2.4.1. Ý tƣởng của kỹ thuật DE
Kỹ thuật DE là kỹ thuật ước lượng dựa trên phần mềm, nhưng không giống cách ước lượng dựa trên gói tin beacon như kỹ thuật ETX, kỹ thuật (DE) là kỹ thuật sử dụng trực tiếp số lần truyền đi truyền lại của gói tin dữ liệu để ước lượng tuyến tại phía gửi. Cửa sổ trung bình trượt đơn giản được áp dụng cho số lần truyền đi truyền lại của các lần truyền gói tin gần nhất để tính giá trị ETX.
2.4.2. Mô tả kỹ thuật DE
Kỹ thuật DE đã được thiết lập mặc định trên Contiki OS. Quá trình cập nhật ETX của kỹ thuật DE như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.5: Lưu đồ cập nhật EXT của kỹ thuật DE
Giá trị ETX của 1 tuyến được tính bằng trung bình theo thời gian số lần truyền lại để truyền 1 gói tin thành công giữa 2 nút.
Giá trị ETX cho mỗi nút hàng xóm được chứa trong bảng hàng xóm và được tính toán mỗi khi một gói tin dữ liệu được gửi tới hàng xóm. Khi bên gửi đóng gói ACK, số lần truyền đi cần thiết để truyền gói tin đi cũng được gửi tới bộ ước lượng tuyến.
Giá trị ETX tức thời của mỗi thời điểm được tính toán dựa trên số lần truyền lại các gói dữ liệu và được lưu vào trong các stack, lần lượt từ ngăn nhớ đầu tiên cho đến ngăn nhớ cuối cùng (ngăn nhớ thứ 8), lấy trung bình 8 giá trị đó sẽ được giá trị ETX của liên kết cần tìm trong một khoảng thời gian nhất định (có thể hiểu đơn giản là ETX được tính bằng trung bình số lần truyền của 8 gói tin truyền thành công gần nhất thời điểm đó) .
Các giá trị ETX này được cập nhật lần lượt khi có sự kiện nút gửi thành công một gói tin hoặc khi một gói tin timed out: Nếu nút gửi được 1 gói tin, giá trị ETX được thay thế bởi số lần truyền lại gói tin đó; nếu khi gói tin timed out (vượt quá số lần truyền lại), ETX được nhân lên gấp đôi. Quá trình thêm hàng xóm vào bảng hàng xóm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.6: Lưu đồ quá trình thêm hàng xóm của kỹ thuật DE
Tại một nút, nút hàng xóm được quản lý theo danh sách bảng hàng xóm, do đó, khi muốn cập nhật thêm một nút làm hàng xóm thì cần thêm nút đó vào trong bảng hàng xóm của nút. Nếu bảng hàng xóm còn trống, thêm ngay nút mới vào làm hàng xóm được. Nếu bảng hàng xóm đã đầy, phải tìm hàng xóm kém nhất trong bảng (là nút có rtmetric cao nhất trong số các hàng xóm) và so sánh, nếu rtmetric của hàng xóm kém nhất cao hơn rtmetric của nút mới cập nhật thì thêm nút mới đó vào thay thế hàng xóm kém nhất trong bảng hàng xóm. Quá trình cập nhật hàng xóm của bảng hàng xóm như sau:
Hình 2.7: Lưu đồ cập nhật hàng xóm của kỹ thuật DE
Khi một nút nhận được bản tin thông báo (annoucenment) của một nút khác tới, phải kiểm tra xem nút mới có trong bảng hàng xóm của mình không, nếu có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thì cập nhật rtmetric của nút hàng xóm này vào thay thế rtmetric cũ luôn, nhưng nếu không có trong bảng hàng xóm, thì phải kiểm tra xem có cập nhật thêm được nút mới vào bảng hàng xóm không:
Theo module thêm hàng xóm ở trên, khi thêm thành công hàng xóm vào bảng hàng xóm, giá trị rtmetric của nút mới được cập nhật vào bảng hàng xóm và khôi phục thời gian đếm về 0. Vì trong quản lý hàng xóm, nút sẽ quét bảng hàng xóm sau 1 phút và nút sẽ khôi phục các giá trị ước lượng tuyến về ban đầu nếu sau khoảng MAX_LE_AGE = 10 phút mà chất lượng tuyến đó không được cập nhật, cũng như loại bỏ hàng xóm khỏi bảng hàng xóm sau khoảng MAX_AGE = 60 phút nếu nút hàng xóm đó không được cập nhật thông tin gì.
2.4.3. Nhận xét kỹ thuật DE
Kỹ thuật DE yêu cầu bộ nhớ cài đặt nhỏ và sử dụng năng lượng hiệu quả, bởi vì không cần phải truyền thêm gói tin beacon, mà dựa vào số lần truyền đi truyền lại trực tiếp của gói tin để tính ETX.
2.5. Kỹ thuật Extend - DE ( Extend - Direct Estimate) 2.5.1. Ý tƣởng kỹ thuật E-DE 2.5.1. Ý tƣởng kỹ thuật E-DE
Việc sử dụng gói tin xác nhận thành công ACK đóng vai trò quan trọng để nâng cao độ tin cậy trong truyền thông không dây. Chính vì thế, cần sử dụng cùng một chính sách phối hợp ở lớp MAC đối với cả hai loại gói tin, đồng thời sử dụng cùng giá trị là số lần truyền lại tối đa cho gói tin ACK và gói dữ liệu. Do đó, kỹ thuật E-DE là kỹ thuật cải tiến từ kỹ thuật DE mà có kết hợp số lần truyền của gói ACK vào cùng với số lần truyền gói dữ liệu để ước lượng, đặt tên cho kỹ thuật mới là Extend-DE.
2.5.2. Mô tả kỹ thuật E-DE
Với ý tưởng trên thì kỹ thuật E-DE kế thừa các quá trình của kỹ thuật thuật DE, và chỉ bổ sung thêm việc tính giá trị EXT thêm số lần truyền gói tin ACK. Do đó, lưu đồ cập nhật ETX của kỹ thuật E-DE được minh họa như hình dưới đây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.8: Lưu đồ cập nhật ETX của kỹ thuật Extend - DE
-
-DE như hình 2.8.
Kỹ thuật E-DE quan tâm tới cả số lần truyền lại để truyền thành công gói tin ACK. Khi nút A gửi gói tin data cho nút B, nút A sẽ lưu lại số lần truyền để truyền gói tin này (ví dụ = x lần), và khi nút A nhận được gói tin ACK của nút B thông báo nhận thành công gói tin data trên, nút A sẽ lưu luôn số lần truyền của gói tin ACK (được đính kèm trong gói tin ACK), ví dụ = y lần. Khi đó nút A sẽ cập nhật giá trị ETX của tuyến bằng công thức: ETX = x + y (ETX của tuyến sẽ bằng số lần truyền để truyền thành công của cả gói tin data và gói ACK).
Giá trị ETX này sẽ được lưu trong trong các stack, lần lượt từ ngăn nhớ đầu tiên cho đến ngăn nhớ cuối cùng (ngăn nhớ thứ 8), lấy trung bình 8 giá trị đó sẽ được giá trị ETX của liên kết cần tìm trong một khoảng thời gian nhất định (cơ chế hoàn toàn giống với kỹ thuật DE).
Các giá trị ETX này được cập nhật lần lượt khi có sự kiện nút gửi thành công một gói tin hoặc khi một gói tin timed out: Nếu nút gửi được 1 gói tin, giá trị ETX được thay thế bởi số lần truyền lại gói tin đó; nếu khi gói tin timed out, ETX được nhân lên gấp đôi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.5.3. Nhận xét kỹ thuật E-DE
Bên cạnh, việc E-DE kế thừa những ưu như yêu cầu bộ nhớ nhỏ, sử dụng năng lượng hiệu quả. Tuy nhiên, cách tính ETX của kỹ thuật lại phụ thuộc nhiều vào lưu lượng dữ liệu của mạng, quan tâm đến số lần truyền ACK. Do đó, trong trường hợp lưu lượng mạng thấp, thì kỹ thuật E-DE cũng có nhược điểm là việc cập nhật không phù hợp và dẫn tới không chính xác.
2.6. Kỹ thuật 4B ( Four - Bit) 2.6.1. Ý tƣởng kỹ thuật 4B 2.6.1. Ý tƣởng kỹ thuật 4B
Kỹ thuật 4B đánh giá chất lượng liên kết dựa trên việc khai thác thông tin kênh truyền của lớp vật lý và tham số ETX để đưa những quyết định tối ưu cho việc xác định tuyến và định tuyến cho gói tin. Như vậy, kỹ thuật 4B là kỹ thuật kết hợp cả kỹ thuật ước lượng tuyến dựa trên phần cứng và kỹ thuật ước lượng tuyến dựa trên phần mềm.
Tức là, kỹ thuật 4B được xây dựng dựa trên việc khai thác thông tin của chất lượng kênh vô tuyến từ lớp vật lý, kết hợp với thông số ETX và thông tin từ lớp mạng để dự toán chất lượng đường đi tốt hơn cho việc định tuyến.
2.6.2. Mô tả kỹ thuật 4B
Kỹ thuật 4B là kỹ thuật kết hợp hai loại ước lượng dựa trên phần cứng và phần mềm, đồng thời cũng ước lượng dựa trên cả gói gin beacon và gói tin dữ liệu, nên khi triển khai kỹ thuật trên Contiki OS sẽ có nhiều module của kỹ thuật khác biệt với các kỹ thuật đã trình bày ở trên. Quá trình quản lý hàng xóm của 4B như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.9: Lưu đồ quá trình quản lý hàng xóm của 4B
Như vậy, khi nhận được một gói tin beacon hay gói tin dữ liệu từ một nút hàng xóm,các nút mạng kiểm tra thông tin trong bảng hàng xóm của nó còn trống hay không, nếu có, nó sẽ tự động thêm vào bảng nếu nút mạng này chưa từng tồn tại trong bảng. Ngược lại, nếu như bảng hàng xóm đã đầy, nút mạng này cũng chưa từng tồn tại trong bảng, nó sẽ quyết định việc add thêm vào bảng như sau:
• Bảng sẽ quét một lượt các nút hàng xóm có chất lượng liên kết xấu nhất, có giá trị ETX cao nhất hoặc giá trị ETX bị vượt qua một ngưỡng nào đấy mà kỹ thuật đã quy định.
• Nếu như không có nút hàng xóm nào thỏa mãn yêu cầu, bit white sẽ được sử dụng đến để quyết định có thêm nút đó vào bảng hay không, nếu bit white không được thiết lập, chất lượng của môi trường truyền kém, nút này sẽ không được xem xét để thêm vào bảng.Ngược lại, nếu như bit white và bit compare của nút đó đều được thiết lập thì nó sẽ được lựa chọn để thêm vào bảng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Cuối cùng, một nút mạng đã được lựa chọn để thêm vào bảng, kỹ thuật loại bỏ ngẫu nhiên một liên kết nào đó trong bảng có giá trị Bit Pin chưa được thiết lập và liên kết được lựa chọn kia được thêm vào. Quá trình update ETX
Hình 2.10: Lưu đồ quá trình cập nhật ETX của kỹ thuật 4B
Để tính toán một cách chính xác, hiệu quả và kịp thời chất lượng các liên kết, các bộ ước lượng kết hợp thông tin từ 4 bít của ba lớp mạng nêu trên với những gói tin beacon được phát đi định kì và những gói tin data nhận được.
Khoảng gửi beacon = BEACON_INTERVAL = 6 * CLOCK_SECOND
Nếu như một nút X nhận được các beacon từ nút Y, nó có thể tính toán được tỉ lệ nhận thành công các gói tin (PRR) từ nút Y tới nút X dựa trên số beacon nhận được (br) và số beacon bị mất (bf) :
PRRlast = (2.5)
Cửa sổ để tính dựa theo beacon là theo số gói tin nhận được: BPW = 4 Việc cập nhật giá trị PRR này dựa trên quy tắc cửa sổ trung bình động theo hàm mũ –EWMA (Exponentially Weighted Moving Average) như sau:
PRR new = α*PRRold + (1- α)*PRRlast (2.6)
Trong đó, trọng số α là một trọng số bất kì có giá trị nằm giữa 0 và 1. Tùy thuộc vào mục đích cập nhật dựa trên những giá trị mới hay phụ thuộc nhiều vào giá trị cũ mà α tiến gần về 0 hay 1. Ở đây chọn α = 0,9.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ETX tính theo beacon của tuyến A-B được tính như sau:
ETXb (2.7)
Mỗi khi nút X nhận được một ACK trả về của gói dữ liệu mà X gửi tới Y, nó sẽ đếm số gói tin đã được xác định tiếp nhận thành công từ nút Y. Cửa sổ để tính dựa theo dữ liệu là theo số gói tin nhận được : DPW = 4
Do đó, giá trị dữ liệu (unicast) ETX có thể được tính nhưsau :
ETXu (2.8)
Trong đó:
Dse là tổng số gói tin data được gửi từ nút X tới nút Y.
Dsu là số gói tin đã nhận được ACK trả về từ nút Y tới nút X (là số gói tin gửi thành công)
Nếu Dsu= 0 thì ETXU = Dse: tất cả các gói tin gửi bị lỗi kể từ gói tin truyền được thành công cuối cùng.
Nếu như một gói tin không được xác định tiếp nhận thành công có nghĩa là nó bị mất hoặc ACK trả về của nó (từ nút Y) đã bị mất.
Do đó, ETXU được coi là ước lượng tuyến 2 chiều.
Sau cùng, hai giá trị ETX này (beacon ETX và data- unicast ETX) đều được kết hợp ở cửa sổ trung bình động theo hàm mũ thứ 2:
ETXnew = α *ETXold + (1- α)*ETXlast (2.9)
Theo cách đó, sẽ thu được giá trị kết hợp (hybrid) ETX của liên kết cần tìm.
2.6.3. Nhận xét kỹ thuật 4B
Khác với những phương pháp ước lượng trước đây, chỉ đơn thuần dựa trên beacon ETX, thì bộ ước lượng của kỹ thuật 4B ít thay đổi và duy trì một ước lượng hai chiều sử dụng các gói tin data. Do bit ACK vốn đã cho phép tính toán thuộc tính của một liên kết dựa trên cả hai chiều nên kỹ thuật hoàn toàn có thể cho phép chỉ sử dụng những gói tin beacon đến như một giá trị khởi đầu cho phẩm chất các liên kết và được định lượng lại kĩ hơn trong quá trình ước lượng dựa trên dữ liệu sau này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.7. Kỹ thuật kết hợp DE-LQI 2.7.1. Mô tả bài toán 2.7.1. Mô tả bài toán
Trong truyền thông không dây, đặc biệt trong truyền thông không dây của mạng cảm biến không dây với năng lượng thấp thì việc nâng cao hiệu năng truyền thông, hay chủ đề ước lượng chất lượng tuyến luôn là chủ đề khoa học rất được quan tâm nghiên cứu.
Với kỹ thuật DE, kỹ thuật ETX và kỹ thuật E-DE xác định chất lượng tuyến dựa trên việc sử dụng trực tiếp số lần truyền đi truyền lại của gói tin dữ liệu để ước lượng tuyến. Với cách tính này, thì khi tính ETX của chúng sẽ phụ thuộc nhiều vào lưu lượng của mạng. Tức là, sự thay đổi về lưu lượng mạng sẽ thay đổi đến độ chính xác xác định chất lượng tuyến của kỹ thuật DE, ETX và kỹ thuật E-DE.
Với những kỹ thuật xác định chất lượng tuyến dựa trên phần cứng như kỹ thuật LQI thì việc xác định tuyến dựa trên những thông số của bộ thu phát trong quá trình truyền tin. Nên độ chính xác của chất lượng tuyến sẽ phụ thuộc vào độ chính xác của chính thiết bị thu hoặc phát này. Bên cạnh đó, việc tính toán chất lượng tuyến chỉ có thể thực hiện khi nhận được gói tin, kỹ thuật ước lượng loại này không thể tận dụng được thông tin từ việc mất gói và thậm chí khi có nhiều gói tin bị mất trên tuyến, kỹ thuật ước lượng loại này không còn chính xác.
Chính vì vậy, việc kết hợp kỹ thuật ước lượng tuyến dựa trên phần cứng và kỹ thuật dựa trên phần mềm đã được đề xuất và phát triển. Xuất phát từ hướng nghiên cứu đó, trong phạm vi luận văn này, tôi nghiên cứu và cài đặt kỹ thuật kết hợp giữa kỹ thuật DE với kỹ thuật LQI. Với kết quả cài đặt của mình, tôi thực hiện việc so sánh và đánh giá hiệu năng ba kỹ thuật này trong một số điều kiện mạng cảm biến không dây khác nhau.
2.7.2. Ý tƣởng kỹ thuật
Kỹ thuật kết hợp sẽ được cài đặt trong giao thức thu thập contiki tương tự như cài đặt trong TinyOS. Ước lượng liên kết kết hợp cũng có thể được cài đặt trong contiki là một ước lượng liên kết lai: Nếu như chỉ sử dụng các thông số cuả phần mềm để tổng hợp rồi đưa ra chất lượng tuyến truyền như kỹ thuật DE
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thì chưa được chính xác, còn nếu chỉ dùng kỹ thuật LQI là kỹ thuật chỉ dựa vào các thông tin thu thập đựơc từ phần cứng để tổng hợp thông tin rồi đưa ra chất lượng tuyến truyền thì cũng không được chính xác. Vậy kỹ thuật kết hợp chỉ khác kỹ thuật DE và LQI ở chỗ là nó dùng cả thông số thu thập đựơc từ phần cứng kết hợp, với các thông số thu thập được từ phần mềm rồi tổng hợp các thông số đó mới có kết luận về chất lượng của ước lượng tuyến.
2.7.3. Mô tả kỹ thuật
Kỹ thuật kết hợp LQI- DE khác hai kỹ thuật 4B và LQI ở lưu đồ cập nhật ETX. Tức là các quá trình thêm, cập nhật hàng xóm vẫn giống DE và LQI . Ban