Mô phỏng EARQ và EEARQ được thực hiện trong network simulator để phân tích hiệu suất của mạng và hiệu quả năng lượng.
Thông số Giá trị
Thời gian mô phỏng 100ms
Số lượng các nút 31
Phương pháp định tuyến EARQ
Mô hình lưu lượng CBR
Năng lượng khởi tạo 100mJ
Diện tích mô phỏng 1000x1000
Phạm vi truyền 250m
Bảng 3.2: Các thông số mô phỏng của giao thức EARQ và EEARQ
Để phân tích hiệu suất của mạng, tỉ lệ chuyển giao gói tin, tỉ lệ mất, trễ được đo.
Tỉ lệ chuyển gói tin: tỉ lệ chuyển gói tin (PDR) chỉ ra rằng dữ liệu được truyền qua
mạng hiệu quả như thế nào. Đó là tỉ lệ của tổng các gói tin nhận được thành công trên mỗi một đơn vị thời gian hay tỉ lệ chuyển gói thành công được tính như sau:
𝑃𝐷𝑅 = ∑ 𝑃𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑅𝑒𝑐𝑣 𝑇𝑖𝑚𝑒
Tỉ lệ chuyển giao gói tin của giao thức EEARQ là lớn hơn EARQ. Điều này là do tỉ lệ tin cậy tăng lên khi các nút có năng lượng cao được chọn như công suất truyền tỉ lệ thuận với năng lượng của nút đó (hình 3.13)
Tỉ lệ mất gói tin: tổng loss xảy ra trong mạng được xác định bởi tỉ lệ mất gói (PLR) hình 3.14. Đó là tỉ lệ tổng các gói mất trên tổng các gói tin được gửi. Ở đây nó được tính toán theo công thức:
𝑃𝐿𝑅 = ∑ 𝑃𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝐿𝑜𝑠𝑠 𝑇𝑖𝑚𝑒
Gói tin mất gói xảy ra trong EARQ là giảm một chút do sự gia tăng độ tin cậy.
Hình 3.15: Phân tích trễ của EARQ và EEARQ Trễ: Tổng trễ xảy ra trong mạng trong quá trình truyền thông
Delay = ∑ 𝑆𝑒𝑛𝑡 𝑇𝑖𝑚𝑒 − 𝑅𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑑 𝑇𝑖𝑚𝑒
Trễ giảm 3ms do định tuyến hiệu quả năng lượng trong EEARQ khi xem xét với EARQ.
Năng lượng: Phân tích năng lượng được thực hiện bằng cách giám sát tỉ lệ mà tại đó
năng lượng còn lại thay đổi theo thời gian. Hình 3.16 cho thấy đồ thị năng lượng còn lại của EEARQ là cao hơn so với EARQ vì bao gồm thông số chi phí năng lượng thực tế.
3.7. Kết luận
Qua chương này chúng ta đã hiểu được chi tiết cách thức hoạt động của giao thức EARQ. EARQ là một giao thức định tuyến chủ động nhằm duy trì một bảng định tuyến liên tục. EARQ xây dựng và duy trì một bảng định tuyến với các thông tin từ các nút hàng xóm. Một thông điệp beacon dùng để trao đổi thông tin liên quan giữa các nút hàng xóm. Với thuật toán định tuyến dựa trên bộ ba giá trị (C R T), một thông điệp beacon bao gồm các thông tin về giá năng lượng 𝐶𝑖, trễ truyền 𝑇𝑖, và độ tin cậy 𝑅𝑖. Các gói tin gửi đi từ nguồn đến đích được thiết lập con đường với xác xuất gửi thành công cao, kịp thời nhưng vẫn đảm bảo tiết kiệm năng lượng (mặc dù có thể chưa phải là tối ưu nhất). Chi phí năng lượng phụ thuộc vào năng lượng còn lại của nút hàng xóm và khoảng cách giữa hai nút, độ tin cậy phụ thuộc vào độ mạnh đường liên kết giữa hai nút. Khi một nút muốn gửi một gói tin tới sink nó sẽ chọn lại trong bảng định tuyến những nút có thể đáp ứng thời hạn deadline. Thời gian deadline được chọn để đáp ứng thông tin thời gian thực, nó phụ thuộc vào số hop trung bình tới sink và thời gian trung bình của thông tin đơn chặng. Sau đó nó chọn nút tiếp theo bởi xác suất về chi phí năng lượng những đường tiêu tốn ít năng lượng sẽ được chọn. Nếu nút được chọn không đạt yêu cầu cần thiết nó sẽ chọn thêm nút tiếp theo để chuyển gói tin. Do vậy giao thức định tuyến EARQ đáp ứng được yêu cầu cao về tiết kiệm năng lượng, độ trễ và độ tin cậy. Nó hiệu quả hơn các giao thức như SPEED, MMSPEED, EQoS, EAR-RT. Do đó EARQ có thể dùng ứng dụng trong các nhà máy để cải thiện hiệu suất quá trình điều khiển tự động hay đánh giá tình trạng hỏng hóc/lên kế hoạch bảo trì thiết bị máy móc công nghiệp một cách kịp thời chính xác, qua đó giúp tiết kiệm chi phí vận hành và giảm thiểu các rủi ro do lỗi thiết bị
Giao thức EEARQ được thiết kế để nâng cấp cho EARQ vì chi phí năng lượng truyền 𝐸𝑖𝑗 được tính trong giao thức EARQ không phải lúc nào cũng đúng. Do chỉ xét năng lượng còn lại và khoảng cách giữa hai nút. Giao thức EEARQ xem xét thêm chi phí tiêu hao năng lượng thực tế và không sử dụng đường dư thừa để truyền dữ liệu nên tăng hiệu suất của mạng. Thông qua mô phỏng ta cũng thấy được EEARQ tốt hơn EARQ về tỉ lệ chuyển gói tin, tỉ lệ mất gói, trễ, và năng lượng.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Với những nỗ lực thật sự, trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn em đã đạt được một số kết quả cụ thể. Đầu tiên em đã nghiên cứu được cấu trúc mô hình và cách thức hoạt động của mạng cảm biến không dây WSN, đưa ra cái nhìn cơ bản nhất về một mạng cảm biến không dây và ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, y tế, giao thông, giáo dục. Tiếp đến em đã tìm hiểu và giới thiệu một số giao thức định tuyến tin cậy trong mạng, đi kèm đó là các đánh giá dựa trên phương thức hoạt động đối với từng giao thức. Cuối cùng, em đi sâu phân tích đánh giá dựa trên lý thuyết và mô phỏng hiệu quả hoạt động của giao thức định tuyến EARQ và giao thức cải tiến EEARQ. Trong đó, có nêu bật được tầm quan trọng của giao thức định tuyến tin cậy trong mạng cảm biến không dây để từ đó chỉ ra cho thấy giải quyết vấn đề về năng lượng là yếu tố then chốt đối với một mạng cảm biến.
Về định hướng trong tương lai, do thời gian thực hiện có hạn nên trong luận văn này em trình bày còn nhiều hạn chế và thiếu sót như chưa đưa được mô hình vào thực tế mà mới chỉ tính toán dựa trên lý thuyết, kết quả thu được từ các bài báo. Dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo của em sẽ đi sâu vào mạng WSNs và xây dựng một mô hình EARQ với các thiết bị trong thực tế, thực hiện các tác vụ đơn giản với mô hình, sau đó thu thập số liệu tính toán và phân tích để có cái nhìn đánh giá khách quan và chính xác nhất với giao thức. Sau đó đưa ra được giải pháp cải tiến hơn nữa về năng lượng cho giao thức.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Thị Ngọc Lan – Bộ môn kỹ thuật thông tin – Viện Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. Mahapatra, K. Anand, and D. P. Agrawal, “QoS and energy aware routing for real- time traffic in wireless sensor networks,” Comput.Commun., vol. 29, no. 4, pp. 437–445, 2006.
[2] A. Woo, and D. Culler, “A Transmission Control Scheme for Media Access in Sensor Networks,” Proc. ACM MobiCom ’01, Rome, Italy, July 2001, pp.221–35.
[3] Bulusu et al., “Scalable Coordination for Wireless Sensor Networks: Self- Configuring Localization Systems,” ISCTA 2001, Ambleside, U.K., July 2001.
[4] C. Shen, C. Srisathapornphat, and C. Jaikaeo, “Sensor Information Networking Architecture and Applications,” IEEE Pers. Commun., Aug. 2001, pp. 52–59
[5] E. Felemban, C.-G. Lee, and E. Ekici, “MMSPEED: Multipath multispeed protocol for QoS guarantee of reliability and timeliness in wireless sensor networks,” IEEE Trans. Mobile Comput., vol. 5, no. 6, pp. 738–754, Jun. 2006.
[6] E. Shih et al., “Physical Layer Driven Protocol and Algorithm Design for Energy- Efficient Wireless Sensor Networks,” Proc. ACM MobiCom ’01, Rome, Italy, July 2001, pp. 272–86.
[7] F. Stann and J. Heidemann. RMST: reliable data transport in sensor networks. In Proceedings of the 1st IEEE International Workshop on SensorNetwork Protocols and Applications, pp. 102–112, Anchorage, AK, USA, May 2003.
[8] G. Hoblos, M. Staroswiecki, and A. Aitouche, “Optimal Design of Fault Tolerant Sensor Networks,” IEEE Int’l. Conf.Cont. Apps., Anchorage, AK, Sept. 2000, pp.467–72. [9] J. Heo, S. Yi, G. Park, Y. Cho, and J. Hong, “EAR-RT: Energy aware routing with real- time guarantee for wireless sensor networks,” in Lecture Notes in Computer Science. New York: Springer, 2006, vol. 3994, pp. 946–953.
[10] Junyoung Heo, Jiman Hong, and Yookun Cho, Member, IEEE, “EARQ: Energy Aware Routing for Real-Time and Reliable Communication in Wireless Industrial Sensor Networks, IEEE transaction on industrial informatics, vol.5.1, February 2009.
[11] K. Pavai and D. Sridharan Department of Electronics and Communication Engineering, Anna University, Chennai, India, “Enhanced EARQ Protocol for Reliable Routing in Wireless Sensor Networks”, August 05, 2014
[12] R. Gonzalez and M. Acosta, \Evaluating the impact of acknowledg- ment strategies on message delivery rate in wireless sensor networks," in IEEE Latin-American Conference on Communications (LATINCOM), Bogota, Colombia, pp. 1 {6, 15-17 September 2010.
[13] S. Floyd, V. Jacobson, C. Liu, S. Macanne, and L. Zhang. A reliable multicast framework for lightweight sessions and application level framing.IEEE/ACM Transactions on Networking, 5(6):784–803, December 1997.
[14] T. He, J. A. Stankovic, C. Lu, and T. Abdelzaher, “SPEED: A stateless protocol for real-time communication in sensor networks,” in Proc. Int.Conf. Distributed Computing Systems (ICDCS), 2003, pp. 46–55.
[15] V. C. Gungor, O. B. Akan, and I. F. Akyildiz.A real-time and reliable transport protocol for wireless sensor and actor networks.IEEE/ACMTransactions on Networking, 16(2):359–370, April 2008.