nghiên cứu và triển khai một số thuật toán đánh giá chất lượng tuyến của mạng cảm biến không dây dựa trên nền tảng cảm biến zolertia zl

NHIỆM vụ CỦA ĐỒ ÁN
Đề tài tập trung vào nghiên cứu và triển khai một số thuật toán đánh giá chất
lượng tuyến của mạng cảm biến không dây dựa trên nền tảng cảm biến zolertia zl,
nội dung đề tài bao gồm:
>• Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, hệ điều hành contiki, nền tảng
cảm biến zolertia zl.
>• Tìm hiểu một số thuật toán đánh giá chất lượng tuyến trong mạng cảm
biến không dây.
> Xây dựng, mô phỏng, triển khai thực tế các thuật toán đã nghiên cứu.
Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của đồ án này là do em tự tìm hiểu nghiên
cứu duới sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn. Nội dung đồ án tốt nghiệp này
không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào.
Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
trước pháp luật.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện đồ án

Cao Văn Minh

1


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ
•

2


LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật
cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một
thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor NetworkWSN). Yới kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm
biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời
sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông....
Tuy nhiên do mạng cảm biến truyền dẫn thông tin không dây, cách thức
truyền thông này xảy ra sự mất mất dữ liệu, nên thách thức lớn nhất đối với WSN
là thiết kế được những mạng cảm biến truyền thông đa chặng nhưng có thể giảm
thiểu tối đa sự mất mát dữ liệu. Là một phần vô cùng quan trọng trong quá trình
định tuyến đa chặng, việc ước lượng chất lượng tuyến trong mạng sẽ là khâu mấu
chốt quyết định quá trình định tuyến là hiệu quả hay không hiệu quả.
Nhận thấy tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng, hiệu năng của mạng
cảm biến em đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu và triển khai một sổ
thuật toán đánh giá chất lượng tuyến của mạng cảm biến không dây dựa trên
nền tảng zolertia Zl”. Đe tài tập trung vào việc tìm hiểu, xây dựng và đánh giá
một số thuật toán ước lượng tuyến của mạng cảm biến không dây. Từ đó đưa ra
được các nhận xét, đánh giá về chất lượng, hiệu năng của từng thuật toán ước
lượng.
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp không thể tránh khỏi những sơ
suất. Yì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè để
đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơnỉ
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2013
Sinh viên
Cao Văn Minh


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACK

Acknowledgement

Phản hồi báo nhận

CTP

Collect Tree Protocol

Giao thức thu thập cây

DE

Direct Estimation

ước luợng trực tiếp

ETX

Expected Transmission Count

Số lần truyền lại kỳ vọng

EWMA

Exponentially Weighted Moving Trung bình trượt trọng số theo
Average

hàm mũ

LQI

Link Quality Indicator

Chỉ thị chất lượng liên kết

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập

PDR

Packet Delivery Rate

Tỷ lệ truyền gói tin

PRR

Packet Reception Ratio

Tỷ lệ nhận gói tin

os

Operating System

Hệ điều hành

Open Systems Interconnection

Mô hình tham chiếu kết nối

Reference Model

các hệ thống mở

OSI

RDC

RSSI

Radio Duty Cycle

Cơ chế điều khiển bộ thu phát

Received Signal Strength

Chỉ thị cường độ tín hiệu

Indicator

nhận được

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển truyền
vận

UDP

User Datagram Protocol

LQE

Link Quality Estimation

Giao thức sử dụng Datagram

Đánh giá chất lượng liên kết


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trước khi đi vào đánh giá hiệu năng của các phương pháp ước lượng tuyến,
ta cần có những khái niệm tổng quan, cơ bản nhất về mạng cảm biển không dầy
-WSN. Chương này trình bày một cách tổng quan nhất về mạng cảm biến không
dây, những ứng dụng cũng như những thách thức của mạng cảm biến trong quá
trình phát triển.
1.1 Gỉổi thiêu
Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc độ và

quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây. Những tiến bộ
vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của hệ thống các công
nghệ như kỹ thuât vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, giao tiếp không dây, công
nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề
cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, công suất tiêu thụ
thấp ra đời.
Mạng cảm biến không dây có thể hiển đơn giản là mạng của các đối tượng
thông minh. Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát
vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến. Mạng cảm biến mạng 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 (nontopology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn
năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) có
nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các
quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên.


Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan
sát 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 giao tiếp ad-hoc với nhau vàtruyền dữ

at

meter?

Rè mot* Monitoring

Facility

Local Monitoring

Base Station

Sslf-forrning wireless network

liệu về trung tâm (base statỉon) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng như hỉnh
1.1.
Hình 1. 1 mồ hình mạng cảm biển không dây.
1.2 Đặc điểm của mạng cảm bỉến không dây
Mạng cảm biến không dây khác vởỉ các mạng thông thưởng và nó có một
số đặc điểm nểỉ bật như sau:
• Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng,
sế lượng node mạng lốn và được phân bố một cách tương đếỉ ngẫu nhiên, các node
mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng... do vậy mạng cảm biến không
dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node mạng có khả năng tợ điều chinh,
tự cấu hình.
• WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến
dùng cho mạng máy tính nhu 802. ỉ 1 mà đòi hỏi phải có cơ chế & giao thức truyền
vô tuyến riêng.


• Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành 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.


• Các thiết bị ừong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động lâu
dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt
(chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).
• Các node ừong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức tạp

hóa vấn đề định tuyến trong mạng.
• Do giới hạn về năng lực tính toán (Chỉp vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) củã
từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây
thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải
cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các node có khả
năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng.
1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm bỉến không dây
Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.2. Kiến
trúc này 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, đinh tuyến
dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.

Hình L 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.
• Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng
lượng của nó. Yí 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 cácnút 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.

1.3.1 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. Tại Hoa Kỳ,
IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-928MHZ. Tại châu Âu,
802.15.4 sử dụng băng tần 868- 868.8MHz. Phần còn lại của thế giới, 802.15.4 sử
dụng băng tần 2400-2483.5MHz.
IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi băng
tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1.3. 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. 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).


IEEE 802.15.4 channel ] 1:26

ẳẳẳầ i A AAA
’42

Frequency 2405 2410 2415 2420 Channel

i 2430 2435 2440 2443 16 |

15

17 18 19

11 12 13 14

n ầầấầầấ
'45

) 2455 2460 2465 2470 2475 2480 21 22

20

23 24 25 26

IEEE 802.1 lb channel 1:13
X

rlHiHfllHn

Frequency 2402 2412 2422

Channel

1

X

242 7 2437 2447

r V8I

|2452 2462 2472 2477 2482

6

11

Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz.
Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc
độ bit của kênh là 0 là 20000 biưs. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40000
bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bít là 250.000 bit/s.
Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô
tuyến của chúng với 802.1 l(WỈFi) 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 1.3 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. Khỉ 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 đồi ở những khu vục
pháp lý khác nhau và có thề thay đồi 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.

1.3.2 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
họp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung, ẩ goài 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.

1.3.3 Lóp mạng
Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền
tải.

1.3.4 Lớp truyền tải
Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng wsẩ s yêu cầu và cung cấp
các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.

1.3.5 Lóp ứng dụng
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể
được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.4 ứng dụng của mạng cảm biến không dây
- Quân sự: theo dõi mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công nguyên
tử, sinh hóa,...
- Môi trường: giám sát môi trường thay đổi khí hậu , cháy rừng, lũ lụt,...
- Y tế, sức khỏe: giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản ý thuốc,...
- Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sưởi
ấm,...
- Thương mại: điều khiển trong môi trường công nghiệp và văn phòng,
giám sát xe cộ, giao thông,...

CHƯƠNG 2
CÁC THUẬT TOÁN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TUYẾN
TRONG MANG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm các đổi tượng thông minh.

Trong đó mỗi nút cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vỉ
xử lý và các cảm biển dùng để đo lường và cảm nhận về thể giới vật lý. Vẩn đề cần


quan tâm nhất hiện nay của mạng cảm biển không dây đó là vẩn đề năng lượng.
Năng lượng tiêu thụ của các nút cảm biến liên quan mật thiết đến thời gian sổng
của mạng.
Tuy nhiên với phương tiện truyền thông trong mạng là sóng vô tuyến“wireless medium” thì quá trình mất dữ liệu, lãng phí năng lượng của mạng
thường xảy ra nếu việc định tuyển không hiệu quả. Vì vậy, việc đánh giá chất
lượng đường truyền để giảm thiểu truyền thông đóng vai trò quan trọng trong tiết
kiệm năng lượng của mạng. Chương này sẽ trình bày về các phương pháp ước
lượng tuyến ứng dụng trong mạng cảm biến không dây.

2.1 Đặt vấn đề
Những năm gần đây mạng cảm biến không dây luôn là là một chủ đề được
mang ra thảo luận nhiều nhất. Với rất nhiều các công trình nhiên cứu đã chỉ ra tầm
quan trọng và khả năng ứng dụng cao vào đời sống. WSN được ứng dụng chủ yếu
trong quá trình thu thập dữ liệu. Quá trình thu thập dữ liệu khó có thể áp dụng trong
mạng cảm biến truyền thống (có dây) bởi việc điều khiển mạng truyền thống rất
khó khăn và hao tốn chi phí. Vì vậy, mạng cảm biến không dây (WSN) 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 WSN lại là liên kết không tin cậy, có tính bất đối xứng, thường
thay đổi theo thời gian và không gian.


Trong mạng cảm biến không dây thì thông số định tuyến cũ- số bước nhảy
nhỏ nhất (minumum hop-count) không còn phù họp vì đặc điểm không tincậy, bất
đối xứng, thay đổi theo thời gian và không gian của liên kết vô tuyến, dẫn đến phải
có thông số định tuyến mới phù hợp với những đặc tính này của liên kết vô tuyến.

Thông số mới được đề xuất là “sổ lần truyền kỳ vọng’1 (Expected transmission countETX). Mục đích chù yếu của thông số ETX là tìm đường đi cố hiệu suất truyền
thông cao và hiệu quả sử dụng năng lượng tốt để tránh những liên kết có chất lượng
kém, phải truyền đỉ truyền lại nhiều lần mới có thể truyền thảnh 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.

2.2 Thông số đánh giá ETX
Với nhu cầu cần thiết có một thông số mới giúp cho việc ước lượng được
chỉnh xác trạng thái của các liên kết trong mạng cảm biến không dây, khái niệm
“Expected Transmission Count - ETX“ đã ra đời. Thuật ngữ ETX - số lần truyền
bản tin kỳ vọng lần đầu tiên được đưa ra bởi Douglas s. J. De Couto trong bài luận
văn tiến sĩ của mình tại học viện MIT (Hoa Kỳ) năm 2004, thông số này dựa ưên
việc tính toán số gói tin bị mất ưong quá trình truyền thông tin giữa một cặp nút
láng giềng, từ đó có thể giảm thiểu tối đa số lần truyền dữ liệu giữa các nút trên
toần 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.

DeTiverv Ratio
100% 1___________Q
50% 0 —c
33% Q"! ệ

LinkEĨX Throuahp
ut
11
100%
Ị

2

50%

Ị

3

33%


Hình 2.1 ETX của một liên kết.


Giá trị ETX của một liên kết này được tính toán dựa trên việc gửi broadcast
đi những gói tin thăm dò (beacon) và nhận lại thông tin về các liên kết từ mọỉ
hướng.
EĨX

=dfĂr

Trong đó:
-

df là tỉ lệ gửi các gói tin của một liên kết
dr là tỉ lệ nhận các gói tin của một liên kết.

Để tính toán df và dr, mỗi nút phát broadcast định kỳ các gói tin beacon chứa
thông tin về tỉ lệ tiếp nhận. Từ các gói tin beacon, một nút có thể đọc được df tỷ lệ

truyền các gói tin từ chính nó đến các nút láng giềng và tính dr bằng cách đếm số
lượng beacon bị mất từ các nút lân cận.

Route ETX Throughput

Hình 2.2 ETX của một tuyến.
Giá trị ETX của một tuyến (route ETX) bằng tổng các ETX của mỗi liên kết
trong toàn tuyến đó.
ETX tối ưu hơn Hop cơunt, bởi vì thông số Hop count tìm ra đường đi vẫn
hoạt động, ETX còn có thể tìm ra những con đường tốt hơn bởi nó còn tránh được
những liên kết bị suy giảm phẩm chất. Nếu chất lượng các tuyến đường là như
nhau, lúc đó hiệu quả ước lượng của ETX và Hop count là như nhau, số lượng nút


(hop) càng nhiều thì ETX càng phát huy được những hiệu quả của mình (sự sai
khác trong chất lượng đường truyền càng thể hiện rõ rệt.
Hiện tại, khá nhiều thuật toán ước lượng tuyến đã được đề xuất. Các thuật
toán có thể phân thành 2 loại: ước lượng dựa trên phần cứng và ước lượng dựa trên
phần mềm.
Ước lượng dựa trên phần cứng 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) .
Ước lượng dựa trên phần mềm phân ra hai loại nhỏ: ước lượng trực tiếp và
ước lượng dựa trên độ tin cậy. Trong thuật toán 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.Trong khi thuật toán ước lượng dựa trên độ tin cậy lại ước lượng dựa trên tỷ
lệ nhận của gói tin quảng bá, gọi là beacon . Ngoài ra, còn có thuật toán là sự kết
hợp hai loại thuật toán trên: chất lượng tuyến được ước lượng dựa trên giao tiếp
unicast và beacon.

2.3 Giao thức thu thập và thuật toán ước lượng liên kết
2.3.1 Giao thức thu thập
Gần như tất cả các hệ thống mạng cảm biến hoạt động dựa trên giao thức
multi-hop, khi thu thập được dữ liệu thì dữ liệu đó được đưa ra ngoài mạng và đưa
dữ liệu ra mạng thông qua một hoặc nhiều node riêng biệt.
Tất cả giao thức có phương thức thu thập sử dụng phương thức truyền tin
không tin cậy từ một điểm thu thập(có thể gọi là node sink hoặc gateway) và sử
dụng một chỉ số tối thiểu để định tuyến trong mạng. Chỉ số này này hoặc giá trị
ETX xác định điều kiện dự kiến truyền tin, các node gửi bản tin trên tuyến đường
mà tuyến đường đó tới điểm thu thập là ngắn nhất.
Giao thức thu thập tự động cài đặt phương thức thu thập hình cây(collection
trees) dựa trên yêu cầu của từng node riêng biệt. Hiện nay, các giao thức mới hơn
đã chuyển sang một cách tiếp cận đơn giản hơn, mỗi node quyết định một bước
nhảy tiếp theo cho tất cả lưu lượng dữ liệu phía trước bằng cách tạo ra định tuyến


hình cây đến điểm thu thập, xây dựng mạng hình cây này bằng cách thiết lập một
chỉ số định truyến chênh lệch(routỉng cost gradient). Điểm thu thập gốc có chỉ số là
0. Một node tính toán chỉ số của node tiếp theo(bước nhảy tiếp theo) là chi số của
nó cộng với chỉ số liên kết với nó. Tóm lại chỉ số của một node là tổng của các chỉ
số liên kết trên tuyến đường của nó.
Ước lượng liên kết là một phần chức năng của giao thức thu thập này cố
trách nhiệm xác định số lượng và tính toán chỉ số các liên kết.
Hình 2.3 cho biết thông tin chung của giao thức thu thập và ước lượng liên
kết và cho thấy xu huáng trong các phương pháp để tổỉ ưu hóa các giao thúc thu
thập. Giao thức Collection Tree Protocol (CTP) là giao thức thu thập tiêu chuNi
trong TinyOS, và sử dụng ước lượng liên kết 4B để đánh giá chất lượng các liên kết
của nó.
Một mạng có thề có nhiều điểm thu thập dữ liệu, và tự động định tuyến tới
một nơi gần nhất. Nhưng ở đây chỉ có một điểm đến bất kỳ, điểm thu thập bất kỳ

gửi yêu cầu định tuyến có thể là độc lập tới mạng. Hầu hết các giao thức sử dụng
một bảng kích thước cố định bước nhảy tới node tiếp theo. Chúng cố gắng tạo ra sự
cân bằng giữa tuyến đường ổn đỉnh và khám phá mới, có thể tốt hơn node cha bởi
chuyển đổi node cha không thường xuyên và sử dụng cơ chế giảm thiểu giới hạn
tốc độ thay đổi.
Generation

Approach
Hop-count is used as the Link cost metric (similar to MANET protocols such as
AGtJV and DSDV)

1*

Example protocols
• £P (Shortest Path)

Y*
*
Periodic broadcasts aine used to estimate the number of transmissions per link.
3-

Physical layer signal quality Is added to the metric.

Current
Combine these imetlnodSr drawing information from multi ole Layers.

Mint route

* Srer
* MultiHopUQI

• Collection Tree Protocol
_____[CTP]_______________________

Hình 2 3 Giao thức thu thập(Colỉectỉon protocol) và ước lượng liên kết

2.3.2 Đánh giá ước lượng liên kết(Lỉnk Quality Estimation LQE)
Như đã biết ước lượng liên kết là một phần của giao thức thu thập này có
trách nhiệm ước lượng và tính toán chỉ số các liên kết nhằm tìm ra tuyến đường tốt
nhất.


Để đánh giá chất lượng liên kết được hiệu quả thì cần chú ý một số yêu cầu
sau:
Hiệu suất năng lượng(Energy efficiency): năng lượng chính là điều cần
quan tâm nhất trong WSNs, LQE nên quan tâm đến việc giảm chi phí năng lượng
trong quá trình truyền thông. Do đó một vài kỹ thuật ước lượng phức tạp có thể là
không thích hợp trong WSNs. Hơn nữa LQE lại rất quan tâm đến việc truyền thông
năng lượng thấp.
Độ chính xác(Accuracy): Nó đề cập đến khả năng LQE đưa ra chính xác
tình trạng của các hên kết, nghĩa là cập nhật chính xác trạng thái của liên kết. Độ
chính xác của ước lượng liên kết làm ảnh hưởng tới hiệu quả của các giao thức
mạng.
Mức độ phản ứng(Reactívity): mức độ phản ứng chỉ ra khả năng đáp ứng
với những thay đổi liên tục trong ước lượng liên kết [Kim and Noble 2001]. Ví dụ,
một LQE hoạt động cho phép giao thức định truyến và cơ chế kiểm soát cấu trúc
liên kết để nhanh chóng thích ứng với những thay đổi trong liên kết. Mức độ phản
ứng phụ thuộc vào hai yếu tố:cửa sổ ước lượng w và chương trình giám sát liên kết.
Giá trị

w nhỏ và hoạt động giám sát với tỷ lệ beacon cao có thể làm cho LQE đáp

ứng.
Độ bền (Stability): độ bền đề cập đến khả năng chống lại những thay đổi
ngắn(short-term) trong ước lượng liên kết. Chẳng hặn, giao thức định tuyến không
phải thiết lập lại thông tin khi một ước lượng liên kết cho thấy sự suy giảm, bởi vì
sự định tuyến lại là tốn năng lượng và thời gian. Lin et al. [2009] đã chỉ ra rằng sự
ổn định được đáp ứng thông qua đánh giá ước lượng liên kết dài hạn. Ước lượng
liên kết dài hạn được thực hiện bởi các bộ lọc EWMA với một yếu tố làm mịn
lớn(a=0.9). Tính ổn định của LQE có thế đánh giá bởi hệ số sai lệnh của đánh giá
ước lượng liên kết, được tính như tỷ lệ của độ lệnh trung bình [Woo and Culler
2003]. Nó cũng có thể đánh giá bởi các nhiên cứu sự tác động của LQẼ đến định
truyến. Thường thì LQẼ ổn định thì topology sẽ ổn định, ví dụ: rất ít thay đồi node
cha trong sự phân cấp định tuyến.


Trên thực tế, độ phản ứng và độ bền là sự chênh lệch. Chẳng hạn, khi cân
nhắc sử dụng PRR như là LQE, nếu chúng ta thường xuyên tính toán PRR(w nhỏ),
Chúng ta có được một phản ứng LQE như là bắt được một liên kết. Tuy nhiên, độ
tin cậy sẽ được tính là chi phí ổn định bởi vì PRR sẽ xem xét một vài liên kết
thoáng qua biến đểỉ có thẻ được bỏ qua. Vì vậy một LQE tết là cung cấp một sự cân
bằng giữa phản ủng và sự ổn định.
Hiện nay, người ta đã đưa ra được rất nhiều thuật toán thỏa mãn các yếu tế
trên. Ví dụ trong chương trình định tuyến hình cây, một node lựa chọn node cha
tiềm năng như là hàng xóm có chất lượng liên kết tốt nhất. Trong số tất cả các hàng
xóm có chỉ phí tuyến đường thấp, ở đây chi phí tuyến đường được tính toán dựa
ứên giá trị ETX.

Hình 2.4 phân loại LQEs.

2.4 Giao thức cây thu thập dữ liệu (Collectỉon Tree Protocol- CTP)

Trong Contiki, CTP được triển khai dựa trên cơ chế truyền dữ liệu tin cậy
giữa các nút/chặng (hop-by-hop reliable unicast). Dữ liệu được tới node sink thông
qua một tree topology( liên kết dạng cây).
Đặc điểm chung của giao thức thu thập dữ liệu contiki được thể hiện như
hình dưới đây.
Contiki collect protocol bao gồm một số thành phần cơ bản sau đây.


Routing (tree creation): Các node tự tổ chức thành mạng liên kết hình cây,
với data liên tục gửi lên mạng liên kết hình cây cho đến khi node cao nhất nhận
được. Node sink là node cao nhất trong mạng này. Tất cả các node khác sẽ là các
node lá. Dần dần hình thành sự liên kết rộng bắt đầu từ node sink. Các node cập
nhật vị trí của mình trong mạng liên kết hình cây.
Neighbor discovery and management: trong một tiến trình riêng biệt,
node hàng xóm(node lân cận) thông báo có mặt của nó bằng cách định kỳ gửi một
gói tin thông báo ra ngoài. Thông báo này được sử dụng để xác định dánh sách các
láng giềng.
Link estimation: đây là cơ sở để đánh giá mức độ liên kết của các gói dữ
liệu gửi từ node. Giá trị EXT của mỗi hàng xóm trong bảng danh sách láng giềng
để cập mỗi nhận sự chấp nhận hoặc time-out.
Duplicate packet filtering and packet aging: gói tin được chuyển tiếp
đến các node cho đến khi nó đến được node sink. Đe giảm khả năng nhận lại bản
sao của gói tin node sẽ kiểm tra lịch sử chuyển tiếp gói tin. Nếu nó đã được chuyển
tới gần đây thì gói tin sẽ bị bỏ qua. Ngoài ra, để ngăn cản gói tin được chuyển tiếp
trong mạng mãi mãi. Gói tin sẽ bị loại bỏ khi nó vượt qua số chuyển tiếp lớn nhất
của nó.

EVENT

Interning

DATA packet

FILTER
dupl.
pack.

Update
HOP&TTL

Determine

Send to parent

37
r-ecent Drop
packets ¡2) packet

Notify
application ilTTL*1

Drop packet
neighbor.c

neighbor_updäTe_et3!tnr etx)
neighbor tirceout etxACKy time-out
Incoming
ANN, packet

Update

paient
ETX

I

r"“"
I

I Timer -

Report metric
to announcmt

neighbors [8]
neighbored(n, itmetiic, etx!1
neighbor update(n, rtr.atriç}'

J Timer
■I

Update
metric

AddAipdale
neighbor
metric

Update
metric

neighbor_best{}

Report metric
to announcmt

I

Remwe
Application
'I
I*
I announcement.c
old neighbors
Broadcast
SENDs
Hinh I2.5 Contiki collectprotocol.
msg ________________j
metric value
Set attributes

Determine
parent

Send to parent



Hình 2.6 Các module trong CTP.
Cơ chế định tuyến để gửi một gói tin xuất phát từ nút bất kỳ đến sink dựa trên một cấu trúc mạng dạng cây. Trong đó,

tất cả các nút được tổ chức như một cây ảo, với vị trí của chúng ứên cây được xác định bằng một giá trịlổbit rtmetric. Nút sink
là gốc của cây và có rtmetric bằng 0. Các nút con càng xa nút sink có giá trị càng lán. Rtmetrỉc của nút con bằng rtmetric của

nút cha cộng với giá trị ước lượng của liên kết nối nút cha và nút con, trong đó, nút cha (parenưnext- hop/next forwarder) được
lựa chọn là nút hàng xóm cung cấp đường đi có giá trị ETX thấp nhất tới nút sink.
Cây được tạo một cách tự động bằng cách cập nhật các giá trị rtmetríc mỗi khi có một sự kiện đặc biệt xảy ra.Ban đầu,
trừ nút sink nhận giá trị là 0, tất cả các nút nhận giá trị rtmetric tối đa bằng (212 - 1 = 4095).
Các gói tin thông báo (announcement packet) được gửi đi để cập nhật giá trị rtmetric vào quản lý các nút hàng xóm trên
mỗi nút.Giá trị rtmetric của các nút hàng xóm này được chứa trong bảng hàng xóm (neighbor table) của mỗi nút nhận được.
Giá trị rtmetric của một nút sau đó được tính toán dựa trênrtmetric của các nút hàng xóm. Nút lụa chọn nút cha là nút
cung cấp đường đi có giá trị ẼTX thấp nhất tới nút sink.

2.4.1 Routing
Routing định tuyến và truyền dẫn dữ liệu từ bất kỳ node nào đến node sink hình thành mạng liên kết hình cây.


Hình 2.7 Một vỉ dụ về mạng lên kết hình cây.
Tất cả các node được tổ chức trong một cây ảo, với vị trí của chúng trong mạng được xác định bởi giá trị 16 bit rtmetrỉc
(khoảng cách). Node sink là node trên cùng của mạng có giá trị rtmetric là 0. Các node con có vị trí càng xa sẽ có giá trị
rtmetrỉc càng lớn. Node cha là một node lân cận tốt nhất của node, tức là node có khả năng lốn nhất truyền thông với node
sink.

Mạng cây được tạo ra tợ động bởi quá trình cập nhật giá trị rtmetric ở mỗi sự kiện riêng biệt, ban đầu tất cả cá node có

giá trị rtmetric có giá ừị lởn nhất ( giá trị lớn nhất ở đây là 255, không phải tất cả 16 bit được sử dụng), ngoại trừ node sink có

giá trị là 0 được xác định bởi các ứng dụng sử dụng giao thức thu thập dữ liệu, khi một gói tin gửi thông báo cho node lân cận
thì node đó sẽ xác định được giá trị rtmetric của node gửi bản tin. Giá trị rtmetric của node lẫn cận được lưu trong bảng danh
sách các node lân cận của mỗi node nhận bản tin thông báo. Giá trị rtmetrỉc riêng của mỗi node được tính toán dựa vào giá trị
rtmetrỉc của node hàng xóm tốt nhất. Node hàng xóm tốt nhất là node cung cấp đường truyền dẫn với khả năng cao được

truyền thông tin tới node sink. Giá trị rtmetric của node hàng xóm được tính là tổng nhỏ nhất của rtmetric các node hàng xóm

rtmetric =argmin{rtmetric + ETX )
nGiV
và Số lượng EXT truyền từ node đó tới node lân cận.
Giá trị rtmetric được cập nhật sau các sự kiện sau: chỉ định một node là node sink, một gói tin thông báo đến, sự chập
nhận một gói tin dữ liệu và kết thúc thời gian sống của một gói tin.
Quá trình tính toán giá ứị rtmetric giảm dần từ node hàng xóm của node sink tới các node lá. Khi quá trình đã ổn định,
giá trị rtmetric của node tương ứng với tổng số khả năng truyền một gói tin tới node sink.


2.4.2 Neighbor discovery và cơ chế quản lý(management)
Neighbor discovery và management được đặt trong một mã code riêng biệt trong module (core/net/rime/neighbor.c). Đây
là vị trí quản lý bản danh sách các hàng xóm.
Thiết lập khám phá hàng xóm sử dụng cơ chế báo hiệu của Rime. Bản tin báo hiệu gửi ra ngoài theo chu kỳ trong một
kênh truyền xác định. Bản tin báo hiệu mô tả các đặc điểm bằng các thông số (ID,value) và chia ra trên một phạm vi diện tích
hàng xóm. Gói tin báo hiệu đến không thể ghi đè vào trong ngăn xếp rime stack, nhưng để không xảy ra điều này bản tin sẽ bị
chặn ở lớp MAC. Lớp MAC khi đó thông báo bất kỳ quá trình đăng ký(dựa trên ID của bản tin báo hiệu) bản tin báo hiệu.
Giao thức thu thập như là một quá trình đăng ký, và nó sử dụng bản tin báo hiệu đến để thêm vào bảng danh sách hàng
xóm. Bản tin báo hiệu đến chỉ rõ địa chỉ gửi của node hàng xóm, là ID (nó sử dụng để đặt số kênh truyền nhưng không sử dụng
sau đó). Khi đó thông số này đặc trưng cho quá trình đinh truyền sử dụng tạo ra và định tuyến mạng cây. Danh sách hàng xóm
bị hạn chế về độ lớn( thiết lập được cho 8 hàng xóm). Điều quan trọng là hàng xóm cũ không được lưu trữ trong bản danh sách
quá lâu. Điều này được giải quyết bằng kích hoạt bộ đếm theo chu kỳ(ví dụ 1 giây) quét bảng danh sách hàng xóm và gỡ bỏ tất
cả các node không có phản hồi trong khoảng thời gian 120 lần trước khi quét(ví dụ khoảng 120 giây).

2.4.3 Ước lượng liên kết (Link estimation)
Giá trị ETX cho mỗi node hàng xóm được lưu trong bảng danh sách hàng xóm, và giá trị này được tính toán lại sau mỗi
lần một gói tin được gửi tới node hàng xóm. Khi gửi gói tin ACK, số yêu cầu chuyển tiếp gói tin gián tiếp thông qua ước lượng
liên kết.
Giá trị ETX của mỗi node kế cận được lưu trữ trong bảng neighbor table. Và được tính toán mỗi khi gói dữ liệu được gửi

tới node xung quanh nó. Khi một gói tin gửi đi được xác nhận, số lần truyền cần thiết để phát đi gói tin đó được thông báo để
ước lượng liên kết
Giá trị của 8 lần truyền cuối cùng được lưu trong bảng. Giá trị kết nối từ 1 node đến node kế cận nó được tính bằng trung
bình cộng của 8 giá trị trong bảng.


Hĩnh 2.8 ước lượng liên kết vờ cơ chế quản lý.