệu.
Hình 9. So sánh cân năng lượng.
Hình cho thấy giải pháp mà đề xuất đảm bảo cân lượng nút mạng tốt so với giao thức RPL ban đầu
4 KẾT LUẬN
Trong báo này, đề xuất giải pháp kết hợp thước đo định tuyến chất lượng liên kết số lượng cịn lại giao thức IRPL Chúng tơi kết hợp hai thước đo định tuyến theo trọng số α Chúng thực thi giải pháp đề xuất hệ điều hành Contiki Từ đó, chúng tơi đánh giá giải pháp đề xuất dựa mô mơ hình mạng cảm biến khơng dây đa chặng Kết đánh giá mô cho thấy giải pháp đề xuất đạt hiệu cao so với giao thức RPL ban đầu thời gian sống mạng tỷ lệ chuyển phát tin liệu Thời gian sống mạng tăng 46% so với giao thức RPL ban đầu trọng số α = 0.9
Trong thời gian tới, tiếp tục thực số đánh giá thực nghiệm với giao thức IRPL nhằm kiểm chứng lại kết mô thực
Lời cảm ơn: Chúng xin chân thành cảm ơn Đề tài mã số ĐH 2015-TN07-05 tài trợ kinh phí cho cơng trình
TÀI LIỆU THAM KHẢO
(7)[2] JeongGil Ko, Andreas Terzis, Stephen Dawson-Haggerty, David E Culler, Jonathan W Hui, Philip Levis, “Connecting Low-Power and Lossy Networks
to the Internet,” IEEE Communications Magazine, pp 96 – 101, April 2011
[3] Vũ Chiến Thắng, Lê Nhật Thăng, “Đánh giá hiệu giao thức định tuyến
IPv6 cho mạng cảm biến khơng dây,” Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công
nghệ quân sự, ISSN 1859-1043, số 38, 8/2015
[4] Rahul C Shah, Jan M Rabaey, “Energy Aware Routing for Low Energy Ad
Hoc Sensor Networks,” in proceedings of IEEE Wireless Communications and
Networking Conference (WCNC’02), Orlando, FL, USA, March 2002, pp 350 [5] P Kamgueu, E Nataf, T Ndié, O Festor, “Energy-Based Routing Metric for
RPL,” Research Report RR-8208, INRIA, 2013
[6] O Iova, Fabrice Theoleyre, and Thomas Noel, “Improving network lifetime
with energy-balancing routing: Application to RPL,” in Proceedings of
Wireless and Mobile Networking Conference, 2014
[7] Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Lê Nhật Thăng, cộng sự, “IRPL: Giao thức định tuyến IPv6 có nhận thức lượng cho mạng cảm biến không dây,” Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa – VCCA 2015, ISBN 978-604-913-429-6, Thái Nguyên 11/2015
[8] Tsvetko Tsvetkov, “RPL: IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks,” Seminar SN SS2011 : Network Architectures and Services, pp 59–66, July 2011
ABSTRACT
A SOLUTION FOR COMBINATION OF LINK QUALITY AND RESIDUAL ENERGY IN IRPL PROTOCOL
Internet of Things devices will be deployed with a large number of nodes which are battery-operated In a low-power wireless network, power-efficiency issue in order to improve the network lifetime is an important requirement In this paper, we propose a solution for combination of two routing metrics that are the link quality and the residual energy indicator in IRPL protocol We combine two routing metrics based on an alpha weight Then, we implement and evaluate IRPL protocol The simulation results show that our solution provides a longer network lifetime and a higher data delivery ratio
Keywords: Performance evaluation of network, Wireless sensor networks, Contiki operating system, Improved RPL protocol
Nhận ngày 28 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 01 tháng 11 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016
Địa chỉ: 1 Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Ngun; Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông;