Tiến Sĩ Nghiên cứu xây dựng thuật toán định tuyến trên cơ sở nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . 1
LỜI CẢM ƠN . 2
MỤC LỤC . 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . 9
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . 12
MỞ ĐẦU . 13
1. Tính khoa học và tính cấp thiết của luận án 13
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . 15
3. Mục tiêu của luận án 15
4. Phương pháp luận nghiên cứu . 16
5. Nội dung của luận án . 16
6. Đóng góp của luận án 17
Chương 1. BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY . 19
1.1. Vấn đề năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây . 19
1.2. Tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây 20
1.2.1. Khái niệm và phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến
không dây . 20
1.2.2. Thước đo định tuyến 21
1.2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề
định tuyến 22
1.2.4. Những thách thức đối với vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến
không dây . 23
1.2.5. Một số phương pháp thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến
không dây . 25
1.3. Một số giao thức định tuyến hiệu quả về mặt năng lượng cho mạng
cảm biến không dây . 29
1.3.1. Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu . 29
1.3.2. Giao thức định tuyến dựa trên sự phân cụm 33
1.3.3. Giao thức định tuyến dựa trên vị trí . 37
1.4. Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP . 384
1.4.1. Thước đo định tuyến được sử dụng trong giao thức CTP . 39
1.4.2. Cấu trúc các bản tin trong giao thức CTP 40
1.4.3. Các thành phần chính của giao thức CTP 42
1.4.4. Điểm yếu của giao thức CTP . 43
1.5. Bài toán định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng . 44
1.6. Hiện trạng nghiên cứu và phương pháp tiếp cận bài toán định tuyến có sự
nhận thức về năng lượng trong các nghiên cứu trước đây 48
1.6.1. Định tuyến với tổng năng lượng tối thiểu MTPR (Minimal Total
Power Routing) 48
1.6.2. Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ nhất (Minimum Battery Cost
Routing) . 48
1.6.3. Giao thức định tuyến nhận thức về năng lượng EAR (Energy Aware
Routing) . 49
1.6.4. Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree
Algorithm) . 49
1.6.5. Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng và cân bằng tải 50
1.6.6. Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routing Extensions) 50
1.6.7. Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol) . 50
1.6.8. Giao thức định tuyến ICTP (Improved Collection Tree Protocol) 51
1.6.9. Giao thức định tuyến EQLR (Energy and Link Quality Based Routing
Tree) . 52
1.6.10. Giao thức định tuyến ELR (Energy Aware and Link Quality Based
Routing Protocol) . 52
1.6.11. Giao thức định tuyến EARBB (Energy Aware Routing Based on
Beaconing) . 53
1.7. Giải pháp tiếp cận bài toán trong luận án . 54
1.8. Kết luận chương 1 55
Chương 2. GIAO THỨC CÂY THU THẬP DỮ LIỆU CÓ SỰ NHẬN THỨC VỀ
NĂNG LƯỢNG 56
2.1. Đề xuất mô hình toán học cho bài toán định tuyến cây thu thập dữ liệu có
sự nhận thức về năng lượng . 56
2.1.1. Mô hình kết nối giữa các nút mạng cảm biến không dây dựa trên
lý thuyết đồ thị . 56
2.1.2. Các vấn đề về nhiễu trong mạng cảm biến không dây 575
2.1.3. Mô hình bài toán định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về
năng lượng dựa trên lý thuyết đồ thị 59
2.2. Đề xuất giao thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng
EACTP 61
2.2.1. Mục tiêu và những thách thức trong việc đề xuất giao thức EACTP 61
2.2.2. Những đề xuất cải tiến trong giao thức EACTP 62
2.3. Thực thi giao thức EACTP . 71
2.3.1. Lựa chọn môi trường phát triển phần mềm . 71
2.3.2. Thực thi giao thức EACTP trên hệ điều hành Contiki 73
2.4. Đánh giá giao thức EACTP dựa trên mô phỏng 81
2.4.1. Các tham số đánh giá . 82
2.4.2. Mô hình đánh giá mô phỏng 1 . 83
2.4.3. Mô hình đánh giá mô phỏng 2 . 86
2.4.4. Nhận xét . 88
2.5. Đánh giá giao thức EACTP dựa trên cơ sở phân tích lý thuyết . 89
2.6. Kết luận chương 2 95
Chương 3. TRIỂN KHAI ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 96
3.1. Phần cứng cho mạng cảm biến không dây . 96
3.1.1. Cấu trúc phần cứng của một nút mạng cảm biến không dây . 96
3.1.2. Khảo sát một số nền tảng phần cứng cho mạng cảm biến không dây . 99
3.2. Đề xuất cấu trúc phần cứng TUmote 101
3.2.1. Bộ vi điều khiển MSP430 101
3.2.2. Bộ thu phát vô tuyến CC2420EM . 102
3.2.3. Cảm biến SHT11 . 102
3.2.4. Bộ nhớ ngoài 103
3.2.5. Nguồn cung cấp . 103
3.3. Các thông số kỹ thuật chính của phần cứng TUmote . 103
3.4. Triển khai mô hình đánh giá thực nghiệm với giao thức EACTP sử dụng
phần cứng TUmote 105
3.4.1. Mô hình đánh giá thực nghiệm 1 . 105
3.4.2. Mô hình đánh giá thực nghiệm 2 . 108
3.4.3. Nhận xét . 110
3.5. Kết luận chương 3 111
KẾT LUẬN . 1136
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ . 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 116
PHỤ LỤC 121
Phụ lục 1. Bản thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in phần cứng TUmote 121
Phụ lục 2. Ngăn xếp truyền thông RIME trong hệ điều hành Contiki 124
Phụ lục 3. Giao thức ContikiMAC trong hệ điều hành Contiki 126
Phụ lục 4. Đánh giá mô phỏng với Cooja. 127
Phụ lục 5. Đánh giá thực nghiệm với TUmote 1327
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa tiếng Việt
ACK Acknowledgement Bản tin xác nhận
ADV ADVertisement Bản tin thông báo
APIs Application Programming
Interfaces Các giao diện lập trình ứng dụng
ANR Alive Node Ratio Tỷ lệ nút sống
BCTP Balanced Collection Tree
Protocol
Giao thức cây thu thập dữ liệu cân
bằng tải
BRE Bursty Routing Extensions Định tuyến bùng phát
CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ liệu
DDR Data Delivery Ratio Tỷ lệ chuyển phát dữ liệu
ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng
EACTP Energy Aware Collection Tree
Protocol
Giao thức cây thu thập dữ liệu nhận
thức về năng lượng
EI Energy Indicator Chỉ số năng lượng
EIB Energy Indicator Balance Mức cân bằng chỉ số năng lượng
ES Energy State Trạng thái năng lượng
EAR Energy Aware Routing Định tuyến nhận thức năng lượng
GAF Geographic Adaptive Fidelity Định tuyến thích ứng vị trí
GEAR Geographic and Energy Aware
Routing
Định tuyến nhận thức năng lượng
và vị trí
HT Hard Threshold Ngưỡng cứng
ICTP Improved Collection Tree
Protocol
Giao thức cây thu thập dữ liệu cải
tiến
LEACH Low Energy Adaptive Clustering
Hierarchy
Kiến trúc phân cụm thích ứng năng
lượng thấp
LQI Link Quality Indicator Chỉ số chất lượng liên kết8
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập kênh truyền
MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng tùy biến di động
MECN Minimum Energy
Communication Network
Mạng truyền thông năng lượng
thấp
PEGASIS Power-Efficient Gathering in
Sensor Information System
Hệ thống thu thập thông tin cảm
biến hiệu quả năng lượng
PHY Physical layer Lớp vật lý
RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên
ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc
SPIN Sensor Protocols for Information
via Negotiation
Các giao thức định tuyến thông qua
thương lượng
SPIN-PP Sensor Protocols for Information
via Negotiation – Point to Point
Giao thức định tuyến thông qua
thương lượng – Điểm tới Điểm
SPIN-EC
Sensor Protocols for Information
via Negotiation – Energy
Conservation
Giao thức định tuyến thông qua
thương lượng – Bảo tồn năng lượng
SPIN-RL Sensor Protocols for Information
via Negotiation – Reliable
Giao thức định tuyến thông qua
thương lượng – Tin cậy
SPIN-BC Sensor Protocols for Information
via Negotiation – BroadCast
Giao thức định tuyến thông qua
thương lượng – Quảng bá
ST Soft Threshold Ngưỡng mềm
SINR Signal-to-Interference Plus Noise Tín hiệu trên nhiễu thêm tạp âm
TTL Time To Live Thời gian sống
TEEN Threshold sensitive Energy
Efficient sensor Network
Mạng cảm biến hiệu quả về năng
lượng dựa trên các ngưỡng
UDG Unit Disk Graph Đồ thị vòng tròn đơn vị
UDI UDG with Distance Interference
Mô hình UDG với nhiễu khoảng
cách
WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố
rải rác trong trường cảm biến 20
Hình 1.2: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. . 21
Hình 1.3: Giao thức SPIN. . 29
Hình 1.4: Hoạt động của giao thức Directed Diffusion. 31
Hình 1.5: Kiến trúc phân cấp dựa trên các cụm . 33
Hình 1.6: Cấu trúc chuỗi của PEGASIS. . 34
Hình 1.7: Kiến trúc phân cấp trong giao thức TEEN . 36
Hình 1.8: Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP. . 38
Hình 1.9: ETXlink của một liên kết. 39
Hình 1.10: Cấu trúc bản tin dữ liệu 40
Hình 1.11: Cấu trúc bản tin điều khiển. . 41
Hình 1.12: Các thành phần chính của giao thức CTP. . 42
Hình 1.13: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong bài toán định tuyến
EACTP. . 45
Hình 1.14: Ví dụ minh họa cấu trúc hình học của bài toán định tuyến EACTP 46
Hình 2.1: Mô hình UDG. . 57
Hình 2.2: Mô hình UDI 59
Hình 2.3: Mô hình bài toán định tuyến EACTP dựa trên lý thuyết đồ thị . 60
Hình 2.4: Cấu trúc khung bản tin điều khiển trong giao thức EACTP. . 68
Hình 2.5: Cấu trúc cây định tuyến EACTP 69
Hình 2.6: Các thành phần chính của giao thức EACTP . 74
Hình 2.7: Quá trình xử lý sự kiện lớp ứng dụng gửi một bản tin dữ liệu. . 76
Hình 2.8: Quá trình xử lý sự kiện nút nhận một bản tin dữ liệu. . 77
Hình 2.9: Quá trình xử lý sự kiện nút nhận một bản tin ACK/Timeout. . 78
Hình 2.10: Quá trình xử lý sự kiện nút nhận một bản tin điều khiển . 79
Hình 2.11: Lưu đồ thuật toán Thêm/Cập nhật (rtmetric, ES) của nút lân cận. 80
Hình 2.12: Khoảng thời gian gửi bản tin điều khiển định kỳ . 81
Hình 2.13: Mô hình mô phỏng một cụm gồm 30 nút . 84
Hình 2.14: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 85
Hình 2.15: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. . 8510
Hình 2.16: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. 85
Hình 2.17: Mô hình mô phỏng một cụm nhỏ gồm 10 nút. 86
Hình 2.18: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 87
Hình 2.19: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. . 87
Hình 2.20: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. 88
Hình 3.1: Các thành phần chính trong kiến trúc phần cứng của một nút cảm biến
không dây. . 96
Hình 3.2: Bo mạch MicaZ của hãng Crossbow Technology. . 98
Hình 3.3: Mốc thời gian ra đời các nền tảng phần cứng . 99
Hình 3.4: Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng TUmote. . 102
Hình 3.5: Hình ảnh sản phẩm phần cứng TUmote . 103
Hình 3.6: Mô hình triển khai thực nghiệm một cụm gồm 10 nút. . 105
Hình 3.7: Sơ đồ bố trí các nút cảm biến TUmote. . 106
Hình 3.8: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 107
Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. . 107
Hình 3.10: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. 107
Hình 3.11: Khuôn viên khu vực tiến hành đo đạc thực nghiệm. . 108
Hình 3.12: Triển khai các nút cảm biến tại khu vực thực nghiệm. 108
Hình 3.13: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 109
Hình 3.14: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. . 110
Hình 3.15: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. 110
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển của sản phẩm phần cứng TUmote 121
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến và khối giao tiếp với mô đun vô tuyến . 122
của sản phẩm phần cứng TUmote . 122
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp người dùng, khối kết nối mở rộng 122
Hình 4: Sơ đồ mạch in sản phẩm phần cứng TUmote. 123
Hình 5: Giao thức CTP được xây dựng trên 124
ngăn xếp truyền thông RIME trong Contiki. 124
Hình 6: Cơ chế hoạt động của giao thức ContikiMAC 126
Hình 7: Tạo mô phỏng mới với Cooja. 127
Hình 8: Sử dụng nút cảm biến giả lập trong Cooja 127
Hình 9: Nạp mã nguồn chương trình cho nút cảm biến giả lập trong Cooja. 127
Hình 10: Cửa sổ giao diện tạo các nút cảm biến giả lập. . 128
Hình 11: Phân bố của các nút cảm biến. 12811
Hình 12: Mở giao diện Collect View của nút 30. 128
Hình 13: Cửa sổ giao diện Collect View của nút 30 129
Hình 14: Cửa sổ giao diện Contiki Test Editor 129
Hình 15: Cửa sổ giao diện Control Panel . 129
Hình 16: Cửa sổ giao diện Log Listener. . 130
Hình 17: Giao diện Lost (Over Time) 130
Hình 18: Kết nối TUmote với mạch nạp 132
Hình 19: Chọn File mã nguồn cần nạp . 133
Hình 20: Chọn AUTO PROG. để nạp chương trình cho TUmote 133
Hình 21: Triển khai các nút cảm biến TUmote 134
Hình 22: Giao diện chương trình thu thập dữ liệu trên máy tính . 13412
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Mô hình năng lượng của TUmote 63
Bảng 2.2: Các trạng thái năng lượng của nút cảm biến 66
Bảng 2.3: Bảng mã hóa các trạng thái năng lượng còn lại của nút cảm biến. . 67
Bảng 2.4: So sánh giữa các hệ điều hành TinyOS, Contiki, LiteOS 72
Bảng 2.5: Kịch bản đánh giá mô phỏng 1. . 84
Bảng 2.6: Kịch bản đánh giá mô phỏng 2. . 86
Bảng 2.7: Kết quả phân tích, đánh giá so sánh giữa giao thức EACTP với một số
giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng khác . 90
Bảng 3.1: So sánh một số nền tảng phần cứng mức thấp . 99
Bảng 3.2: So sánh một số nền tảng phần cứng mức cao. . 100
Bảng 3.3: Các thông số kỹ thuật của TUmote 104
Bảng 3.4: Kịch bản đánh giá thực nghiệm 1. . 106
Bảng 3.5: Kịch bản đánh giá thực nghiệm 2. . 10913
MỞ ĐẦU
1. Tính khoa học và tính cấp thiết của luận án
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng
bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung
cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện
tượng trong một môi trường xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến
không dây bao gồm các ứng dụng thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát, y học .
Một mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng trăm, hàng nghìn nút
mạng. Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, sử dụng
nguồn năng lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài
tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi
trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao ).
Các nút cảm biến được phân bố rải rác trong trường cảm biến. Mỗi nút cảm
biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một điểm thu thập
(Sink/Gateway) và người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến
ad-hoc và truyền dữ liệu về nút gốc bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Người dùng
cuối/người quản lý có thể truyền thông với điểm thu thập thông qua Internet hay bất
kỳ mạng không dây nào ví dụ như mạng di động, WiFi, WiMAX hoặc người dùng
cuối cũng có thể truyền thông trực tiếp với điểm thu thập.
Trong mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai
chức năng đó là:
 Chức năng sinh dữ liệu: Các nút cảm biến thu thập thông tin về các sự kiện
trong trường cảm biến và thực hiện việc truyền thông để gửi dữ liệu của chúng
về điểm thu thập.
 Chức năng định tuyến dữ liệu: Các nút cảm biến cũng tham gia vào quá trình
chuyển tiếp các bản tin nhận được từ các nút lân cận trong tuyến đường đa
chặng đến điểm thu thập.
Hầu hết các ứng dụng chính của mạng cảm biến không dây là thu thập thông
tin cảm nhận được trong trường cảm biến nên các giao thức thu thập dữ liệu nhận
được nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong cộng đồng mạng cảm biến không dây.14
Giao thức cây thu thập dữ liệu - CTP (Collection Tree Protocol) thực thi cơ
chế thu thập dữ liệu tin cậy từng bước nhảy (hop-by-hop). Các nút tự tổ chức thành
một cấu trúc dạng cây và dữ liệu luôn được gửi về nút cha cho tới khi đến được đỉnh
của cây (nút gốc). Nút gốc được gán là đỉnh của cây và tất cả các nút khác được khởi
tạo là các nút lá. Các nút lá sẽ cập nhật vị trí của nó trong cấu trúc cây và quá trình
này được mở rộng trong toàn mạng với điểm xuất phát ban đầu là từ nút gốc. Dữ liệu
được gửi qua một cấu trúc cây để đến được nút gốc.
Trong giao thức CTP, thước đo định tuyến được sử dụng là số lần truyền kỳ
vọng - ETX (Expected Transmission) [1]. Thước đo chất lượng liên kết của một tuyến
đường - rtmetric (route metric) được xác định bằng tổng ETX của tất cả các liên kết
trên toàn tuyến đường đó. Vị trí của các nút trong cây được xác định bởi thước đo
tuyến đường rtmetric. Tuyến đường có giá trị rtmetric càng lớn thì chất lượng các
liên kết thuộc tuyến đường càng thấp. Tuyến đường tốt nhất là tuyến đường có
rtmetric nhỏ nhất. Đây là tuyến đường có tổng số lần truyền kỳ vọng ETX đến nút
gốc là nhỏ nhất và cũng là tuyến đường hiệu quả về mặt năng lượng nhất.
Trong thời gian gần đây, giao thức CTP cũng thu hút được nhiều sự quan tâm
nghiên cứu trong cộng đồng mạng cảm biến [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Giao thức
CTP đã được chứng minh là một giao thức thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao về mặt
năng lượng tiêu thụ cũng như tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu trong
mạng. Tuy nhiên, giao thức CTP hiện tại chỉ dựa vào thước đo định tuyến ETX để lựa
chọn tuyến đường tối ưu. Thước đo định tuyến ETX không giải quyết được vấn đề
cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. Các nút mạng thuộc những tuyến đường có
chất lượng liên kết tốt phải thực hiện nhiều việc truyền dẫn trong mạng. Các nút
mạng này sẽ hết năng lượng nhanh hơn các nút mạng khác và tạo thành các lỗ hổng
trong mạng, làm giảm hiệu năng của toàn bộ hệ thống mạng. Đây là một trong những
thách thức quan trọng đối với các mạng cảm biến không dây hoạt động bằng pin. Các
bài báo [9], [10], [11], [12] đã chỉ ra rằng, thời gian sống của mạng sẽ được kéo dài
nếu năng lượng tiêu thụ trên toàn mạng đồng đều.
Một số kết quả đánh giá giao thức CTP hiện tại dựa trên công cụ mô phỏng
Cooja [13] và thực nghiệm với phần cứng TUmote cũng cho các kết quả tương tự.
Trong luận án này, tác giả đề xuất, thực thi và đánh giá một giao thức định tuyến mới
EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) có sự nhận thức về năng lượng
nhằm giải quyết điểm yếu này của giao thức CTP. Các kết quả đánh giá dựa trên mô 15
phỏng và thực nghiệm đã cho thấy giao thức EACTP đảm bảo được sự cân bằng năng
lượng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đường có chất lượng liên kết tốt và thời
gian sống của các nút mạng được cải thiện tốt hơn so với giao thức CTP ban đầu.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là bài toán định tuyến có sự nhận thức về
năng lượng áp dụng cho giao thức cây thu thập dữ liệu (bài toán định tuyến EACTP)
trên mạng cảm biến không dây nhằm đảm bảo được sự cân bằng năng lượng giữa các
nút mạng thuộc những tuyến đường có chất lượng liên kết tốt và nâng cao thời gian
sống của các nút mạng.
Phạm vi nghiên cứu của luận án là tác giả tập trung vào các phương pháp
định tuyến dựa trên sự nhận thức về năng lượng trong mạng cảm biến không dây.
3. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu của luận án là: Đề xuất một giao thức định tuyến mới EACTP
(Energy Aware Collection Tree Protocol) có sự nhận thức về năng lượng nhằm đảm
bảo sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đường có chất
lượng liên kết tốt và nâng cao thời gian sống của các nút mạng. Từ đó, thực thi và
đánh giá hiệu năng của giao thức này dựa trên mô phỏng và thực nghiệm.
Mục tiêu cụ thể của luận án là:
 Nghiên cứu về các giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng cho
mạng cảm biến không dây, phân tích đánh giá và so sánh các loại giao thức
định tuyến này.
 Nghiên cứu giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu - CTP (Collection Tree
Protocol) cho mạng cảm biến không dây.
 Đề xuất một giao thức định tuyến mới có sự nhận thức về năng lượng EACTP
dựa trên giao thức CTP đã có.
 Xây dựng mô hình và phân tích mô hình toán cho giao thức EACTP dựa trên
lý thuyết đồ thị.
 Thực thi và phân tích đánh giá hiệu năng của giao thức EACTP dựa trên mô
phỏng.
 Xây dựng một hệ thống triển khai thực nghiệm cho phép tùy biến, tích hợp các
chức năng định tuyến mới và đánh giá hiệu năng của các giao thức này trong
điều kiện thực tế.16
4. Phương pháp luận nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu trong luận án được kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết
với nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm. Về nghiên cứu lý thuyết, tác giả nghiên
cứu khảo sát các giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng cho mạng cảm
biến không dây dựa vào các kiến thức cơ bản và các kết quả nghiên cứu lý thuyết đã
được công bố. Về nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm, tác giả thực hiện cài đặt
giao thức định tuyến mới, chạy thử nghiệm giao thức định tuyến mới dựa trên mô
phỏng và thực nghiệm trên các nút cảm biến thật, từ đó tác giả đánh giá các kết quả
mô phỏng, thực nghiệm và kết luận về tính ưu việt của giao thức định tuyến mới.
5. Nội dung của luận án
Luận án được trình bày thành 03 chương như sau:
 Chương 1: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Chương
này trình bày những kết quả nghiên cứu khảo sát và đánh giá về các giao thức
định tuyến dựa trên sự nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không
dây, phát biểu bài toán định tuyến có sự nhận thức về năng lượng với giao
thức cây thu thập dữ liệu và lựa chọn phương pháp tiếp cận bài toán của tác
giả trong luận án.
 Chương 2: Giao thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng.
Chương này đề xuất một giao thức định tuyến mới EACTP có sự nhận thức về
năng lượng. Giao thức EACTP được xây dựng nhằm đảm bảo sự cân bằng
năng lượng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đường có chất lượng liên kết
tốt và nâng cao thời gian sống của các nút mạng. Một số kết quả thực thi và
đánh giá giao thức EACTP dựa trên công cụ mô phỏng Cooja cũng được trình
bày trong chương này.
 Chương 3: Triển khai đánh giá thực nghiệm. Trong chương này, tác giả xây
dựng một hệ thống triển khai thực nghiệm dựa trên 10 nút cảm biến phần cứng
TUmote (Thainguyen University mote). Hệ thống triển khai thực nghiệm này
cho phép tùy biến, tích hợp các chức năng định tuyến mới và đánh giá hiệu
năng của các giao thức này trong điều kiện thực tế. Một số kết quả đánh giá so
sánh hiệu năng giữa giao thức EACTP và giao thức CTP thông qua một số mô
hình triển khai thực nghiệm cũng được trình bày trong chương này.
Cuối cùng, tác giả đưa ra một số kết luận về kết quả thực hiện luận án và một
số kiến nghị đề xuất cho luận án.17
Ngoài các nội dung chính được trình bày trong các chương kể trên, những nội
dung tham khảo mở rộng được trình bày trong năm phụ lục:
 Phụ lục 1: Bản thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mạch in phần cứng TUmote.
 Phụ lục 2: Ngăn xếp truyền thông RIME trong hệ điều hành Contiki.
 Phụ lục 3: Giao thức ContikiMAC trong hệ điều hành Contiki.
 Phụ lục 4: Đánh giá mô phỏng với Cooja.
 Phụ lục 5: Đánh giá thực nghiệm với TUmote.
6. Đóng góp của luận án
Trong quá trình hoạt động của mạng cảm biến không dây đòi hỏi phải có các
giải pháp mới để đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng thuộc những
tuyến đường có chất lượng liên kết tốt và nâng cao thời gian sống của các nút mạng.
Trong đó, vấn đề định tuyến có sự nhận thức về năng lượng được coi là giải pháp
quan trọng. Trên cơ sở phân tích mô hình toán học dựa trên lý thuyết đồ thị cho giao
thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng, tác giả đã có một số đóng
góp mới trong luận án như sau:
 Đề xuất một giao thức định tuyến mới đó là giao thức cây thu thập dữ liệu có
sự nhận thức về năng lượng - EACTP (Energy Aware Collection Tree
Protocol). Trong giao thức EACTP, tác giả đã thực hiện một số cải tiến: Thứ
nhất, tác giả đã bổ sung thêm thành phần ước lượng năng lượng còn lại trên
mỗi nút cảm biến; Thứ hai, tác giả đã đề xuất một thước đo định tuyến mới đó
là trạng thái năng lượng còn lại ES (Energy State) để xác định tuyến đường tối
ưu trong mạng; Thứ ba, tác giả đã đề xuất một thuật toán lựa chọn tuyến
đường tối ưu mới dựa trên sự kết hợp giữa hai thước đo định tuyến là chất
lượng liên kết của tuyến đường và trạng thái năng lượng còn lại trên nút
chuyển tiếp.
 Mô phỏng và đánh giá hiệu năng giao thức EACTP thông qua một số mô hình
mạng. Tác giả đã xác định các thước đo đánh giá phù hợp cho bài toán định
tuyến EACTP và đưa ra một số kết quả đánh giá so sánh hiệu năng giữa giao
thức EACTP và giao thức CTP. Các kết quả đánh giá mô phỏng cho thấy thời
gian sống của mạng khi hoạt động theo EACTP mới đề xuất được cải thiện tốt
hơn so với giao thức CTP ban đầu.18
 Xây dựng một môi trường thực nghiệm dựa trên 10 nút cảm biến phần cứng
TUmote (Thainguyen University mote), cho phép tùy biến, tích hợp các chức
năng định tuyến mới và đánh giá hiệu năng của các giao thức CTP, EACTP
trong điều kiện thực tế. Môi trường thực nghiệm này hoàn toàn có thể sử dụng
lại được cho các nghiên cứu thực nghiệm khác trong lĩnh vực mạng cảm biến
không dây và có thể rút ngắn thời gian để đưa các mô hình nghiên cứu lý
thuyết sang các mô hình thực nghiệm có tính ứng dụng. Kết quả đánh giá thực
nghiệm trên 10 nút cảm biến phần cứng TUmote đã kiểm chứng lại tính đúng
đắn của các kết quả mô phỏng cũng như những lập luận về tính hiệu quả của
giao thức EACTP mới đề xuất.