3.3.1. Yêu cầu thực hiện đánh giá kỹ thuật ƣớc lƣợng tuyến bằng mô phỏng trên hệ điều hành Contiki
Để đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật ước lượng tuyến cho mạng cảm biến, hệ điều hành Contiki cung cấp một chương trình mô phỏng Cooja. Quá trình mô phỏng phải được thực hiện trong một thời gian dài, mỗi kỹ thuật ước lượng cần được đo đạc nhiều lần với cùng giá trị các tham số và bố trí nút mạng giống nhau. Kết quả có được sau nhiều lần test sẽ được thống kê trung bình. Dựa vào kết quả đã được thống kê này mới đưa ra được những nhận xét, đánh giá cuối cùng. Dưới đây là một số yêu cầu cần thực hiện trước khi triển khai đánh giá hiệu năng của một số kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến.
Yêu cầu về phần mềm
Máy tính chạy mô phỏng phải cài đặt hệ điều hành Contiki. Hệ điều hành được thiết kế chuyên dụng cho các nút cảm biến hiện nay. Để cài đặt hệ điều hành Contiki chạy trên nền Window thì chúng ta cần một phần mềm chạy hệ điều hành ảo như Wmware. Hoặc chúng ta cũng có thể cài riêng 1 máy tính có hệ điều hành Linux.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Yêu cầu về phần cứng
Trong luận văn này, tôi nghiên cứu và triển khai trên nút cảm biến có nền tảng Zolertia. Đây là nền tảng mạng cảm biến không dây công suất thấp, đa năng, rất thuận lợi cho việc triển khai kỹ thuật và thí nghiệm phù hợp với mục tiêu nghiên cứu trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây.
3.3.2. Thiết lập thông số cho quá trình mô phỏng
Thiết lập tham số
Tham số Giá trị thiết lập
Collect COLLECT_PACKET_ID_BITS : 8 COLLECT_MAX_DEPTH (RTMETRIC_MAX) : 4095 SIGNIFICANT_RTMETRIC_PARENT_CHANGE : 1,5 * CLEU MAX_HOPLIM : 15 NUM_RECENT_PACKETS : 16 MAX_SENDING_QUEUE : 6
REXMIT_TIME : 6 sec (thời gian timeout để truyền lại nhỏ nhất tại lớp mạng)
FORWARD_PACKET_LIFETIME_BASE : 6 sec => forward_packet_lifetime =6sec *
packetbuf_attr(PACKETBUF_ATTR_MAX_REXMIT)=
khoảng thời gian lớn nhất mà một gói tin được lưu trong hàng đợi chuyển tiếp trước khi bị loại bỏ.
MAX_REXMITS : 31 (Giá trị lớn nhất của max_rexmit)
MAX_MAC_REXMITS : 2 (số lần truyền lại gói tin unicast của lớp dưới lớp CSMA-MAC trước khi chuyển lên lớp trên)
MAX_ACK_MAC_REXMITS : 2 (Số lần truyền lại gói tin ACK của lớp MAC)
PROACTIVE_PROBING_INTERVAL : Random * 1 min PROACTIVE_PROBING_REXMITS : 15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Collect- Neighbor
MAX_COLLECT_NEIGHBOR : 8
PERIODIC_INTERVAL: 1 min (bảng hàng xóm sẽ được quét sau khoảng này).
MAX_AGE: 60 min (thời gian tối đa của một nút trong bảng hàng xóm).
MAX_LE_AGE: 10 min (thời gian tối đa của một liên kết trong bảng hàng xóm). CONGESTION_PENALTY: 8 * CLEU EXPECTED_CONGESTION_DURATION : 4 min Collect- link- estimate
Define NETSTACK_CONF_NETWORK = rime_driver Dùng cơ chế collect_annoucement
COLLECT_LINK_ESTIMATE_UNIT : 8 INITIAL_LINK_ESTIMATE : 16
MAC NETSTACK_CONF_MAC : CSMA_driver
NETSTACK_CONF_RDC : XMAC_driver
NETSTACK_CONF_RDC_CHANEL_CHECK_RATE : 8 NETSTACK_CONF_FRAMER : framer_802154
PHY Tần số: 15để tránh xung đột với tần số của wifi (có thể chọn 26, 20)
NETSTACK_CONF_RADIO : cc2420_driver CC2420_CONF_AUTOACK : 1
WITH_SEND_CCA = 1
AUX_LEN= 4B (maximum: 2B checksum, 2B footer) TXPOWER: setting at setpower() in cc2420.c (core/dev) . Mức công suất phát TXPOWER = -10dBm :
(0x001f = 0 dBm, 0x001b = -1 dBm, 0x0017 = -3 dBm, 0x0013 = -5 dBm, 0x000f = -7 dBm, 0x000b= -10 dBm, 0x0007=-15 dBm, 0x0003= - 25 dBm)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Thiết lập topology trong kịch bản mô phỏng của mạng cảm biến không dây trên nền tảng Zolertia trong Contiki
Qua hình vẽ dưới đây, chúng ta thấy rằng, mạng cảm biến không dây gồm 10 nút Zolertia, trong đó nút 1 đóng vai trò là nút sink, khoảng cách và vị trí của các node được thiết lập như hình dưới đây, Với mỗi kịch bản mô phỏng ta sẽ đánh giá hai thông số quan trọng đó là: tỉ lệ truyền thành công các gói tin PDR (Packet Delive Ratio), chi phí gửi tin PDC (Packet Delive Cost).
Hình 3.2: Sơ đồ mô phỏng mạng cảm biến không dây trên nền tảng Zolertia bằng hệ điều hành Contiki
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.3: Màn hình mô phỏng trên hệ điều hành Contiki
3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng 3.4.1. Quá trình thu nhận kết quả 3.4.1. Quá trình thu nhận kết quả
Các kỹ thuật được mô phỏng với rất nhiều bộ tham số khác nhau để tìm ra bộ tham số cho kết quả tốt nhất. Kết quả của quá trình mô phỏng đã lấy ra được theo dạng file.txt. Từ file xuất ra, lọc ra được riêng các file nhỏ tương ứng theo từng thông số đánh giá. Các thông số đánh giá được xử lý bằng excel để tính được trung bình và độ lệch chuẩn theo từng thông số. Kết quả xử lý trải qua một quá trình thống kê cho ra kết quả đánh giá cuối cùng và được thể hiện dưới dạng biểu đồ.
Trong quá trình mô phỏng, tôi chỉ tập trung đánh giá 3 kỹ thuật là LQI, DE và kỹ thuật kết hợp LQI-DE. Bởi vì, Kỹ thuật 4b đại diện cho lớp các kỹ thuật tính ETX theo các thông số phần cứng thu nhận được còn DE đại diện cho lớp kỹ thuật tính ETX từ các thông số thu thập đựơc của phần mềm còn DE-LQI là kỹ thuật kết hợp
Bên cạnh đó, vì kỹ thuật LQI-DE kế thừa hai kỹ thuật LQI và kỹ thuật DE, nên không sử dụng bản tin beacon trong quá trình ước lượng tuyến, nên năng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
lượng tiêu hao của kỹ thuật này sẽ tương đương với 2 kỹ thuật mà nó kế thừa. Dưới đây, tôi sẽ thực hiện mô phỏng và đánh giá tham số PDR và PDC giữa ba kỹ thuật DE, LQI và LQI-DE với nhau.
- Dưới đây là kết quả tổng hợp bằng file excell thu được sau khi chạy mô phỏng:
3.4.2. Đánh giá kết quả mô phỏng
3.4.2.1 Tỷ lệ truyền thành công các gói tin – PDR
Hình 3.4: So sánh tỷ lệ truyền thành công gói tin giữa kỹ thuật DE, LQI và LQI-DE
Qua hình 3.4 , chúng ta thấy rằng:
. Trong trường hợp mạng cảm biến không dây có lưu lượng cao, tức là cứ 5s hay 10s, mỗi nút sẽ gửi một bản tin lên mạng, thì tỉ lệ truyền thành công gói
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
tin của kỹ thuật DE cao hơn so với kỹ thuật LQI. Trong khi đó, kỹ thuật kết hợp LQI - DE xấp xỉ với DE.
. Trong trường hợp mạng cảm biến không dây có lưu lượng không cao như là cứ 15s hay 20s, mỗi nút sẽ gửi 1 bản tin lên mạng, thì kỹ thuật DE có tỷ lệ truyền thành công gói tin thấp hơn so với hai kỹ thuật LQI và kỹ thuật kết hợp LQI - DE. Tuy nhiên, tỷ lệ truyền thành công gói tin trong trường hợp này cao hơn so với trường hợp mạng không dây có lưu lượng cao. . Trong trường hợp, lưu lượng mạng thấp, như là cứ 25s, 30s sẽ truyền 1 bản
tin, thì chúng ta thấy rằng tỷ lệ truyền thành công của kỹ thuật DE và kỹ thuật kết hợp DE-LQI thấp hơn kỹ thuật LQI.
Như vậy, trường hợp lưu lượng mạng lớn, số lượng bản tin truyền trong 1 đơn vị thời gian nhiều, thì kỹ thuật DE và kỹ thuật kết hợp DE-LQI tốt hơn so với kỹ thuật LQI. Ngược lại, kỹ thuật LQI tốt hơn so hai kỹ thuật còn lại.
3.4.2.2 Chi phí truyền gói tin - PDC
Hình 3.5: So sánh chi phí truyền gói tin giữa kỹ thuật DE, LQI và LQI-DE
Qua hình 3.5 , chúng ta thấy rằng:
. Trong trường hợp mạng cảm biến không dây có lưu lượng cao, tức là cứ 5s hay 10s, mỗi nút sẽ gửi một bản tin lên mạng, thì kỹ thuật chỉ dựa trên phần
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
cứng LQI có chi phí cao nhất và tiếp theo là kỹ thuật kết hợp LQI-DE. Kỹ thuật có chi phí truyền gói thấp nhất trong các trường hợp này là kỹ thuật DE.
. Trong trường hợp mạng cảm biến không dây có lưu lượng không cao như là cứ 15s hay 20s, mỗi nút sẽ gửi 1 bản tin lên mạng, thì kỹ thuật chỉ dựa vào thông số phần cứng LQI lại thấp nhất và kỹ thuật chỉ dựa vào các thông số phần mềm thì lại nhận kết quả chi phí truyền gói tin cao hơn một chút so với kỹ thuật kết hợp LQI-DE.
. Trong trường hợp, lưu lượng mạng thấp, như là cứ 25s, 30s sẽ truyền 1 bản tin, thì chi phí gửi gói tin của LQI thấp nhất, sau đó đến kỹ thuật kết hợp DE-LQI. Kỹ thuật DE có chi phí gửi gói tin cao nhất.
Như vậy, trường hợp lưu lượng mạng lớn, số lượng bản tin truyền trong 1 đơn vị thời gian nhiều, thì chi phí truyền gói tin của kỹ thuật DE và kỹ thuật kết hợp DE-LQI tốt hơn so với kỹ thuật LQI. Ngược lại, kỹ thuật LQI tốt hơn so hai kỹ thuật còn lại.
3.4.2.3. Đánh giá kết quả
Như chúng ta đã biết để đánh giá hiệu năng của những kỹ thuật ước lượng tuyến thì chúng ta dựa vào PDR và PDC bởi những giá trị này sẽ phản ánh được sự tiêu thụ năng lượng của mạng cảm biến không dây. Do đó, bên cạnh việc đánh giá riêng rẽ từng tham số PDR hoặc PDC cho mỗi kỹ thuật thì người ta cũng thực hiện việc đánh giá kết hợp giữa PDR và PDC. Từ đó, chúng ta có thể quá trình đánh giá hiệu năng của từng kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến rõ ràng và chính xác theo từng mốc thời gian và đưa ra phân tích và đánh giá để phục vụ cho nghiên cứu phát triển tiếp theo.
Với số liệu thống kê và được trình bày trên hình 3.6.1, hình 3.6.2 và các nhận xét ở trên, tác giả đưa ra đánh giá như sau:
. Lưu lượng mạng cảm biến không dây có ảnh hưởng đến cả hai tham số PDR và PDC của ba kỹ thuật LQI, DE và kỹ thuật kết hợp DE-LQI.
. Trong trường hợp lưu lượng mạng lớn (5s, 10s) ước lượng tuyến dựa trên phần cứng bao giờ cũng có hiệu năng thấp hơn hai kỹ thuật là DE và DE-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
LQI. Còn nếu ước lượng chất lượng tuyến dựa trên các thông số của phần mềm như kỹ thuật DE thì kết quả nhận được lại luôn tốt hơn hai kỹ thuật LQIvà DE-LQI. Điều đó chứng tỏ rằng nếu dựa vào các kết quả thu nhận đựơc từ phần mềm thì hiệu năng tốt hơn so với phần cứng nhưng lúc này độ lệch về kết quả trong cùng một trường hợp giữa phần cứng và phần cứng lại cao và ta cũng không thể khẳng định đựơc kỹ thuật nào có độ chính xác hơn. Vậy, dựa vào kết quả thu nhận đựoc ta thấy, giải thuật kết hợp luôn thuộc khoảng giữ của giá trị hai kỹ thuật nên giải thuật kết hợp có kết quả thuyết phục hơn..
. Trong trường hợp lưu lượng mạng trung bình (15s, 20s) thì hiệu năng của ba kỹ thuật này xấp xỉ nhau trong cả hai tham số PDR và PDC. Tuy nhiên, kỹ thuật LQI và kỹ thuật kết hợp DE-LQI có hiệu năng cao hơn so với DE. . Trong trường hợp lưu lượng mạng thấp (>20s) thì hiệu năng của của kỹ
thuật này có sự khác nhau đáng kể. Kỹ thuật LQI và kỹ thuật DE-LQI có hiệu năng cao hơn so với DE. Điều đó, chứng tỏ quá trình trao đổi liên kết có ảnh hưởng rất lớn đối với những kỹ thuật ước lượng tuyến dựa trên phần mềm, phần cứng hay là kết hợp.
Như vậy, qua kết quả mô phỏng và các kết quả phân tích ở trên, tác giả cho rằng kỹ thuật kết hợp DE-LQI có khả năng thích nghi được với những thay đổi lưu lượng của mạng cảm biến không dây. Tức là, kỹ thuật kết hợp DE-LQI có điều chỉnh thích hợp để đảm bảo xác định được tuyến truyền thông có chất lượng tốt hơn so với hai kỹ thuật riêng lẻ là kỹ thuật DE và kỹ thuật LQI.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN
Vấn đề năng lượng tiêu thụ của các nút cảm biến, liên quan mật thiết đến thời gian sống của mạng là một trong những vấn đề quan trọng nhất đối với một mạng cảm biến không dây. Tuy nhiên do đặc tính của truyền thông vô tuyến là bất đối xứng, thay đổi liên tục, dẫn tới việc mất dữ liệu, hao phí năng lượng nếu định tuyến không chính xác. Vì vậy, việc ước lượng chất lượng đường truyền để giảm thiểu truyền thông đóng vai trò quan trọng trong tiết kiệm năng lượng của mạng cảm biến không dây.
Luận văn “Nghiên cứu một số kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng nâng cao chất lượng truyền thông không dây” đã trình bày về các kỹ thuật ước lượng tuyến tiêu biểu trong WSN và so sánh hiệu năng của những kỹ thuật này trên hệ điều hành Contiki, với nền tảng Zolertia. Đồng thời, tôi cũng đề xuất việc kết hợp giữa LQI với DE để tạo ra kỹ thuật kết hợp LQI-DE với việc bổ sung lựa chọn ETX phù hợp cho quá trình xác định ước lượng tuyến truyền. Kết quả đạt được của luận văn như sau:
Nghiên cứu được kiến trúc, ứng dụng của mạng cảm biến không dây, cũng như vấn đề ước lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây.
Nghiên cứu, phân tích và cài đặt kỹ thuật LQI, DE, LQI-DE kết hợp Triển khai đánh giá mô phỏng kỹ thuật LQI, DE, LQI-DE kết hợp trên hệ điều hành Contiki với nền tảng Zolertia.
Cài đặt bổ sung được một kỹ thuật LQI-DE kết hợp
Qua nghiên cứu, phân tích, cài đặt và đánh giá các kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến. tôi đưa ra các đánh giá như sau:
Lưu lượng mạng cảm biến không dây có ảnh hưởng đến cả hai tham số PDR và PDC của ba kỹ thuật LQI, DE và kỹ thuật kết hợp DE-LQI.
Trong trường hợp lưu lượng mạng lớn (5s, 10s) ước lượng tuyến dựa trên phần cứng của hiệu năng thấp hơn so với 2 kỹ thuật còn lại là DE và kỹ thuật kết hợp DE-LQI. Qua đó, chúng ta thấy rằng, việc quá trình trao đổi liên kết thường xuyên thông tin sẽ giúp cho việc ước lượng tuyến hiệu quả hơn. Tuy nhiên, điều này sẽ làm thời gian sống của mạng cảm biến không dây sẽ giảm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong trường hợp lưu lượng mạng trung bình (15s, 20s) thì hiệu năng của ba kỹ thuật này xấp xỉ nhau trong cả hai tham số PDR và PDC. Tuy nhiên, kỹ thuật LQI và kỹ thuật kết hợp DE-LQI có hiệu năng cao hơn so với DE.
Trong trường hợp lưu lượng mạng thấp (>20s) thì hiệu năng của của kỹ thuật này có sự khác nhau đáng kể. Kỹ thuật LQI và kỹ thuật DE-LQI có hiệu năng cao hơn so với DE. Điều đó, chứng tỏ quá trình trao đổi liên kết có ảnh hưởng rất lớn đối với những kỹ thuật ước lượng tuyến dựa trên phần mềm, hay có gói tin beacon.
Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu của mình, yếu tố về di động của nút cảm biến chưa được đánh giá. Nên trong thời gian tới, hướng nghiên cứu của luận văn như sau:
Mở rộng qui mô, thời gian mô phỏng: Tăng số nút mô phỏng, tăng khoảng cách mô phỏng, và thời gian mô phỏng để có số liệu phong phú và ổn định hơn.
Bổ sung thêm kịch bản mô phỏng như thay đổi vị trí các nút trong quá trình mô phỏng (nút di động) để đánh giá khả năng tích ứng của từng kỹ thuật trong trường hợp topology của mạng thay đổi.
Triển khai trên kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến trên các nút cảm biến thật, module Z1 và đánh giá trên thực tế các hiệu năng của kỹ thuật LQI, DE, LQI-DE kết hợp trên mạng cảm biến thực tế.
Xây dựng các nút cảm biến có nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời) để tăng cường thời gian sống cho mạng, cũng như triển khai được những nút ưu tiên, và đo năng lượng tiêu thụ và còn lại của mỗi nút nhằm đưa ra cơ chế luân chuyển truyền thông phù hợp để kéo dài thời gian sống cho mỗi nút mạng, cũng như toàn mạng cảm biến không dây.