Mạng cảm biến không dây và ứng dụng trong mạng lưới điện thông minh

Vấn đề nghiên cứu của luận văn Các công nghệ mạng truyền thông tiên tiến có thể được tích hợp trong các hệ thống lưới điện thông minh nhằm cải thiện hiệu suất, khả năng thích ứng và tín

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG

MẠNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả được trình bày trong luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của bất kỳ tác giả nào khác Các số liệu trong luận văn được sử dụng là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ ai

Hà Nội, ngày 10 tháng 03 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Văn Túc

2

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn đối với thầy giáo PGS.TS Ngô Hồng Sơn đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp tôi thực hiện và hoàn

thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, đồng nghiệp

đã quan tâm, động viên và tạo điều kiện trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn của mình

Hà Nội, ngày 10 tháng 03 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Văn Túc

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 10

1 Vấn đề nghiên cứu của luận văn 10

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

3 Nội dung của luận văn 10

CHƯƠNG 1 CƠ BẢN VỀ SMART GRID, WSN VÀ RPL 11

1.1 Tổng quan về Smart Grid 11

1.1.1 Khái niệm Smart Grid 11

1.1.2 Chức năng và đặc tính của Smart Grid 11

1.1.3 Các yếu tố chính của Smart Grid 12

1.2 Hệ thống AMI trong Smart Grid 13

1.2.1 Khái niệm AMI 13

1.2.2 Các thành phần của AMI 13

1.2.3 Các lợi ích của hệ thống AMI 16

1.3 Tổng quan về WSN 16

1.3.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây 16

1.3.2 Cấu trúc mạng cảm biến 17

1.3.3 Ứng dụng mạng cảm biến 18

1.4 Giao thức định tuyến RPL 18

4

1.4.1 Khái niệm 18

1.4.2 Nguyên tắc thiết kế RPL 21

1.4.3 Quá trình định tuyến upward 21

CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN RPL CỦA HỆ THỐNG AMI TRONG SMART GRID 23

2.1 Lý do sử dụng WSN trong hệ thống AMI 23

2.2 Hoạt động của RPL trong AMI 24

2.2.1 Thông tin về mạng 24

2.2.2 Quy tắc chuyển tiếp dữ liệu 25

2.2.3 Tính toán DAG Rank 25

2.2.4 Cơ chế ghi và cập nhật đường đi 26

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐỊNH TUYẾN RPL CỦA HỆ THỐNG AMI 28

3.1 Giới thiệu Contiki OS 28

3.1.1 Hệ điều hành Contiki OS 28

3.1.2 Chương trình mô phỏng COOJA 29

3.2 Kịch bản mô phỏng 1 29

3.2.1 Phương pháp đánh giá 29

3.2.2 Mô hình các nút mạng 30

3.2.3 Mô phỏng và kịch bản mô phỏng 31

3.2.4 Thống kê số liệu 37

3.2.5 Phân tích số liệu 38

3.2.6 Đánh giá và khuyến nghị 41

3.3 Kịch bản mô phỏng 2 42

3.3.1 Kịch bản mô phỏng 43

5

3.3.2 Kết quả mô phỏng và đánh giá 44

3.3.3 Kết luận mô phỏng 2 46

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47

1 Kết luận 47

2 Hướng phát triển 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AMI Advanced metering infrastructure

DODAG Destination Oriented DAG

ICMP Internet Control Message Protocol

7

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Kiến chúc Smart Grid 12

Hình 1.2: Hệ thống HES và MDMS 15

Hình 1.3: Sơ đồ khối phân tử cơ sở của mạng 15

Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến [15] 17

Hình 1.5: Mô hình RPL DAG [8,13] 19

Hình 1.6: RPL INSTANCE và DAG sequence number [13] 20

Hình 2.1: Hệ thống AMI [15] 23

Hình 2.2: Cơ chế ghi và cập nhật đường đi 26

Hình 3.1: Kiến trúc Contiki OS 28

Hình 3.2: Giao diên mô phỏng trong chương trình COOJA 29

Hình 3.3: Topo các nút trọng mạng 31

Hình 3.4: Tạo mô phỏng mới với Cooja 32

Hình 3.5: Chọn Mô hình truyền thông vô tuyến 32

Hình 3.6: Sử dụng nút cảm biến giả lập trong Cooja 33

Hình 3.7: Nạp mã nguồn chương trình cho nút cảm biến giả lập trong Cooja 33

Hình 3.8: Giao diện tạo nút cảm biến giả lập 34

Hình 3.9: Phân bố của các nút giả lập 34

Hình 3.10: Mở giao diện Collect View của nút 01 35

Hình 3.11: Cửa sổ giao diện Collect View của nút 01 35

Hình 3.12: Cửa sổ giao diện Simulation Script Editor 36

Hình 3.13: Cửa sổ giao diện Control Panel 36

Hình 3.14: Điện năng tiêu thụ các nút 39

8

Hình 3.15: So sánh mức tiêu thụ năngLượng 40

Hình 3.16: Tỷ lệ truyền gói tin 40

Hình 3.17: So sánh tỷ lệ truyển gói tin 41

Hình 3.18: Tỷ lệ truyền gói tin 44

Hình 3.19: Độ trễ trung bình 45

9

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các tham số của mô phỏng 1 37 Bảng 3.2: So sánh hàm mục tiêu OF0 và ETX 41 Bảng 3.3: Các tham số mô phỏng 2 43

10

MỞ ĐẦU

1 Vấn đề nghiên cứu của luận văn

Các công nghệ mạng truyền thông tiên tiến có thể được tích hợp trong các hệ thống lưới điện thông minh nhằm cải thiện hiệu suất, khả năng thích ứng và tính bền vững Trong luận văn này, tôi thực hiện phân tích các thành phần chính của kiến trúc truyền thông trong lưới điện thông minh, tìm hiểu công nghệ kết nối có thể được sử dụng, tập chung vào phần cơ sở hạ tầng đo đếm điện tiên tiến, sử dụng

để kết nối các công tơ thông minh được triển khai tại cơ sở của khách hàng với hệ thống truyền tải Thiết kế các giải pháp mạng cho hệ thống AMI để nó đáng tin cậy

và hiệu quả là một vấn đề nghiên cứu quan trọng Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng tổn hao năng lượng thấp (RPL) gần đây đã được cộng đồng IETF nghiên cứu

và đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng AMI điển hình

Trong luận văn này tôi trình bày tổng quan về giao thức và phân tích những lợi thế và giới hạn tiềm năng của RPL trong các ứng dụng AMI Chúng tôi cũng tiến hành đánh giá hiệu suất của RPL trong AMI bằng cách sử dụng các hàm mục tiêu trong giao thức định tuyến RPL và mô phỏng mạng

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là giao thức định tuyến RPL ứng dụng

vào hệ thống đo đếm điện tiên tiến (AMI) trong Smart Grid – một giao thức định tuyến mới đang trong quá trình nghiên cứu và hết sức cần thiết

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu về giao thức định tuyến RPL,

đánh giá giao thức khi sử dụng trong hệ thống mạng AMI

3 Nội dung của luận văn

Luận văn được trình bày trong 4 chương như sau:

Chương 1 : Cơ bản về WSN, RPL và Smart Grid

Chương 2 : Định tuyến RPL của hệ thống AMI

Chương 3 : Mô phỏng giao thức định tuyến RPL của hệ thống AMI

Chương 4 : Kết luận

11

CHƯƠNG 1 CƠ BẢN VỀ SMART GRID, WSN VÀ RPL

1.1 Tổng quan về Smart Grid

1.1.1 Khái niệm Smart Grid

Lưới điện thông minh (Smart Grid) [1,3,11] là một hệ thống điện được ứng dụng các công nghệ tiên tiến nhằm mục đích phân phối điện năng từ nhà máy điện đến các khách hàng Lưới điện thông minh sử dụng cơ sở hạ tầng điện năng hiện tại bằng cách tích hợp công nghệ thông tin với truyền thông để tương tác với các thiết

bị điện trong gia đình nhằm tiết kiệm năng lượng điện, giảm chi phí và tăng độ tin cậy

1.1.2 Chức năng và đặc tính của Smart Grid

a Các lưới điện thông minh có thể thực hiện các thao tác sau

 Trao đổi dữ liệu về nguồn điện, người tiêu dùng và mạng lưới qua Internet và xử lý số liệu này bằng công nghệ thông tin;

 Tích hợp nhiều cơ sở sản xuất điện nhỏ hơn với nhau;

 Cân bằng được những thay đổi về sản lượng điện phát sinh do sử dụng năng lượng tái tạo;

 Luôn đảm bảo có có đủ điện trong lưới;

 Giảm lượng tiêu hao năng lượng trên dây dẫn, tăng cường chất lượng điện năng

b Đặc tính

Hiện nay nhu cầu sử dụng và khả năng cung cấp điện năng đang là vấn đề được rất nhiều người quan tâm Chúng ta phải nhanh chóng có những giải pháp cải thiện hệ thống điện truyền thống ngày nay nhằm tiết kiệm điện và sử dụng điện một cách hợp lý Vì vậy, việc tạo ra hệ thống điện thông minh đảm nhận các chức năng trên là rất cần thiết Điều này có lợi cho cả khách hàng lẫn nhà sản xuất và phân phối điện năng

Để đáp ứng yêu cầu trên, hệ thống điện thông minh cần có các đặc tính sau:

 Trợ giúp sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo;

 Cung cấp khả năng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện;

 Tối ưu hóa vận hành HTĐ để giảm chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện

1.1.3 Các yếu tố chính của Smart Grid

Mạng lưới thông minh: gồm thiết bị phần cứng và phần mềm được áp dụng công nghệ thông tin và truyền thông để điều khiển, kiểm tra, giám sát hệ thống điện Mạng lưới kéo dài từ bên trong nhà đến công tơ điện hoặc gần đó, thông qua một các bộ tập trung dữ liệu và cuối cùng thông qua internet Nhằm đảm bảo an toàn,

ổn định và nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống điện

Hình 1.1: Kiến chúc Smart Grid

13

Các thiết bị trong gia đình: Bộ điều chỉnh nhiệt thông minh có thể điều chỉnh

từ xa bằng tiện ích hoặc người tiêu dùng để tiết kiệm năng lượng khi tải cao điểm, giá năng lượng cao hoặc thay đổi trong sản xuất năng lượng tái tạo Màn hình hiển thị năng lượng tại nhà cho khách hàng biết về mức sử dụng và chi phí năng lượng trong thời gian thực và có thể truyền thông điệp khẩn cấp từ tiện ích Sử dụng điều khiển tải được kết nối với các thiết bị để tiết kiệm lượng năng lượng sử dụng

Các thiết bị theo dõi và điều khiển lưới: Các máy biến thế, cảm biến điện áp,

và các thiết bị khác, đáp ứng tình trạng thiếu điện và cho phép điều phối lưới điện tốt hơn

Để có thể giải quyết được những thách thức của hệ thống điện hiện tại cũng như những đặc tính chính của Smart Grid trong tương lai, các công ty điện lực cần tập trung vào bốn lĩnh vực sau:

giữa nhà cung cấp và khách hàng sử dụng điện

1.2 Hệ thống AMI trong Smart Grid

1.2.1 Khái niệm AMI

Hệ thống đo đếm tiên tiến (AMI) [12,14,18] là hệ thống đo đếm, thu thập và phân tích điện năng từ các công tơ thông minh, thông qua các kết nối mạng khác nhau theo yêu cầu hoặc theo lịch định sẵn D ữ liệu thu thập được từ công tơ trong hệ thống AMI sẽ được ghi lại, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu đo đếm tập trung (MDMS)

1.2.2 Các thành phần của AMI

AMI bao gồm các thành phần phần cứng và phần mềm khác nhau, tất cả đều đóng vai trò đo lượng tiêu thụ năng lượng và truyền tải thông tin về sử dụng năng lượng điện cho các công ty điện lực và khách hàng Các thành phần của AMI bao

 Bộ tập trung dữ liệu (DCU) thu nhận hoặc gửi thông tin từ công tơ tới hệ thống quản lý dữ liệu đo đếm MDMS;

 Hệ thống đầu cuối (HES): được kết nối với thiết kế vật lý của công tơ Chức năng của HES:

 Quản lý người dùng

 Nhận dạng, xác định giao thức truyền thông với công tơ

 Thu thập dữ liệu công tơ

 Trao đổi dữ liệu với MDMS

 Hệ thống quản lý dữ liệu đo đếm (MDMS): hệ thống nhận, lưu trữ, phân tích và xử lý tất cả các thông tin đo được MDMS bao gồm:

 Phần mềm quản lý

 Cơ sở dữ liệu cho thông tin thu thập

 Giao diện với các hệ thống khác

 Giao diện vận hành (giao diện này có thể tùy chỉnh theo nhu cầu của người dùng)

15

Hình 1.2: Hệ thống HES và MDMS

Hình 1.3: Sơ đồ khối phân tử cơ sở của mạng

16

1.2.3 Các lợi ích của hệ thống AMI

Lợi ích của AMI có thể được phân loại là [18]:

a) Lợi ích về hoạt động

Hệ thống AMI nâng cao độ chính xác của việc đọc công tơ, phát hiện trộm cắp năng lượng và đáp ứng tình trạng thiếu điện, đồng thời không cần phải đọc chỉ số công tơ tại chỗ

b) Lợi ích về tài chính

Hệ thống AMI mang lại lợi ích về tài chính cho các công ty điện lực bằng cách giảm chi phí thiết bị và bảo trì, giúp phục hồi nhanh chóng dịch vụ điện trong thời gian ngừng hoạt động và đơn giản quá trình thanh toán

c) Lợi ích của Khách hàng

Hệ thống AMI đem lại lợi ích cho khách hàng điện tử bằng cách phát hiện sớm những công tơ bị hỏng, giúp phục hồi nhanh hơn các dịch vụ và nâng cao độ chính xác, tính linh hoạt trong thanh toán Hơn nữa, AMI cho phép lựa chọn tỷ lệ dựa trên thời gian có thể giúp khách hàng tiết kiệm tiền và quản lý mức tiêu thụ điện

1.3 Tổng quan về WSN

1.3.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) [6] là một mạng không dây gồm nhiều các nút, sử dụng các cảm biến để theo dõi,tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các thông tin về môi trường, hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát

Các nút cảm biến có kích thước nhỏ, thực hiện thu thập dữ liệu và giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến Các thành phần của nút cảm biến bao gồm: các bộ vi

xử lý, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, bộ nguồn Kích thước của các cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng

Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau [6]:

 Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp;

17

 Kích thước vật lý nhỏ gọn;

 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao;

 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng;

 Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc vào chất lượng và hư hỏng ở các nút;

 Các nút trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý

Nút sink là một thực thể mà ở đó thông tin được yêu cầu Nút sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị như máy tính xách tay được tương tác với mạng cảm biến, hoặc chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi có các yêu cầu đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng

Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến [15]

Luận văn trình bày tổng quan về RPL với hai mục tiêu [8]:

 Tìm hiểu các đặc tính của giao thức và các nguyên tắc thiết kế cho phép RPL được sử dụng trong các hệ thống AMI với nhiều công tơ thông minh được kết nối với nhau thông qua mạng lưới multihop

 Xác định các hạn chế có thể sảy ra của thiết kế RPL, có thể cản trở khả năng của RPL để đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng AMI

1.4.1 Khái niệm

RPL (Routing Protocol for Low Power and Lossy Network) [8,13,17] là giao thức định tuyến được sử dụng cho mạng tổn hao năng lượng thấp Quá trình phát triển RPL nhận được sự quan tâm, đóng góp của nhiều tổ chức, cá nhân đến từ những tổ chức nghiên cứu khoa học, các trường đại học, viện nghiên cứu trên toàn thế giới

Giao thức RPL đ ư ợ c xây dựng và sử dụng các DAG trong mạng để thực hiện quá trình định tuyến DAG (hình 1.2) là một topo mạng mà mọi liên kết giữa các nút trong DAG đều có hướng nhất định, hướng về một DAG ROOT và đảm bảo không tạo ra các vòng lặp trong DAG

19

Hình 1.5: Mô hình RPL DAG [8,13]

Ý tưởng của RPL là các nút tự tổ chức bằng cách tạo các DODAGs (Destination Oriented DAGs) [8] dựa vào một nút sink (DAG ROOT) được xác định bởi thông số DODAGID Các DODAGs được đánh giá dựa vào hàm mục tiêu (OF), chỉ ra các ràng buộc và các chỉ số được sử dụng (ví dụ: số hop, độ trễ, số lượng truyền mong đợi, năng lượng, ) Mỗi nút được gán một thứ hạng xác định

vị trí của nó trong DODAG

RPL sử dụng khái niệm DAG INSTANCE [8], là một tập hợp của nhiều DODAGs Một nút có thể là một thành viên của nhiều DAG INSTANCEs nhưng có thể thuộc về nhiều nhất một DODAG cho mỗi DAG INSTANCE RPL xây dựng và duy trì các tuyến đi lên của DODAGs bằng cách truyền tải thông điệp DIO Thông báo DIO chứa nhiều thông tin: RPL INSTANCE, DODAGID, RANK, DODAG VersionNumber Việc truyền các tin nhắn DIO bởi một nút được quy định bởi một

bộ đếm thời gian Mỗi nút giám sát các thông điệp DIO hàng xóm của mình trước khi gia nhập một DODAG Sau đó, nó chọn một DODAG cha đặt từ hàng xóm của mình và cuối cùng tính RANK của nó Thông điệp DAO nhằm mục đích duy trì

20

các tuyến đi xuống Gửi một gói tin đến DAG ROOT bao gồm việc lựa chọn cha

mẹ được thích hợp với bậc thấp hơn Bất kỳ nút nào trong RPL đều có thể gửi thông điệp DIS để thu thập thông điệp DIO từ hàng xóm

Hình 1.6: RPL INSTANCE và DAG sequence number [13]

Trong RPL đề cập đến 2 hướng định tuyến: upward và downward Upward

là chiều đi từ các nút ở xa DAG ROOT hướng về DAG ROOT Downward là chiều ngược lại, hướng từ DAG ROOT đến các nút ở xa hơn

RPL sử dụng bản tin điều khiển gồm: DIS, DIO, DAO để quảng bá các thông tin định tuyến trong mạng DIO là bản tin mang thông tin về DAG, được gửi

từ các nút cha đến các nút con và được sử dụng để xây dựng DAG DIS chỉ thực hiện nhiệm vụ quảng bá sự xuất hiện của nút và yêu cầu những nút khác phản hồi bằng các bản tin DIO DAO là bản tin được gửi từ một children đến các parent nhằm quảng bá khả năng tham gia định tuyến theo chiều downward của các nút trong mạng

21

1.4.2 Nguyên tắc thiết kế RPL

RPL được thiết kế để hoạt động trong các mạng quy mô lớn tạo thành từ các thiết bị nhỏ bé giao tiếp qua điện năng thấp và công nghệ truyền thông chi phí thấp

Vì những lý do này, mục tiêu chính của RPL là [8]:

 Giảm thiểu yêu cầu bộ nhớ (tức là, không gian lưu trữ để duy trì thông tin định tuyến và bảng định tuyến)

 Áp dụng các cơ chế định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu có độ phức tạp thấp để tạo thuận lợi cho việc triển khai trên các bộ vi điều khiển đơn giản với khả năng hạn chế

 Phân phối thông tin định tuyến nhỏ gọn để hỗ trợ các công nghệ lớp liên kết với các kích thước khung hạn chế

 Phát hiện các liên kết một cách hiệu quả để phù hợp với các mạng không

có topo được xác định trước (ví dụ: các mạng vô tuyến đa kênh)

Hơn nữa, RPL chủ yếu được tối ưu hóa cho các yêu cầu định tuyến của mạng thu thập dữ liệu, nơi mà hầu hết các kết nối là multipoint-to-point; Nghĩa là nó chạy

từ các nút RPL tới một điểm tập kết mạng duy nhất (tức là nút Nút sink trong thuật ngữ của mạng cảm biến) Mặt khác, việc định tuyến kém hiệu quả hơn được hỗ trợ cho các point-to-multipoint (ví dụ từ điểm điều khiển trung tâm đến một tập con của các nút RPL) Tuy nhiên, những kịch bản ứng dụng cho lưới điện thông minh nó có các đặc điểm lưu lượng dữ liệu khác nhau Đặc biệt, trong nhiều ứng dụng AMI lưu lượng truy cập nội bộ là hai chiều Một ví dụ điển hình là trường hợp các công ty muốn chủ động yêu cầu các thiết bị công tơ thông minh báo cáo mức tiêu thụ điện năng của thiết bị gia đình hiện tại hoặc dự kiến báo tải trong tương lai cũng như sửa đổi lịch biểu của các hoạt động gia đình Một ví dụ khác là giá điện thay đổi, khi đó các ứng dụng cần định kỳ gửi giá năng lượng cập nhật cho các HEMS riêng lẻ để cho phép ứng dụng đáp ứng nhu cầu

1.4.3 Quá trình định tuyến upward

Định tuyến upward là một phương thức chuẩn cho phép các thiết bị mạng gửi

dữ liệu đến một nút sink, đôi khi là gateway hoặc nút gốc Trong một kịch bản

Khi một nút được khởi tạo với vai trò DAG ROOT, nút sẽ thực hiện việc tạo những bản tin DIO với rank bằng 1 và quảng bá chúng đến các nút xung quanh Những nút gần root nhất khi nhận được DIO từ DAG ROOT sẽ tham gia vào DAG, cập nhật thông tin trong DIO và xác định rank của bản thân trong DAG Sau

đó nút định thời chuyển tiếp các bản tin DIO đến những nút xung quanh, quảng bá

vị trí và DAG mà nó tham gia Quá trình này được các thành viên trong DAG lặp lại liên tục tại những thời điểm định thời Do đó, quy mô DAG được xây dựng mở rộng tới những nút ở xa DAG ROOT, những nút trong DAG cập nhật được thông tin của các thành viên xung quanh trong DAG

Các nút ở trạng thái tự do (chưa tham gia DAG), nút sẽ định thời gửi các bản tin DIS tới các neighbor để quảng bá Instance mà nó có khả năng tham gia Đồng thời yêu cầu những nút đáp ứng được phản hồi lại những thông tin về DAG

mà chúng tham gia Khi một neighbor nhận được bản tin DIS, nếu đã tham gia một DAG phù hợp với Instance trong DIS, nó sẽ phản hồi bằng một bản tin DIO tới nút gửi DIS Sự phản hồi này sẽ diễn ra ngay sau thời điểm xử lý bản tin DIS mà không đợi tới thời điểm định thời DIO tiếp theo

Quá trình lựa chọn DAG phải tuân theo một số quy tắc sau:

 DAG tham gia phải đáp ứng Instance của nút

 DAG tham gia phải có độ ưu tiên cao nhất và nút có rank thấp nhất

 DAG tham gia phải thỏa mãn các object function của nút

Các công nghệ có dây luôn được đánh giá cao hơn các công nghệ không dây

về độ tin cậy, bí mật và băng thông vì các loại cáp được bảo vệ chống lại sự can thiệp và nghe trộm Hơn nữa, thiết bị thường rẻ hơn so với các giải pháp không dây, cũng như chi phí bảo dưỡng Tuy nhiên, mạng không dây có chi phí lắp đặt thấp và cho phép triển khai nhanh chóng ngay cả trên các khu vực rộng Ngoài ra, những tiến bộ gần đây trong công nghệ không dây băng thông rộng đang cung cấp tốc độ

24

dữ liệu và khả năng của mạng tương đương với các mạng có dây phổ biến Tuy nhiên, các cơ chế định tuyến và cơ sở dữ liệu là rất cần thiết trong mạng lưới đa truy cập để tìm các đường đi tốt nhất Cụ thể hơn, trong các giao thức định tuyến mạng AMI phải đảm bảo rằng việc thu thập dữ liệu, cũng như việc gửi lệnh, được thực hiện một cách kịp thời và đáng tin cậy [8]

Trong các mạng AMI các liên kết giữa các thiết bị có tỷ lệ mất gói cao, băng thông thấp và không ổn định do triển khai mạng không theo quy hoạch và sử dụng công nghệ liên kết công suất thấp Các loại mạng này thường được gọi là các mạng tổn hao năng lượng thấp (LLNs) Trong những năm gần đây, một số giao thức định tuyến đã được đề xuất cho loại mạng này; Tuy nhiên, giải pháp khả thi nhất là giao thức định tuyến RPL [8], do IETF hoàn thành vào tháng 3 năm 2012 RPL có nhiệm

vụ đáp ứng các yêu cầu của một loạt các lĩnh vực ứng dụng LLN, bao gồm tự động hóa tòa nhà, mạng cảm biến đô thị, và các hệ thống AMI quy mô lớn Do tầm quan trọng của việc áp dụng RPL, gần đây, một số bài báo đã đề cập đến đánh giá hiệu suất của RPL trong các trường hợp sử dụng khác nhau, tập trung vào giao thức, độ trễ thiết lập mạng, thông lượng mạng và độ trễ trung bình của gói tin

Mục đích của luận văn này là tìm hiểu một kiến trúc về cơ sở hạ tầng mạng dành riêng cho các lưới điện thông minh Cụ thể hơn, tôi tìm hiểu về cấu trúc của hệ thống đo đếm điện tiên tiến (AMI) và giao thức RPL dùng để định tuyến Giao thức định tuyến RPL đang nổi lên như là giao thức định tuyến liên quan đến Internet thực tế cho các ứng dụng AMI

2.2 Hoạt động của RPL trong AMI

2.2.1 Thông tin về mạng

Chúng ta sử dụng nút 0 để đại diện cho nút sink trong mạng AMI, và số n công tơ bằng nút từ 1 đến nút n Mỗi nút trong mạng được nhận diện bởi một ID duy nhất Thông tin về mạng được lưu trữ tại mỗi nút i(i = 1, 2 , n) bao gồm [12]:

 Thứ hạng của nút i;

 Một danh sách nút cha;

 ID của nút cha mẹ mặc định;