Xem mẫu

Vũ Chiến Thắng và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

116 (02): 23 - 27

EACTP: GIAO THỨC CÂY THU THẬP DỮ LIỆU
VỚI THÔNG LƢỢNG CAO VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
Vũ Chiến Thắng1*, Nguyễn Chấn Hùng2,
Lê Nhật Thăng3, Bùi Thị Mai Hoa1
1

Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - ĐH Thái Nguyên,
2
Trung tâm công nghệ xanh, Viện Điện tử - Tin học - Tự động hóa,
3
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

TÓM TẮT
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng nhỏ gọn với khả năng xử lý, bộ nhớ,
phạm vi truyền thông và năng lƣợng hạn chế. Các thuật toán truyền thông cho mạng cảm biến
không dây đƣợc thiết kế để mạng có thể hoạt động đƣợc trong những điều kiện hạn chế về tài
nguyên nói trên. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất và thiết kế giao thức cây thu thập dữ liệu
EACTP với thông lƣợng cao và cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đƣờng
có chất lƣợng liên kết tốt nhằm nâng cao thời gian sống của các nút mạng. Giao thức EACTP sử
dụng thƣớc đo chất lƣợng liên kết ETX (Expected Transmission) và trạng thái năng lƣợng còn lại
ES (Energy State) trên các nút chuyển tiếp để lựa chọn tuyến đƣờng tối ƣu. Các kết quả mô phỏng
cho thấy giao thức EACTP đảm bảo đƣợc sự cân bằng năng lƣợng giữa các nút mạng và thời gian
sống của các nút mạng đƣợc cải thiện tốt hơn so với giao thức cây thu thập dữ liệu ban đầu.
Từ khóa: Giao thức cây thu thập dữ liệu nhận thức năng lượng, giao thức cây thu thập dữ liệu cải
tiến, mạng cảm biến không dây, hệ điều hành Contiki

GIỚI THIỆU*
Trong các mạng cảm biến không dây đa
phƣơng tiện - MWSNs (Multimedia Wireless
Sensor Networks), thông lƣợng cao là một
trong những yêu cầu bắt buộc. Dữ liệu đa
phƣơng tiện nhƣ hình ảnh, âm thanh, video
cần đƣợc truyền về điểm thu thập một cách
nhanh chóng và hiệu quả. Một vài ứng dụng
của mạng MWSNs có thể kể đến nhƣ: Giám
sát môi trƣờng; theo dõi sự sinh trƣởng và
phát triển của cây trồng; điều khiển quá trình
công nghiệp; các hệ thống điều khiển, giám
sát và tránh tắc nghẽn giao thông...
Điểm thu thập

Nút gốc 1

Nút gốc n

…...

Hình 1. Cấu trúc liên kết mạng.
*

Tel: 0904 909692, Email: vcthang@ictu.edu.vn

Do ứng dụng chính của các mạng MWSNs là
thu thập dữ liệu trong trƣờng cảm biến nên
các giao thức thu thập dữ liệu nhận đƣợc
nhiều sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu
mạng cảm biến. Giao thức cây thu thập dữ
liệu CTP (Collection Tree Protocol) thực thi
cơ chế thu thập dữ liệu tin cậy từng bƣớc
nhảy. Hình 1 minh họa cấu trúc liên kết mạng
đƣợc xây dựng theo giao thức CTP.
Giao thức CTP sử dụng thƣớc đo định tuyến
là số lần truyền kỳ vọng ETX (Expected
Transmission) [1] để lựa chọn tuyến đƣờng
tối ƣu. Tuyến đƣờng có ETX nhỏ nhất là
tuyến đƣờng có số lần truyền đến nút gốc ít
nhất và cũng là tuyến đƣờng hiệu quả về mặt
năng lƣợng nhất. Tuy nhiên, giao thức CTP
hiện tại không đảm bảo đƣợc vấn đề cân bằng
tải giữa các nút mạng. Một số nút mạng thuộc
tuyến đƣờng tối ƣu sẽ hết năng lƣợng nhanh
hơn các nút còn lại và sẽ tạo thành các lỗ
hổng trong mạng, làm giảm hiệu năng của
toàn bộ hệ thống mạng. Một số công trình
nghiên cứu gần đây [2, 3] cũng đã chỉ ra
nhƣợc điểm này của giao thức CTP. Trong
bài báo này, chúng tôi đề xuất và thiết kế giao
23

Vũ Chiến Thắng và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

thức EACTP (Energy Aware Collection Tree
Protocol) với thông lƣợng cao và đảm bảo sự
cân bằng năng lƣợng. Giao thức EACTP sử
dụng thƣớc đo định tuyến ETX và trạng thái
năng lƣợng còn lại ES của nút chuyển tiếp để
lựa chọn tuyến đƣờng tối ƣu.
Giao thức EACTP đƣợc thiết kế dựa trên giao
thức CTP nhằm đảm bảo sự cân bằng năng
lƣợng giữa các nút mạng thuộc tuyến đƣờng
tối ƣu và nâng cao thời gian sống của các nút
mạng. Giao thức EACTP cải tiến giao thức
CTP ở ba khía cạnh chính: Thứ nhất, giao
thức EACTP bổ sung thành phần ƣớc lƣợng
năng lƣợng còn lại trên mỗi nút cảm biến;
Thứ hai, giao thức EACTP bổ sung một thƣớc
đo định tuyến mới đó là trạng thái năng lƣợng
còn lại ES (Energy State) để xác định tuyến
đƣờng tối ƣu trong mạng; Thứ ba, giao thức
EACTP thay đổi thuật toán lựa chọn tuyến
đƣờng tối ƣu dựa trên sự kết hợp của hai
thƣớc đo định tuyến là ETX và ES.
THỰC THI GIAO THỨC EACTP
Chúng tôi thực thi giao thức EACTP trên hệ
điều hành Contiki. Contiki là một trong
những hệ điều hành cho mạng cảm biến
không dây phổ biến nhất thế giới hiện nay [4].
Giao thức EACTP đƣợc xây dựng trên ngăn
xếp truyền thông RIME trong hệ điều hành
Contiki. Hình 2 minh họa các thành phần
chính của giao thức EACTP.
Khối ƣớc lƣợng chất lƣợng liên kết
Khối ƣớc lƣợng chất lƣợng liên kết thực hiện
việc tính toán chất lƣợng liên kết giữa hai nút
lân cận. Khối này tính toán chất lƣợng liên
kết giữa hai nút mạng dựa trên sự thống kê
các bản tin điều khiển nhận đƣợc và số bản
tin dữ liệu đƣợc truyền thành công giữa hai
nút mạng.
Khối quản lý các nút lân cận
Khối quản lý các nút lân cận lƣu trữ thông tin
của các nút lân cận trong bảng định tuyến.
Các thông tin này bao gồm địa chỉ của nút lân
cận và thƣớc đo định tuyến chất lƣợng liên
kết ETX và trạng thái năng lƣợng còn lại ES
24

116 (02): 23 - 27

của các nút lân cận. Khối này chứa một bộ
định thời để định kỳ xóa các nút lân cận trong
bảng định tuyến khi các số liệu về thƣớc đo
định tuyến của nút đó không đƣợc cập nhật
trong một khoảng thời gian dài. Ngoài ra, một
thuật toán lựa chọn tuyến đƣờng tối ƣu cũng
đƣợc thực thi trong khối này.

Hình 2. Các thành phần của EACTP

Khối quản lý các bản tin điều khiển
Khối quản lý các bản tin điều khiển có nhiệm
vụ phát quảng bá thông tin về thƣớc đo định
tuyến của mỗi nút. Để thực hiện nhiệm vụ
này, một bộ định thời đƣợc sử dụng để định
kỳ phát quảng bá các bản tin điều khiển. Bản
tin điều khiển mang thông tin về địa chỉ và
các thƣớc đo định tuyến của nút gửi.
Khối ƣớc lƣợng năng lƣợng tiêu thụ
Khối này có nhiệm vụ ƣớc lƣợng năng lƣợng
tiêu thụ trên nút cảm biến, tính toán chỉ số
năng lƣợng còn lại EI và xác định trạng thái
năng lƣợng còn lại ES của mỗi nút cảm biến.
Khối thu thập
Đây là khối trung tâm của giao thức EACTP.
Khối này cung cấp các giao tiếp cho các lớp
trên và lớp dƣới. Khối này cũng thực hiện
việc khởi tạo cho các khối còn lại. Nó thực
hiện việc gửi và nhận các bản tin dữ liệu cũng
nhƣ các bản tin xác nhận. Nếu có sự thay đổi
về vị trí của nút hiện tại trong cấu trúc cây
định tuyến thì khối này sẽ tác động đến khối
quản lý các bản tin điều khiển để phát quảng
bá các bản tin điều khiển nhằm thông báo cho
các nút lân cận biết về những thay đổi này.

Vũ Chiến Thắng và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC
EACTP
Để đánh giá hiệu năng giao thức EACTP,
chúng tôi sử dụng công cụ mô phỏng Cooja
[5]. Cooja là một công cụ mô phỏng linh hoạt
đƣợc thiết kế cho việc mô phỏng mạng cảm
biến trên nền hệ điều hành Contiki.
Bảng 1. Kịch bản đánh giá
Các tham số
Giá trị
Môi trƣờng truyền sóng Unit Disk Graph Medium
Năng lƣợng ban đầu (J)
50
Công suất phát (dBm)
0
Số nút mạng (nút)
10
Kích thƣớc mạng (m x
60 x 80
m)
Phạm vi phủ sóng của
Phạm vi truyền: 40
nút (m)
Phạm vi nhiễu: 80
Chu kỳ gửi bản tin dữ
10
liệu (s)
Nguồn gửi bản tin dữ
Tất cả các nút trong mạng
liệu
(ngoài nút Sink)
Giao thức lớp MAC [6]
CSMA/ContikiMAC

Kịch bản đánh giá
Bảng 1 tóm tắt kịch bản đánh giá hai giao
thức CTP và EACTP.
Mô hình mô phỏng mạng gồm 10 nút đƣợc
minh họa ở hình 3. Các nút mạng định kỳ gửi
bản tin dữ liệu về nút Sink là nút số 10.

116 (02): 23 - 27

giữa số nút còn sống trong mạng và tổng số
nút ban đầu trong mạng.
N alive _ nodes

ANR(%)

N

.100%

(1)

Trong đó: Nalive_nodes là tổng số nút còn
sống trong mạng, N là tổng số nút ban đầu
trong mạng.
Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu
Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR (Data
Delivery Ratio) đƣợc xác định bằng tỷ số giữa
số bản tin dữ liệu nhận đƣợc tại nút gốc và
tổng số bản tin dữ liệu đƣợc gửi đi bởi tất cả
các nút trong mạng.
DDR(%)

N received
.100%
N data

(2)

Trong đó: Nreceived là tổng số bản tin dữ liệu nhận
đƣợc tại nút gốc, Ndata là tổng số bản tin dữ liệu
đƣợc gửi bởi tất cả các nút trong mạng.
Sự cân bằng năng lượng trong mạng
Để đánh giá sự cân bằng năng lƣợng giữa các
nút mạng, chúng tôi dựa vào chỉ số năng
lƣợng còn lại EI trên các nút mạng. Thƣớc đo
đánh giá sự cân bằng năng lƣợng EIB (Energy
Indicator Balance) giữa các nút trong mạng
đƣợc xác định theo công thức sau:
N

EIB

( EI

EI i ) 2

(3)

i 1

Trong đó: EI là chỉ số năng lƣợng còn lại
trung bình trên các nút mạng.
Thời gian sống của mạng

Hình 3. Mô hình mô phỏng mạng.

Các tham số đánh giá
Chúng tôi đánh giá và so sánh hiệu năng giữa
giao thức EACTP và giao thức CTP thông
qua một số thƣớc đo đánh giá sau.
Tỷ lệ các nút còn sống trong mạng
Tỷ lệ các nút còn sống trong mạng ANR
(Alive Node Ratio) đƣợc xác định bằng tỷ số

Thời gian sống của mạng có thể đƣợc định
nghĩa 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 lƣợng dƣới một
ngƣỡng cho trƣớc. Giá trị ngƣỡng đƣợc thiết
lập tùy thuộc vào từng ứng dụng (có thể là
100% hoặc thấp hơn).
Kết quả đánh giá
Hình 4, 5 lần lƣợt là kết quả mô phỏng đánh
giá tỷ lệ các nút còn sống trong mạng và tỷ lệ
chuyển phát bản tin dữ liệu của giao thức
CTP và EACTP.
25

Vũ Chiến Thắng và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian sống
của các nút mạng trong giao thức EACTP
đƣợc cải thiện tốt hơn so với giao thức CTP
ban đầu. Tuy nhiên, giao thức EACTP vẫn
đảm bảo đƣợc tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu
ở mức cao. Trong khoảng thời gian cuối, giao
thức EACTP có tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ
liệu cao hơn so với giao thức CTP ban đầu.

Hình 4. Tỷ lệ các nút còn sống.

116 (02): 23 - 27

EIB của giao thức EACTP thấp hơn so với
đƣờng cong EIB của giao thức CTP.
Nếu giá trị ngƣỡng đƣợc thiết lập để xác định
thời gian sống của mạng là 100% thì hình 4
cũng cho thấy thời gian sống của mạng khi
hoạt động theo giao thức EACTP đƣợc cải
thiện hơn so với giao thức CTP.
KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày về
giải pháp thiết kế và thực thi giao thức
EACTP trên hệ điều hành Contiki. Các kết
quả đánh giá so sánh dựa trên mô phỏng giữa
giao thức EACTP và giao thức CTP cho thấy
giao thức EACTP đạt đƣợc một số tiêu chí
quan trọng đó là: Đảm bảo đƣợc sự cân bằng
năng lƣợng giữa các nút mạng thuộc những
tuyến đƣờng có chất lƣợng liên kết tốt; Đạt
đƣợc tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu trong
mạng ở mức cao; Tăng đƣợc thời gian sống
của các nút trong mạng; Không làm phát sinh
thêm các chi phí mới về năng lƣợng trong
việc gửi các bản tin điều khiển.
Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tiếp tục
nghiên cứu đánh giá giao thức EACTP dựa
trên thực nghiệm với phần cứng TUmote.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 5. Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu.

Hình 6. Sự cân bằng năng lượng trong mạng.

Hình 6 là kết quả mô phỏng so sánh sự cân
bằng năng lƣợng giữa các nút mạng. Kết quả
mô phỏng cho thấy giao thức EACTP đảm
bảo đƣợc sự cân bằng năng lƣợng giữa các
nút mạng tốt hơn so với giao thức CTP ban
đầu. Điều này đƣợc thể hiện bởi đƣờng cong
26

1. De Couto D, Aguayo D, Bicket J, Morris R,
(2003) “A high-throughput path metric for
multi-hop wireless routing,” In Proceedings of
the 9th Annual International Conference on
Mobile Computing and Networking, New
York, pp. 134–146.
2. Jing Zhao, Lei Wang, Wenlong Yue,
Zhengquan Qin, Ming Zhu, (2011) “Load
Migrating for the Hot Spots in Wireless Sensor
Networks using CTP,” In Proceedings of Seventh
International Conference on Mobile Ad-hoc and
Sensor Networks, Beijing, pp. 167–173.
3. Yongjun Li, Hu Chen, Rongchuan He, Rong
Xie, Shaocong Zou, (2010) “ICTP: An Improved
Data Collection Protocol Based On CTP,” In
Proceedings of the International Conference on
Wireless Communications and Signal, Suzhou,
pp. 1–5.
4. Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh
Nguyen Huu, (2011) “A Comparative Study on

Vũ Chiến Thắng và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ

Operating System for Wireless Sensor Networks,”
In Proceedings of International Conference
Advanced Computer Science and Information
System (ICACSIS), IEEE Conference Publication,
pp. 73-78.
5. Fredrik Österlind, Adam Dunkels, Joakim
Eriksson, Niclas Finne, and Thiemo Voigt,
(November 2006) “Cross-level sensor network
simulation with cooja,” In Proceedings of the First

116 (02): 23 - 27

IEEE International Workshop on Practical
Issues in Building Sensor Network Applications
(SenseApp 2006), Tampa, Florida, USA, pp.
641–648.
6. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật
Thăng, (2013) “Về một hệ thống nghiên cứu thực
nghiệm cho mạng cảm biến không dây,” Tạp chí
Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số
3(64), trang 103-109.

SUMMARY
EACTP: A COLLECTION TREE PROTOCOL
WITH HIGH THROUGHPUT AND BALANCED ENERGY
Vu Chien Thang1*, Nguyen Chan Hung2,
Le Nhat Thang3, Bui Thi Mai Hoa1
1
College of Information and Communication Technology - TNU
Green Centre, Vietnam Research Instutute of Electronics, Informatics and Automation
3
Posts & Telecommunications Institute of Technology

2

A Wireless Sensor Networks consists of many tiny nodes with the constraints of processing
capability, memory, communication range and power. The communication algorithms for wireless
sensor networks are designed to operate in these constraints. In this paper, we propose and design
an Energy Aware Collection Tree Protocol (EACTP) with high throughput and balanced energy in
order to balance sensor nodes’ energy of the routes that have good link quality and improve the
lifetime of sensor nodes. EACTP uses the link quality metric (ETX - Expected Transmission) and
the Energy State (ES) of sensor nodes to select the optimal route. The simulation results show that
EACTP guarantees the energy balance between the sensor nodes and the sensor nodes’ lifetime is
improved better than the original CTP.
Keywords: Tree protocol to collect energy data awareness, tree protocols improve data
collection, wireless sensor networks, Contiki operating system.

Ngày nhận bài:25/01/2014; Ngày phản biện:10/02/2014; Ngày duyệt đăng: 26/02/2014
Phản biện khoa học: TS. Ngô Đức Thiện – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
*

Tel: 0904 909692, Email: vcthang@ictu.edu.vn

27