Giao thức định tuyến RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) được đề xuất cho mạng tổn hao cơng suất thấp nói chung và cảm biến khơng dây nói riêng. Giao thức RPL xây dựng một cấu trúc liên kết mạng bền vững qua các liên kết tổn hao công suất thấp (như các liên kết theo chuẩn IEEE 802.15.4). Giao thức RPL hiện tại sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX [8] (Expected Transmission) để lựa chọn tuyến đường tối ưu trong mạng. Hình 3.5 minh họa mơ hình cấu trúc thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki.
RPL là một giao thức vectơ khoảng cách. Giao thức này xây dựng cấu trúc mạng gồm một/nhiều đồ thị khơng có chu trình được định hướng tới một/nhiều đích đến - DODAG (Destination Oriented Direct Acyclic Graph) [7]. RPL định nghĩa ba loại bản tin ICMPv6 mới được gọi là bản tin DIO (DODAG Information Object), bản tin DAO (Destination Advertisement Object) và bản tin DIS (DODAG Information Solicitation). DIO là bản tin mang thông tin về DODAG, được gửi từ các nút cha đến các nút con và được
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn sử dụng để xây dựng DODAG. DIS chỉ thực hiện nhiệm vụ quảng bá sự xuất hiện của một nút và yêu cầu các nút khác phản hồi bằng các bản tin DIO.
Quá trình xây dựng DODAG được minh họa ở hình 3.6. Thước đo định tuyến là chất lượng liên kết ETX. Hàm mục tiêu là xác định tuyến đường có ETX nhỏ nhất và Rank được tính dựa trên số bước nhảy.
Bước 1: Nút gốc bắt đầu gửi multicast các bản tin DIO trên liên kết cục
bộ. Một trong số các nút nhận được bản tin DIO cũng có thể quyết định gửi bản tin DIS. Trong trường hợp đó, nút gốc cũng ngay lập tức gửi lại một bản tin DIO.
Bước 2: Nút 11, 12 và 13 nhận bản tin DIO. Sau quá trình xử lý bản tin
DIO, nút 11, 12 và 13 lựa chọn LBR là nút Parent của chúng. Sau đó, nút 11, 12 và 13 tính tốn Rank mới của chúng dựa trên số bước nhảy và giá trị ETX của tuyến đường cũng được tính tốn. Nút 11 cũng lựa chọn nút 12 là Sibling và ngược lại (có cùng Rank).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.6: Ví dụ về việc hình thành DODAG.
Bước 3: Minh họa kết quả DODAG sau một số lần lặp lại quá trình
tương tự như vậy. Lưu ý rằng liên kết 22-11 đã được loại bớt khỏi DODAG bởi vì nút 12 là Parent tốt hơn khi được xem xét theo hàm mục tiêu (ETX của tuyến đường nhỏ nhất). Nút 23 cũng lựa chọn hai nút Parent có cùng chi phí tuyến đường (ETX = 3.3).
3.3.2. Các giả thiết cho bài tốn mơ phỏng
Tác giả mô phỏng đánh giá các giao thức tiết kiệm năng lượng lớp MAC cho mạng cảm biến không dây với các giả thiết sau:
Các nút mạng không đồng nhất và trong mạng có hai loại nút đó là các nút cảm biến và các nút gốc. Các nút cảm biến sử dụng nguồn năng lượng bằng pin và có khả năng xử lý cũng như có bộ nhớ hạn chế. Các nút gốc có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn nguồn năng lượng, khả năng lưu trữ và tính toán tốt hơn các nút cảm biến. Các nút này đóng vai trị là các nút chủ cụm để chuyển tiếp lưu lượng từ các nút cảm biến đến điểm thu thập.
Các nút cảm biến đọc và gửi dữ liệu về các nút gốc bằng kỹ thuật truyền đa chặng thông qua các nút cảm biến trung gian khác. Các nút gốc có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi trực tiếp dữ liệu về điểm thu thập.
Trong suốt tồn bộ q trình hoạt động của mạng, các nút truyền cùng một mức cơng suất khơng đổi. Khơng có sự tập hợp dữ liệu nào được thực hiện trong mạng. Tất cả các dữ liệu thu thập bởi các nút gốc đều được gửi tới điểm thu thập.
Mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng được phân bố trên một vùng triển khai được xem là phẳng (mạng 2D).
Mạng được chia thành nhiều cụm nhỏ khác nhau.
Các nút cảm biến phát sóng đẳng hướng. Các liên kết được giả thiết là đối xứng. Trong thực tế, các nút cảm biến có thể được trang bị loại anten đẳng hướng.
Các nút cảm biến là cố định. Mạng được xem là tĩnh.
Hình 3.7 minh họa mơ hình cấu trúc liên kết mạng được tác giả xét đến trong luận văn. Mạng được chia thành nhiều cụm nhỏ khác nhau. Do các cụm là giống nhau nên tác giả chỉ mô phỏng đánh giá các giao thức tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC trong một cụm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
…...
Điểm thu thập
Nút gốc 1 Nút gốc n
Hình 3.7: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong bài tốn mơ phỏng.
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 mô 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 (ngồi nút gốc)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông 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 công 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 Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Ir, tr: Là dịng tiêu thụ và thời gian bộ thu phát vơ 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 thông, 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 thơng số kỹ thuật về dịng 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 dịng 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 công suất phát là 0dBm.
Thành phần Trạng thái Dịng tiêu thụ
MSP430 F1611 Tích cực 1,95 mA
Công 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 thông vô 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 toàn 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, cơng 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 q 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 mô 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 công bản tin dữ liệu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng 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 không 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 mơ 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