EACTP: Giao thức cây thu thập dữ liệu với thông lượng cao và cân bằng năng lượng

Vũ Chiến Thắng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 116 (02): 23 - 27<br /> <br /> EACTP: GIAO THỨC CÂY THU THẬP DỮ LIỆU<br /> VỚI THÔNG LƢỢNG CAO VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG<br /> Vũ Chiến Thắng1*, Nguyễn Chấn Hùng2,<br /> Lê Nhật Thăng3, Bùi Thị Mai Hoa1<br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - ĐH Thái Nguyên,<br /> 2<br /> Trung tâm công nghệ xanh, Viện Điện tử - Tin học - Tự động hóa,<br /> 3<br /> Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng nhỏ gọn với khả năng xử lý, bộ nhớ,<br /> phạm vi truyền thông và năng lƣợng hạn chế. Các thuật toán truyền thông cho mạng cảm biến<br /> không dây đƣợc thiết kế để mạng có thể hoạt động đƣợc trong những điều kiện hạn chế về tài<br /> nguyên nói trên. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất và thiết kế giao thức cây thu thập dữ liệu<br /> EACTP với thông lƣợng cao và cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đƣờng<br /> có chất lƣợng liên kết tốt nhằm nâng cao thời gian sống của các nút mạng. Giao thức EACTP sử<br /> dụng thƣớc đo chất lƣợng liên kết ETX (Expected Transmission) và trạng thái năng lƣợng còn lại<br /> ES (Energy State) trên các nút chuyển tiếp để lựa chọn tuyến đƣờng tối ƣu. Các kết quả mô phỏng<br /> cho thấy giao thức EACTP đảm bảo đƣợc sự cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng và thời gian<br /> sống của các nút mạng đƣợc cải thiện tốt hơn so với giao thức cây thu thập dữ liệu ban đầu.<br /> Từ khóa: Giao thức cây thu thập dữ liệu nhận thức năng lượng, giao thức cây thu thập dữ liệu cải<br /> tiến, mạng cảm biến không dây, hệ điều hành Contiki<br /> <br /> GIỚI THIỆU*<br /> Trong các mạng cảm biến không dây đa<br /> phƣơng tiện - MWSNs (Multimedia Wireless<br /> Sensor Networks), thông lƣợng cao là một<br /> trong những yêu cầu bắt buộc. Dữ liệu đa<br /> phƣơng tiện nhƣ hình ảnh, âm thanh, video<br /> cần đƣợc truyền về điểm thu thập một cách<br /> nhanh chóng và hiệu quả. Một vài ứng dụng<br /> của mạng MWSNs có thể kể đến nhƣ: Giám<br /> sát môi trƣờng; theo dõi sự sinh trƣởng và<br /> phát triển của cây trồng; điều khiển quá trình<br /> công nghiệp; các hệ thống điều khiển, giám<br /> sát và tránh tắc nghẽn giao thông...<br /> Điểm thu thập<br /> <br /> Nút gốc 1<br /> <br /> Nút gốc n<br /> <br /> …...<br /> <br /> Hình 1. Cấu trúc liên kết mạng.<br /> *<br /> <br /> Tel: 0904 909692, Email: vcthang@ictu.edu.vn<br /> <br /> Do ứng dụng chính của các mạng MWSNs là<br /> thu thập dữ liệu trong trƣờng cảm biến nên<br /> các giao thức thu thập dữ liệu nhận đƣợc<br /> nhiều sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu<br /> mạng cảm biến. Giao thức cây thu thập dữ<br /> liệu CTP (Collection Tree Protocol) thực thi<br /> cơ chế thu thập dữ liệu tin cậy từng bƣớc<br /> nhảy. Hình 1 minh họa cấu trúc liên kết mạng<br /> đƣợc xây dựng theo giao thức CTP.<br /> Giao thức CTP sử dụng thƣớc đo định tuyến<br /> là số lần truyền kỳ vọng ETX (Expected<br /> Transmission) [1] để lựa chọn tuyến đƣờng<br /> tối ƣu. Tuyến đƣờng có ETX nhỏ nhất là<br /> tuyến đƣờng có số lần truyền đến nút gốc ít<br /> nhất và cũng là tuyến đƣờng hiệu quả về mặt<br /> năng lƣợng nhất. Tuy nhiên, giao thức CTP<br /> hiện tại không đảm bảo đƣợc vấn đề cân bằng<br /> tải giữa các nút mạng. Một số nút mạng thuộc<br /> tuyến đƣờng tối ƣu sẽ hết năng lƣợng nhanh<br /> hơn các nút còn lại và sẽ tạo thành các lỗ<br /> hổng trong mạng, làm giảm hiệu năng của<br /> toàn bộ hệ thống mạng. Một số công trình<br /> nghiên cứu gần đây [2, 3] cũng đã chỉ ra<br /> nhƣợc điểm này của giao thức CTP. Trong<br /> bài báo này, chúng tôi đề xuất và thiết kế giao<br /> 23<br /> <br /> Vũ Chiến Thắng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> thức EACTP (Energy Aware Collection Tree<br /> Protocol) với thông lƣợng cao và đảm bảo sự<br /> cân bằng năng lƣợng. Giao thức EACTP sử<br /> dụng thƣớc đo định tuyến ETX và trạng thái<br /> năng lƣợng còn lại ES của nút chuyển tiếp để<br /> lựa chọn tuyến đƣờng tối ƣu.<br /> Giao thức EACTP đƣợc thiết kế dựa trên giao<br /> thức CTP nhằm đảm bảo sự cân bằng năng<br /> lƣợng giữa các nút mạng thuộc tuyến đƣờng<br /> tối ƣu và nâng cao thời gian sống của các nút<br /> mạng. Giao thức EACTP cải tiến giao thức<br /> CTP ở ba khía cạnh chính: Thứ nhất, giao<br /> thức EACTP bổ sung thành phần ƣớc lƣợng<br /> năng lƣợng còn lại trên mỗi nút cảm biến;<br /> Thứ hai, giao thức EACTP bổ sung một thƣớc<br /> đo định tuyến mới đó là trạng thái năng lƣợng<br /> còn lại ES (Energy State) để xác định tuyến<br /> đƣờng tối ƣu trong mạng; Thứ ba, giao thức<br /> EACTP thay đổi thuật toán lựa chọn tuyến<br /> đƣờng tối ƣu dựa trên sự kết hợp của hai<br /> thƣớc đo định tuyến là ETX và ES.<br /> THỰC THI GIAO THỨC EACTP<br /> Chúng tôi thực thi giao thức EACTP trên hệ<br /> điều hành Contiki. Contiki là một trong<br /> những hệ điều hành cho mạng cảm biến<br /> không dây phổ biến nhất thế giới hiện nay [4].<br /> Giao thức EACTP đƣợc xây dựng trên ngăn<br /> xếp truyền thông RIME trong hệ điều hành<br /> Contiki. Hình 2 minh họa các thành phần<br /> chính của giao thức EACTP.<br /> Khối ƣớc lƣợng chất lƣợng liên kết<br /> Khối ƣớc lƣợng chất lƣợng liên kết thực hiện<br /> việc tính toán chất lƣợng liên kết giữa hai nút<br /> lân cận. Khối này tính toán chất lƣợng liên<br /> kết giữa hai nút mạng dựa trên sự thống kê<br /> các bản tin điều khiển nhận đƣợc và số bản<br /> tin dữ liệu đƣợc truyền thành công giữa hai<br /> nút mạng.<br /> Khối quản lý các nút lân cận<br /> Khối quản lý các nút lân cận lƣu trữ thông tin<br /> của các nút lân cận trong bảng định tuyến.<br /> Các thông tin này bao gồm địa chỉ của nút lân<br /> cận và thƣớc đo định tuyến chất lƣợng liên<br /> kết ETX và trạng thái năng lƣợng còn lại ES<br /> 24<br /> <br /> 116 (02): 23 - 27<br /> <br /> của các nút lân cận. Khối này chứa một bộ<br /> định thời để định kỳ xóa các nút lân cận trong<br /> bảng định tuyến khi các số liệu về thƣớc đo<br /> định tuyến của nút đó không đƣợc cập nhật<br /> trong một khoảng thời gian dài. Ngoài ra, một<br /> thuật toán lựa chọn tuyến đƣờng tối ƣu cũng<br /> đƣợc thực thi trong khối này.<br /> <br /> Hình 2. Các thành phần của EACTP<br /> <br /> Khối quản lý các bản tin điều khiển<br /> Khối quản lý các bản tin điều khiển có nhiệm<br /> vụ phát quảng bá thông tin về thƣớc đo định<br /> tuyến của mỗi nút. Để thực hiện nhiệm vụ<br /> này, một bộ định thời đƣợc sử dụng để định<br /> kỳ phát quảng bá các bản tin điều khiển. Bản<br /> tin điều khiển mang thông tin về địa chỉ và<br /> các thƣớc đo định tuyến của nút gửi.<br /> Khối ƣớc lƣợng năng lƣợng tiêu thụ<br /> Khối này có nhiệm vụ ƣớc lƣợng năng lƣợng<br /> tiêu thụ trên nút cảm biến, tính toán chỉ số<br /> năng lƣợng còn lại EI và xác định trạng thái<br /> năng lƣợng còn lại ES của mỗi nút cảm biến.<br /> Khối thu thập<br /> Đây là khối trung tâm của giao thức EACTP.<br /> Khối này cung cấp các giao tiếp cho các lớp<br /> trên và lớp dƣới. Khối này cũng thực hiện<br /> việc khởi tạo cho các khối còn lại. Nó thực<br /> hiện việc gửi và nhận các bản tin dữ liệu cũng<br /> nhƣ các bản tin xác nhận. Nếu có sự thay đổi<br /> về vị trí của nút hiện tại trong cấu trúc cây<br /> định tuyến thì khối này sẽ tác động đến khối<br /> quản lý các bản tin điều khiển để phát quảng<br /> bá các bản tin điều khiển nhằm thông báo cho<br /> các nút lân cận biết về những thay đổi này.<br /> <br /> Vũ Chiến Thắng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC<br /> EACTP<br /> Để đánh giá hiệu năng giao thức EACTP,<br /> chúng tôi sử dụng công cụ mô phỏng Cooja<br /> [5]. Cooja là một công cụ mô phỏng linh hoạt<br /> đƣợc thiết kế cho việc mô phỏng mạng cảm<br /> biến trên nền hệ điều hành Contiki.<br /> Bảng 1. Kịch bản đánh giá<br /> Các tham số<br /> Giá trị<br /> Môi trƣờng truyền sóng Unit Disk Graph Medium<br /> Năng lƣợng ban đầu (J)<br /> 50<br /> Công suất phát (dBm)<br /> 0<br /> Số nút mạng (nút)<br /> 10<br /> Kích thƣớc mạng (m x<br /> 60 x 80<br /> m)<br /> Phạm vi phủ sóng của<br /> Phạm vi truyền: 40<br /> nút (m)<br /> Phạm vi nhiễu: 80<br /> Chu kỳ gửi bản tin dữ<br /> 10<br /> liệu (s)<br /> Nguồn gửi bản tin dữ<br /> Tất cả các nút trong mạng<br /> liệu<br /> (ngoài nút Sink)<br /> Giao thức lớp MAC [6]<br /> CSMA/ContikiMAC<br /> <br /> Kịch bản đánh giá<br /> Bảng 1 tóm tắt kịch bản đánh giá hai giao<br /> thức CTP và EACTP.<br /> Mô hình mô phỏng mạng gồm 10 nút đƣợc<br /> minh họa ở hình 3. Các nút mạng định kỳ gửi<br /> bản tin dữ liệu về nút Sink là nút số 10.<br /> <br /> 116 (02): 23 - 27<br /> <br /> giữa số nút còn sống trong mạng và tổng số<br /> nút ban đầu trong mạng.<br /> N alive _ nodes<br /> <br /> ANR(%)<br /> <br /> N<br /> <br /> .100%<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Trong đó: Nalive_nodes là tổng số nút còn<br /> sống trong mạng, N là tổng số nút ban đầu<br /> trong mạng.<br /> Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu<br /> Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR (Data<br /> Delivery Ratio) đƣợc xác định bằng tỷ số giữa<br /> số bản tin dữ liệu nhận đƣợc tại nút gốc và<br /> tổng số bản tin dữ liệu đƣợc gửi đi bởi tất cả<br /> các nút trong mạng.<br /> DDR(%)<br /> <br /> N received<br /> .100%<br /> N data<br /> <br /> (2)<br /> <br /> Trong đó: Nreceived là tổng số bản tin dữ liệu nhận<br /> đƣợc tại nút gốc, Ndata là tổng số bản tin dữ liệu<br /> đƣợc gửi bởi tất cả các nút trong mạng.<br /> Sự cân bằng năng lượng trong mạng<br /> Để đánh giá sự cân bằng năng lƣợng giữa các<br /> nút mạng, chúng tôi dựa vào chỉ số năng<br /> lƣợng còn lại EI trên các nút mạng. Thƣớc đo<br /> đánh giá sự cân bằng năng lƣợng EIB (Energy<br /> Indicator Balance) giữa các nút trong mạng<br /> đƣợc xác định theo công thức sau:<br /> N<br /> <br /> EIB<br /> <br /> ( EI<br /> <br /> EI i ) 2<br /> <br /> (3)<br /> <br /> i 1<br /> <br /> Trong đó: EI là chỉ số năng lƣợng còn lại<br /> trung bình trên các nút mạng.<br /> Thời gian sống của mạng<br /> <br /> Hình 3. Mô hình mô phỏng mạng.<br /> <br /> Các tham số đánh giá<br /> Chúng tôi đánh giá và so sánh hiệu năng giữa<br /> giao thức EACTP và giao thức CTP thông<br /> qua một số thƣớc đo đánh giá sau.<br /> Tỷ lệ các nút còn sống trong mạng<br /> Tỷ lệ các nút còn sống trong mạng ANR<br /> (Alive Node Ratio) đƣợc xác định bằng tỷ số<br /> <br /> Thời gian sống của mạng có thể đƣợc định<br /> nghĩa là khoảng thời gian bắt đầu một truyền<br /> dẫn đầu tiên ở trong mạng và kết thúc khi tỷ<br /> lệ phần trăm các nút hết năng lƣợng dƣới một<br /> ngƣỡng cho trƣớc. Giá trị ngƣỡng đƣợc thiết<br /> lập tùy thuộc vào từng ứng dụng (có thể là<br /> 100% hoặc thấp hơn).<br /> Kết quả đánh giá<br /> Hình 4, 5 lần lƣợt là kết quả mô phỏng đánh<br /> giá tỷ lệ các nút còn sống trong mạng và tỷ lệ<br /> chuyển phát bản tin dữ liệu của giao thức<br /> CTP và EACTP.<br /> 25<br /> <br /> Vũ Chiến Thắng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian sống<br /> của các nút mạng trong giao thức EACTP<br /> đƣợc cải thiện tốt hơn so với giao thức CTP<br /> ban đầu. Tuy nhiên, giao thức EACTP vẫn<br /> đảm bảo đƣợc tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu<br /> ở mức cao. Trong khoảng thời gian cuối, giao<br /> thức EACTP có tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ<br /> liệu cao hơn so với giao thức CTP ban đầu.<br /> <br /> Hình 4. Tỷ lệ các nút còn sống.<br /> <br /> 116 (02): 23 - 27<br /> <br /> EIB của giao thức EACTP thấp hơn so với<br /> đƣờng cong EIB của giao thức CTP.<br /> Nếu giá trị ngƣỡng đƣợc thiết lập để xác định<br /> thời gian sống của mạng là 100% thì hình 4<br /> cũng cho thấy thời gian sống của mạng khi<br /> hoạt động theo giao thức EACTP đƣợc cải<br /> thiện hơn so với giao thức CTP.<br /> KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày về<br /> giải pháp thiết kế và thực thi giao thức<br /> EACTP trên hệ điều hành Contiki. Các kết<br /> quả đánh giá so sánh dựa trên mô phỏng giữa<br /> giao thức EACTP và giao thức CTP cho thấy<br /> giao thức EACTP đạt đƣợc một số tiêu chí<br /> quan trọng đó là: Đảm bảo đƣợc sự cân bằng<br /> năng lƣợng giữa các nút mạng thuộc những<br /> tuyến đƣờng có chất lƣợng liên kết tốt; Đạt<br /> đƣợc tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu trong<br /> mạng ở mức cao; Tăng đƣợc thời gian sống<br /> của các nút trong mạng; Không làm phát sinh<br /> thêm các chi phí mới về năng lƣợng trong<br /> việc gửi các bản tin điều khiển.<br /> Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tiếp tục<br /> nghiên cứu đánh giá giao thức EACTP dựa<br /> trên thực nghiệm với phần cứng TUmote.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> Hình 5. Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu.<br /> <br /> Hình 6. Sự cân bằng năng lượng trong mạng.<br /> <br /> Hình 6 là kết quả mô phỏng so sánh sự cân<br /> bằng năng lƣợng giữa các nút mạng. Kết quả<br /> mô phỏng cho thấy giao thức EACTP đảm<br /> bảo đƣợc sự cân bằng năng lƣợng giữa các<br /> nút mạng tốt hơn so với giao thức CTP ban<br /> đầu. Điều này đƣợc thể hiện bởi đƣờng cong<br /> 26<br /> <br /> 1. De Couto D, Aguayo D, Bicket J, Morris R,<br /> (2003) “A high-throughput path metric for<br /> multi-hop wireless routing,” In Proceedings of<br /> the 9th Annual International Conference on<br /> Mobile Computing and Networking, New<br /> York, pp. 134–146.<br /> 2. Jing Zhao, Lei Wang, Wenlong Yue,<br /> Zhengquan Qin, Ming Zhu, (2011) “Load<br /> Migrating for the Hot Spots in Wireless Sensor<br /> Networks using CTP,” In Proceedings of Seventh<br /> International Conference on Mobile Ad-hoc and<br /> Sensor Networks, Beijing, pp. 167–173.<br /> 3. Yongjun Li, Hu Chen, Rongchuan He, Rong<br /> Xie, Shaocong Zou, (2010) “ICTP: An Improved<br /> Data Collection Protocol Based On CTP,” In<br /> Proceedings of the International Conference on<br /> Wireless Communications and Signal, Suzhou,<br /> pp. 1–5.<br /> 4. Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh<br /> Nguyen Huu, (2011) “A Comparative Study on<br /> <br /> Vũ Chiến Thắng và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Operating System for Wireless Sensor Networks,”<br /> In Proceedings of International Conference<br /> Advanced Computer Science and Information<br /> System (ICACSIS), IEEE Conference Publication,<br /> pp. 73-78.<br /> 5. Fredrik Österlind, Adam Dunkels, Joakim<br /> Eriksson, Niclas Finne, and Thiemo Voigt,<br /> (November 2006) “Cross-level sensor network<br /> simulation with cooja,” In Proceedings of the First<br /> <br /> 116 (02): 23 - 27<br /> <br /> IEEE International Workshop on Practical<br /> Issues in Building Sensor Network Applications<br /> (SenseApp 2006), Tampa, Florida, USA, pp.<br /> 641–648.<br /> 6. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật<br /> Thăng, (2013) “Về một hệ thống nghiên cứu thực<br /> nghiệm cho mạng cảm biến không dây,” Tạp chí<br /> Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số<br /> 3(64), trang 103-109.<br /> <br /> SUMMARY<br /> EACTP: A COLLECTION TREE PROTOCOL<br /> WITH HIGH THROUGHPUT AND BALANCED ENERGY<br /> Vu Chien Thang1*, Nguyen Chan Hung2,<br /> Le Nhat Thang3, Bui Thi Mai Hoa1<br /> 1<br /> College of Information and Communication Technology - TNU<br /> Green Centre, Vietnam Research Instutute of Electronics, Informatics and Automation<br /> 3<br /> Posts & Telecommunications Institute of Technology<br /> <br /> 2<br /> <br /> A Wireless Sensor Networks consists of many tiny nodes with the constraints of processing<br /> capability, memory, communication range and power. The communication algorithms for wireless<br /> sensor networks are designed to operate in these constraints. In this paper, we propose and design<br /> an Energy Aware Collection Tree Protocol (EACTP) with high throughput and balanced energy in<br /> order to balance sensor nodes’ energy of the routes that have good link quality and improve the<br /> lifetime of sensor nodes. EACTP uses the link quality metric (ETX - Expected Transmission) and<br /> the Energy State (ES) of sensor nodes to select the optimal route. The simulation results show that<br /> EACTP guarantees the energy balance between the sensor nodes and the sensor nodes’ lifetime is<br /> improved better than the original CTP.<br /> Keywords: Tree protocol to collect energy data awareness, tree protocols improve data<br /> collection, wireless sensor networks, Contiki operating system.<br /> <br /> Ngày nhận bài:25/01/2014; Ngày phản biện:10/02/2014; Ngày duyệt đăng: 26/02/2014<br /> Phản biện khoa học: TS. Ngô Đức Thiện – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông<br /> *<br /> <br /> Tel: 0904 909692, Email: vcthang@ictu.edu.vn<br /> <br /> 27<br /> <br />