Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (tt)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
TRÊN NỀN IPv6 CHO CÁC ỨNG DỤNG SMART GRID
Mã số: ĐH2015-TN07-05

Chủ nhiệm đề tài: TS. Vũ Chiến Thắng

Thái Nguyên, 6/2017


i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

TT

1

Họ và tên

TS. Vũ Chiến Thắng

Đơn vị công tác và
lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên
cứu cụ thể được
giao

Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ
Điện tử và Truyền thông, Trường
Đại học Công nghệ thông tin và Chủ nhiệm đề tài
Truyền thông
Chuyên môn: Điện tử Viễn thông
Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ Nghiên cứu về IoT
thông tin, Trường Đại học Công (Internet of Things)
nghệ thông tin và Truyền thông
và ứng dụng Smart
Grid
Chuyên môn: Công nghệ thông tin

2

TS. Nguyễn Văn Tảo

3

Nghiên cứu giao
Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ
thức truyền thông
Điện tử và Truyền thông, Trường
IPv6 trên nền chuẩn

TS. Phùng Trung Nghĩa Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông lớp vật
Truyền thông
lý IEEE802.15.4
cho ứng dụng Smart
Chuyên môn: Điện tử Viễn thông
Grid

4

ThS. Nguyễn Thanh
Tùng

Đơn vị công tác: Khoa Công nghệ
Điện tử và Truyền thông, Trường
Đại học Công nghệ thông tin và Thiết kế, chế tạo
Truyền thông
phần cứng
Chuyên môn: Tự động hóa

5

ThS. Vương Thị Yến

Đơn vị công tác: Phòng KHCN&HTQT, trường Đại học Công Thư ký hành chính
nghệ Thông tin và Truyền thông
đề tài
Chuyên môn: Toán

Ghi chú

ii

MỤC LỤC
MỤC LỤC.......................................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................... iv
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................................................................... vi
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................................. 1
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài .............................................................. 1
2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................................................... 1
2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ..................................................................................... 1
3. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................................................... 1
4. Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu.................................................................................................... 1
5. Phương pháp nghiên cứu................................................................................................................ 2
6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................................. 2
7. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................................... 2
Chương 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6 ............................. 2
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây .................................................................................... 2
1.1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây ....................................................................... 2
1.1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ...................................................................... 2
1.1.3. Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây .................. 3
1.1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây ............................. 3
1.1.5. Mô hình tính toán cho mạng cảm biến không dây ......................................................... 3
1.2. Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP......................................................................... 4
1.2.1. Giới thiệu về kiến trúc IP ............................................................................................... 4
1.2.2. Ưu điểm của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP ...................................... 4
1.2.3. Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây ............................................ 4
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP ................................................. 4
Chương 2. GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4 CHO ỨNG DỤNG

LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH GẮN VỚI HẠ TẦNG AMI ............................................................... 4
2.1. Tổng quan về ứng dụng lưới điện thông minh ............................................................................ 4
2.2. Hệ thống tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện
thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI .......................................................................... 5
2.3. Công nghệ mạng cảm biến không dây cho phép khả năng truyền thông trong AMI .................. 5
2.4. Giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 ............................................................................... 5
2.4.1. Giới thiệu chung ............................................................................................................ 5
2.4.2. Khái niệm và thuật ngữ được sử dụng trong giao thức truyền thông
IPv6/IEEE802.15.4 .................................................................................................................. 5


iii

2.4.3. Thước đo định tuyến ETX ............................................................................................. 6
2.4.4. Các bản tin điều khiển ................................................................................................... 6
2.4.5. Hoạt động của giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 ........................................... 6
2.5. Hệ điều hành Contiki .................................................................................................................. 7
2.6. Thực thi giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 trên hệ điều hành Contiki ....................... 7
Chương 3. PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4 .......................... 8
3.1. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 ................................................................ 8
3.1.1. Các thước đo đánh giá ................................................................................................... 8
3.1.1.1. Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu ................................................................................ 8
3.1.1.2. Công suất tiêu thụ trung bình trong toàn mạng .......................................................... 8
3.1.1.3. Số lần thay đổi nút cha trung bình trong toàn mạng .................................................. 9
3.1.2. Kịch bản đánh giá mô phỏng ......................................................................................... 9
3.2. Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 ............................................................. 10
3.2.1. Mục tiêu và những thách thức...................................................................................... 10
3.2.2. Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 ...................... 10
3.2.2.1. Giải pháp 1 ............................................................................................................... 10
3.2.2.2. Giải pháp 2 ............................................................................................................... 11

3.2.3. Thực thi giải pháp ........................................................................................................ 11
3.3. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên mô phỏng .................. 11
3.3.1. Các thước đo đánh giá ................................................................................................. 11
3.3.1.1. Sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng ............................................................ 12
3.3.1.2. Thời gian sống của mạng .......................................................................................... 12
3.3.2. Kịch bản đánh giá mô phỏng ....................................................................................... 12
3.3.3. Kết quả đánh giá mô phỏng ......................................................................................... 12
3.3.3.1. Kết quả đánh giá mô phỏng cho giải pháp 1 ............................................................ 12
3.3.3.2. Kết quả đánh giá mô phỏng cho giải pháp 2 ............................................................ 13
3.3.3.3. So sánh hai giải pháp................................................................................................ 13
3.4. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên thực nghiệm .............. 14
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................................... 15


iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ đầy đủ

Chữ viết tắt
AMI

Advanced Metering Infrastructure

ANR

Alive Node Ratio

BAS

Building Automation System

CTP

Collection Tree Protocol

DAG

Directed Acyclic Graph

DAO

Destination Advertisement Object

DDR

Data Delivery Ratio

DODAG

Destination Oriented DAG

DIS

DODAG Information Solicitation

DIO

DODAG Information Object

EI

Energy Indicator

EIB

Energy Indicator Balance

ETX

Expected Transmission

EU

European Union

FCS

Frame Check Sequence

FFD

Full Function Device

HAN

Home Area Network

HART

Highway Addressable Remote Transducer

IP

Internet Protocol

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IETF

Internet Engineering Task Force

IoT

Internet of Things

IRPL

Improved RPL

LBR

Lossy network Border Router

LLNs

Low-Power and Lossy Networks

LoWPAN

Low-power and Wireless Personal Area Network

MAC

Medium Access Control

MANET

Mobile Adhoc Network

MDMS

Meter Data Management System

MP2P

Multi-Point to Point

OSI

Open Systems Interconnection Reference Model

OUI

Organizational Unique Identifier


v

PAN

Personal Area Network

PC

Personal Computer

PLC

Power Line Communication

P2P

Point to Point

P2MP

Point to Multi-Point

QoS

Quality of Service

RAM

Random Access Memory

RPL

IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network

ROM

Read-Only Memory

RoLL

Routing over Low power and Lossy network

RFD

Reduced Function Device

SON

Smart Object Networks

SFD

Start of Frame Delimiter

TCP

Transport Control Protocol

TUmote

Thainguyen University mote

TU2C

Thainguyen University Control and Collection

UDP

User Datagram Protocol

UDG

Unit Disk Graph

UDI

UDG with Distance Interference

WiFi

Wireless Fidelity

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

WSN

Wireless Sensor Networks

vi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng
dụng Smart Grid
- Mã số: ĐH2015-TN07-05
- Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Chiến Thắng
- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông
- Thời gian thực hiện: 1/2015-12/2016
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu, xây dựng một hệ thống mạng cảm biến không dây chạy trên giao thức truyền thông
IPv6 trong ứng dụng Smart Grid.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Đề xuất mô hình ứng dụng giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập
dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường
tiên tiến AMI.
- Đề xuất giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến cho việc tự động thu thập dữ liệu về
chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến
AMI.
- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên mô phỏng và
thực nghiệm.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Nghiên cứu mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IPv6 và các ứng dụng trong mô hình
mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things).
- Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4.

- Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ
số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI.
- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên mô phỏng và
thực nghiệm.
5. Sản phẩm:
- Sản phẩm khoa học:
+ 02 bài báo đăng trên tạp chí trong nước.
+ 01 bài báo đăng trên kỷ yếu hội nghị, hội thảo trong nước.
+ 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế không thu tiền của tác giả.


vii

1. Vũ Chiến Thắng, Lê Nhật Thăng (2015), “Đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến IPv6 cho
mạng cảm biến không dây”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, Số 38, 8/2015, tr.
51-58.
2. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Vũ Văn San, Lê Nhật Thăng (2016), “Giải pháp kết hợp
giữa thước đo định tuyến chất lượng liên kết và năng lượng trong giao thức IRPL”, Tạp chí nghiên
cứu khoa học và công nghệ quân sự, Số 46, 12/2016, tr. 86-92.
3. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Vũ Văn San, Lê Nhật Thăng (2015), “Giao thức định tuyến
IPv6 có sự nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không dây”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia
2015 về Điện tử truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2015), tr. 87-91.
4. Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao (2016), “A Performance Evaluation of Improved IPv6
Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, International Journal of Intelligent Systems and
Applications, Volume 8, Number 12, pp. 18-25.
- Sản phẩm đào tạo: 02 đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học.
1. Phùng Mạnh Hùng, Thiết kế và chế tạo ổ cắm điện thông minh, mã số S2015-08-14, Đề tài sinh
viên nghiên cứu khoa học năm 2015, Quyết định số 1065/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 31 tháng 12
năm 2015.
2. Đinh Gia Sơn, Thiết kế, chế tạo module đo và hiển thị nồng độ khí gas, dùng mạng cảm biến

không dây ứng dụng trong robot tự động hỗ trợ công tác cứu hộ và phòng cháy chữa cháy, mã số
S2015-08-21, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học năm 2015, Quyết định số 1065/QĐ
ĐHNCNTT&TT ngày 31 tháng 12 năm 2015.
- Sản phẩm khác: 02 đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên.
1. Nguyễn Hà Phương Thùy, Nghiên cứu cải tiến hiệu năng giao thức định tuyến IPv6 cho mạng
cảm biến không dây, Đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên năm 2016, Quyết định số 273/QĐ
ĐHNCNTT&TT ngày 07 tháng 4 năm 2016.
2. Dương Thị Nương, Nghiên cứu giao thức truyền tải Web trên môi trường tài nguyên hạn chế, Đồ
án tốt nghiệp đại học Sinh viên năm 2016, Quyết định số 273/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 07 tháng 4
năm 2016.
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả
nghiên cứu:
- Sản phẩm của đề tài có thể được ứng dụng trong giảng dạy môn học mạng cảm biến và ứng dụng
tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông.
- Sản phẩm của đề tài là có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên.
- Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến có thể được ứng dụng với hệ thống tự động
thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo
lường tiên tiến AMI.
Ngày
Cơ quan chủ trì

tháng

năm 2017

Chủ nhiệm đề tài

TS. Vũ Chiến Thắng

viii

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Research and development of wireless sensor network based on IPv6 architecture for
smart grid applications.
Code number: DH2015-TN07-05
Coordinator: Dr. Vu Chien Thang
Implementing institution: Thai Nguyen University of Information and Communication Technology
Duration: from 1/2015 to 12/2016
2. Objective(s):
- Researching and developing a wireless sensor network operated on IPv6 communication protocol
for smart grid applications.
3. Creativeness and innovativeness:
- Proposing the application model of IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for
automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with Advanced
Metering Infrastructure.
- Proposing an improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically collecting
the energy consumption index in smart grid associated with Advanced Metering Infrastructure.
- Implementing and evaluating the improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol based
on simulations and experiments.
4. Research results:
- Researching on wireless sensor network based on IPv6 architecture and internet of things
applications.
- Researching and evaluating the IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol.
- Developing the IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically collecting the
energy consumption index in smart grid associated with Advanced Metering Infrastructure.
- Implementing and evaluating the improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol based
on simulations and experiments.
5. Products:

- Scientific paper:
+ 02 papers in national journals.
+ 01 paper in proceedings of national conference.
+ 01 paper in international journal.
1. Vu Chien Thang, Le Nhat Thang (2015), “Performance evaluation of IPv6 routing protocol for
wireless sensor network”, Journal of military science and technology, 2015, pp. 51-58.
2. Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao, Vu Van San, Le Nhat Thang (2016), “A solution for
combination of link quality and residual energy in IRPL protocol”, Journal of military science and
technology, 2016, pp. 86-92.


ix

3. Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao, Vu Van San, Le Nhat Thang (2015), “An energy-aware IPv6
routing protocol for wireless sensor network”, in Proceedings of 2015 national conference on
electronics, communications and information technology, pp. 87-91.
4. Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao (2016), “A Performance Evaluation of Improved IPv6
Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, International Journal of Intelligent Systems and
Applications, Volume 8, Number 12, pp. 18-25.
- Science research of student: 02.
1. Phung Manh Hung, Designing and prototying smart socket, code number: S2015-08-14, Project
of student in 2015, number 1065/QD DHCNTT&TT, 31/12/2015.
2. Dinh Gia Son, Designing, prototying the module to measure and display the gas concentration
using wireless sensor network, applying to robot for recusing and fire protection, code number:
S2015-08-21, Project of student in 2015, number 1065/QD DHCNTT&TT, 31/12/2015.
- Graduation Thesis: 02.
1. Nguyen Ha Phuong Thuy, Studying and improving the performance of IPv6 routing protocol for
wireless sensor network, Graduation thesis of student in 2016, number 273/QD DHCNTT&TT,
07/4/2016.
2. Duong Thi Nuong, Studying of web transfer protocol in constraint environment, Graduation

thesis of student in 2016, number 273/QD DHCNTT&TT, 07/4/2016.
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results:
- Research results could be used for teaching and learning about wireless sensor network at Thai
Nguyen University of Information and Communication Technology.
- Research results could be used as learning materials for students.
- The improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol could be used for automatically
collecting the energy consumption index in smart grid associated with advanced metering
infrastructure.


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo các nghiên cứu trên thế giới, nếu người dùng biết được lượng điện tiêu thụ trong thời
gian thực và nhận được các cảnh báo thì có thể tiết kiệm từ 5-20% tiêu thụ. Mạng lưới điện thông
minh (Smart Grid) là một trong những ứng dụng của mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of
Things – IoT) trong tương lai. Các mạng lưới điện thông minh cho phép các hoạt động của toàn bộ
hệ thống điện được tự động tối ưu hóa mọi lúc. Khách hàng chủ động kiểm soát việc sử dụng năng
lượng của mình, với việc luôn biết được lượng điện tiêu thụ của mình ở mức bao nhiêu, điều này sẽ
làm họ tiết kiệm và nhờ vậy tổng năng lượng điện sẽ được phân phối đều đến tất cả các nơi tiêu
thụ, các sự cố về giờ cao điểm sẽ được hạn chế tối đa.
Hạ tầng đo lường tiên tiến AMI là một hệ thống đo lường thông minh theo thời gian thực cho
các công ty điện, nước, gas... có tiềm năng cải thiện hoạt động kinh doanh và độ tin cậy kỹ thuật
của các tác nghiệp khác nhau thuộc công ty. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, đề tài sẽ tập trung
nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập dữ liệu
về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI.
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng điện luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu của

chính phủ và các cấp quản lý. Việc ứng dụng các sản phẩm và giải pháp nước ngoài khó phù hợp
với điều kiện Việt nam do giá thành cao và lưới điện Việt nam có rất nhiều đặc thù gây ra khó khăn
lớn khi triển khai các giải pháp nước ngoài. Đơn cử như giải pháp tuyền thông dùng PLC (Power
Line Communication) cho thiết bị đo và chấp hành thông minh rất thành công ở nước ngoài nhưng
rất khó triển khai ở Việt nam do suy hao truyền tải lớn và chất lượng nguồn điện ở Việt nam còn
thấp (qua một số triển khai thử nghiệm của một nghiên cứu trong nước).
2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trong suốt một thập kỷ qua, cộng đồng nghiên cứu và triển khai ứng dụng với công nghệ
mạng cảm biến không dây đều cho rằng kiến trúc IP là không phù hợp với các ứng dụng của mạng
cảm biến. Các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ, khả năng xử lý và năng lượng. Trong vài năm trở
lại đây, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF đã nỗ lực đề xuất các giải pháp nhằm chuẩn hóa kiến trúc
IPv6 cho mạng các thiết bị có tài nguyên hạn chế nói chung và mạng cảm biến không dây nói
riêng. Nhóm công tác RoLL của IETF đã đề xuất một giao thức truyền thông IPv6 mới. Giao thức
truyền thông IPv6 được thiết kế cho các mạng tổn hao công suất thấp LLNs (Low-Power and Lossy
Networks) với các nút mạng có tài nguyên hạn chế và được kết nối với nhau bởi các liên kết tổn
hao (có sự mất mát bản tin). Hiện nay, giao thức truyền thông IPv6 vẫn đang được quan tâm nghiên
cứu, cải tiến nhằm đáp ứng được những yêu cầu khác nhau trong từng ứng dụng.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập
dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI.
4. Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu
- Khảo sát các nghiên cứu trên thế giới và đánh giá các giải pháp công nghệ thực hiện.
- Kết hợp việc nghiên cứu lý thuyết về mạng cảm biến không dây và tiến hành kiểm chứng bằng
thực nghiệm trên các hệ phần cứng nhúng và các KIT phát triển ứng dụng.
- Từ các kết quả trên, xây dựng giải pháp và thiết kế hệ thống.


2

- Phát triển các ý tưởng, các giải pháp định tuyến cho mạng cảm biến không dây nhằm tối ưu hóa

việc sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không dây.
- Cài đặt, triển khai các ý tưởng đã đưa ra.
- Đo đạc và đánh giá hiệu năng dựa trên mô phỏng và thực nghiệm.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích, mô phỏng, đo đạc, triển khai thực nghiệm.
6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không
dây trên nền kiến trúc IP.
- Phạm vi nghiên cứu: Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu
thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI.
7. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, mô hình mạng lưới Internet kết nối vạn vật, ứng dụng tự
động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ
tầng AMI.
- Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6 trên nền chuẩn truyền thông lớp vật lý
IEEE802.15.4.
- Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho ứng dụng tự động thu thập dữ liệu về
chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI.
- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên mô phỏng.
- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên thực nghiệm.

Chương 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN - 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 thu thập dữ liệu, theo
dõi, giám sát và y học…
1.1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

- Một mạng cảm biến không dây thường bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố
ngẫu nhiên với mật độ cao trong trường cảm biến.
- Các nút cảm biến thường được triển khai ngẫu nhiên và chúng ít được bảo trì.
- Các nút cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng xử lý, phạm vi truyền thông và dung
lượng bộ nhớ.
- Mặc dù khả năng di động của các nút bị hạn chế nhưng cấu trúc liên kết mạng lại luôn thay đổi.
- Các mạng cảm biến không dây chủ yếu được thiết kế để thu thập thông tin.
- Lưu lượng dữ liệu được tạo ra có sự dư thừa và có sự tương quan về không gian.


3

1.1.3. Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây
- Thời gian tồn tại dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể kéo dài từ 1 đến 10 năm tùy
thuộc vào từng ứng dụng. Nguồn năng lượng được tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin.
- Khả năng mở rộng: Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng lớn bao
gồm hàng ngàn các nút cảm biến.
- Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn chế nhiều đến các giao thức định
tuyến.
- Các nút không đồng nhất cần phải được tính đến khi thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm
biến không dây.
- Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của mạng.
- Vấn đề di động có thể gặp phải trong một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
1.1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây
Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công suất thấp
và 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). Chuẩn 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 chuẩn IEEE 802.15.4 phổ

biến với mạng cảm biến không dây.
1.1.5. Mô hình tính toán cho mạng cảm biến không dây
- Mô hình kết nối giữa các nút mạng cảm biến không dây dựa trên lý thuyết đồ thị: Để phát triển
các thuật toán và đưa ra những chứng minh toán học về hiệu năng của mạng cảm biến không dây
thì cần phải xây dựng mô hình toán cho mạng cảm biến không dây. Một mô hình toán được sử
dụng rộng rãi đối với mạng cảm biến không dây đó là mô hình toán được xây dựng dựa trên lý
thuyết đồ thị. Bởi vì cấu trúc liên kết của mạng cảm biến không dây có thể được coi như một đồ thị
nên các thuật toán cho mạng cảm biến không dây thường sử dụng mô hình toán từ lý thuyết đồ thị.
Trong mô hình lý thuyết đồ thị, các nút cảm biến đại diện cho các đỉnh và các liên kết vô tuyến đại
diện cho các cạnh của đồ thị.
- Các vấn đề về nhiễu trong mạng cảm biến không dây theo mô hình UDI với nhiễu khoảng
cách: Các nút được phân bố tùy ý trong mặt phẳng. Hai nút có thể truyền thông trực tiếp với nhau
khi và chỉ khi khoảng cách Euclide lớn nhất bằng 1 và nếu như phía thu không bị ảnh hưởng bởi
một nút thứ ba với khoảng cách Euclide nhỏ hơn hoặc bằng một hằng số R  1.

Hình 1.9: Mô hình UDI.


4

Hình 1.9 mô tả một ví dụ mô hình UDI với hai bán kính: Một bán kính truyền dẫn (bằng 1)
và một bán kính nhiễu (R  1). Trong ví dụ này, nút v không thể nhận được một truyền dẫn từ nút
u nếu nút x truyền dữ liệu đồng thời đến nút w mặc dù nút v không liền kề với nút x.
1.2. Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP
1.2.1. Giới thiệu về kiến trúc IP
Kiến trúc TCP/IP được thiết kế cách đây khoảng 35 năm và bây giờ được sử dụng trên hàng
tỷ thiết bị trên khắp thế giới từ các thiết bị cầm tay, máy tính xách tay đến các siêu máy tính.
1.2.2. Ưu điểm của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP
- Khả năng cộng tác.
- Một kiến trúc phát triển và linh hoạt.

- Tính ổn định và sự phổ biến của kiến trúc.
- Kích thước bộ nhớ nhỏ gọn.
1.2.3. Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây
Để xây dựng kiến trúc giao thức IP cho các mạng hạn chế tài nguyên trong đó có mạng cảm
biến không dây, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF đã tạo ra các nhóm làm việc để chuẩn hóa các
giao thức đó là:
- Nhóm làm việc 6LoWPAN: Nhóm làm việc về IPv6 trong các mạng PAN không dây công suất
thấp được yêu cầu chuẩn hóa những thích ứng cần thiết của IPv6 cho các mạng sử dụng lớp vật lý
IEEE 802.15.4.
- Nhóm làm việc ROLL: IETF giao cho nhóm làm việc này về vấn đề định tuyến qua kênh truyền
tổn hao và công suất thấp nhằm chuẩn hóa giao thức định tuyến IPv6 cho các thiết bị hạn chế về tài
nguyên.
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP
- Nhà thông minh.
- Tự động hóa tòa nhà.
- Mạng các thành phố và đô thị thông minh.

Chương 2. GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4
CHO ỨNG DỤNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH GẮN VỚI HẠ TẦNG AMI
2.1. Tổng quan về ứng dụng lưới điện thông minh
Hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid) là hệ thống điện có sử dụng công nghệ thông tin
và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ tiêu thụ,
hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc. Có thể coi hệ thống điện thông
minh gồm có hai lớp: lớp 1 là hệ thống điện thông thường và bên trên nó là lớp 2, hệ thống thông
tin, truyền thông, đo lường.
Những lợi ích của lưới điện thông minh đem lại, đó là người dùng có thể tối ưu hóa và tiết
kiệm năng lượng điện tiêu thụ, đồng thời giảm chi phí điện hàng tháng nhờ vào khả năng đo lường
lượng điện tiêu thụ hàng ngày. Còn đối với các công ty điện lực, lưới điện thông minh sẽ giúp họ
quản lý mạng lưới điện tốt hơn, cải thiện độ tin cậy của hệ thống, giảm thiểu tổn thất điện năng và
bảo vệ môi trường.

5

2.2. Hệ thống tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện
thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI
Hạ tầng đo lường tiên tiến AMI được định nghĩa bao gồm các thành phần phần cứng, phần
mềm truyền thông, hệ thống liên kết và phần mềm quản lý dữ liệu. Các thành phần này được kết
nối tạo thành mạng giữa các thiết bị đo và các hệ thống tiện ích kinh doanh cho phép thu thập và
phân phối thông tin cho khách hàng và các bên tham gia. Các thành phần của AMI bao gồm:
- Các thiết bị đo thông minh (Smart Meters).
- Mạng truyền dẫn dữ liệu đo.
- Hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo MDMS.
2.3. Công nghệ mạng cảm biến không dây cho phép khả năng truyền thông trong AMI
Công nghệ mạng cảm biến không dây giải quyết yêu cầu truyền thông hai chiều thông qua
các thiết bị truyền thông không dây công suất thấp. Công nghệ mạng cảm biến không dây đem lại
hiệu quả hơn so với các công nghệ truyền thông truyền thống bao gồm việc triển khai nhanh chóng,
chi phí thấp, mềm dẻo. Trong hạ tầng đo lường tiên tiến AMI, các thiết bị đo điện, nước, gas được
triển khai tại các hộ gia đình và kết nối với nhau theo mô hình truyền thông đa chặng (hình 2.3).
Giao thức truyền thông được đề xuất trong mô hình này là giao thức truyền thông IPv6/IEEE
802.15.4. Mạng các thiết bị đo được chia thành các cụm và mỗi cụm sẽ có một nút Gateway (nút
gốc) để thu thập dữ liệu trong cụm đó.

Gateway

Water meter
Electricity meter

Gas meter

Hình 2.3: Mạng các thiết bị đo thông minh trong AMI.
2.4. Giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4
2.4.1. Giới thiệu chung
Vài năm trở lại đây, chúng ta cũng được chứng kiến việc đẩy mạnh quá trình nghiên cứu và
phát triển các mạng lưới thông minh (SONs – Smart Object Networks). Mạng cảm biến không dây
là một thành phần của các mạng SONs. Mạng cảm biến không dây rất phù hợp với một số ứng
dụng của mạng SONs như đo lường tự động AMI và mạng gia đình HAN. Nhóm công tác về vấn
đề truyền thông qua kênh truyền tổn hao và công suất thấp thực hiện nhiệm vụ chuẩn hóa giao thức
truyền thông IPv6 cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế. Nhóm này đã đề xuất giao thức RPL
(IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) nhằm xây dựng một cấu trúc liên kết
mạng bền vững qua các liên kết tổn hao công suất thấp với các yêu cầu trạng thái liên kết tối thiểu.
2.4.2. Khái niệm và thuật ngữ được sử dụng trong giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4
- DAG (Directed Acyclic Graph): Là một đồ thị định hướng có đặc điểm là tất cả các cạnh được
định hướng sao cho không tồn tại một vòng kín nào. Tất cả các cạnh chứa trong các tuyến đường
được định hướng và kết thúc tại một hoặc nhiều nút gốc.


6

- DODAG (Destination Oriented DAG): Là một DAG kết thúc tại chỉ một đích đến.
- Nút gốc DODAG (DODAG root): Là một nút nút gốc của một DODAG. DODAG root có thể
đóng vai trò như một bộ định tuyến biên (border router) cho DODAG.
- Thứ bậc (Rank) của một nút: Rank của một nút xác định vị trí tương đối của nút đó so với nút
gốc.
- Hàm mục tiêu (Objective Function): Một hàm mục tiêu xác định các thước đo định tuyến, các
mục tiêu tối ưu hóa và các hàm có liên quan được sử dụng để tính toán Rank.
- DODAG parent: Parent của một nút đang xét trong DODAG là một trong các nút kế tiếp gần nhất
trên tuyến đường hướng đến nút gốc.
2.4.3. Thước đo định tuyến ETX
Thước đo định tuyến ETX của một liên kết là số lần truyền cần thiết để gửi thành công một

bản tin từ nguồn đến đích qua liên kết đó bao gồm cả việc truyền lại. Hình 2.5 minh họa cách tính
thước đo ETX1hop của một liên kết.

Hình 2.5: ETX1hop của một liên kết.
Thước đo ETX1hop của một liên kết được xác định theo công thức sau:

ETX 1hop 

1
D f .Db

(2.1)

Trong đó: Df : Tỉ lệ chuyển phát bản tin theo chiều từ nút A đến nút B; Db : Tỉ lệ chuyển phát
bản tin theo chiều ngược lại từ nút B đến A.
2.4.4. Các bản tin điều khiển
- Bản tin DIS được gửi từ những nút tự do trong mạng nhằm quảng bá sự xuất hiện của nút, thăm
dò sự xuất hiện của các nút lân cận và yêu cầu những nút khác phản hổi bằng các bản tin DIO.
- Bản tin DIO được sử dụng để quảng bá các thông tin định tuyến của một DODAG xác định trong
mạng, phục vụ quá trình xây dựng DODAG và định tuyến theo chiều hướng lên (upward).
- Bản tin DAO được sử dụng để quảng bá thông tin của các đích, được gửi từ những nút có rank
cao hơn đến những nút có rank thấp hơn dọc theo DODAG.
2.4.5. Hoạt động của giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4
Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 (giao thức RPL) xây dựng cấu trúc mạng gồm
một hoặc nhiều DODAG (Destination Oriented Direct Acyclic Graph). Quá trình xây dựng
DODAG được minh họa ở hình 2.7. Thước đo định tuyến là chất lượng liên kết ETX. Hàm mục
tiêu là xác định tuyến đường có ETX nhỏ nhất và Rank được tính dựa trên số bước nhảy.
Bước 1: Nút gốc (LBR) bắt đầu gửi multicast các bản tin DIO trên liên kết cục bộ. Một trong
số các nút nhận được bản tin DIO cũng có thể quyết định gửi bản tin DIS. Trong trường hợp đó,
nút gốc cũng ngay lập tức gửi lại một bản tin DIO.

Bước 2: Nút 11, 12 và 13 nhận bản tin DIO. Sau quá trình xử lý bản tin DIO, nút 11, 12 và
13 lựa chọn nút gốc là nút Parent của chúng. Sau đó, nút 11, 12 và 13 tính toán Rank mới của
chúng dựa trên số bước nhảy và giá trị ETX của tuyến đường cũng được tính toán. Nút 11 cũng lựa
chọn nút 12 là “anh em” và ngược lại (có cùng Rank).


7

Hình 2.7: Ví dụ về việc hình thành DODAG.
Bước 3: Minh họa kết quả DODAG sau một số lần lặp lại quá trình tương tự như vậy. Lưu ý
rằng liên kết 22-11 đã được loại bớt khỏi DODAG bởi vì nút 12 là Parent tốt hơn khi được xem xét
theo hàm mục tiêu (ETX của tuyến đường nhỏ nhất). Nút 23 cũng lựa chọn hai nút Parent có cùng
chi phí tuyến đường (ETX = 3.3).
2.5. Hệ điều hành Contiki
Contiki là một hệ điều hành mã nguồn mở được thiết kế cho các hệ thống mạng nhúng nói
chung và mạng cảm biến không dây nói riêng. Hệ điều hành Contiki được thiết kế cho các vi điều
khiển có bộ nhớ nhỏ, với thông số 2KB RAM và 40KB ROM. Hệ điều hành Contiki cùng đi kèm
với công cụ mô phỏng Cooja/MSPSim. Công cụ mô phỏng này cho phép các đoạn mã chương trình
viết trên nền hệ điều hành Contiki có thể được mô phỏng, thử nghiệm trước khi triển khai.
2.6. Thực thi giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 trên hệ điều hành Contiki
Hình 2.10 minh họa mô hình cấu trúc thực thi giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4
trên hệ điều hành Contiki. Ngăn xếp truyền thông uIPv6 gọi đến module ContikiRPL khi nhận
được bản tin ICMPv6 (DIO, DIS, DAO) hoặc khi cần tìm kiếm các nút lân cận. Module
ContikiRPL gọi đến ngăn xếp truyền thông uIPv6 để thiết lập tuyến đường trong các bảng định
tuyến. Module ContikiRPL sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX (Expected
Transmission) để thiết lập truyến đường trong mạng. Thông tin phản hồi về chất lượng liên kết
được thực hiện bời khối ước lượng chất lượng liên kết (Link Estimator).
Hình 2.10 cũng cho thấy giao thức RPL hiện tại chỉ dựa vào thước đo định tuyến ETX để
thiết lập các tuyến đường trong mạng. Tuyến đường tối ưu được lựa chọn là tuyến đường có số lần
truyền cần thiết là ít nhất. Tuy nhiên, giao thức RPL hiện tại chưa có sự nhận thức về nguồn năng

lượng của các nút chuyển tiếp. Điều này có thể dẫn đến hai nhược điểm đó là: Thứ nhất, một số nút
mạng thuộc những tuyến đường có chất lượng liên kết tốt bị hết năng lượng nhanh hơn so với các
nút mạng khác; Thứ hai, trong các mạng hỗn hợp bao gồm nhiều nút cảm biến được trang bị các
loại nguồn năng lượng khác nhau thì giao thức RPL hiện tại chưa có sự phân loại về chất lượng
dịch vụ cho các kiểu lưu lượng dữ liệu khác nhau. Với các lưu lượng dữ liệu đòi hỏi có độ trễ thấp


8

thì tuyến đường được lựa chọn có thể bao gồm tất cả những nút mạng hoạt động bằng pin nhưng
với các loại lưu lượng dữ liệu không yêu cầu thời gian thực thì tuyến đường được lựa chọn nên
tránh những nút hoạt động bằng pin để bảo tồn năng lượng.
Lớp ứng dụng

Lớp giao vận
(TCP/UDP)

ICMPv6 (DIO, DIS, DAO)

Ngăn xếp
truyền thông uIPv6

Tìm kiếm các nút lân cận

ContikiRPL

Thiết lập tuyến đường
ETX

Khối ước lượng

chất lượng liên kết

Các gói tin dữ liệu
và điều khiển
Thông tin phản hồi về
chất lượng liên kết

Lớp MAC, PHY
theo chuẩn IEEE
802.15.4

Hình 2.10: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki.
Chương 3. PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4
3.1. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4
3.1.1. Các thước đo đánh giá
3.1.1.1. Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu
Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR (Data Delivery Ratio) được xác định bằng tỷ số giữa
số bản tin dữ liệu nhận được tại nút gốc và tổng số bản tin dữ liệu được gửi đi bởi tất cả các nút
trong mạng.

DDR(%) 

N received
.100%
N data

(3.1)

Trong đó: Nreceived là tổng số bản tin dữ liệu nhận được tại nút gốc; Ndata là tổng số bản tin dữ
liệu được gửi bởi tất cả các nút trong mạng. Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu càng cao thì hiệu quả

truyền thông trong mạng càng tốt.
3.1.1.2. Công suất tiêu thụ trung bình trong toàn mạng
Các nút mạng cảm biến không dây thường được vận hành bằng pin nên vấn đề bảo toàn năng
lượng là một mục tiêu quan trọng. Vì vậy, chúng tôi tập trung đánh giá công suất tiêu thụ trung
bình của toàn mạng. Để đánh giá các thành phần công suất này, chúng tôi sử dụng mô hình năng
lượng như sau:

Econsumption  U ( I ata  Il tl  It tt  I r tr   I citci )

(3.2)

i

Trong đó: U là điện áp nguồn cung cấp; Ia, ta là dòng tiêu thụ và thời gian mà bộ vi xử lý
hoạt động ở chế độ tích cực (active mode); Il, tl là dòng tiêu thụ và thời gian mà bộ vi xử lý hoạt
động ở chế độ công suất thấp (low power mode); It, tt là dòng tiêu thụ và thời gian bộ thu phát vô
tuyến ở chế độ truyền (transmit); Ir, tr là dòng tiêu thụ và thời gian bộ thu phát vô tuyến ở chế độ
nhận (receive); Ici, tci là dòng tiêu thụ và thời gian hoạt động của các bộ phận khác như cảm biến,
LED... Trong đề tài này, chúng tôi đánh giá giao thức RPL sử dụng phần cứng TUmote. Bảng 3.1
trình bày mô hình năng lượng cho phần cứng TUmote.


9

Bảng 3.1: Mô hình năng lượng của phần cứng TUmote.
Thành phần
Trạng thái
Đặc điểm
Tích cực
1,95 mA

MSP430F1611
Công suất thấp
0,0026 mA
Truyền (-15dBm)
9,9 mA
CC2420
Nhận
19,7 mA
SHT11
Tích cực
0,55 mA
3.1.1.3. Số lần thay đổi nút cha trung bình trong toàn mạng
Số lần thay đổi nút cha trung bình trong toàn mạng được xác định dựa trên sự thống kê số
lần thay đổi nút cha đối với từng nút mạng.
3.1.2. Kịch bản đánh giá mô phỏng
Bảng 3.2: Kịch bản đánh giá mô phỏng.
Các tham số
Mô hình truyền sóng
Số nút mạng
Kích thước mạng
Phạm vi phủ sóng của nút
Chu kỳ gửi bản tin dữ liệu
Nguồn gửi bản tin dữ liệu
Giao thức lớp MAC

Giá trị
UDI (Unit Disk Graph with Interference)
31
100m x 100m
Phạm vi truyền hiệu quả: 30m

Phạm vi ảnh hưởng của nhiễu: 50m
30s, 40s, 50s, 60s
Tất cả các nút trong mạng
CSMA/ContikiMAC

Để đánh giá giao thức RPL dựa trên mô phỏng, chúng tôi sử dụng công cụ mô phỏng Cooja.
Chúng tôi xét một DODAG bao gồm 31 nút mạng được phân bố ngẫu nhiên trong trường cảm biến
có kích thước (100m x 100m). Chúng tôi so sánh hiệu năng giữa giao thức RPL với giao thức CTP.
Hình 3.2, 3.3, 3.4 lần lượt là kết quả đánh giá mô phỏng so sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ
liệu (DDR), công suất tiêu thụ trung bình và số lần thay đổi nút cha trong toàn mạng giữa giao thức
RPL và giao thức CTP.

Hình 3.2: So sánh tỷ lệ DDR.

Hình 3.3: So sánh công suất tiêu thụ trung bình.

Hình 3.4: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình trong toàn mạng.
Hình 3.2 cho thấy giao thức RPL có tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR thấp hơn so với
giao thức CTP. Tuy nhiên, tỷ lệ DDR của giao thức RPL cũng ở mức tương đối cao (> 90%).


10

Hình 3.3 cho thấy mức tiêu thụ công suất trung bình trong toàn mạng đối với giao thức RPL
và giao thức CTP. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cũng khá tương đồng và đều cho thấy rằng
giao thức RPL hiệu quả về mặt năng lượng hơn so với giao thức CTP.
Hình 3.4 phản ánh số lần thay đổi nút cha trung bình trong toàn mạng. Kết quả đánh giá cho
thấy, giao thức RPL có độ ổn định về cấu trúc mạng hơn so với giao thức CTP. Điều này dẫn đến
một nhược điểm đó là 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 thời gian sống của mạng.
3.2. Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4
3.2.1. Mục tiêu và những thách thức
Mục tiêu chính khi thiết kế giao thức RPL cải tiến là 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 thách thức đặt ra khi thiết kế giao thức IRPL đó là: Thứ nhất, cần phải
xác định được chỉ số năng lượng còn lại trên mỗi nút mạng. Cách xác định chỉ số năng lượng còn
lại trên mỗi nút mạng cần thực hiện được trên nhiều kiến trúc phần cứng khác nhau và không làm
phát sinh thêm bất kỳ một chi phí nào về phần cứng; Thứ hai, cần phải đề xuất một thuật toán lựa
chọn tuyến đường mới dựa trên hai thước định tuyến là chất lượng liên kết ETX và chỉ số năng
lượng của nút chuyển tiếp. Tuyến đường chuyển tiếp bản tin dữ liệu được lựa chọn phải đảm bảo
có chất lượng liên kết tốt đồng thời tránh được những nút mạng gần hết năng lượng.
3.2.2. Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4
Năng lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến được xác định theo công thức:

Eresidual  E0  Econsumption

(3.3)

Trong đó: Eresidual, E0, Econsumption lần lượt là năng lượng còn lại, năng lượng ban đầu và năng
lượng tiêu thụ trên nút cảm biến.
Năng lượng tiêu thụ trên nút cảm biến được tính toán theo công thức (3.2). Chỉ số năng
lượng còn lại EI (Energy Indicator) trên mỗi nút cảm biến có thể được xác định theo công thức sau:

EI (%) 

E residual
.100%
E0

(3.4)

Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất các giải pháp kết hợp hai thước đo định tuyến ETX và EI.
3.2.2.1. Giải pháp 1
Chỉ số năng lượng còn lại EI được so sánh với một ngưỡng cho trước. Nếu chỉ số năng lượng
còn lại thấp hơn ngưỡng cho trước tương ứng với trạng thái gần hết năng lượng thì nút cảm biến sẽ
không tham gia vào quá trình chuyển tiếp bản tin dữ liệu trong mạng. Trạng thái năng lượng của
nút cảm biến được mã hóa bằng 1 bit và được mang đi bởi trường cờ (Flags) trong bản tin điều
khiển DIO. Hình 3.5 mô tả cấu trúc bản tin điều khiển DIO.

Hình 3.5: Cấu trúc bản tin điều khiển DIO.


11

3.2.2.2. Giải pháp 2
Chỉ số năng lượng EI được mang đi bởi trường dự trữ (Reserved) trong bản tin điều khiển
DIO. Chúng tôi kết hợp hai thước đo định tuyến EI và ETX theo công thức sau:

ETX
(3.5)
.100  (1   )(100  EI )
ETX max
Trong đó: α là trọng số cho phép điều chỉnh hai thông số ETX, EI để tính toán thước đo định
tuyến kết hợp, giá trị α nằm trong khoảng từ 0 đến 1; ETXmax là giá trị chất lượng liên kết lớn nhất
của tuyến đường trong mạng. Thước đo định tuyến kết hợp metricETX_EI được mang đi bởi trường
dự trữ trong bản tin điều khiển DIO. Hình 3.6 trình bày thuật toán lựa chọn nút cha tốt nhất dưới
dạng mã giả. Nút cha tốt nhất phải thỏa mãn đồng thời hai yêu cầu: Thứ nhất, nút đó phải có chỉ số
năng lượng còn lại (EI) ở mức cao để đảm bảo sự cân bằng năng lượng trong mạng; Thứ hai, chất
lượng liên kết của tuyến đường (ETX) đi qua nút đó ở mức thấp để tiết kiệm năng lượng (do số lần

truyền bản tin đến nút gốc là thấp). Khi kết hợp cả hai yêu cầu trên trong công thức (3.5), nút cha
tốt nhất được lựa chọn phải là nút có thước đo định tuyến kết hợp metricETX_EI nhỏ nhất.
metricETX _ EI (%)  

Hình 3.6: Thuật toán lựa chọn nút cha tốt nhất. Hình 3.7: Thực thi giao thức IRPL trên Contiki.
3.2.3. Thực thi giải pháp
Hình 3.7 minh họa các thành phần chính của giao thức IRPL. Chúng tôi mở rộng cấu trúc
bảng định tuyến trong ContikiRPL để lưu thông tin về trạng thái năng lượng còn lại của các nút lân
cận. Module ContikiRPL sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX và chỉ số năng
lượng còn lại (EI) của các nút lân cận để thiết lập tuyến đường trong mạng. Thông tin phản hồi về
chất lượng liên kết được thực hiện bởi khối ước lượng chất lượng liên kết. Khối ước lượng năng
lượng tiêu thụ có nhiệm vụ xác định chỉ số năng lượng còn lại của nút cảm biến. Trong giải pháp 1,
chỉ số năng lượng còn lại được so sánh với một ngưỡng cho trước để xác định trạng thái năng
lượng còn lại của nút cảm biến. Thông tin về chất lượng liên kết và trạng thái năng lượng còn lại
này được gửi tới các nút lân cận thông qua bản tin DIO. Trong giải pháp 2, module ContikiRPL sẽ
tính toán thước đo định tuyến kết hợp (metricETX-EI) dựa trên hai thước đo định tuyến ETX và EI.
3.3. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên mô phỏng
3.3.1. Các thước đo đánh giá
Chúng tôi đánh giá và so sánh hiệu năng giữa giao thức IRPL và giao thức RPL thông qua
một số thước đo đánh giá: Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu, sự cân bằng năng lượng giữa các nút
mạng, thời gian sống của mạng. Thước đo đánh giá về tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu đã được
trình bày trong mục 3.1.1.1.


12

3.3.1.1. Sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng
Thước đo đánh giá sự cân bằng năng lượng EIB (Energy Indicator Balance) giữa các nút
trong mạng được xác định theo công thức sau:
N

 ( EI  EI )

EIB 

i 1

(3.6)

2

i

Trong đó: EI là chỉ số năng lượng còn lại trung bình trên các nút mạng.
3.3.1.2. Thời gian sống của mạng
Thời gian sống của mạng là khoảng thời gian bắt đầu một truyền dẫn đầu tiên ở trong mạng
và kết thúc khi tỷ lệ phần trăm các nút hết năng lượng dưới một ngưỡng cho trước. Trong phạm vi
đề tài này, chúng tôi chọn ngưỡng để xác định thời gian sống của mạng bằng 100%
3.3.2. Kịch bản đánh giá mô phỏng
Bảng 3.3 tóm tắt kịch bản đánh giá mô phỏng với hai giao thức IRPL và RPL.
Bảng 3.3: Kịch bản đánh giá mô phỏng.
Các tham số
Mô hình truyền sóng
Số nút mạng
Kích thước mạng
Phạm vi phủ sóng của nút
Năng lượng ban đầu
Chu kỳ gửi bản tin dữ liệu
Nguồn gửi bản tin dữ liệu
Giao thức lớp MAC

Giá trị
UDI (Unit Disk Graph with Interference)
26
100m x 100m
Phạm vi truyền hiệu quả: 30m
Phạm vi ảnh hưởng của nhiễu: 50m
10J
15s
Tất cả các nút trong mạng
CSMA/ContikiMAC

3.3.3. Kết quả đánh giá mô phỏng
3.3.3.1. Kết quả đánh giá mô phỏng cho giải pháp 1

Hình 3.9: So sánh tỷ lệ ANR trong mạng.

Hình 3.10: So sánh tỷ lệ DDR.

Hình 3.11: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng.


13

Kết quả đánh giá mô phỏng hình 3.9 cho thấy thời gian sống của các nút mạng khi mạng
hoạt động theo giao thức IRPL được cải thiện tốt hơn so với giao thức RPL ban đầu. Hình 3.9 cũng
cho thấy với ngưỡng chỉ số năng lượng còn lại bằng 25% thì thời gian sống của mạng được cải
thiện tốt nhất (tăng 46% so với giao thức RPL). Hình 3.10 cho thấy tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ
liệu của giao thức IRPL thấp hơn so với giao thức RPL. Giao thức IRPL cũng đảm bảo được sự cân
bằng năng lượng giữa các nút mạng tốt hơn so với giao thức RPL ban đầu (hình 3.11). Từ các kết

quả mô phỏng ở hình 3.9, 3.10, chúng ta thấy giao thức IRPL với ngưỡng chỉ số năng lượng còn lại
bằng 25% đạt được hiệu quả tốt nhất về thời gian sống của mạng đồng thời cũng đảm bảo được tỷ
lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR ở mức chấp nhận được so với giao thức RPL ban đầu.
3.3.3.2. Kết quả đánh giá mô phỏng cho giải pháp 2

Hình 3.12: So sánh tỷ lệ ANR.

Hình 3.13: So sánh tỷ lệ DDR.

Hình 3.14: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng.
Kết quả đánh giá mô phỏng cho thấy, giao thức IRPL với giá trị trọng số α = 0.9 đạt được
hiệu quả tốt nhất khi xét về tỷ lệ các nút còn sống trong mạng (hình 3.12). Thời gian sống của
mạng tăng 46% so với giao thức RPL ban đầu. Kết quả mô phỏng hình 3.13 cho thấy giao thức
IRPL với giá trị trọng số α = 0.9 đạt được hiệu quả về tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu (DDR) cao
hơn so với giao thức RPL ban đầu. Với giá trị trọng số α = 0.9, giao thức IRPL cũng đạt được sự
cân bằng năng lượng giữa các nút trong mạng tốt hơn so với giao thức RPL ban đầu (hình 3.14).
3.3.3.3. So sánh hai giải pháp
Hình 3.15, 3.16, 3.17 lần lượt là kết quả đánh giá mô phỏng so sánh tỷ lệ các nút còn sống
trong mạng (ANR), tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu (DDR), sự cân bằng năng lượng (EIB) giữa
giao thức IRPL được cải tiến theo giải pháp 2 (IRPL_alpha với α = 0,9), giao thức IRPL được cải
tiến theo giải pháp 1 với ngưỡng chỉ số năng lượng còn lại bằng 25% (IRPL_25) và giao thức RPL
ban đầu. Kết quả đánh giá mô phỏng ở hình 3.15 cho thấy giải pháp cải tiến 1 và 2 đều cho phép
tăng thời gian sống của mạng lên đến 46% so với giao thức RPL ban đầu.Kết quả mô phỏng ở hình
3.16 cũng cho thấy giải pháp cải tiến thứ 2 đem lại hiệu quả về tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu
DDR cao hơn so với giải pháp cải tiến thứ 1. Cả hai giải pháp đề xuất đều đảm bảo sự cân bằng
năng lượng giữa các nút trong mạng được tốt hơn so với giao thức RPL ban đầu (hình 3.17).


14

Hình 3.15: So sánh tỷ lệ ANR.

Hình 3.16: So sánh tỷ lệ DDR.

Hình 3.17: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng.
3.4. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên thực nghiệm
Từ các kết quả đánh giá mô phỏng ở mục 3.3.3, chúng tôi lựa chọn giải pháp 2 ứng với α =
0,9 để đánh giả thực nghiệm. Kịch bản đánh giá thực nghiệm gồm 9 nút TUmote được triển khai
như hình 3.21. Bảng 3.5 là kịch bản đánh giá thực nghiệm. Các nút mạng thu thập dữ liệu và gửi dữ
liệu về nút Sink.

Hình 3.21: Mô hình đánh giá thực nghiệm.
Bảng 3.5: Kịch bản đánh giá thực nghiệm.
Các thông số
Giá trị
Môi trường truyền sóng
Trong nhà
Số nút mạng
9
Công suất phát
0 dBm
Năng lượng ban đầu
10J
Chu kỳ gửi dữ liệu
30s
Nguồn gửi bản tin dữ liệu Tất cả các nút trong mạng
Giao thức lớp MAC
CSMA/ContikiMAC

15

Hình 3.22: So sánh tỷ lệ ANR.

Hình 3.23: So sánh tỷ lệ DDR.

Hình 3.24: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng.
Với giả sử ngưỡng để xác định thời gian sống của mạng bằng 100% thì kết quả đánh giá mô
phỏng hình 3.22 cho thấy thời gian sống của các nút mạng khi mạng hoạt động theo giao thức
IRPL được cải thiện tốt hơn (tăng 17%) so với giao thức RPL ban đầu. Hình 3.23 cho thấy giao
thức IRPL đạt được hiệu quả về tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu tốt hơn so với giao thức RPL.
Giao thức IRPL cũng đảm bảo được sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng tốt hơn so với giao
thức RPL (hình 3.24).
Như vậy, kết quả đánh giả thực nghiệm một lần nữa đã chứng minh lại những ưu việt của
giải pháp đề xuất. Với giao thức IRPL được đề xuất theo giải pháp 2 (ứng với α = 0,9), thời gian
sống của mạng và sự cân bằng năng lượng giữa các nút trong mạng đã được cải thiện hơn so với
giao thức RPL ban đầu.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong thời gian thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã đạt được một số kết quả nghiên cứu
chính như sau: Nghiên cứu mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IPv6 và các ứng dụng
trong mô hình mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things); Nghiên cứu, đánh giá giao
thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu
thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI; Phát triển giao
thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng
tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI; Thực thi và
đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên mô phỏng và thực nghiệm.
Tuy nhiên, đề tài vẫn còn một số hạn chế sau: Với nguồn kinh phí hạn hẹp nên nhóm nghiên cứu
chưa có điều kiện để phát triển các phần cứng phục vụ cho ứng dụng Smart Grid như công tơ điện
thông minh, ổ cắm điện thông minh....; Mô hình đánh giá thực nghiệm còn hạn chế với chỉ 9 nút
mạng. Trong thời gian tới, nếu có thêm điều kiện về thời gian và kinh phí, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp

tục phát triển đề tài và khắc phục các vấn đề còn hạn chế của đề tài.