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

TĂNG THỊ HIỀN THƯƠNG 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... DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Stt

TĂNG THỊ HIỀN THƯƠNG

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

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây 9

Hình 1.2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 11

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 12

Hình 1.4: Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz 13

Hình 1.5: Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây 15

Hình 1.6: Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây 15

Hình 1.7: Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây 16

Hình 1.8: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp 22

Hình 1 9: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trường 23

Hình 1 10: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông 23

Hình 1 11: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong dân dụng 24

Hình 1 12: Minh họa cách tính ETX của 1 liên kết 27

Hình 1.13: Minh họa cách tính ETX của 1 tuyến 27

Hình 2.1: Lưu đồ cập nhật ETX (LQI) 30

Hình 2.2: Lưu đồ quá trình gửi gói tin beacon (ETX) 32

Hình 2.3: Lưu đồ quá trình nhận gói tin beacon trong kỹ thuật ETX 32

Hình 2.4: Lưu đồ quá trình xử lý gói beacon nhận được (ETX) 33

Hình 2.5: Lưu đồ cập nhật EXT của kỹ thuật DE 35

Hình 2.6: Lưu đồ quá trình thêm hàng xóm của kỹ thuật DE 36

Hình 2.7: Lưu đồ cập nhật hàng xóm của kỹ thuật DE 36

Hình 2.8: Lưu đồ cập nhật ETX của kỹ thuật Extend - DE 38

Hình 2.9: Lưu đồ quá trình quản lý hàng xóm của 4B 40

Hình 2.10: Lưu đồ quá trình cập nhật ETX của kỹ thuật 4B 41

Hình 3.1: Lưu đồ quá trình cập nhật ETX của kỹ thuật kết hợp 45

Hình 3.2: Sơ đồ mô phỏng mạng cảm biến không dây trên nền tảng Zolertia bằng hệ điều hành Contiki 56

Hình 3.3: Màn hình mô phỏng trên hệ điều hành Contiki 57

Hình 3.4: So sánh tỷ lệ truyền thành công gói tin giữa kỹ thuật DE, LQI và LQI-DE 58

Hình 3.5: So sánh chi phí truyền gói tin giữa kỹ thuật DE, LQI và LQI-DE 59

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Stt Từ viết

tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

1 WSNs Wirless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây

2 IoT Internet of Things Tập hợp các thiết bị có khả năngkết nốivới nhau

5 ADC Analog Digital Converter Chuyển đổi tương tự - số

6 IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers Chuẩn IEEE

8 PDR Packet Delivery Ratio Tỷ lệ nhận gói

11 PDC Packet Delivery Cost Chi phí gửi tin

12 ETX Expected Transmission Count Số lần truyền kỳ vọng

13 LQI Link Quality Indicator Kỹ thuật LQI

14 SNR Signal-to-Noise Ratio Tín hiệu nhiễu sóng

17 MAC Media Access Control Lớp liên kết dữ liệu

18 PAN Personal Area Network Mạng cá nhân

19 FFDs Full FunctionalDependencies Chức năng đầy đủ

20 RSSI Received Signal Strength

Indicator

Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được

21 SNR Signal to Noise Ratio Chỉ số tín trên tạp

22 CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập

23 ACK Acknowledged Packet Thông báo gửi tin

24 TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia thời gian

25 RFDs Reduced-function Devices Thiết bị có chức năng hạn chế

Mục lục

MỞ ĐẦU 6

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ước lượng chất lượng tuyến 8

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 8

1.1.1 Giới thiệu chung 8

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 10

1.1.3 Cấu trúc của nút cảm biến 11

1.1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 12

1.1.5 Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây 14

1.1.6 Một số thách thức của mạng WSNs 18

1.1.7 Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây 21

1.2 Ước lượng chất lượng tuyến 24

1.2.1 Giới thiệu 24

1.2.2 Một số thông số đánh giá kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến 25

1.2.3 Thông số ETX 26

Chương 2: Một số kỹ thuật đánh giá chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây 28

2.1 Đặt vấn đề 28

2.2 Kỹ thuật LQI (Link Quality Indicator) 29

2.2.1 Ý tưởng của kỹ thuật LQI 29

2.2.2 Mô tả kỹ thuật LQI 29

2.2.3 Nhận xét kỹ thuật LQI 30

2.3 Kỹ thuật ETX (Expected Transmission Count) 31

2.3.1 Ý tưởng của kỹ thuật ETX 31

2.3.2 Mô tả kỹ thuật ETX 31

2.3.3 Nhận xét kỹ thuật ETX 34

2.4 Kỹ thuật DE (Direct Estimate) 34

2.4.1 Ý tưởng của kỹ thuật DE 34

2.4.2 Mô tả kỹ thuật DE 34

2.4.3 Nhận xét kỹ thuật DE 37

2.5 Kỹ thuật Extend - DE ( Extend - Direct Estimate) 37

2.5.1 Ý tưởng kỹ thuật E-DE 37

2.5.2 Mô tả kỹ thuật E-DE 37

2.5.3 Nhận xét kỹ thuật E-DE 39

2.6 Kỹ thuật 4B ( Four - Bit) 39

2.6.1 Ý tưởng kỹ thuật 4B 39

2.6.2 Mô tả kỹ thuật 4B 39

2.6.3 Nhận xét kỹ thuật 4B 42

2.7 Kỹ thuật kết hợp DE-LQI 43

2.7.1 Mô tả bài toán 43

2.7.2 Ý tưởng kỹ thuật 43

2.7.3 Mô tả kỹ thuật 44

Chương 3: Cài đặt và đánh giá hiệu năng một số kỹ thuật ước lượng tuyến 46

3.1 Dẫn nhập 46

3.2 Cài đặt kỹ thuật LQI, kỹ thuật DE và kỹ thuật kết hợp DE-LQI 46

3.2.1 Kỹ thuật LQI 50

3.2.2 Kỹ thuật DE 51

3.2.3 Kỹ thuật DE-LQI 51

3.3 Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của DE, LQI, DE-LQI 53

3.3.1 Yêu cầu thực hiện đánh giá kỹ thuật ước lượng tuyến bằng mô phỏng trên hệ điều hành Contiki 53

3.3.2 Thiết lập thông số cho quá trình mô phỏng 54

3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng 57

3.4.1 Quá trình thu nhận kết quả 57

3.4.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 65

MỞ ĐẦU

Mạng cảm biến không dây (WSNs - Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa năng đang ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của xã hội như quốc phòng,

an ninh, nông lâm nghiệp, công nghiệp, y tế và dân dụng

Tuy nhiên, với đặc điểm là truyền thông không dây đa chặn, nên những vấn

đề như mất liên kết truyền thông, nhiễu đường truyền và sự di động của nút sẽ dẫn đến mất mát dữ liệu trong quá trình truyền thông, gây ảnh hưởng đến hiệu năng của quá trình truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là chất lượng tuyến Tức là, nếu chúng ta xác định được chất lượng tuyến trước khi thực hiện truyền thông thì hiệu năng của quá trình truyền thông không dây sẽ được cải thiện Bởi vậy, việc xác định được chất lượng tuyến trước khi thực hiện truyền thông là vấn đề mấu chốt quyết định đến chất lượng truyền thông không dây không chỉ đối với mạng cảm biến không dây

Chính vì vậy, chủ đề nghiên cứu về lĩnh vực chất lượng tuyến và đánh giá chất lượng tuyến, cũng như xây dựng những kỹ thuật, kỹ thuật mới để xác định chất lượng tuyến hiệu quả đang được cộng đồng khoa học quan tâm và nghiên cứu

Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “ 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” không chỉ có mục tiêu nghiên cứu về kỹ thuật

hay kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây, mà còn thực hiện việc đánh giá về các kỹ thuật này Kết quả của luận văn sẽ làm nền tảng cho hướng nghiên cứu tiếp theo về chủ đề ước lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây Bố cục của luận văn gồm các nội dung chính sau:

Chương 1 Tổng quan mạng cảm biến không dây và ước lượng chất lượng tuyến

Trình bày về kiến trúc, phương thức truyền thông, cũng như những thách thức truyền thông đối với mạng cảm biến không dây trong việc đánh giá chất lượng tuyến của mạng

Chương 2 Một số kỹ thuật đánh giá chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây

Trình bày chi tiết về các kỹ thuật tiêu biểu trong việc xác định chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây như LQI, DE,… Căn cứ vào những đánh giá về những kỹ thuật này, tôi nghiên cứu một kỹ thuật kết hợp nhằm nâng cao việc đánh giá chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây và trình bày ở chương 3

Chương 3 Cài đặt và đánh giá hiệu năng một số kỹ thuật

ước lượng chất lượng tuyến

Trình bày chi tiết về thuật toán kết hợp DE-LQI nhằm nâng cao việc đánh giá chất lượng tuyến trong mạng cảm biến không dây Đồng thời, phân tích về kết quả mô phỏng giữa các kỹ thuật dựa trên việc mô phỏng và triển khai kết quả trên môi trường thực tế

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ước lượng

chất lượng tuyến 1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm qua, với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ thông tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông đã tạo thuận lợi và xu thế hội tụ công nghệ trong các hệ thống hiện đại với nhiều khả năng, và thông minh hơn Trong khi đó, khả năng thông minh của các hệ thống hiện đại dựa chủ yếu vào thành phần cảm biến của mình Dựa vào những thông tin được thiết bị cảm biến

mà hệ thống đưa ra những đáp ứng phù hợp Bởi vậy, việc phát triển công nghệ cảm biến sẽ đem lại nhiều khả năng và pham vị ứng dụng cho các hệ thống hiện đại

Bên cạnh đó, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things)

đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu Chính điều này đã đặt ra yêu cầu cần phải liên kết các nút cảm biến với nhau để tạo ra mạng cảm biến - WSNs (Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa dữ liệu, nâng cao khả năng và tính kinh tế trong quá trình triển khai hệ thống

Mạng WSNs có thể hiểu đơn giản là sự liên kết và kết nối giữa các nút cảm biến với nhau nhằm để trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu của người dùng Mỗi nút cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý,

và các cảm biến Mạng cảm biến không dây sẽ liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó các nút trong mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có

số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống hoặc có hệ thống trong một phạm vi hoặc có thể liên kết với các mạng khác để tạo ra mạng cảm biến có phạm vi rộng hơn Các nút cảm biển có thể sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), nên có giới hạn về thời gian hoạt động Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, hoặc đáp ứng yêu cầu của người dùng như

theo dõi, chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết bị điện, hay ở chế độ ngủ Hình 1.1 dưới đây minh họa về mô hình mạng cảm biến không dây điển hình

Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây

Qua hình 1.1, chúng ta thấy rằng các nút cảm biến được phân bố một cách phù hợp theo vị trí thu thập thông tin và đảm bảo liên kết truyền thông với nhau,

dữ liệu có thể truyền đa chặn để tới nút chủ (sink node) Các nút cảm biến thường

có chức năng như thu thập số liệu môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng; theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động,… Các nút này giao tiếp theo mô hình ad-hoc và có khả năng chuyển tiếp gói tin của các nút khác để truyền tới nút chủ Nút chủ hay còn gọi là nút trung tâm (base station) có khả năng thu thập số liệu của các nút khác, cũng như đưa ra những yêu cầu tới từng nút theo nhiệm vụ riêng của mình Thông qua nút chủ, dữ liệu mạng cảm biến có thể được chia sẻ qua hệ thống mạng IP như mạng Internet, hay mạng viễn thông theo mục đích của người dùng Nhờ vậy, phạm vi hoạt động của mạng cảm biến không những không bị hạn chế, mà còn có thể phát triển thành liên kết giữa các mạng cảm biến với nhau Từ đó, chúng ta có thể kế thừa và phát triển nhiều ứng dụng khác trong cộng đồng trên phạm vi toàn cầu

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Khác với mạng cảm biến thông thông, mạng cảm biến không dây có những đặc điểm tiểu tiểu như sau:

 Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng,

số lượng node cảm biến lớn và có thể được phân bố một cách ngẫu nhiên, hoặc theo quy luật xác định Các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi

sơ đồ bố trí mạng Do vậy, mạng cảm biến không dây có tính linh động và các nút cảm biến của mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình nhằm đảm bảo ổn định cho mạng WSNs

 Mạng WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế và giao thức truyền vô tuyến riêng

 Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến không dây

 Có khả năng chịu lỗi: trong trường hợp một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường Bởi vậy, khả năng chịu lỗi của mạng WSNs thể hiện ở việc mạng này vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động Ở đây, người ta

sử dụng phân bố Poisson để xác định xác suất không có sai hỏng trong khoảng thời gian (0,t):

a Rk (t) = e –λkt

b Trong đó:

c λk : tỉ lệ lỗi của nút k

d T :khoảng thời gian khảo sát

e Rk(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm biến

 Khả năng mở rộng: Khi triển khai mạng cảm biến không dây thì số lượng các nút cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào

từng ứng dụng Bởi vậy mạng WSNs có khả năng làm việc với sự biến động về số lượng nút mạng

 Dễ triển khai là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này

1.1.3 Cấu trúc của nút cảm biến

Hình 1.2: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như sau:

Đơn vị cảm biến (sensing unit)

Đơn vị xử lý (processing unit)

Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

Bộ nguồn (power unit)

 Đơn vị cảm biến: bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số

(ADC) Dựa vào những hiện tượng quan sát được, đo lường được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến được số hóa bằng bộ chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog Digital Converter), sau đó được đưa vào bộ xử lý

 Đơn vị xử lý: là bộ xử lý có khả năng lưu trữ, xử lý dữ liệu cũng như việc

chấp hành yêu cầu của mạng theo ngữ cảnh khác nhau

 Đơn vị truyền dẫn: là phần thu phát vô tuyến thực hiện việc thu phát tín

hiệu qua môi trường không dây giữa các nút cảm biến, thông thường chuẩn truyền thông trong mạng cảm biến như Zigbee

 Bộ nguồn: cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động của nút cảm biến

Tùy thuộc vào nút cảm biến khác nhau, mà nguồn có thể được bổ sung từ

năng lượng bên ngoài như song điện từ, năng lượng mặt trời

Ngoài ra nút có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

1.1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Kiến trúc mạng WSNs bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến không dây Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng thành phần của kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Hình 1.3: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

1.1.4.1 Các mặt phẳng quản lý

 Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng

nguồn năng lượng của nó Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến

 Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển

động của các nút cảm biến Các nút cảm biến giữ việc theo dõi xem nút nào

là nút hàng xóm của chúng

 Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút

trong một vùng quan tâm Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện

nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm

1.1.4.2 Lớp vật lý:

Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt

động, phương thức điều chế vô tuyến, và mã hóa tín hiệu vô tuyến Lớp vật lý

của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới Trong mỗi băng tần,

có một số kênh quy định, như trong hình 1.4 Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa

Kỳ trên băng 902-982MHz

Hình 1.4: Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz

Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz Các kênh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh

là 5MHz IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số kênh Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK) Trên tất cả các kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)

Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11

Bởi vì 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4 Hình 1.4 cho thấy sự chồng lấn giữa 802.15.4 và 802.11 Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, thì có 2 kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng 802.11 Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11

được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11

1.1.4.3 Lớp liên kết dữ liệu

Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vô tuyến Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp

cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền

1.1.5 Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây

1.1.5.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể được chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm Mỗi mô

hình truyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông này

b) Mô hình truyền thông Điểm-Điểm

Hình 1.5: Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây

Với mô hình truyền thông Điểm - Điểm sẽ diễn ra khi một nút mạng cảm biến không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác Tuy nhiên, việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác Trong hình phía dưới, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau, nhưng có hai nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền thông

c) Mô hình truyền thông Điểm-Đa điểm

Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm được minh họa như ở hình 2 Mô hình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả các nút khác trong mạng Mô hình truyền thông này có thể được sử dụng

để gửi một lệnh thiết lập các nút trong mạng

Hình 1.6: Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây

Có nhiều hình thức truyền thông trong mô hình Điểm – Đa điểm Tùy thuộc vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau Nếu yêu cầu độ tin cậy cao, thì giao thức truyền thông có thể phải truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành công được gói tin Nếu độ tin cậy không yêu cầu quá khắt khe, thì giao thức truyền thông có thể không cần

phải truyền lại bất kỳ bản tin nào: Giao thức truyền thông hy vọng rằng kênh truyền thông đủ độ tin cậy để các bản tin có thể đến được các nút nhận

Nhiều cơ chế và giao thức đã được thiết kế để thực hiện truyền thông Điểm – Đa điểm trong mạng cảm biến không dây Dạng đơn giản của truyền thông Điểm – Đa điểm là mạng tràn lan Điều này được thực hiện bằng cách từng nút quảng bá bản tin được gửi đi Khi một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá được phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút khác xung quanh nó Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại các bản tin Hiệu quả của cơ chế này là bản tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu

vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợp nhưng nó không phải là cơ chế đáng tin cậy Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc xung đột cần được truyền lại Để đạt được độ tin cậy trong truyền thông Điểm – Đa điểm thì giao thức truyền thông phải phát hiện được các bản tin bị mất và phát lại chúng

d) Mô hình truyền thông Đa điểm-Điểm

Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm thường được sử dụng để thu thập dữ

liệu từ các nút trong trường cảm biến Với mô hình truyền thông Đa điểm -

Điểm, một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút Nút này thường được gọi là

Sink Hình 3 minh họa mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm

Hình 1.7:Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây

Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cảm biến chẳng hạn như nhiệt độ từ các nút trong mạng, nhưng nó cũng được sử dụng truyền thông tin trạng thái các nút trong mạng Các nút gửi các báo cáo trạng thái định kỳ tới Sink Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ hiệu năng của mạng tới người

Trong truyền thông Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink trong mạng Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thể được gửi tới thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi Điều này cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao hơn

Để thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc cây với gốc của nó ở nút Sink Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bước nhảy bằng không tính từ nút Sink Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại các bản tin để thông báo chúng có bước nhảy là một tính từ nút Sink Lần lượt, các nút hàng xóm của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bước nhảy là hai tính từ nút Sink Với phương thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết

có bao nhiêu bước nhảy chúng phải trải qua được tính từ nút Sink và biết được các nút lân cận gần Sink hơn Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần Sink hơn Mặc dù phương thức xây dựng tuyến đường định tuyến dựa trên việc đếm số bước nhảy là đơn giản nhưng nó cũng có một số vấn đề cần được quan tâm Một nút với số bước nhảy rất ngắn đến Sink có thể nằm ở vị trí phủ sóng rất kém, trong khi một nút với nhiều bước nhảy tới Sink có thể ở vị trí phủ sóng rất tốt Để gửi gói tin đến được Sink, có thể sẽ tốt hơn khi gửi gói tin đó tới nút có vùng phủ sóng tốt mặc dù có nhiều bước nhảy tới Sink hơn, bởi vì gói tin có cơ hội nhận được cao hơn mà không phải truyền lại gói tin

1.1.5.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây

IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công suất thấp, tốc độ dữ liệu thấp Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE) IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa 1mW Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho IEEE 802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:

Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền

vô tuyến vật lý như thế nào Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau Kênh 0 được quy định chỉ ở Châu Âu và nằm trên băng 868 MHz Kênh từ 1- 10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902 – 982 MHz, khoảng cách kênh là 2MHz Kênh 11-26 quy định trên băng tần 2,4 GHz, khoảng cách kênh là 5MHz

Lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC): Mục đích của lớp MAC là

để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý sẽ được giải quyết như thế nào

Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: thiết bị có chức năng đầy

đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs) Các FFDs có nhiều khả năng hơn RFDs và có thể đóng vai trò như một điều phối viên các mạng PAN RFDs

là các thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành rẻ hơn RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs Các FFDs có thể truyền thông được với cả RFDs và FFDs

1.1.6 Một số thách thức của mạng WSNs

1.1.6.1 Thách thức ở cấp độ nút

Trong mạng các cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành Công suất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn năng lượng thấp bên ngoài Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố kích thước và hình thức quyết định các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kích thước nhỏ gọn Giá thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi các nút mạng cảm biến không dây thường được triển khai với quy mô lớn

Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc mạng Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò cũng như hỗ

trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng Phần mềm chạy trên các nút mạng cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần cứng lẫn phần mềm Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì thì cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít Phần mềm cho các nút mạng cảm biến không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải có khả năng chạy trong một môi trường hạn chế nghiệm ngặt về mặt tài nguyên

1.1.6.2 Thách thức ở cấp độ mạng

Thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là vấn đề quy mô nhỏ của nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng các đối tượng thông minh

Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút Trong nhiều trường hợp, các nút mạng cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều điểm thu thập riêng biệt Nhiều mạng riêng biệt bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến không dây

Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến

cả hiệu năng mạng xét về số lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc

độ dữ liệu có thể được vận chuyển thành công qua mạng, và hơn hết là khoảng thời gian tồn tại của mạng được đảm bảo Trong mạng cảm biến không dây, việc truyền thông tin đòi hỏi năng lượng Các nút thực truyền thông tin nhiều sẽ mất năng lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ Vì vậy, giao thức định tuyến phải chọn lựa thông tin một cách đầy đủ khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn đầy đủ thông tin định tuyến thì nó yêu cầu các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất Thông tin này yêu cầu bộ nhớ Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác

Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền không đáng tin cậy, điều này càng làm cho vấn đề trở nên xấu hơn Tính chất không đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là “tổn hao” Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến không dây Ngay cả khi các nút mạng cảm biến sử dụng công nghệ thông tin liên lạc khác ít có tổn hao hơn thì cũng cần phải chuẩn bị cho tình huống xấu nhất để mạng có thể hoạt động ổn định trong tất cả các trường hợp mạng có tổn hao và không có tổn hao Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là một vấn đề vô cùng khó khăn Với mạng cảm biến không dây quy mô có thể lên tới hàng ngàn nút lên việc quản lý mạng theo cách truyền thống không thể áp dụng ngay được Mạng không có thành phần quản lý tập trung mà nên tự tổ chức quản

lý chính nó

1.1.6.3 Sự chuẩn hóa

Tiêu chuẩn là một yếu tố thành công then chốt đối với các mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi số lượng lớn các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn bởi một số lượng đáng kể các tiêu chuẩn khác nhau, các nhà sản xuất và công ty khác nhau quan tâm đóng góp cho công nghệ Các công nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ Mỗi cấp độ công nghệ lại có một thách thức kỹ thuật riêng nhưng quan trọng hơn đó là việc chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bởi các nhóm khác nhau

1.1.6.4 Khả năng cộng tác

Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung cấp khác nhau có thể hoạt động cùng nhau Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữa các nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở

hạ tầng mạng hiện có

Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộng tác

ở nhiều mặt Các nút mạng phải tương thích với nhau từ lớp vật lý cho đến lớp

ứng dụng hoặc lớp tích hợp Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị

từ các hăng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau Ở cấp độ vật lý, các nút mạng không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số vô tuyến để thực hiện truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu được truyền Ở cấp độ mạng, các nút phải thống nhất về định dạng thông tin được gửi và nhận trên các kênh vật lý cũng như các nút mạng được đánh địa chỉ như thế nào, các bản tin sẽ được vận chuyển qua mạng bằng cách nào Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút mạng phải chia sẻ một quan điểm chung là cách thức để dữ liệu được gửi vào hoặc lấy ra từ mạng các đối tượng thông minh, cũng như làm thế nào để nút mạng có thể được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài

Cũng như sự chuẩn hóa thì khả năng cộng tác đặt ra một số thách thức cho mạng các đối tượng thông minh Thứ nhất là kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối tượng thông minh vẫn còn là một vấn đề mở Trong cuốn sách này, chúng ta chọn kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối tượng thông minh là kiến trúc IP Thứ hai là mặc dù một số tiêu chuẩn cho mạng các đối tượng thông minh vẫn đang được phát triển nhưng các tiêu chuẩn đã tồn tại vẫn có thể được sử dụng lại

1.1.7 Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.1.7.1 Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp

Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộng lớn để đưa ra các cảnh báo và hành động kịp thời

Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây

Trong lâm nghiệp, các sensor được triển khai trên các cánh rừng để cảnh báo cháy rừng Các nút sensor cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có thể giám sát sự di chuyển cũng như thân nhiệt hay hành vi của chúng, góp phần không nhỏ trong việc bảo vệ các loài động vật quý hiếm cũng như nghiên cứu tập quán hoạt động của một số loài chim di trú

Hình 1.8: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp

1.1.7.2 Ứng dụng WSNs trong y tế

Các nút cảm biến có thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da để đo các thông số của máu, nhịp tim,… Từ đó, hệ thống cảm biến sẽ xử lý và đưa ra những cảnh báo và phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh

sẽ dễ dàng hơn Trên thực tế, đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24 giờ Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ

có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị

1.1.7.3 Ứng dụng WSNs trong môi trường

Một số ứng dụng môi trường của mạng cảm biến không dây là dùng để theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, phát hiện lũ lụt, cháy rừng, ô nhiễm khí quyển Đồng thời, hệ thống có thể cảnh báo lũ lụt, thiên tai thông qua các cảm biến đo thông số môi trường và truyền về trung tâm khí tượng thủy văn để phân tích và đánh giá Những hệ thống cảnh báo lũ này đã và đang được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt thành công trên thị trường Mỹ Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có một số hệ thống

đo mực nước ở sông Hồng sử dụng mạng cảm biến không dây

Hình 1.9: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trường

1.1.7.4 Ứng dụng WSNs trong giao thông

Với phạm vi ứng dụng này, thì các cảm biến được gắn trên các phương tiện giao thông để chúng có thể xác định được vị trí của nhau, nhận biết được các biển báo hay tắc đường, từ đó định tuyến nhằm giảm thiểu ách tắc, tai nạn giao thông giúp cho việc điều khiển luồng tốt hơn Hiện nay một số nước đã ứng dụng

hệ thống thu phí tự động sử dụng cảm biến không dây tại các trạm thu phí - làm giảm bớt đáng kể thời gian và các thủ tục phiền hà trong thu phí giao thông

Hình 1.10: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông

1.1.7.5 Ứng dụng WSNs trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy Điển hình ngày của ứng dụng loại này là ngôi nhà thông minh (Smart Home) Smart Home kết nối sản phẩm điện tử gia dụng thành mạng thiết bị và hoạt động theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo

môi trường sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng Chẳng hạn, khi có người bước vào nhà, hệ thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị cảm biến hồng ngoại Đèn chiếu sáng còn có thể điều chỉnh ánh sáng, màu sắc theo sở thích của chủ nhân Khi thiết bị chiếu phim hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm độ sáng, rèm cửa cũng tự động khép lại để tạo không khí của một phòng chiếu phim Tùy theo nhu cầu, người sử dụng có thể cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản bất kỳ như lập trình hẹn giờ tắt đèn khi đi ngủ, đổ thức ăn vào bể cá khi vắng nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas , khi tới công sở, họ có thể gửi tin nhắn qua điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa

Hình 1.11: Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong dân dụng

1.2 Ƣớc lƣợng chất lƣợng tuyến

1.2.1 Giới thiệu

Như chúng ta đã biết, mạng cảm biến không dây là lĩnh vực nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học WSN được ứng dụng chủ yếu trong quá trình thu thập dữ liệu của hệ thống Quá trình thu thập dữ liệu khó có thể áp dụng trong mạng cảm biến truyền thống, bởi việc điều khiển mạng cảm biến truyền thống rất khó khăn và chi phí cao Vì vậy, mạng cảm biến không dây ra đời với những ưu điểm như là: chi phí thấp, tiêu tốn ít năng lượng, kích thước nút cảm biến nhỏ và có thể truyền thông vô tuyến qua những khoảng cách ngắn

Tuy nhiên, liên kết vô tuyến trong mạng WSN lại là liên kết không tin cậy,

có tính bất đối xứng, thường thay đổi theo thời gian và không gian Chất lượng của liên kết vô tuyến ảnh hưởng rất nhiều tới hiệu suất của mạng vì ảnh hưởng

tới quá trình định tuyến trong mạng WSNs, cũng như cấu trúc mạng do sự thay đổi về hình trạng của mạng

Bởi vậy, để đảm bảo độ tin cậy cho quá trình truyền thông không dây trong mạng WSNs thì chúng ta cần phải đảm bảo xác định được rằng chất lượng tuyến truyền đó là đáng tin cậy thông qua các kỹ thuật đánh giá được chất lượng tuyến, hay ước lượng được chất lượng tuyến trước khi thực hiện truyền thông

1.2.2 Một số thông số đánh giá kỹ thuật ƣớc lƣợng chất lƣợng tuyến

Có rất nhiều thông số có thể được chọn làm chỉ tiêu để đánh giá hiệu năng của

kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến Do đó, tùy thuộc vào những yêu cầu của các ứng dụng cụ thể mà một hoặc tất cả những thông số dưới đây được sử dụng

 Tỷ lệ nhận gói (Packet delivery ratio - PDR): là tỷ lệ các gói tin truyền

thành công về sink, đánh giá độ tin cậy của mạng Giá trị PDR càng cao, mạng càng đáng tin cậy

 PDR: Được tính bằng tổng số gói nhận được tại sink / tổng số gói phát đi

tại các nút nguồn

 Path length: Số chặng (hops) trung bình mà gói tin phải đi qua để tới sink

Thông số này thể hiện chiều sâu của một nút trong định tuyến trong mạng Path length đánh giá độ trễ của gói tin và hiệu suất sử dụng năng lượng trong mạng

 Path quality: Thông số đánh giá chất lượng của quãng đường từ nút tới

sink, được tính bằng tích của các link quality từng tuyến trên đường từ nút tới sink, với link quality từng tuyến tính bằng tỷ lệ gửi gói tin thành công trên tuyến đó

 Chi phí gửi tin (Packet delivery cost - PDC): Thông số thể hiện mức độ

tiêu thụ năng lượng đã sử dụng trong mạng Chi phí gửi gói được xác định bằng tổng số gói tin gửi đi được truyền đi trên toàn mạng trên các bản tin

dữ liệu được nhận tại sink.Với tất cả các gói tin được gửi đi trên các nút gồm các gói bản tin dữ liệu (data msg), các gói thăm dò (beacon packet), các gói thông báo (announcement packet), các gói xác nhận (ACK) và các gói tin được gửi lại (retransmitted packet)

 PDC: Được tính bằng (msg_tx+forward)/tx PDC là một thông số quan

trọng, nó phản ánh mức độ tiêu tốn năng lượng của mạng, PDC càng cao mạng càng sử dụng nhiều năng lượng do đó thời gian sống của toàn mạng

sẽ bị rút ngắn lại Trên thực tế, giá trị PDC thường cao bởi sự truyền lại gói tin ở mức liên kết sẽ xảy ra và cũng bởi vì bộ ước lượng cũng phải chịu phí tổn để gửi đi cả gói tin beacon và gói tin announcement

Từ đây có thể thấy rằng kỹ thuật ước lượng chất lượng tuyến phải đáp ứng được những yêu cầu sau:

 Hiệu quả sử dụng năng lượng

tuyến Thông số mới được đề xuất là “số lần truyền kỳ vọng” (Expected

transmission count- ETX)

Mục đích chủ yếu của thông số ETX là tìm đường đi có hiệu suất truyền thông cao và hiệu quả sử dụng năng lượng tốt để tránh những liên kết có chất lượng kém, phải truyền đi truyền lại nhiều lần mới có thể truyền thành công một gói tin ETX của một tuyến là sự cộng dồn số lần truyền được yêu cầu tại mỗi liên kết trong toàn tuyến đó ETX tại một liên kết được ước lượng theo tỷ lệ mất gói theo 2 chiều Từ đó có thể thấy ước lượng tuyến đóng vai trò chủ yếu trong quyết định chọn đường đi tốt nhất của quá trình định tuyến

Thông số ETX được tính toán dựa trên việc tính toán gói tin bị mất trong quá trình truyền thông tin giữa một cặp nút hàng xóm, từ đó tìm ra được đường

đi có chất lượng tốt: hiệu suất truyền thông cao, hiệu quả sử dụng năng lượng

cao, giúp giảm thiểu tối đa số lần truyền dữ liệu giữa các liên kết kém chất lượng trên toàn vùng mạng

Giá trị ETX của một liên kết (link ETX) là số lần truyền dữ liệu cần thiết

để gửi một gói tin từ nguồn đến đích qua liên kết đó, bao gồm cả việc truyền lại Hình dưới đây minh họa cách tính ETX của 1 liên kết

Hình 1.22: Minh họa cách tính ETX của 1 liên kết

Giá trị ETX của một tuyến (route ETX) bằng tổng các ETX của mỗi liên kết (chặng) trong toàn tuyến đó Hình dưới đây minh họa cách tính ETX của một tuyến

Hình 1.33: Minh họa cách tính ETX của 1 tuyến

Nhờ có giá trị ETX mà quá trình định tuyến tránh được tất cả các liên kết bất đối xứng, tránh được những liên kết bị suy giảm phẩm chất mà chỉ chọn những tuyến có hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng

Chương 2: Một số kỹ thuật đánh giá chất lượng tuyến

trong mạng cảm biến không dây 2.1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, lĩnh vực mạng cảm biến, cũng như mạng cảm biến không dây được cả cộng đồng khoa học và cộng đồng doanh nghiệp, tập đoàn quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển bởi việc ứng dụng tất yếu và phổ biến trong nhiều xã hội như trong hệ thống điện tử, điện - điện tử dân dụng, hệ thống đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, dây truyền công nghiệp, công nghệ ôtô, hệ thống giám sát khí hậu, môi trường thủy sản, nông lâm nghiệp và y tế Tuy nhiên, truyền thông không dây đang gặp phải nhiều thách thức như mất liên kết ngẫu nhiên, nhiễu đường truyền và sự di động của thiết bị Chính điều này dẫn đến mất dữ liệu trong quá trình truyền thông không dây, gây ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng Với đặc trưng tiết kiệm năng lượng và hoạt động trong thời gian dài vừa là ưu điểm, vừa là những thách thức cần nghiên cứu và giải quyết đối với lĩnh vực mạng cảm biến không dây

Trong [1], [2],[3],[4] các tác giả đã đánh giá rằng yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là chất lượng tuyến Bởi vậy, việc xác định được chất lượng tuyến trước khi thực hiện truyền thông là vấn đề mấu chốt quyết định đến chất lượng truyền thông không dây không chỉ đối với mạng cảm biến không dây

Trong thời gian qua, nhiều nhà khoa học về lĩnh vực mạng cảm biến không dây đã nghiên cứu về kỹ thuật, cũng như kỹ thuật về ước lượng chất lượng tuyến, nên có khá nhiều kỹ thuật ước lượng tuyến được đề xuất Hiện nay, kỹ thuật ước lượng tuyến được chia thành hai loại đó là ước lượng tuyến dựa trên phần cứng

và ước lượng tuyến dựa trên phần mềm

Ước lượng dựa trên phần cứng có nghĩa là kỹ thuật sử dụng trực tiếp thông

số bộ thu phát được gắn liền trong gói tin nhận được, ví dụ: Link Quality Indicator (LQI), Received Signal Strength Indicator (RSSI) và Signal-to-Noise Ratio (SNR) để dựa vào đó tính ra được tuyến nào có chất lượng tốt hơn so với các tuyến còn lại [5]

Ước lượng dựa trên phần mềm phân ra hai loại nhỏ: ước lượng trực tiếp và ước lượng dựa trên độ tin cậy Trong kỹ thuật ước lượng trực tiếp, giá trị ETX của một liên kết được tính trực tiếp bằng số lần truyền vật lý của gói tin unicast [7].Trong khi kỹ thuật ước lượng dựa trên độ tin cậy lại ước lượng dựa trên tỷ lệ nhận của gói tin quảng bá- gọi là beacon [6] Ngoài ra, còn có kỹ thuật là sự kết hợp hai loại kỹ thuật trên: chất lượng tuyến được ước lượng dựa trên giao tiếp unicast và beacon [8]

2.2 Kỹ thuật LQI (Link Quality Indicator)

2.2.1 Ý tưởng của kỹ thuật LQI

Kỹ thuật LQI là kỹ thuật ước lượng tuyến dựa trên phần cứng, dựa trên thông số của bộ thu và bộ phát không dây để xác định chất lượng của tuyến Tức

là, kỹ thuật LQI dựa trên khai thác thông tin trực tiếp từ bộ thu phát sóng không dây thí dụ như bộ CC2420, giá trị đo đạc các đặc tính vật lý đính kèm trong gói tin nhận được Các thông số đó có thể là:

Chỉ số chất lượng liên kết - LQI (Link Quality Indicator)

Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được - RSSI (Received Signal Strength Indicator)

Tỷ số tín trên tạp - SNR (Signal-to-Noise Ratio)

Các thông số này được hệ thống tính toán và gửi kèmtheo gói tin để nơi nhận xác định được chất lượng tuyến của kênh truyền đó

2.2.2 Mô tả kỹ thuật LQI

Kỹ thuật sử dụng lại các mô đun (module) của giao thức cây thu thập- CTP (Collection Tree Protocol- CTP) [9], đó là module thu thập, module quản lý hàng xóm, module định tuyến Kỹ thuật LQI chỉ thay đổi module ước lượng tuyến Cách tính giá trị ETX của kỹ thuật dựa vào thông số LQI được đính kèm trong các gói tin nhận được Quá trình cập nhật ETX của LQI được minh họa trong hình 2.1

Hình 2.1: Lưu đồ cập nhật ETX (LQI)

Với các thông số lớp vật lý, chất lượng tuyến được đánh giá tốt khi giá trị LQI cao, nên nếu lấy trực tiếp giá trị ETX = LQI để ước lượng thì bị ngược với yêu cầu của CTP là tìm tuyến có rtmetric nhỏ (tương đương với ETX nhỏ), nên giá trị ETX được tính bằng công thức: ETX = 255- LQI Với cách tính này, đảm bảo sự chính xác của cơ chế CTP, nút cha được chọn là nút có rtmetric nhỏ nhất, tương ứng với ETX nhỏ nhất, tương ứng với LQI lớn nhất

Sau khi tính được giá trị ETX thì giá trị 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

2.2.3 Nhận xét kỹ thuật LQI

Ưu điểm chính của những thông số trên là không yêu cầu bất cứ một sự tính toán nào mà chúng được lấy trực tiếp từ thiết bị phần cứng.Thêm nữa, những thông số này có thể lấy được từ bất kỳ gói tin nào nhận được, không phân biệt là gói tin unicast hay broadcast

Nhược điểm kỹ thuật LQI là những thông số này phụ thuộc nhiều vào tính chính xác của thiết bị phần cứng Ngoài ra việc tính toán thông số này 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 Hơn nữa, kỹ thuật ước lượng tuyến dựa trên phần cứng chưa giải quyết được vấn đề bất đối xứng của tuyến

2.3 Kỹ thuật ETX (Expected Transmission Count)

2.3.1 Ý tưởng của kỹ thuật ETX

Kỹ thuật ETX là kỹ thuật ước lượng dựa trên phần mềm nên yêu cầu một

cơ chế dự đoán chất lượng tuyến dựa trên các thông tin độc lập với thông số từ thiết bị phần cứng Tức là, dựa vào tỷ lệ tiếp nhận gói tin, quá trình ước lượng tuyến có thể nắm bắt được sự thay đổi chất lượng tuyến, hay cần phải có sự trao đổi gói tin thường xuyên giữa các nút để cập nhật kịp thời thông tin cho việc ước lượng chất lượng tuyến

Mỗi nút đều gửi gói tin quảng bá (beacon) theo chu kỳ, gói tin chứa địa chỉ nút gửi và số thứ tự của gói tin Phía nhận có thể ước lượng tỷ lệ nhận gói tin của

liên kết từ nút gửi tới chính nó, gọi là tỷ lệ nhận gói tin nghịch ( prr_reverse), tỷ

lệ này được tính dựa vào sự cách quãng trong dãy số thứ tự các gói tin nhận được, khoảng cách này là số gói tin beacon bị mất trên đường truyền Nếu trong gói tin beacon gửi tới phía nhận có chứa tỷ lệ nhận gói của liên kết thuận

(prr_forward)-tỷ lệ nhận gói thuận mà phía nhận truyền tới nút gửi trước đó- tính

được ước lượng theo 2 chiều Do đó, ước lượng 2 chiều dựa trên độ tin cậy được tính như sau:

ETX = 1/ (prr_forward * prr_reverse) (2.1)

2.3.2 Mô tả kỹ thuật ETX

Kỹ thuật ETX cũng sử dụng các module được thiết lập sẵn trong Contiki

OS, chỉ thay đổi module ước lượng tuyến Kỹ thuật thuật ETX có cơ chế ước lượng dựa trên gói beacon nên có nhiều quá trình phức tạp hơn các kỹ thuật ước lượng dựa trên phần cứng (LQI)

Quá trình gửi gói tin beacon như sau:

Hình 2.2: Lưu đồ quá trình gửi gói tin beacon (ETX)

Gói tin beacon có trường info chứa thông tin của bảng hàng xóm của nút Đầu tiên kiểm tra xem nút có hàng xóm không, nếu không có sẽ thiết lập trường info bằng 0 và gửi, nếu có sẽ thiết lập hàng xóm và giá trị ETX của liên kết từ hàng xóm tới nút vào trường info để gửi đi

Quá trình nhận gói tin beacon như sau:

Hình 2.3: Lưu đồ quá trình nhận gói tin beacon trong kỹ thuật ETX

Qua hình vẽ, nút A nhận được gói tin beacon từ nút B, qua quá trình xử lý

có được giá trị ETX-forward được đính kèm trong gói tin (ETX(AB)), từ quá

trình process-beacon tính được giá trị ETX của chiều tới (ETX(BA) Kết hợp hai

giá trị ETX được giá trị ETX theo 2 chiều

Quá trình xử lý gói tin beacon gửi tới để tính được giá trị ETX chiều tới

(ETX(BA)) Khoảng gửi beacon: BEACON_INTERVAL = 6 * CLOCK_SECOND

Hình 2.4: Lưu đồ quá trình xử lý gói beacon nhận được (ETX)

Xét nút A nhận gói tin beacon từ nút B, tại nút A tính toán tỉ lệ nhận thành công các gói tin (PRR) từ nút B tới nút A dựa trên số beacon nhận được (beacon-recerived) và số beacon bị mất (beacon-failed):

Cửa sổ cập nhật 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 trượt trung bình trọng số theo hàm mũ – EWMA (Exponentially Weighted Moving Average) như sau: PRR new = α*PRRold + (1- α)*PRRlast (2.3)

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

ETX của tuyến B A được tính như sau:

ETX(BA) (2.4)

Sau các quá trình cơ bản trên, giá trị ETX được cập nhật và sử dụng để ước lượng chất lượng tuyến

2.3.3 Nhận xét kỹ thuật ETX

Vì kỹ thuật ETX sẽ dựa chính vào thông số ETX - số lần truyền kỳ vọng

Mà, mục tiêu của thông số ETX là giảm thiểu số lần truyền dự kiến để truyền thành công một gói tin unicast, từ đó tìm được tuyến đường có hiệu suất truyền thông cao Nhờ đó, có thể giảm thiểu năng lượng hao phí xảy ra do việc cố gắng truyền gói tin trên một tuyến có chất lượng kém

Tuy nhiên, việc tính toán giá trị ETX phụ thuộc nhiều vào khoảng thời gian gửi beacon và kích thước cửa sổ cập nhật Nếu khoảng gửi càng nhỏ hay kích thước cửa sổ cập nhật càng nhỏ thì kỹ thuật ước lượng càng có khả năng thích ứng với sự thay đổi chất lượng liên kết Tuy nhiên, khi đó chi phí sẽ tăng cao hơn

do phải gửi nhiều gói beacon hơn

2.4 Kỹ thuật DE (Direct Estimate)

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:

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