Giải pháp kết hợp giữa thước đo định tuyến chất lượng liên kết và năng lượng trong giao thức IRPL

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
V. C. Thắng, N. V. Tảo, , “Giải pháp kết hợp và năng lượng trong giao thức IRPL.” 86 
GIẢI PHÁP KẾT HỢP GIỮA THƯỚC ĐO ĐỊNH TUYẾN CHẤT 
LƯỢNG LIÊN KẾT VÀ NĂNG LƯỢNG TRONG GIAO THỨC IRPL 
Vũ Chiến Thắng1*, Nguyễn Văn Tảo1, Vũ Văn San2, Lê Nhật Thăng2 
Tóm tắt: Các thiết bị Internet of Things sẽ được triển khai với một số lượng lớn 
các nút mạng hoạt động bằng pin. Trong các mạng không dây công suất thấp, vấn 
đề tiết kiệm năng lượng nhằm nâng cao thời gian sống của mạng là một yêu cầu 
quan trọng. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một giải pháp kết hợp giữa thước 
đo định tuyến chất lượng liên kết và chỉ số năng lượng còn lại trong giao thức 
IRPL. Chúng tôi kết hợp hai thước đo định tuyến này dựa theo một trọng số α. Từ 
đó, chúng tôi đã thực thi và đánh giá mô phỏng giải pháp mới đề xuất. Kết quả 
đánh giá mô phỏng cho thấy, giải pháp mới do chúng tôi đề xuất cho phép tăng thời 
gian sống của mạng và tăng tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu trong mạng. 
Từ khóa: Mạng cảm biến không dây, Đánh giá hiệu năng mạng, Hệ điều hành Contiki, Giao thức định tuyến 
RPL cải tiến. 
1. GIỚI THIỆU 
Mạng Internet kết nối vạn vật (IoT – Internet of Things) là một kịch bản trong 
đó hàng tỷ thiết bị được kết nối với nhau, mỗi thiết bị có một địa chỉ duy nhất toàn 
cầu. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây như tự động hóa tòa nhà, ngôi 
nhà thông minh... với mô hình kết nối đa chặng chạy trên nền chuẩn truyền thông 
không dây IEEE 802.15.4 cũng sẽ là một thành phần của IoT. 
Giao thức định tuyến RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy 
Networks) được đề xuất cho mạng tổn hao công suất thấp nói chung và cảm biến 
không dây nói riêng [1]. RPL là một giao thức vectơ khoảng cách. Giao thức này 
xây dựng cấu trúc mạng gồm một/nhiều đồ thị không có chu trình được định 
hướng tới một/nhiều đích đến - DODAG (Destination Oriented Direct Acyclic 
Graph) [2]. Giao thức RPL hiện tại sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên 
kết ETX (Expected Transmission) để lựa chọn tuyến đường tối ưu trong mạng. 
Tuy nhiên, thước đo định tuyến ETX không đảm bảo được vấn đề cân bằng năng 
lượng giữa các nút trong mạng. Vì vậy, một nhược điểm của giao thức RPL hiện 
tại đó là sự mất cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. Các nút mạng thuộc 
những tuyến đường có chất lượng liên kết tốt được sử dụng nhiều trong quá trình 
chuyển tiếp bản tin dữ liệu đến nút gốc. Các nút này sẽ hết năng lượng nhanh hơn 
và tạo thành các lỗ hổng trong mạng, làm giảm thời gian sống của mạng [3]. 
Trong thời gian qua, nhiều giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng 
đã được đề xuất nhằm tối thiểu năng lượng tiêu thụ và tăng thời gian sống của các 
nút mạng. Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng EAR (Energy 
Aware Routing) [4] được đề xuất bởi Rahul C. Shah và các cộng sự duy trì một tập 
các tuyến đường tốt thay vì chỉ lựa chọn một tuyến đường tối ưu. Giao thức EAR 
sử dụng thước đo năng lượng để xác định các tuyến đường tốt. Thước đo năng 
lượng này được xác định bởi cả chi phí chuyển phát một bản tin và năng lượng còn 
lại của các nút chuyển tiếp. Giao thức EAR tồn tại hai nhược điểm chính đó là: 
Thứ nhất, giao thức EAR dựa vào năng lượng còn lại của cả tuyến đường mà bỏ 
qua sự khác nhau về năng lượng của từng nút riêng lẻ trên tuyến đường. Một tuyến 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 87
đường còn nhiều năng lượng không có nghĩa là tất cả các nút trên tuyến đường đó 
còn nhiều năng lượng. Thứ hai, giao thức EAR xác định thước đo chi phí năng 
lượng dựa trên sự hỗ trợ về phần cứng trên các nút cảm biến. Tuy nhiên, không 
phải mọi phần cứng đều hỗ trợ khả năng này. 
Trong bài báo [5], Kamgueu và cộng sự đã đề xuất việc sử dụng thước đo định 
tuyến năng lượng còn lại cho giao thức RPL. Tuy nhiên, các tác giả lại bỏ qua 
thước đo định tuyến chất lượng liên kết. Trong bài báo [6], các tác giả đã đề xuất 
thước đo định tuyến thời gian sống kỳ vọng (ELT - Expected LifeTime) để ước 
lượng thời gian sống của các nút thắt cổ chai. Các tác giả đã sử dụng cả lưu lượng 
bản tin và độ tin cậy của liên kết để ước lượng năng lượng tiêu thụ trung bình của 
của một nút thắt cổ chai. 
Trong bài báo [7], chúng tôi đã đề xuất một giải pháp kết hợp giữa hai thước đo 
định tuyến là chất lượng liên kết và trạng thái năng lượng còn lại của nút chuyển 
tiếp để lựa chọn tuyến đường tối ưu. Mỗi nút mạng sẽ ước lượng được chỉ số năng 
lượng còn lại. Chỉ số năng lượng còn lại này được so sánh với một ngưỡng cho 
trước. Khi chỉ số năng lượng còn lại của một nút mạng thấp hơn một ngưỡng cho 
trước thì nút mạng đó sẽ không tham gia vào quá trình chuyển tiếp bản tin dữ liệu. 
Giải pháp này có ưu điểm đó là thước đo về chỉ số năng lượng còn lại được ước 
lượng bằng phần mềm và có thể thực hiện được trên nhiều kiến trúc phần cứng 
khác nhau mà không làm phát sinh thêm bất kỳ một chi phí mới nào về phần cứng. 
Kết quả mô phỏng cho thấy, giải pháp đề xuất trong bài báo [7] cho phép tăng thời 
gian sống của mạng nhưng lại làm giảm tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. 
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một giải pháp kết hợp mới giữa thước đo 
định tuyến ETX và EI nhằm cải thiện tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu trong mạng 
đối với giao thức IRPL. Phần còn lại của bài báo được bố cục như sau: Đầu tiên, 
chúng tôi trình bày đề xuất mới về giải pháp kết hợp giữa hai thước đo định tuyến 
ETX và EI trong giao thức IRPL; Tiếp theo, chúng tôi đánh giá hiệu năng của giao 
thức định tuyến IRPL theo giải pháp đề xuất mới và so sánh với giải pháp kết hợp 
ban đầu; Cuối cùng, chúng tôi đưa ra một số kết luận cho bài báo. 
2. GIAO THỨC IRPL VÀ GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 
Hình 1 là cấu trúc thực thi 
giao thức IRPL trên hệ điều 
hành Contiki [7]. 
Module ContikiRPL sử 
dụng thước đo định tuyến chất 
lượng liên kết ETX và chỉ số 
năng lượng còn lại 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 
Hình 1. Thực thi giao thức IRPL trên Contiki. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
V. C. Thắng, N. V. Tảo, , “Giải pháp kết hợp và năng lượng trong giao thức IRPL.” 88 
tiêu thụ có nhiệm vụ xác định chỉ số năng lượng còn lại của nút mạng. 
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giải pháp kết hợp giữa hai thước đo định 
tuyến chất lượng liên kết (ETX) và chỉ số năng lượng còn lại (EI) theo công thức sau: 
_
ax
(%) .100 (1 )(100 )ETX EI
m
ETX
metric EI
ETX
 (1) 
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 [8]. Hình 2 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 (1), nút cha tốt nhất được lựa chọn 
phải là nút có thước đo định tuyến kết hợp 
metricETX_EI nhỏ nhất. 
3. ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT VỚI GIAO THỨC IRPL 
3.1. Các tham số đánh giá 
3.1.1. 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. 
%100.(%)
data
received
N
N
DDR (2) 
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 đi bởi tất cả các nút trong mạng. Tỷ lệ chuyển phát bản 
tin dữ liệu DDR càng cao thì hiệu quả truyền thông trong mạng càng tốt. 
3.1.2. Sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng 
Để đánh giá sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng, chúng tôi dựa vào chỉ 
số năng lượng còn lại EI trên các nút mạng. Thước đo đánh giá sự cân bằng năng 
lượng EBI (Energy Balance Indicator) giữa các nút trong mạng được xác định theo 
công thức sau: 2
1
( )
N
i
i
EBI EI EI
  (3) 
Hình 2. Thuật toán lựa chọn nút 
cha tốt nhất. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 89
Trong đó: EI là chỉ số năng lượng còn lại trung bình trên các nút mạng, N là số 
nút mạng. 
3.1.3. Thời gian sống của mạng 
Thời gian sống của mạng có thể được 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 lượng dưới một ngưỡng cho trước. Giá trị ngưỡng được thiết lập tùy thuộc 
vào từng ứng dụng. 
Định nghĩa này có liên quan đến thời gian sống của một nút mạng và không xét 
đến vai trò cụ thể của các nút mạng bị hết năng lượng. Nếu tỷ lệ phần trăm được 
thiết lập là 100% thì thời điểm nút đầu tiên trong mạng hết năng lượng cũng là thời 
điểm kết thúc thời gian sống của mạng. 
3.2. Kết quả đánh giá 
Chúng tôi xét một DODAG bao gồm 26 nút mạng được phân bố ngẫu nhiên 
trong trường cảm biến có kích thước (100m x 100m). Bảng 1 tóm tắt kịch bản đánh 
giá mô phỏng với hai giao thức IRPL và RPL. Chúng tôi thay đổi trọng số α để 
đánh giá ảnh hưởng của trọng số này đến hiệu năng mạng. Giá trị trọng số α lần 
lượt bằng 0.8, 0.85, 0.9, 0.95. 
Hình 3 là mô hình triển khai mạng gồm 26 nút. Các nút mạng định kỳ gửi bản 
tin dữ liệu về nút gốc (DODAG root) là nút số 1. Hình 4, 5, 6 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 (EBI) giữa giao thức IRPL với 
các giá trị trọng số α khác nhau và giao thức RPL. 
Bảng 1. Kịch bản đánh giá mô phỏng. 
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 4). 
Thời gian sống của mạng tăng 46% so với giao thức RPL ban đầu. Kết quả mô 
phỏng hình 5 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. Tổng hợp kết quả hình 4, 5 cho chúng ta thấy giao thức IRPL với giá trị trọng 
số α = 0.9 đảm bảo được sự cân bằng tốt nhất về thời gian sống của mạng cũng 
như tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu trong mạng. 
Các tham số Giá trị 
Mô hình truyền thông vô tuyến 
UDI (Unit Disk Graph with Distance 
Interference) 
Số nút mạng 26 
Kích thước mạng 100m x 100m 
Phạm vi phủ sóng của nút 
Phạm vi truyền hiệu quả: 30m 
Phạm vi ảnh hưởng của nhiễu: 50m 
Năng lượng ban đầu 10J 
Chu kỳ gửi bản tin dữ liệu 15s 
Nguồn gửi bản tin dữ liệu Tất cả các nút trong mạng 
Giao thức lớp MAC CSMA/ContikiMAC 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
V. C. Thắng, N. V. Tảo, , “Giải pháp kết hợp và năng lượng trong giao thức IRPL.” 90 
Hình 3. Mô hình triển khai mạng 
gồm 26 nút. 
Hình 4. So sánh tỷ lệ 
các nút còn sống. 
Hình 5. So sánh tỷ lệ chuyển phát 
bản tin dữ liệu. 
Hình 6. So sánh sự cân bằng 
năng lượng. 
Chúng tôi so sánh kết quả mô phỏng trong bài báo này với kết quả mô phỏng đã 
được đề xuất trong bài báo [7]. Hình 7, 8, 9 lần lượt là kết quả đánh giá mô phỏng 
so sánh giữa giao thức IRPL theo giải pháp ngưỡng EI = 25% [7] và giao thức 
IRPL theo giải pháp trọng số α = 0.9 với giao thức RPL ban đầu. 
Kết quả đánh giá mô phỏng ở hình 7 cho thấy giao thức IRPL theo giải pháp 
trọng số α = 0.9 (IRPL_0.9) cho hiệu quả về thời gian sống của mạng tương đương 
so với giải pháp chọn ngưỡng EI = 25% (IRPL_25). Cả hai giải pháp 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 8 cho thấy giải pháp cải tiến theo trọng số α = 0.9 
đem lại hiệu quả về tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR cao hơn so với giải pháp 
chọn ngưỡng EI = 25%. Hình 8 cũng cho thấy, càng về cuối quá trình mô phỏng 
thì sự khác biệt về tỷ lệ DDR càng tăng lên. Tại phút thứ 19, tỷ lệ DDR của giao 
thức IRPL_0.9 bằng 82,4% trong khi tỷ lệ DDR của giao thức IRPL_25 chỉ bằng 
74,9%. Đây là ưu điểm của giải pháp mới được đề xuất trong bài báo này. Kết quả 
mô phỏng này hoàn toàn phù hợp với phân tích lý thuyết. Ở giải pháp chọn ngưỡng 
EI = 25%, mặc dù trong khoảng thời gian cuối của quá trình mô phỏng, giao thức 
IRPL_25 có số lượng các nút còn sống trong mạng cao hơn so với giao thức RPL 
nhưng một số nút mạng có chỉ số năng lượng còn lại < 25% sẽ không tham gia vào 
quá trình định tuyến bản tin dữ liệu trong mạng. Trong khi đó, với giao thức 
IRPL_0.9 thì tất cả các nút vẫn tham gia vào quá trình định tuyến trong mạng. Do 
vậy, số lượng bản tin dữ liệu nhận được tại nút gốc ứng với giao thức IRPL_25 
thấp hơn so với giao thức RPL ban đầu và thấp hơn so với giao thức IRPL_0.9. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 91
Hình 7. So sánh tỷ lệ các nút còn sống. 
Hình 8. So sánh tỷ lệ chuyển phát 
bản tin dữ liệu. 
Hình 9. So sánh sự cân bằng 
năng lượng. 
Hình 9 cũng cho thấy giải pháp mà chúng tôi đề xuất đảm bảo được sự cân bằng 
năng lượng giữa các nút trong mạng tốt hơn so với giao thức RPL ban đầu. 
4. KẾT LUẬN 
Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất giải pháp kết hợp giữa thước đo định 
tuyến chất lượng liên kết và chỉ số năng lượng còn lại trong giao thức IRPL. 
Chúng tôi kết hợp hai thước đo định tuyến này theo một trọng số α. Chúng tôi đã 
thực thi giải pháp đề xuất trên hệ điều hành Contiki. Từ đó, chúng tôi đánh giá giải 
pháp đề xuất dựa trên mô phỏng trong một mô hình mạng cảm biến không dây đa 
chặng. Kết quả đánh giá mô phỏng cho thấy giải pháp mới do chúng tôi đề xuất đạt 
được hiệu quả cao hơn so với giao thức RPL ban đầu về cả thời gian sống của 
mạng và tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. Thời gian sống của mạng tăng 46% so 
với giao thức RPL ban đầu khi trọng số α = 0.9. 
Trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tiếp tục thực hiện một số đánh giá thực nghiệm 
với giao thức IRPL nhằm kiểm chứng lại các kết quả mô phỏng đã thực hiện. 
Lời cảm ơn: Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Đề tài mã số ĐH 2015-TN07-05 đã tài trợ kinh 
phí cho công trình này. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. N. Tsiftes, J. Eriksson, and A. Dunkels, “Low-Power Wireless IPv6 Routing with 
ContikiRPL,” in Proceedings of the International Conference on Information 
Processing in Sensor Networks (ACM/IEEE IPSN), Stockholm, Sweden, 2010. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
V. C. Thắng, N. V. Tảo, , “Giải pháp kết hợp và năng lượng trong giao thức IRPL.” 92 
[2]. JeongGil Ko, Andreas Terzis, Stephen Dawson-Haggerty, David E. Culler, 
Jonathan W. Hui, Philip Levis, “Connecting Low-Power and Lossy Networks 
to the Internet,” IEEE Communications Magazine, pp. 96 – 101, April 2011. 
[3]. Vũ Chiến Thắng, Lê Nhật Thăng, “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, ISSN 1859-1043, số 38, 8/2015. 
[4]. Rahul C. Shah, Jan M. Rabaey, “Energy Aware Routing for Low Energy Ad 
Hoc Sensor Networks,” in proceedings of IEEE Wireless Communications and 
Networking Conference (WCNC’02), Orlando, FL, USA, March 2002, pp. 350. 
[5]. P. Kamgueu, E. Nataf, T. Ndié, O. Festor, “Energy-Based Routing Metric for 
RPL,” Research Report RR-8208, INRIA, 2013. 
[6]. O. Iova, Fabrice Theoleyre, and Thomas Noel, “Improving network lifetime 
with energy-balancing routing: Application to RPL,” in Proceedings of 
Wireless and Mobile Networking Conference, 2014. 
[7]. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Lê Nhật Thăng, và các cộng sự, “IRPL: 
Giao thức định tuyến IPv6 có sự nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến 
không dây,” Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hóa – 
VCCA 2015, ISBN 978-604-913-429-6, Thái Nguyên 11/2015. 
[8]. Tsvetko Tsvetkov, “RPL: IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy 
Networks,” Seminar SN SS2011 : Network Architectures and Services, pp. 
59–66, July 2011. 
ABSTRACT 
A SOLUTION FOR COMBINATION OF LINK QUALITY AND 
 RESIDUAL ENERGY IN IRPL PROTOCOL 
Internet of Things devices will be deployed with a large number of nodes 
which are battery-operated. In a low-power wireless network, power-efficiency 
issue in order to improve the network lifetime is an important requirement. In 
this paper, we propose a solution for combination of two routing metrics that 
are the link quality and the residual energy indicator in IRPL protocol. We 
combine two routing metrics based on an alpha weight. Then, we implement and 
evaluate IRPL protocol. The simulation results show that our solution provides 
a longer network lifetime and a higher data delivery ratio. 
Keywords: Performance evaluation of network, Wireless sensor networks, Contiki operating system, 
Improved RPL protocol. 
Nhận bài ngày 28 tháng 06 năm 2016 
Hoàn thiện ngày 01 tháng 11 năm 2016 
Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016 
Địa chỉ: 1 Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên; 
 2 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông; 
 * Email: vcthang@ictu.edu.vn.