EACTP: Giao thức cây thu thập dữ liệu với thông lượng cao và cân bằng năng lượng

Vũ Chiến Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 23 - 27 
23 
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 
1Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - ĐH Thái Nguyên, 
2Trung 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 
Vũ Chiến Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 23 - 27 
24 
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 
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 116 (02): 23 - 27 
25 
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 
m) 
60 x 80 
Phạm vi phủ sóng của 
nút (m) 
Phạm vi truyền: 40 
Phạm vi nhiễu: 80 
Chu kỳ gửi bản tin dữ 
liệu (s) 
10 
Nguồn gửi bản tin dữ 
liệu 
Tất cả các nút trong mạng 
(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. 
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 
giữa số nút còn sống trong mạng và tổng số 
nút ban đầu trong mạng. 
%100.(%)
_
N
N
ANR
nodesalive (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. 
%100.(%)
data
received
N
N
DDR (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
i
iEIEIEIB
1
2)( (3) 
Trong đó: EI là chỉ số năng lƣợng còn lại 
trung bình trên các nút mạng. 
Thời gian sống của mạng 
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. 
Vũ Chiến Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 116 (02): 23 - 27 
26 
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. 
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 
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 
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 116 (02): 23 - 27 
27 
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 
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 Thang
1*
, Nguyen Chan Hung
2
, 
Le Nhat Thang
3
, Bui Thi Mai Hoa
1 
1College of Information and Communication Technology - TNU 
2Green Centre, Vietnam Research Instutute of Electronics, Informatics and Automation 
3Posts & Telecommunications Institute of Technology 
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