3.3.3. Kịch bản đánh giá
Với các giả thiết đã được đặt ra trong mục 3.3.2 của luận văn, một mơ hình cụm gồm các nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên trong mặt phẳng có kích thước 100m x 100m. Các nút mạng định kỳ gửi bản tin dữ liệu về nút gốc được đặt tại trung tâm của cụm. Hình 3.8 minh họa một mơ hình cụm gồm 35 nút mạng với nút gốc là nút số 35.
Các tham số được sử dụng trong suốt thời gian đánh giá mơ phỏng được tóm tắt ở bảng 3.1. Mơ hình truyền thơng vơ tuyến được sử dụng trong mơ phỏng là mơ hình truyền thơng UDI, trong đó phạm vi truyền thơng hiệu quả là 30m và phạm vi ảnh hưởng của nhiễu là 50m. Giao thức lớp mạng được sử dụng trong kịch bản mơ phỏng là giao thức RPL.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.8: Mơ hình mơ phỏng một cụm gồm 35 nút.
Bảng 3.1: Kịch bản đánh giá mô phỏng.
Các tham số Giá trị
Mơ hình truyền thơng vơ tuyến UDI (mục 3.2.3)
Số nút mạng (nút) 25, 30, 35, 40, 45
Kích thước mạng (m x m) 100 x 100
Công suất phát (dBm) 0
Giao thức lớp mạng RPL
Phạm vi phủ sóng của nút (m)
Phạm vi truyền hiệu quả: 30 Phạm vi ảnh hưởng của nhiễu:
50 Chu kỳ gửi bản tin dữ liệu (giây) 60
Nguồn gửi bản tin dữ liệu Tất cả các nút trong mạng (ngoài nút gốc)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3.4. Các thước đo đánh giá hiệu năng
Tác giả đánh giá và so sánh hiệu năng giữa giao thức ContikiMAC và giao thức XMAC thông qua một số thước đo đánh giá như: Số lần truyền kỳ vọng ETX, năng lượng tiêu thụ trung bình, tỷ lệ chuyển phát thành cơng bản tin dữ liệu.
Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR (Data Delivery Ratio) được xác định bằng tỷ số giữa số bản tin dữ liệu nhận được tại nút gốc và tổng số bản tin dữ liệu được gửi đi bởi tất cả các nút trong mạng.
(%) .100% data received N N DDR (3.3)
Trong đó: Nreceived là tổng số bản tin dữ liệu nhận được tại nút gốc; Ndata là tổng số bản tin dữ liệu được gửi bởi tất cả các nút trong mạng. Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR càng cao thì hiệu quả truyền thơng trong mạng càng tốt.
Năng lượng tiêu thụ trung bình: Để ước lượng được năng lượng tiêu thụ của một nút mạng cảm biến, tác giả sử dụng cơ chế ước lượng năng lượng dựa trên phần mềm sử dụng mơ hình tiêu thụ năng lượng tuyến tính. Tổng năng lượng E được tính tốn như sau [3]:
i ci ci r r t t l l a at It It I t I t I U E ( ) (3.4) Trong đó:
- U: Là điện áp nguồn cung cấp (điện áp pin).
- Ia , ta: Là dòng tiêu thụ và thời gian mà bộ vi xử lý khi hoạt động ở
chế độ tích cực (active mode).
- Il , tl: Là dòng tiêu thụ và thời gian mà bộ vi xử lý khi hoạt động ở chế
độ công suất thấp (low power mode).
- It, tt: Là dòng tiêu thụ và thời gian bộ thu phát vô tuyến ở chế độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Ir, tr: Là dòng tiêu thụ và thời gian bộ thu phát vô tuyến ở chế độ nhận (receive).
- Ici, tci: Là dòng tiêu thụ và thời gian hoạt động của các bộ phận khác
như cảm biến, LED...
Để tiết kiệm năng lượng, các nút cảm biến thường xuyên bật hoặc tắt các thiết bị của chúng (ví dụ như thiết bị truyền thơng, các cảm biến, các LED) hoặc chuyển đổi qua lại giữa chế độ tích cực và chế độ cơng suất thấp (ví dụ với bộ vi điều khiển). Cơ chế ước lượng năng lượng sử dụng mơ hình tuyến tính sẽ được gọi đến mỗi khi một thiết bị phần cứng bật hoặc tắt hoặc chuyển chế độ. Khi một thiết bị phần cứng được bật thì mơ đun ước lượng năng lượng sẽ lưu một dấu thời gian. Khi thiết bị phần cứng này được tắt thì sự sai khác về thời gian giữa hai thời điểm sẽ được tính tốn và được cộng vào tổng thời gian bật của thiết bị. Sau đó, mơ đun ước lượng năng lượng tiêu thụ sử dụng thông số kỹ thuật về dòng tiêu thụ của từng thiết bị để tính tốn được tổng năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến.
Trong luận văn này, tác giả quan tâm đến năng lượng tiêu thụ của bộ thu phát vô tuyến và bộ vi điều khiển. Bảng 3.2 trình bày mơ hình năng lượng của phần cứng Tmote Sky [10]. Trong đó, các số liệu về dòng tiêu thụ được lấy từ các tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất linh kiện.
Bảng 3.2: Mơ hình năng lượng của Tmote Sky tại cơng suất phát là 0dBm.
Thành phần Trạng thái Dòng tiêu thụ
MSP430 F1611 Tích cực 1,95 mA
Cơng suất thấp 0,0026 mA CC2420 Truyền (0 dBm) 17,4 mA
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Số lần thay đổi nút cha trung bình (Churn) được xác định dựa trên sự thống kê số lần thay đổi nút cha đối với từng nút mạng. Các mạng cảm biến không dây hoạt động trên các liên kết vơ tuyến có tổn hao. Các liên kết vơ tuyến thường có chất lượng khơng ổn định và thay đổi thường xuyên theo thời gian. Vì vậy, cấu trúc liên kết mạng cũng cần phải có sự thay đổi để thích ứng với mơi trường truyền thơng vơ tuyến. Để đánh giá sự thay đổi thích ứng này, tác giả dựa vào số liệu thống kê về số lần thay đổi nút cha trung bình trong tồn mạng.
Số bước nhảy trung bình trong mạng: Xác định số bước nhảy trung bình dọc theo tuyến đường đến nút đích. Số bước nhảy là yếu tố ảnh hưởng đến độ trễ truyền gói tin trong mạng.
3.5. Kết quả đánh giá
Để so sánh được hiệu quả của các giao thức tiết kiệm năng lượng lớp MAC, ta dựa vào các số liệu thu được từ mô phỏng về tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu, công suất tiêu thụ trung bình, số lần thay đổi nút cha trung bình và số bước nhảy trung bình trong mạng. Số liệu kết quả của quá trình mơ phỏng được trích xuất, vẽ biểu đồ và phân tích. Hình 3.9, 3.10, 3.11, 3.12 là các kết quả mơ phỏng so sánh hiệu năng khi mạng hoạt động theo giao thức ContikiMAC và XMAC.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát thành cơng bản tin dữ liệu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.11: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình.
Hình 3.12: So sánh số bước nhảy trung bình.
3.6. Phân tích và đưa ra khuyến nghị
Kết quả mơ phỏng ở hình 3.9 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức ContikiMAC đạt được hiệu quả về tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu cao hơn so với mạng hoạt động theo giao thức XMAC. Khi mật độ các nút trong mạng tăng lên thì giao thức XMAC cho thấy sự suy giảm nhiều về tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu (từ 92,3% về 78,3%). Giao thức XMAC sử dụng chuỗi các bản tin báo hiệu để đồng bộ thời gian truyền nhận
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn giữa nút gửi và nút nhận. Vì vậy, khi mật độ các nút trong mạng tăng lên thì số lượng các bản tin báo hiệu được truyền và nhận trong mạng cũng tăng lên. Điều này làm tăng xung đột và mất mát bản tin dữ liệu trong mạng. Khi mật độ các nút trong mạng tăng lên thì hiệu quả về tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu trong mạng đối với giao thức ContikiMAC suy giảm khơng đáng kể (từ 100% về 99,2%).
Hình 3.10 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức ContikiMAC đạt được hiệu quả về năng lượng tốt hơn so với giao thức XMAC. So với giao thức XMAC, giao thức ContikiMAC không làm phát sinh thêm về năng lượng tiêu thụ do không phải gửi các bản tin báo hiệu gửi.
Khi so sánh về độ ổn định mạng (hình 3.11) thì chúng ta thấy mạng hoạt động theo giao thức ContikiMAC đạt được sự ổn định cấu trúc mạng tốt hơn so với giao thức XMAC. Kết quả mô phỏng cho thấy, số lần thay đổi nút cha trung bình trong tồn mạng đối với giao thức ContikiMAC khơng có sự thay đổi nhiều khi mật độ các nút mạng tăng lên. Tuy nhiên, đối với giao thức XMAC thì số lần thay đổi nút cha trung bình trong mạng tăng lên nhiều khi số lượng các nút trong mạng tăng lên. Khi số lượng các nút trong mạng tăng lên thì nhiễu và xung đột trong q trình truyền/nhận bản tin cũng tăng, do đó làm giảm tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu và các nút mạng có xu hướng cập nhật lại nút cha để tìm tuyến đường khác thay thế. Điều này làm cho cấu trúc liên kết mạng có nhiều thay đổi. Hình 3.11 cũng cho thấy với mạng có mật độ thấp thì cấu trúc liên kết mạng ít thay đổi khi mạng hoạt động theo cả giao thức XMAC và ContikiMAC.
Hình 3.12 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức XMAC có số bước nhảy trung bình thấp hơn so với mạng hoạt động theo giao thức ContikiMAC. Như vậy, số lần bản tin phải chuyển tiếp khi mạng hoạt động theo giao thức XMAC thấp hơn so với giao thức ContikiMAC.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Kết luận: Các kết quả mô phỏng cho thấy mạng hoạt động theo giao thức ContikiMAC đạt được hiệu quả tốt hơn so với giao thức XMAC về năng lượng tiêu thụ, tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu và về cả độ ổn định mạng. So với giao thức XMAC thì giao thức ContikiMAC được thiết kế đơn giản, dễ thực thi hơn và không cần phải sử dụng các bản tin báo hiệu gửi cũng như các tiêu đề bổ sung.
3.7. Kết luận chương 3
Chương 3 đã trình bày khái qt việc mơ phỏng các giao thức lớp MAC trong hệ điều hành Contiki dựa trên công cụ mô phỏng Cooja, đồng thời trình bày kịch bản mơ phỏng, đánh giá các giao thức tiết kiệm năng lượng sử dụng trong lớp MAC.
Dựa trên công cụ mô phỏng Cooja, đã thể hiện kết quả đánh giá các giao thức tiêu thụ năng lượng trong lớp MAC, từ đó so sánh, đánh giá và đưa ra kết luận hợp lý trong việc lựa chọn giao thức tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Đây là một nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn thiết kế mạng cảm biến không dây, nhằm đạt được những hiệu quả tối ưu và tiết kiệm tối đa chi phí.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
KẾT LUẬN
Kết luận
Hiện nay, mạng cảm biến không dây đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Các nút mạng cảm biến không dây thường nhỏ gọn, hoạt động bằng pin nên vấn đề tiết kiệm năng lượng thường thu hút được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Trong luận văn này, tác giả đã giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến khơng dây, qua đó tập trung nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng, tính hiệu quả của các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC trong phạm vi mơ hình ứng dụng thu thập dữ liệu của mạng cảm biến không dây thông qua việc mô phỏng các giao thức lớp MAC trong hệ điều hành Contiki dựa trên công cụ mô phỏng Cooja. Dựa trên kết quả nghiên cứu, tiến hành đánh giá so sánh hiệu năng của các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC cho mạng cảm biến khơng dây, từ đó rút ra giải pháp thiết kế mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức tiết kiệm năng lượng tối ưu. Thông qua kết quả mô phỏng cho thấy giao thức ContikiMAC phù hợp với mạng cảm biến không dây trong việc tiết kiệm tối đa năng lượng.
Các vấn đề được nghiên cứu trong luận văn này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Thông qua các kết quả nghiên cứu này có thể ứng dụng trong việc thiết kế các mạng cảm biến không dây trong các hệ thống thu thập dữ liệu tự động.
Hướng phát triển
Dựa trên các kết quả đã nghiên cứu, tiếp tục triển khai nghiên cứu và đánh giá giao thức ContikiMAC trong điều kiện thực tế với các đồng hồ nước thông minh, các mạng cảm biến thăm dị trong mơi trường nước, các mạng cảm biến thăm dị trong lịng đất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Việt Bình, Vũ Chiến Thắng, Ngơ Thị Vinh, Phạm Quốc Thịnh:
“Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP”, Nhà xuất bản KHKT,
2012.
[2]. A. Dunkels, B. Gronvall, and T. Voigt, “Contiki - a lightweight and
flexible operating system for tiny networked sensors”, in Proc. EmNets,
2004.
[3]. Adam Dunkels, Fredrik Osterlind, Nicolas Tsiftes, Zhitao He,
“Software-based Online Energy Estimation for Sensor Nodes”,
Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors, 2007. [4]. Azzedine Boukerche, “Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Networks”, John Wiley & Sons Inc., ISBN: 9780470396360, 2008.
[5]. Fredrik Osterlind, Adam Dunkels, Joakim Eriksson, Niclas Finne, and Thiemo Voigt, “Cross-level sensor network simulation with cooja”,
In Proceedings of the First IEEE International Workshop on Practical Issues in Building Sensor Network Applications (SenseApp 2006), Tampa, Florida, USA, November 2006.
[6]. Jean-Philippe Vasseur, Adam Dunkels: “Interconnecting Smart
Object with IP: The Next Internet”, Morgan Kaufmann Publishers, 2010.
[7]. 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.
[8]. JP. Vasseur, M. Kim, K. Pister, N. Dejean, D. Barthel, “Routing Metrics Used for Path Calculation in Low-Power and Lossy Networks”,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn [9]. N. Tsiftes, J. Eriksson, and A. Dunkels, “Low-Power Wireless IPv6
Routing with ContikiRPL”, in Proceedings of the International Conference
on Information Processing in Sensor Networks (ACM/IEEE IPSN), Stockholm, Sweden, April 2010.
[10].https://insense.cs.st-andrews.ac.uk/files/2013/04/tmote-sky- datasheet.pdf