Nghiên cứu mạng bluetooth mesh tự cấu hình
- 71 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU MẠNG BLUETOOTH
MESH TỰ CẤU HÌNH
PHAN VĂN HẢI
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Quốc Cường
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
HÀ NỘI, 11/2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Phan Văn Hải
Đề tài luận văn: Nghiên cứu mạng Bluetooth mesh tự cấu hình
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và tự động hóa
Mã số SV: 20202699M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 29/10/2022 với các nội dung sau:
- Sửa lỗi chính tả, tham chiếu sai tên thuật toán
- Chỉnh sửa lại số chương
- Sử dụng tên của các thuật toán gốc thay vì tự đặt tên
- Trình bày rõ hơn các thay đổi của thuật toán T9, T10 so với thuật toán
gốc
- Trình bày rõ hơn thông tin mô phỏng, cách trong triển khai thực tế
- Kết quả thêm thông tin về độ lệch chuẩn
Ngày 14 tháng 11 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Đề tài: Nghiên cứu mạng Bluetooth mesh tự cấu hình
Tác giả luận văn: Phan Văn Hải
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số HV: 20202699M
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Cường
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
Lời cảm ơn
Luận văn này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ, hỗ trợ tận
tình từ thầy hướng dẫn của tôi là thầy Nguyễn Quốc Cường. Tôi rất biết ơn thầy
vì thầy đã giúp đỡ, chỉ bảo tôi rất nhiều, không chỉ trong nghiên cứu mà cả trong
cuộc sống và công việc suốt nhiều năm qua. Tôi cảm thấy vô cùng may mắn khi
được thầy hướng dẫn.
Ngoài ra, tôi cũng xin cảm ơn gia đình, người yêu và bạn bè đã luôn ủng
hộ, động viên tôi mỗi khi tôi cảm thấy khó khăn trong việc học hành, nghiên cứu.
Tóm tắt nội dung luận văn
Ngày nay, mạng Bluetooth mesh (BM) đang được ứng dụng rất nhiều vào
các hệ thống Internet of Things, trong đó nhà thông minh là một trong các hệ
thống ứng dụng BM phổ biến nhất. Đối với hệ thống nhà thông minh, các tiêu chí
về tỉ lệ chuyển giao gói tin (PDR) và độ trễ điểm-tới-điểm (E2ED) có đóng vai
trò quan trọng trong đánh giá chất lượng của mạng. Trong BM, có rất nhiều
thông số cấu hình và chúng ảnh hưởng từ đơn giản đến phức tạp tới PDR và
E2ED. Ngoài ra, việc sử dụng các cấu hình mặc định của mạng BM không đảm
bảo việc cung cấp chất lượng PDR và E2ED tốt nhất. Trong khi đó, việc cấu hình
thủ công bởi con người là giải pháp không phù hợp, và có thể không khả thi vì
chưa có bất kỳ tài liệu nào hướng dẫn cách lựa chọn cấu hình tối ưu. Do vậy, bài
toán đặt ra là cần xây dựng một mạng BM có khả năng tự cấu hình, tức là mạng
tự động chạy các thuật toán phù hợp để đưa ra các cấu hình phù hợp, cải thiện
chất lượng của mạng.
Mặc dù có nhiều cấu hình cần điều chỉnh để nâng cao chất lượng mạng,
nhưng trong phạm vi của luận văn, sẽ chỉ tập trung vào bài toán nghiên cứu mạng
BM tự cấu hình tính năng chuyển tiếp để cải thiện chất lượng PDR và E2ED so
với cấu hình mặc định của mạng. Các nghiên cứu liên quan tới bài toán này
không nhiều và các thuật toán được nghiên cứu chủ yếu là loại thuật toán phân
tán, tức là các xử lý sẽ được thực hiện trên từng nút mạng. Tuy nhiên, luận văn
hướng đến tìm các thuật toán loại tập trung với mục đích để việc xử lý tính toán
được thực hiện ở một thiết bị có khả năng tính toán lớn, và việc thay đổi thuật
toán sẽ dễ dàng, linh hoạt hơn. Do vậy, luận văn đã lựa chọn 2 thuật toán tập
trung để mô phỏng trên MATLAB và đánh giá là T9 và T10 (dựa trên thuật toán
gốc tương ứng là GOC-MCDS-C và (1, k)-CDS). Kết quả thu được cả hai thuật
toán đều cải thiện PDR và E2ED so với cấu hình mặc định của mạng. Trong đó,
T9 được đánh giá là có thể hiệu quả và phù hợp hơn T10.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MẠNG BLUETOOTH MESH ............................ 4
1.1 Tổng quan về kiến trúc và hoạt động của Bluetooth mesh ........................ 4
1.2 Một số khái niệm trong Bluetooth mesh .................................................... 6
1.3 Một số cấu hình ảnh hưởng đến chất lượng của mạng Bluetooth mesh .... 9
1.4 Kết luận chương ....................................................................................... 12
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG BLUETOOTH MESH TỰ CẤU
HÌNH ................................................................................................................... 13
2.1 Các thuật toán tự cấu hình liên quan ........................................................ 13
2.1.1 Một số khái niệm trong các thuật toán ...................................... 13
2.1.2 Thuật toán Greedy Connect ...................................................... 15
2.1.3 Thuật toán K2 Pruning .............................................................. 18
2.1.4 Thuật toán A1 và A4 ................................................................. 20
2.1.5 Thuật toán Dominator! .............................................................. 21
2.1.6 Thuật toán A2............................................................................ 22
2.1.7 Thuật toán A3............................................................................ 23
2.1.8 Thuật toán A5............................................................................ 25
2.1.9 Thuật toán T9 ............................................................................ 26
2.1.10 Thuật toán T10 .......................................................................... 27
2.2 Đánh giá và lựa chọn các thuật toán ........................................................ 28
2.3 Kết luận chương ....................................................................................... 31
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC THUẬT TOÁN TỰ CẤU
HÌNH ................................................................................................................... 32
3.1 Triển khai thuật toán ................................................................................ 32
3.1.1 Triển khai thuật toán SimpleMIS .............................................. 32
3.1.2 Triển khai thuật toán T9 ............................................................ 33
3.1.3 Triển khai thuật toán T10 .......................................................... 35
3.2 Kịch bản mô phỏng .................................................................................. 36
3.3 Các thông số đánh giá .............................................................................. 38
3.4 Kết quả ..................................................................................................... 39
3.5 Kết luận chương ....................................................................................... 44
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................ 45
Kết luận ................................................................................................................ 45
Hướng phát triển của luận văn trong tương lai .................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 46
NHỮNG CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ........................................ 48
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 Tỉ lệ về số thiết bị Bluetooth trong các ứng dụng của nhà thông minh [2] 2
Hình 1.1 Kiến trúc Bluetooth lưới ......................................................................... 4
Hình 1.2 Ví dụ về cấu trúc liên kết và các loại nút trong BM ............................... 9
Hình 2.1 Minh họa về MIS, DS và CDS .............................................................. 15
Hình 2.2 Minh họa pha 1 của thuật toán Greedy Connect. Số ở giữa nút là ID của
nút, số ở bên cạnh nút là số lân cận chưa khám phá của nút. .............................. 17
Hình 2.3 Minh họa pha 2 của thuật toán Greedy Connect. Số ở giữa là ID của
nút, số ở bên cạnh là ID cụm của nút. .................................................................. 17
Hình 2.4 Kết quả áp dụng thuật toán Greedy Connect trong nghiên cứu [7]. Các
nút màu đen là nút thống trị. ................................................................................ 18
Hình 2.5 Minh họa pha 2 của thuật toán K2 Pruning. ......................................... 19
Hình 2.6 Minh họa pha 3 của thuật toán K2 Pruning. ......................................... 19
Hình 2.7 Kết quả áp dụng thuật toán K2 Pruning trong nghiên cứu [7]. Các nút
màu đen là nút thống trị. ...................................................................................... 20
Hình 2.8 Kết quả áp dụng thuật toán Dominator! trong nghiên cứu [7]. Các nút
màu đen là nút thống trị. ...................................................................................... 22
Hình 2.9 Minh họa thuật toán A2 [14]. ................................................................ 23
Hình 2.10 Minh họa CDS a) Tìm theo MCDS thông thường. b) Tìm theo MOC-
CDS. ..................................................................................................................... 24
Hình 2.11 Kết quả áp dụng thuật toán A8 trong nghiên cứu [8]. Các nút màu đỏ
là nút thống trị. ..................................................................................................... 25
Hình 2.12 Minh họa thuật toán SimpleMIS. a) Mạng ban đầu. b) Kết quả sau khi
áp dụng SimpleMIS.............................................................................................. 27
Hình 2.13 Kết quả PDR trung bình của các thuật toán trong [7]. Thuật toán All
Relays trong [7]tương ứng với thuật toán mặc định trong luận văn. ................... 28
Hình 2.14 Kết quả về kích thước tập CDS của các thuật toán trong [8]. Thuật
toán Base trong [8] ứng với thuật toán mặc định trong luận văn. ........................ 29
Hình 2.15 Kết quả về tỉ lệ mất gói tin của các thuật toán trong [8]. Thuật toán
Base trong [8] ứng với thuật toán mặc định trong luận văn................................. 29
Hình 2.16 Kết quả về E2ED của các thuật toán trong [8]. Thuật toán Base trong
[8] ứng với thuật toán mặc định trong luận văn. .................................................. 29
Hình 3.1 Minh họa chi tiết thuật toán SimpleMIS. a) Mạng ban đầu. b) Bước
duyệt nút 1. c) Bước duyệt nút 5. d) Bước duyệt nút 8. ....................................... 32
Hình 3.2 Minh họa chi tiết thuật toán T9. a) Mạng ban đầu. b) Pha tìm MIS. c)d)
Các bước trong pha kết nối. ................................................................................. 33
Hình 3.3 Minh họa chi tiết thuật toán T10 với k = 2. a) Mạng ban đầu. b) Kết quả
tìm tập MIS I1. c) Tập V\I1. d) Kết quả tìm MIS I2. e) Kết quả sau khi tìm 2
MIS. f) Bước tìm thêm nút thống trị .................................................................... 35
Hình 3.4 Sơ đồ bố trí mạng dùng trong mô phỏng dựa trên một mặt sàn trong nhà
.............................................................................................................................. 37
Hình 3.5 Kết quả lựa chọn nút chuyển tiếp của thuật toán T9 (nút màu đỏ là nút
chuyển tiếp, màu xanh là nút thường) ................................................................. 40
Hình 3.6 Kết quả lựa chọn nút chuyển tiếp của thuật toán T10 với k = 6 (nút màu
đỏ là nút chuyển tiếp, màu xanh là nút thường) .................................................. 41
Hình 3.7 Kết quả lựa chọn nút chuyển tiếp của thuật toán T10 với k = 12 (nút
màu đỏ là nút chuyển tiếp, màu xanh là nút thường)........................................... 41
Hình 3.8 Kết quả các thuật toán với độ lệch chuẩn trong kịch bản 1 .................. 42
Hình 3.9 Kết quả các thuật toán với độ lệch chuẩn trong kịch bản 2 .................. 43
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Các thông số trong mô phỏng ............................................................... 38
Bảng 3.2 Trích dẫn một số kết quả trong kịch bản 1. .......................................... 42
Bảng 3.3 Trích dẫn một số kết quả trong kịch bản 2. .......................................... 43
DANH MỤC VIẾT TẮT
Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
IoT Internet of Things Internet vạn vật
PDR Packet delivery ratio Tỉ lệ chuyển giao gói tin
E2ED End-to-end delay Trễ điểm-tới-điểm
BM Bluetooth mesh Bluetooth lưới
BLE Bluetooth low energy Bluetooth năng lượng thấp
MF Managed flooding Ngập lụt được quản lý
TTL Time-to-live Thời gian sống
GATT Generic Attribute Profile Cấu hình thuộc tính chung
DS Dominating Set Tập thống trị
CDS Connected Dominating Set Tập thống trị được kết nối
MCDS Minimum Connected Tập thống trị được kết nối tối
Dominating Set thiểu
MIS Maximal Independent Set Tập độc lập tối đa
ID Identification Định danh
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, IoT (Internet of Things) đang ngày càng phát triển và được ứng
dụng trong rất nhiều lĩnh vực như nhà máy thông minh, nông nghiệp thông minh,
thành phố thông minh... và không thể không kể đến nhà thông minh. Nhu cầu về
nhà thông minh đang rất lớn, do đó, có rất nhiều nhà sản xuất, nhà cung cấp tham
gia lĩnh vực này. Điều này đồng nghĩa với việc các nhà sản xuất cần phải phát
triển, nâng cao chất lượng hệ thống của mình để cạnh tranh với các đối thủ khác;
trong khi đó, người dùng cũng có thêm nhiều lựa chọn để có được hệ thống nhà
thông minh chất lượng tốt. Do người sử dụng thường tương tác, trải nghiệm trực
tiếp, ngay tại ngôi nhà/hệ thống của mình, nên các nhà sản xuất cần đặc biệt lưu
ý trong việc xây dựng một hệ thống đem tới trải nghiệm người dùng tốt. Vì nếu
hệ thống không đem lại trải nghiệm tốt, người dùng hoàn toàn có thể thay thế,
tìm kiếm nhà cung cấp khác.
Trong hệ thống nhà thông minh hiện nay thường sử dụng các công nghệ
không dây để kết nối các thiết bị. Đối với một mạng không dây, một số tiêu chí
chất lượng có liên quan trực tiếp đến trải nghiệm người dùng đó là tỉ lệ chuyển
giao gói tin (Packet delivery ratio – PDR) và độ trễ điểm-tới-điểm (End-to-end
delay – E2ED).
- PDR có thể hiểu đơn giản là tỉ lệ thiết bị nguồn gửi tin nhắn thành công
tới thiết bị đích. Rõ ràng rằng người dùng sẽ luôn muốn tỉ lệ này là 100%.
Không ai muốn ví dụ điều khiển để tắt 10 đèn trong nhà nhưng chỉ có 9
đèn thực hiện tắt, 1 đèn vẫn còn sáng.
- E2ED có thể hiểu đơn giản là thời gian trễ từ lúc thiết bị nguồn gửi yêu
cầu đến lúc thiết bị đích nhận được yêu cầu. Nếu độ trễ của hệ thống lớn,
người dùng sẽ cảm thấy hệ thống hoạt động chậm, mỗi lần điều khiển phải
đợi để xem có điều khiển thành công hay không. Thậm chí, nếu trễ quá
lớn, người dùng có thể lầm tưởng rằng điều khiển đã thất bại, và sẽ thực
hiện lại thao tác nhiều lần. Từ đó sẽ đem đến cảm giác khó chịu cho người
dùng.
Bluetooth với sự ra đời của công nghệ mạng Bluetooth mesh (BM) [1] vào
năm 2017, cũng đang rất phát triển và xuất hiện ngày càng nhiều trong các hệ
thống nhà thông minh. Theo bài viết cập nhập thị trường năm 2022 của Bluetooth
[2], Bluetooth là một trong những công nghệ quan trọng trong việc xây dựng một
mạng thiết bị trong các hệ thống nhà thông minh. Bluetooth đã tự khẳng định
mình là công nghệ tiên tiến trong nhiều giải pháp nhà thông minh, và hiện đang
mở rộng vai trò của nó trong IoT gia đình. Các nhà phân tích dự đoán số lượng
thiết bị tự động hóa trong nhà thông mình sẽ đạt 552 triệu, và tăng gấp đôi vào
năm 2026 tức là tăng lên 1.1 tỷ thiết bị. Trong đó, số lượng thiết bị thuộc mảng
ứng dụng thông minh và chiếu sáng thông minh chiếm trên 30% như ở Hình 1.
1
Hình 1 Tỉ lệ về số thiết bị Bluetooth trong các ứng dụng của nhà thông minh [2]
BM không sử dụng cơ chế định tuyến để gửi tin nhắn mà sử dụng cơ chế ngập
lụt được quản lý (Managed flooding – MF). Cơ chế này có ưu điểm là đơn giản,
không cần sử dụng đến các bảng định tuyến phức tạp, các tin nhắn sẽ được lan
truyền trong mạng thông qua các thiết bị chuyển tiếp. Thiết bị chuyển tiếp đóng
vai trò quan trọng trong cơ chế MF vì nó là thiết bị sẽ chuyển tiếp các tin nhắn nó
nhận được tới các thiết bị xung quanh trong mạng, từ đó giúp tin nhắn có thể đi
tới được đích. Để giới hạn việc tin nhắn chuyển tiếp vô hạn trong mạng, BM sử
dụng một số phương pháp như: phương pháp lưu trữ tin nhắn vào bộ nhớ tạm để
ngăn việc một thiết bị chuyển tiếp lại tin nhắn đã được nó chuyển tiếp trước đó;
và phương pháp thời gian sống (Time-to-live - TTL) để giới hạn số lần tối đa một
tin nhắn có thể được chuyển tiếp. Theo cấu hình mặc trong chuẩn BM, mọi thiết
bị trong mạng sẽ được cấu hình là thiết bị chuyển tiếp, và TTL của các tin nhắn
sẽ có giá trị tối đa là 127 để đảm bảo mọi thiết bị trong mạng có thể gửi tin nhắn
được cho nhau. Nếu áp dụng cấu hình này, việc cài đặt, triển khai một hệ thống
mạng BM trở nên rất đơn giản vì các thiết bị khi sản xuất thường đã được cài đặt
sẵn cấu hình mặc định, do đó, người dùng không cần phải cấu hình chúng nữa.
Tuy nhiên trong các phân tích ở phần sau của luận văn này (phần 1.3) cho
thấy rằng: nếu sử dụng các cấu hình mặc định về tính năng chuyển tiếp và TTL
có thể không cung cấp tối đa chất lượng của hệ thống về tiêu chí PDR và E2ED
mà cần phải lựa chọn cấu hình khác phù hợp hơn cho các thiết bị. Có hai cách để
thay đổi cấu hình của hệ thống: một là cấu hình thủ công, tức là hệ thống sẽ được
cấu hình bởi con người (ví dụ người dùng); hai là cấu hình tự động, tức là hệ
thống sẽ tự động cấu hình các thiết bị trong mạng mà không cần đến con người.
Việc cấu hình thủ công cho hệ thống mạng BM để đạt được mục đích là tăng chất
lượng PDR và E2ED có thể nói là không khả thi vì một số lý do sau:
- Hiện tại chưa có bất kỳ tài liệu nào của Bluetooth hay bất kỳ nghiên cứu
nào hướng dẫn việc lựa chọn cấu hình cho mạng như thế nào cải thiện
được PDR và E2ED.
2
- Việc cài đặt, cấu hình một mạng, nhất là khi mạng có số lượng thiết bị lớn
sẽ rất phức tạp, tốn thời gian và có thể xảy ra sai sót trong quá trình cấu
hình.
- Người dùng thường không có nhiều kiến thức hay am hiểu về mạng BM,
nên việc cấu hình sẽ rất khó khăn, thay vào đó sẽ cần sự trợ giúp của nhà
sản xuất mỗi khi hệ thống thay đổi.
Trong khi đó, nếu cấu hình sai, không phù hợp thì hệ thống không những
không cải thiện được chất lượng mà còn khiến chất lượng giảm đi, thậm chí có
thể khiến hệ thống không hoạt động (ví dụ cấu hình thiếu thiết bị chuyển tiếp
trung gian khiến các thiết bị không thể trao đổi tin nhắn được với nhau). Do vậy,
một hệ thống có khả năng tự cấu hình sẽ là giải pháp phù hợp hơn, có thể khắc
phục được các nhược điểm của phương pháp cấu hình thủ công. Để hệ thống có
thể tự cấu hình tức là hệ thống đó phải có thuật toán lựa chọn cấu hình phù hợp
dựa trên một hoặc nhiều thông tin của mạng như thông tin về các thiết bị xung
quanh, khoảng cách giữa các thiết bị, khả năng thu phát tín hiệu của các thiết bị...
Tuy nhiên, cho đến hiện tại, các nghiên cứu về các thuật toán tự cấu hình cho
mạng BM rất ít, và chưa có thuật toán nào được chứng minh tổng quát là phù hợp
cho mạng BM. Ngoài ra, vì BM có nhiều thông số cấu hình nên việc tìm ra một
thuật toán tối ưu nhiều thông số cấu hình cùng một lúc là một thách thức rất lớn.
Do vậy, trong phạm vi của luận văn này, sẽ chỉ tập trung vào một thông số cấu
hình là một thiết bị trong mạng có tính năng chuyển tiếp hay không.
Tóm lại, mục tiêu của luận văn này là lựa chọn và đánh giá một số thuật toán
tự cấu hình tính năng chuyển tiếp của thiết bị trong mạng BM, hướng đến áp
dụng vào các hệ thống nhà thông minh như chiếu sáng thông minh.
Luận văn được tổ chức gồm các chương như sau: Chương 1 đặt vấn đề như
vừa trình bày; Chương 2 giới thiệu về mạng Bluetooth mesh và phân tích các ảnh
hưởng của các thông số cấu hình đến chất lượng của mạng; Chương 3 trình bày
về các nghiên cứu, thuật toán tự cấu hình liên quan, và lựa chọn các thuật toán
mà luận văn sử dụng; Chương 4 trình bày về các kịch bản mô phỏng, và đánh
giá, nhận xét kết quả; và cuối cùng là phần kết luận và hướng nghiên cứu trong
tương lai.
3
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MẠNG BLUETOOTH MESH
Chương này sẽ giới thiệu cũng như trình bày các khái niệm cơ bản của
mạng Bluetooth mesh. Ngoài ra, chương này cũng phân tích để thấy được sự ảnh
hưởng của các thông số cấu hình đến chất lượng của mạng như thế nào.
1.1 Tổng quan về kiến trúc và hoạt động của Bluetooth mesh
Hình 1.1 Kiến trúc Bluetooth lưới
BM là một giao thức mạng sử dụng ngăn xếp giao thức BLE [3] làm lõi chức
năng. Theo đặc tả Mesh Profile [1], ngăn xếp giao thức BM có kiến trúc phân lớp
như trong Hình 1.1. Cụ thể:
- Lớp mô hình: Xác định các mô hình được sử dụng để chuẩn hóa hoạt
động của các kịch bản người dùng, được định nghĩa trong đặc tả Bluetooth
Mesh Model [4] hoặc các đặc tả lớp cao hơn khác (ví dụ các đặc tả bao
gồm các mô hình cho đèn và cảm biến).
- Lớp mô hình nền tảng: Xác định các trạng thái, tin nhắn và các mô hình
cần thiết để cấu hình và quản lý mạng lưới.
- Lớp truy cập: Xác định cách các ứng dụng lớp cao hơn có thể sử dụng lớp
vận chuyển trên; xác định định dạng của dữ liệu ứng dụng; xác định và
kiểm soát việc mã hóa và giải mã dữ liệu ứng dụng được thực hiện trong
lớp vận chuyển trên. Nó kiểm tra xem dữ liệu ứng dụng nhận được có
đúng khóa mạng và khóa ứng dụng không trước khi chuyển đến lớp cao
hơn xử lý.
- Lớp vận chuyển trên: Mã hóa, giải mã và xác thực dữ liệu ứng dụng, cung
cấp tính bảo mật của tin nhắn truy cập. Nó cũng xác định cách các tin
nhắn kiểm soát vận chuyển được sử dụng để quản lý lớp vận chuyển trên
giữa các nút.
4
- Lớp vận chuyển dưới: Xác định cách các tin nhắn của lớp vận chuyển trên
được phân đoạn hay lắp ráp bởi nhiều đơn vị dữ liệu của lớp vận chuyển
dưới, để gửi các tin nhắn lớn của lớp vận chuyển trên đến các nút khác.
Nó cũng xác định tin nhắn điều khiển để quản lý việc phân đoạn và lắp
ráp.
- Lớp mạng: Xác định cách tin nhắn vận chuyển được giải quyết đối với
một hoặc nhiều phần tử. Nó xác định định dạng tin nhắn mạng cho phép
dữ liệu ở lớp vận chuyển được vận chuyển bởi lớp mang; quyết định có
chuyển tiếp tin nhắn, chấp nhận hay từ chối xử lý tin nhắn; xác định cách
tin nhắn được mã hóa và xác thực.
- Lớp mang: Xác định cách trao đổi tin nhắn mạng giữa các nút. Có 2 bộ
mang được định nghĩa là bộ mang quảng bá và “GATT”.
- Đặc tả lõi Bluetooth năng lượng thấp: Sử dụng ngăn xếp Bluetooth năng
lượng thấp.
Hoạt động mạng lưới được thiết kế để:
- Cho phép các tin nhắn được gửi từ một phần tử tới một hoặc nhiều phần tử
khác.
- Cho phép các tin năng được chuyển tiếp thông qua các nút khác để mở
rộng phạm vi giao tiếp.
- Bảo vệ các tin nhắn đối với các kiểu tấn công bảo mật đã biết.
- Hoạt động được trên các thiết bị hiện có trên thị trường.
- Chuyển giao các tin nhắn một cách kịp thời.
- Tiếp tục hoạt động khi một hoặc nhiều thiết bị bị di chuyển hoặc ngừng
hoạt động.
- Có khả năng tương thích để hỗ trợ các phiên bản tương lai.
BM sử dụng một công nghệ truyền tin được gọi là ngập lụt được quản lý
(Managed Flooding - MF). Theo MF, các thiết bị sử dụng các kênh quảng bá
(broadcast) để truyền tin nhắn để các thiết bị khác có thể nhận và chuyển tiếp tin
nhắn đó; do đó mở rộng được phạm vi truyền của tin nhắn ban đầu. Bất kỳ thiết
bị trong mạng có thể gửi tin nhắn ở bất kỳ thời điểm nào miễn là có đủ mật độ
thiết bị lắng nghe và chuyển tiếp tin nhắn. Các cải tiến để thêm chức năng định
tuyến và sử dụng cơ chế dựa trên định tuyến (routing-based) có thể được xem xét
trong tương lai.
Với MF, các tin nhắn sẽ được chuyển tiếp với số lần không giới hạn, do đó, BM
sử dụng một số phương pháp để giải quyết vấn đề này. Có hai phương pháp
chính được sử dụng là:
- Phương pháp lưu trữ tạm tin nhắn mạng (the network message cache
method): Phương pháp này được thiết kế để ngăn chặn việc các thiết bị
chuyển tiếp lại các tin nhắn đã được nhận trước đó bằng cách lưu các tin
nhắn đã nhận vào một danh sách tạm. Khi một tin nhắn được nhận, thiết bị
sẽ kiểm tra tin nhắn đó có trong danh sách không, nếu đã có thì sẽ bỏ qua
tin nhắn đó. Nếu tin nhắn đó chưa tồn tại trong danh sách, tức là tin nhắn
đó chưa từng được nhận bởi thiết bị, thì thiết bị sẽ thêm nó vào danh sách
5
để nó có thể được bỏ qua trong tương lai. Để ngăn ngừa danh sách này
quá lớn, số lượng tin nhắn có thế lưu trữ vào danh sách sẽ được giới hạn
khi triển khai thực tế.
- Phương pháp thời gian sống (the time to live method): Mỗi tin nhắn sẽ
chứa một giá trị là Time-to-live (TTL) để giới hạn số lần tin nhắn có thể
được chuyển tiếp. Mỗi lần tin nhắn được nhận và chuyển tiếp (lên tới 126
lần) bởi một thiết bị, giá trị TTL sẽ giảm đi 1. Tin nhắn chỉ có thể được
chuyển tiếp nếu TTL lớn hơn 1.
1.2 Một số khái niệm trong Bluetooth mesh
Kiến trúc của mạng sử dụng nhiều khái niệm như nút, trạng thái, tin nhắn, phần
tử, địa chỉ... Dưới đây sẽ giải thích một số khái niệm cơ bản được sử dụng trong
BM dựa theo đặc tả Mesh Profile [1] .
- Các thiết bị không thuộc mạng BM được gọi là thiết bị chưa được cấp
phép. Các thiết bị thuộc về một mạng BM, cụ thể các thiết bị có khả năng
truyền và nhận tin nhắn, được gọi là nút (Node) hoặc thiết bị được cấp
phép (Provisioned Device). Quá trình cấp phép một thiết bị vào mạng là
quá trình chuyển đổi một thiết bị không được cấp phép thành một nút.
- Trạng thái (State): Trạng thái là một giá trị đại diện cho một điều kiện của
một phần tử.
Một phần tử có trạng thái được gọi là một máy chủ (server). Ví dụ: máy
chủ đơn giản nhất là “Generic OnOff Server”, biểu thị rằng nó đang bật
hoặc tắt.
Một phần tử truy cập tới một trạng thái được gọi là một máy khách
(client). Ví dụ: một máy khách đơn giản nhất là “Generic OnOff Client”
có thể điều khiển “Generic OnOff Server” thông qua các tin nhắn đã được
định nghĩa bởi mô hình “Generic OnOff Model”.
- Tin nhắn (Message): Tất cả giao tiếp trong mạng lưới được thực hiện bằng
cách gửi tin nhắn. Các tin nhắn hoạt động trên các trạng thái. Đối với mỗi
trạng thái, có một tập các tin nhắn xác định mà máy chủ hỗ trợ, và máy
khách sẽ sử dụng chúng để yêu cầu giá trị của trạng thái hoặc thay đổi
trạng thái. Máy chủ cũng có thể truyền những tin nhắn không được yêu
cầu mang thông tin về các trạng thái hoặc/và các trạng thái thay đổi.
BM có cơ chế phân đoạn- lắp ráp để hỗ trợ gửi tin nhắn có kích thước lớn.
Khi gửi gói tin có kích thước nhỏ thì không cần phải phân đoạn. Gói tin
không phân đoạn ở lớp vận chuyển có thể chứa lên tới 11 byte dữ liệu.
Khi tin nhắn có kích thước lớn, ở lớp vận chuyển sẽ tách thành các phân
đoạn để gửi đi (lên tới 32 đoạn), kích thước gói tin có thể lên tới 384 byte
dữ liệu.
- Phần tử (Element): Một phần tử là một mục có thể định địa chỉ trong nút.
Một nút phải có ít nhất một phần tử gọi là phần tử chính, và có thể có
thêm một hoặc nhiều phần tử phụ khác. Số lượng và cấu trúc của các phần
tử là tĩnh và không được thay đổi trong suốt thời gian sống của nút.
6
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU MẠNG BLUETOOTH
MESH TỰ CẤU HÌNH
PHAN VĂN HẢI
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Quốc Cường
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
HÀ NỘI, 11/2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Phan Văn Hải
Đề tài luận văn: Nghiên cứu mạng Bluetooth mesh tự cấu hình
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và tự động hóa
Mã số SV: 20202699M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 29/10/2022 với các nội dung sau:
- Sửa lỗi chính tả, tham chiếu sai tên thuật toán
- Chỉnh sửa lại số chương
- Sử dụng tên của các thuật toán gốc thay vì tự đặt tên
- Trình bày rõ hơn các thay đổi của thuật toán T9, T10 so với thuật toán
gốc
- Trình bày rõ hơn thông tin mô phỏng, cách trong triển khai thực tế
- Kết quả thêm thông tin về độ lệch chuẩn
Ngày 14 tháng 11 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Đề tài: Nghiên cứu mạng Bluetooth mesh tự cấu hình
Tác giả luận văn: Phan Văn Hải
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số HV: 20202699M
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Cường
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
Lời cảm ơn
Luận văn này sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ, hỗ trợ tận
tình từ thầy hướng dẫn của tôi là thầy Nguyễn Quốc Cường. Tôi rất biết ơn thầy
vì thầy đã giúp đỡ, chỉ bảo tôi rất nhiều, không chỉ trong nghiên cứu mà cả trong
cuộc sống và công việc suốt nhiều năm qua. Tôi cảm thấy vô cùng may mắn khi
được thầy hướng dẫn.
Ngoài ra, tôi cũng xin cảm ơn gia đình, người yêu và bạn bè đã luôn ủng
hộ, động viên tôi mỗi khi tôi cảm thấy khó khăn trong việc học hành, nghiên cứu.
Tóm tắt nội dung luận văn
Ngày nay, mạng Bluetooth mesh (BM) đang được ứng dụng rất nhiều vào
các hệ thống Internet of Things, trong đó nhà thông minh là một trong các hệ
thống ứng dụng BM phổ biến nhất. Đối với hệ thống nhà thông minh, các tiêu chí
về tỉ lệ chuyển giao gói tin (PDR) và độ trễ điểm-tới-điểm (E2ED) có đóng vai
trò quan trọng trong đánh giá chất lượng của mạng. Trong BM, có rất nhiều
thông số cấu hình và chúng ảnh hưởng từ đơn giản đến phức tạp tới PDR và
E2ED. Ngoài ra, việc sử dụng các cấu hình mặc định của mạng BM không đảm
bảo việc cung cấp chất lượng PDR và E2ED tốt nhất. Trong khi đó, việc cấu hình
thủ công bởi con người là giải pháp không phù hợp, và có thể không khả thi vì
chưa có bất kỳ tài liệu nào hướng dẫn cách lựa chọn cấu hình tối ưu. Do vậy, bài
toán đặt ra là cần xây dựng một mạng BM có khả năng tự cấu hình, tức là mạng
tự động chạy các thuật toán phù hợp để đưa ra các cấu hình phù hợp, cải thiện
chất lượng của mạng.
Mặc dù có nhiều cấu hình cần điều chỉnh để nâng cao chất lượng mạng,
nhưng trong phạm vi của luận văn, sẽ chỉ tập trung vào bài toán nghiên cứu mạng
BM tự cấu hình tính năng chuyển tiếp để cải thiện chất lượng PDR và E2ED so
với cấu hình mặc định của mạng. Các nghiên cứu liên quan tới bài toán này
không nhiều và các thuật toán được nghiên cứu chủ yếu là loại thuật toán phân
tán, tức là các xử lý sẽ được thực hiện trên từng nút mạng. Tuy nhiên, luận văn
hướng đến tìm các thuật toán loại tập trung với mục đích để việc xử lý tính toán
được thực hiện ở một thiết bị có khả năng tính toán lớn, và việc thay đổi thuật
toán sẽ dễ dàng, linh hoạt hơn. Do vậy, luận văn đã lựa chọn 2 thuật toán tập
trung để mô phỏng trên MATLAB và đánh giá là T9 và T10 (dựa trên thuật toán
gốc tương ứng là GOC-MCDS-C và (1, k)-CDS). Kết quả thu được cả hai thuật
toán đều cải thiện PDR và E2ED so với cấu hình mặc định của mạng. Trong đó,
T9 được đánh giá là có thể hiệu quả và phù hợp hơn T10.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MẠNG BLUETOOTH MESH ............................ 4
1.1 Tổng quan về kiến trúc và hoạt động của Bluetooth mesh ........................ 4
1.2 Một số khái niệm trong Bluetooth mesh .................................................... 6
1.3 Một số cấu hình ảnh hưởng đến chất lượng của mạng Bluetooth mesh .... 9
1.4 Kết luận chương ....................................................................................... 12
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG BLUETOOTH MESH TỰ CẤU
HÌNH ................................................................................................................... 13
2.1 Các thuật toán tự cấu hình liên quan ........................................................ 13
2.1.1 Một số khái niệm trong các thuật toán ...................................... 13
2.1.2 Thuật toán Greedy Connect ...................................................... 15
2.1.3 Thuật toán K2 Pruning .............................................................. 18
2.1.4 Thuật toán A1 và A4 ................................................................. 20
2.1.5 Thuật toán Dominator! .............................................................. 21
2.1.6 Thuật toán A2............................................................................ 22
2.1.7 Thuật toán A3............................................................................ 23
2.1.8 Thuật toán A5............................................................................ 25
2.1.9 Thuật toán T9 ............................................................................ 26
2.1.10 Thuật toán T10 .......................................................................... 27
2.2 Đánh giá và lựa chọn các thuật toán ........................................................ 28
2.3 Kết luận chương ....................................................................................... 31
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC THUẬT TOÁN TỰ CẤU
HÌNH ................................................................................................................... 32
3.1 Triển khai thuật toán ................................................................................ 32
3.1.1 Triển khai thuật toán SimpleMIS .............................................. 32
3.1.2 Triển khai thuật toán T9 ............................................................ 33
3.1.3 Triển khai thuật toán T10 .......................................................... 35
3.2 Kịch bản mô phỏng .................................................................................. 36
3.3 Các thông số đánh giá .............................................................................. 38
3.4 Kết quả ..................................................................................................... 39
3.5 Kết luận chương ....................................................................................... 44
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................ 45
Kết luận ................................................................................................................ 45
Hướng phát triển của luận văn trong tương lai .................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 46
NHỮNG CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ........................................ 48
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 Tỉ lệ về số thiết bị Bluetooth trong các ứng dụng của nhà thông minh [2] 2
Hình 1.1 Kiến trúc Bluetooth lưới ......................................................................... 4
Hình 1.2 Ví dụ về cấu trúc liên kết và các loại nút trong BM ............................... 9
Hình 2.1 Minh họa về MIS, DS và CDS .............................................................. 15
Hình 2.2 Minh họa pha 1 của thuật toán Greedy Connect. Số ở giữa nút là ID của
nút, số ở bên cạnh nút là số lân cận chưa khám phá của nút. .............................. 17
Hình 2.3 Minh họa pha 2 của thuật toán Greedy Connect. Số ở giữa là ID của
nút, số ở bên cạnh là ID cụm của nút. .................................................................. 17
Hình 2.4 Kết quả áp dụng thuật toán Greedy Connect trong nghiên cứu [7]. Các
nút màu đen là nút thống trị. ................................................................................ 18
Hình 2.5 Minh họa pha 2 của thuật toán K2 Pruning. ......................................... 19
Hình 2.6 Minh họa pha 3 của thuật toán K2 Pruning. ......................................... 19
Hình 2.7 Kết quả áp dụng thuật toán K2 Pruning trong nghiên cứu [7]. Các nút
màu đen là nút thống trị. ...................................................................................... 20
Hình 2.8 Kết quả áp dụng thuật toán Dominator! trong nghiên cứu [7]. Các nút
màu đen là nút thống trị. ...................................................................................... 22
Hình 2.9 Minh họa thuật toán A2 [14]. ................................................................ 23
Hình 2.10 Minh họa CDS a) Tìm theo MCDS thông thường. b) Tìm theo MOC-
CDS. ..................................................................................................................... 24
Hình 2.11 Kết quả áp dụng thuật toán A8 trong nghiên cứu [8]. Các nút màu đỏ
là nút thống trị. ..................................................................................................... 25
Hình 2.12 Minh họa thuật toán SimpleMIS. a) Mạng ban đầu. b) Kết quả sau khi
áp dụng SimpleMIS.............................................................................................. 27
Hình 2.13 Kết quả PDR trung bình của các thuật toán trong [7]. Thuật toán All
Relays trong [7]tương ứng với thuật toán mặc định trong luận văn. ................... 28
Hình 2.14 Kết quả về kích thước tập CDS của các thuật toán trong [8]. Thuật
toán Base trong [8] ứng với thuật toán mặc định trong luận văn. ........................ 29
Hình 2.15 Kết quả về tỉ lệ mất gói tin của các thuật toán trong [8]. Thuật toán
Base trong [8] ứng với thuật toán mặc định trong luận văn................................. 29
Hình 2.16 Kết quả về E2ED của các thuật toán trong [8]. Thuật toán Base trong
[8] ứng với thuật toán mặc định trong luận văn. .................................................. 29
Hình 3.1 Minh họa chi tiết thuật toán SimpleMIS. a) Mạng ban đầu. b) Bước
duyệt nút 1. c) Bước duyệt nút 5. d) Bước duyệt nút 8. ....................................... 32
Hình 3.2 Minh họa chi tiết thuật toán T9. a) Mạng ban đầu. b) Pha tìm MIS. c)d)
Các bước trong pha kết nối. ................................................................................. 33
Hình 3.3 Minh họa chi tiết thuật toán T10 với k = 2. a) Mạng ban đầu. b) Kết quả
tìm tập MIS I1. c) Tập V\I1. d) Kết quả tìm MIS I2. e) Kết quả sau khi tìm 2
MIS. f) Bước tìm thêm nút thống trị .................................................................... 35
Hình 3.4 Sơ đồ bố trí mạng dùng trong mô phỏng dựa trên một mặt sàn trong nhà
.............................................................................................................................. 37
Hình 3.5 Kết quả lựa chọn nút chuyển tiếp của thuật toán T9 (nút màu đỏ là nút
chuyển tiếp, màu xanh là nút thường) ................................................................. 40
Hình 3.6 Kết quả lựa chọn nút chuyển tiếp của thuật toán T10 với k = 6 (nút màu
đỏ là nút chuyển tiếp, màu xanh là nút thường) .................................................. 41
Hình 3.7 Kết quả lựa chọn nút chuyển tiếp của thuật toán T10 với k = 12 (nút
màu đỏ là nút chuyển tiếp, màu xanh là nút thường)........................................... 41
Hình 3.8 Kết quả các thuật toán với độ lệch chuẩn trong kịch bản 1 .................. 42
Hình 3.9 Kết quả các thuật toán với độ lệch chuẩn trong kịch bản 2 .................. 43
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Các thông số trong mô phỏng ............................................................... 38
Bảng 3.2 Trích dẫn một số kết quả trong kịch bản 1. .......................................... 42
Bảng 3.3 Trích dẫn một số kết quả trong kịch bản 2. .......................................... 43
DANH MỤC VIẾT TẮT
Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
IoT Internet of Things Internet vạn vật
PDR Packet delivery ratio Tỉ lệ chuyển giao gói tin
E2ED End-to-end delay Trễ điểm-tới-điểm
BM Bluetooth mesh Bluetooth lưới
BLE Bluetooth low energy Bluetooth năng lượng thấp
MF Managed flooding Ngập lụt được quản lý
TTL Time-to-live Thời gian sống
GATT Generic Attribute Profile Cấu hình thuộc tính chung
DS Dominating Set Tập thống trị
CDS Connected Dominating Set Tập thống trị được kết nối
MCDS Minimum Connected Tập thống trị được kết nối tối
Dominating Set thiểu
MIS Maximal Independent Set Tập độc lập tối đa
ID Identification Định danh
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, IoT (Internet of Things) đang ngày càng phát triển và được ứng
dụng trong rất nhiều lĩnh vực như nhà máy thông minh, nông nghiệp thông minh,
thành phố thông minh... và không thể không kể đến nhà thông minh. Nhu cầu về
nhà thông minh đang rất lớn, do đó, có rất nhiều nhà sản xuất, nhà cung cấp tham
gia lĩnh vực này. Điều này đồng nghĩa với việc các nhà sản xuất cần phải phát
triển, nâng cao chất lượng hệ thống của mình để cạnh tranh với các đối thủ khác;
trong khi đó, người dùng cũng có thêm nhiều lựa chọn để có được hệ thống nhà
thông minh chất lượng tốt. Do người sử dụng thường tương tác, trải nghiệm trực
tiếp, ngay tại ngôi nhà/hệ thống của mình, nên các nhà sản xuất cần đặc biệt lưu
ý trong việc xây dựng một hệ thống đem tới trải nghiệm người dùng tốt. Vì nếu
hệ thống không đem lại trải nghiệm tốt, người dùng hoàn toàn có thể thay thế,
tìm kiếm nhà cung cấp khác.
Trong hệ thống nhà thông minh hiện nay thường sử dụng các công nghệ
không dây để kết nối các thiết bị. Đối với một mạng không dây, một số tiêu chí
chất lượng có liên quan trực tiếp đến trải nghiệm người dùng đó là tỉ lệ chuyển
giao gói tin (Packet delivery ratio – PDR) và độ trễ điểm-tới-điểm (End-to-end
delay – E2ED).
- PDR có thể hiểu đơn giản là tỉ lệ thiết bị nguồn gửi tin nhắn thành công
tới thiết bị đích. Rõ ràng rằng người dùng sẽ luôn muốn tỉ lệ này là 100%.
Không ai muốn ví dụ điều khiển để tắt 10 đèn trong nhà nhưng chỉ có 9
đèn thực hiện tắt, 1 đèn vẫn còn sáng.
- E2ED có thể hiểu đơn giản là thời gian trễ từ lúc thiết bị nguồn gửi yêu
cầu đến lúc thiết bị đích nhận được yêu cầu. Nếu độ trễ của hệ thống lớn,
người dùng sẽ cảm thấy hệ thống hoạt động chậm, mỗi lần điều khiển phải
đợi để xem có điều khiển thành công hay không. Thậm chí, nếu trễ quá
lớn, người dùng có thể lầm tưởng rằng điều khiển đã thất bại, và sẽ thực
hiện lại thao tác nhiều lần. Từ đó sẽ đem đến cảm giác khó chịu cho người
dùng.
Bluetooth với sự ra đời của công nghệ mạng Bluetooth mesh (BM) [1] vào
năm 2017, cũng đang rất phát triển và xuất hiện ngày càng nhiều trong các hệ
thống nhà thông minh. Theo bài viết cập nhập thị trường năm 2022 của Bluetooth
[2], Bluetooth là một trong những công nghệ quan trọng trong việc xây dựng một
mạng thiết bị trong các hệ thống nhà thông minh. Bluetooth đã tự khẳng định
mình là công nghệ tiên tiến trong nhiều giải pháp nhà thông minh, và hiện đang
mở rộng vai trò của nó trong IoT gia đình. Các nhà phân tích dự đoán số lượng
thiết bị tự động hóa trong nhà thông mình sẽ đạt 552 triệu, và tăng gấp đôi vào
năm 2026 tức là tăng lên 1.1 tỷ thiết bị. Trong đó, số lượng thiết bị thuộc mảng
ứng dụng thông minh và chiếu sáng thông minh chiếm trên 30% như ở Hình 1.
1
Hình 1 Tỉ lệ về số thiết bị Bluetooth trong các ứng dụng của nhà thông minh [2]
BM không sử dụng cơ chế định tuyến để gửi tin nhắn mà sử dụng cơ chế ngập
lụt được quản lý (Managed flooding – MF). Cơ chế này có ưu điểm là đơn giản,
không cần sử dụng đến các bảng định tuyến phức tạp, các tin nhắn sẽ được lan
truyền trong mạng thông qua các thiết bị chuyển tiếp. Thiết bị chuyển tiếp đóng
vai trò quan trọng trong cơ chế MF vì nó là thiết bị sẽ chuyển tiếp các tin nhắn nó
nhận được tới các thiết bị xung quanh trong mạng, từ đó giúp tin nhắn có thể đi
tới được đích. Để giới hạn việc tin nhắn chuyển tiếp vô hạn trong mạng, BM sử
dụng một số phương pháp như: phương pháp lưu trữ tin nhắn vào bộ nhớ tạm để
ngăn việc một thiết bị chuyển tiếp lại tin nhắn đã được nó chuyển tiếp trước đó;
và phương pháp thời gian sống (Time-to-live - TTL) để giới hạn số lần tối đa một
tin nhắn có thể được chuyển tiếp. Theo cấu hình mặc trong chuẩn BM, mọi thiết
bị trong mạng sẽ được cấu hình là thiết bị chuyển tiếp, và TTL của các tin nhắn
sẽ có giá trị tối đa là 127 để đảm bảo mọi thiết bị trong mạng có thể gửi tin nhắn
được cho nhau. Nếu áp dụng cấu hình này, việc cài đặt, triển khai một hệ thống
mạng BM trở nên rất đơn giản vì các thiết bị khi sản xuất thường đã được cài đặt
sẵn cấu hình mặc định, do đó, người dùng không cần phải cấu hình chúng nữa.
Tuy nhiên trong các phân tích ở phần sau của luận văn này (phần 1.3) cho
thấy rằng: nếu sử dụng các cấu hình mặc định về tính năng chuyển tiếp và TTL
có thể không cung cấp tối đa chất lượng của hệ thống về tiêu chí PDR và E2ED
mà cần phải lựa chọn cấu hình khác phù hợp hơn cho các thiết bị. Có hai cách để
thay đổi cấu hình của hệ thống: một là cấu hình thủ công, tức là hệ thống sẽ được
cấu hình bởi con người (ví dụ người dùng); hai là cấu hình tự động, tức là hệ
thống sẽ tự động cấu hình các thiết bị trong mạng mà không cần đến con người.
Việc cấu hình thủ công cho hệ thống mạng BM để đạt được mục đích là tăng chất
lượng PDR và E2ED có thể nói là không khả thi vì một số lý do sau:
- Hiện tại chưa có bất kỳ tài liệu nào của Bluetooth hay bất kỳ nghiên cứu
nào hướng dẫn việc lựa chọn cấu hình cho mạng như thế nào cải thiện
được PDR và E2ED.
2
- Việc cài đặt, cấu hình một mạng, nhất là khi mạng có số lượng thiết bị lớn
sẽ rất phức tạp, tốn thời gian và có thể xảy ra sai sót trong quá trình cấu
hình.
- Người dùng thường không có nhiều kiến thức hay am hiểu về mạng BM,
nên việc cấu hình sẽ rất khó khăn, thay vào đó sẽ cần sự trợ giúp của nhà
sản xuất mỗi khi hệ thống thay đổi.
Trong khi đó, nếu cấu hình sai, không phù hợp thì hệ thống không những
không cải thiện được chất lượng mà còn khiến chất lượng giảm đi, thậm chí có
thể khiến hệ thống không hoạt động (ví dụ cấu hình thiếu thiết bị chuyển tiếp
trung gian khiến các thiết bị không thể trao đổi tin nhắn được với nhau). Do vậy,
một hệ thống có khả năng tự cấu hình sẽ là giải pháp phù hợp hơn, có thể khắc
phục được các nhược điểm của phương pháp cấu hình thủ công. Để hệ thống có
thể tự cấu hình tức là hệ thống đó phải có thuật toán lựa chọn cấu hình phù hợp
dựa trên một hoặc nhiều thông tin của mạng như thông tin về các thiết bị xung
quanh, khoảng cách giữa các thiết bị, khả năng thu phát tín hiệu của các thiết bị...
Tuy nhiên, cho đến hiện tại, các nghiên cứu về các thuật toán tự cấu hình cho
mạng BM rất ít, và chưa có thuật toán nào được chứng minh tổng quát là phù hợp
cho mạng BM. Ngoài ra, vì BM có nhiều thông số cấu hình nên việc tìm ra một
thuật toán tối ưu nhiều thông số cấu hình cùng một lúc là một thách thức rất lớn.
Do vậy, trong phạm vi của luận văn này, sẽ chỉ tập trung vào một thông số cấu
hình là một thiết bị trong mạng có tính năng chuyển tiếp hay không.
Tóm lại, mục tiêu của luận văn này là lựa chọn và đánh giá một số thuật toán
tự cấu hình tính năng chuyển tiếp của thiết bị trong mạng BM, hướng đến áp
dụng vào các hệ thống nhà thông minh như chiếu sáng thông minh.
Luận văn được tổ chức gồm các chương như sau: Chương 1 đặt vấn đề như
vừa trình bày; Chương 2 giới thiệu về mạng Bluetooth mesh và phân tích các ảnh
hưởng của các thông số cấu hình đến chất lượng của mạng; Chương 3 trình bày
về các nghiên cứu, thuật toán tự cấu hình liên quan, và lựa chọn các thuật toán
mà luận văn sử dụng; Chương 4 trình bày về các kịch bản mô phỏng, và đánh
giá, nhận xét kết quả; và cuối cùng là phần kết luận và hướng nghiên cứu trong
tương lai.
3
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MẠNG BLUETOOTH MESH
Chương này sẽ giới thiệu cũng như trình bày các khái niệm cơ bản của
mạng Bluetooth mesh. Ngoài ra, chương này cũng phân tích để thấy được sự ảnh
hưởng của các thông số cấu hình đến chất lượng của mạng như thế nào.
1.1 Tổng quan về kiến trúc và hoạt động của Bluetooth mesh
Hình 1.1 Kiến trúc Bluetooth lưới
BM là một giao thức mạng sử dụng ngăn xếp giao thức BLE [3] làm lõi chức
năng. Theo đặc tả Mesh Profile [1], ngăn xếp giao thức BM có kiến trúc phân lớp
như trong Hình 1.1. Cụ thể:
- Lớp mô hình: Xác định các mô hình được sử dụng để chuẩn hóa hoạt
động của các kịch bản người dùng, được định nghĩa trong đặc tả Bluetooth
Mesh Model [4] hoặc các đặc tả lớp cao hơn khác (ví dụ các đặc tả bao
gồm các mô hình cho đèn và cảm biến).
- Lớp mô hình nền tảng: Xác định các trạng thái, tin nhắn và các mô hình
cần thiết để cấu hình và quản lý mạng lưới.
- Lớp truy cập: Xác định cách các ứng dụng lớp cao hơn có thể sử dụng lớp
vận chuyển trên; xác định định dạng của dữ liệu ứng dụng; xác định và
kiểm soát việc mã hóa và giải mã dữ liệu ứng dụng được thực hiện trong
lớp vận chuyển trên. Nó kiểm tra xem dữ liệu ứng dụng nhận được có
đúng khóa mạng và khóa ứng dụng không trước khi chuyển đến lớp cao
hơn xử lý.
- Lớp vận chuyển trên: Mã hóa, giải mã và xác thực dữ liệu ứng dụng, cung
cấp tính bảo mật của tin nhắn truy cập. Nó cũng xác định cách các tin
nhắn kiểm soát vận chuyển được sử dụng để quản lý lớp vận chuyển trên
giữa các nút.
4
- Lớp vận chuyển dưới: Xác định cách các tin nhắn của lớp vận chuyển trên
được phân đoạn hay lắp ráp bởi nhiều đơn vị dữ liệu của lớp vận chuyển
dưới, để gửi các tin nhắn lớn của lớp vận chuyển trên đến các nút khác.
Nó cũng xác định tin nhắn điều khiển để quản lý việc phân đoạn và lắp
ráp.
- Lớp mạng: Xác định cách tin nhắn vận chuyển được giải quyết đối với
một hoặc nhiều phần tử. Nó xác định định dạng tin nhắn mạng cho phép
dữ liệu ở lớp vận chuyển được vận chuyển bởi lớp mang; quyết định có
chuyển tiếp tin nhắn, chấp nhận hay từ chối xử lý tin nhắn; xác định cách
tin nhắn được mã hóa và xác thực.
- Lớp mang: Xác định cách trao đổi tin nhắn mạng giữa các nút. Có 2 bộ
mang được định nghĩa là bộ mang quảng bá và “GATT”.
- Đặc tả lõi Bluetooth năng lượng thấp: Sử dụng ngăn xếp Bluetooth năng
lượng thấp.
Hoạt động mạng lưới được thiết kế để:
- Cho phép các tin nhắn được gửi từ một phần tử tới một hoặc nhiều phần tử
khác.
- Cho phép các tin năng được chuyển tiếp thông qua các nút khác để mở
rộng phạm vi giao tiếp.
- Bảo vệ các tin nhắn đối với các kiểu tấn công bảo mật đã biết.
- Hoạt động được trên các thiết bị hiện có trên thị trường.
- Chuyển giao các tin nhắn một cách kịp thời.
- Tiếp tục hoạt động khi một hoặc nhiều thiết bị bị di chuyển hoặc ngừng
hoạt động.
- Có khả năng tương thích để hỗ trợ các phiên bản tương lai.
BM sử dụng một công nghệ truyền tin được gọi là ngập lụt được quản lý
(Managed Flooding - MF). Theo MF, các thiết bị sử dụng các kênh quảng bá
(broadcast) để truyền tin nhắn để các thiết bị khác có thể nhận và chuyển tiếp tin
nhắn đó; do đó mở rộng được phạm vi truyền của tin nhắn ban đầu. Bất kỳ thiết
bị trong mạng có thể gửi tin nhắn ở bất kỳ thời điểm nào miễn là có đủ mật độ
thiết bị lắng nghe và chuyển tiếp tin nhắn. Các cải tiến để thêm chức năng định
tuyến và sử dụng cơ chế dựa trên định tuyến (routing-based) có thể được xem xét
trong tương lai.
Với MF, các tin nhắn sẽ được chuyển tiếp với số lần không giới hạn, do đó, BM
sử dụng một số phương pháp để giải quyết vấn đề này. Có hai phương pháp
chính được sử dụng là:
- Phương pháp lưu trữ tạm tin nhắn mạng (the network message cache
method): Phương pháp này được thiết kế để ngăn chặn việc các thiết bị
chuyển tiếp lại các tin nhắn đã được nhận trước đó bằng cách lưu các tin
nhắn đã nhận vào một danh sách tạm. Khi một tin nhắn được nhận, thiết bị
sẽ kiểm tra tin nhắn đó có trong danh sách không, nếu đã có thì sẽ bỏ qua
tin nhắn đó. Nếu tin nhắn đó chưa tồn tại trong danh sách, tức là tin nhắn
đó chưa từng được nhận bởi thiết bị, thì thiết bị sẽ thêm nó vào danh sách
5
để nó có thể được bỏ qua trong tương lai. Để ngăn ngừa danh sách này
quá lớn, số lượng tin nhắn có thế lưu trữ vào danh sách sẽ được giới hạn
khi triển khai thực tế.
- Phương pháp thời gian sống (the time to live method): Mỗi tin nhắn sẽ
chứa một giá trị là Time-to-live (TTL) để giới hạn số lần tin nhắn có thể
được chuyển tiếp. Mỗi lần tin nhắn được nhận và chuyển tiếp (lên tới 126
lần) bởi một thiết bị, giá trị TTL sẽ giảm đi 1. Tin nhắn chỉ có thể được
chuyển tiếp nếu TTL lớn hơn 1.
1.2 Một số khái niệm trong Bluetooth mesh
Kiến trúc của mạng sử dụng nhiều khái niệm như nút, trạng thái, tin nhắn, phần
tử, địa chỉ... Dưới đây sẽ giải thích một số khái niệm cơ bản được sử dụng trong
BM dựa theo đặc tả Mesh Profile [1] .
- Các thiết bị không thuộc mạng BM được gọi là thiết bị chưa được cấp
phép. Các thiết bị thuộc về một mạng BM, cụ thể các thiết bị có khả năng
truyền và nhận tin nhắn, được gọi là nút (Node) hoặc thiết bị được cấp
phép (Provisioned Device). Quá trình cấp phép một thiết bị vào mạng là
quá trình chuyển đổi một thiết bị không được cấp phép thành một nút.
- Trạng thái (State): Trạng thái là một giá trị đại diện cho một điều kiện của
một phần tử.
Một phần tử có trạng thái được gọi là một máy chủ (server). Ví dụ: máy
chủ đơn giản nhất là “Generic OnOff Server”, biểu thị rằng nó đang bật
hoặc tắt.
Một phần tử truy cập tới một trạng thái được gọi là một máy khách
(client). Ví dụ: một máy khách đơn giản nhất là “Generic OnOff Client”
có thể điều khiển “Generic OnOff Server” thông qua các tin nhắn đã được
định nghĩa bởi mô hình “Generic OnOff Model”.
- Tin nhắn (Message): Tất cả giao tiếp trong mạng lưới được thực hiện bằng
cách gửi tin nhắn. Các tin nhắn hoạt động trên các trạng thái. Đối với mỗi
trạng thái, có một tập các tin nhắn xác định mà máy chủ hỗ trợ, và máy
khách sẽ sử dụng chúng để yêu cầu giá trị của trạng thái hoặc thay đổi
trạng thái. Máy chủ cũng có thể truyền những tin nhắn không được yêu
cầu mang thông tin về các trạng thái hoặc/và các trạng thái thay đổi.
BM có cơ chế phân đoạn- lắp ráp để hỗ trợ gửi tin nhắn có kích thước lớn.
Khi gửi gói tin có kích thước nhỏ thì không cần phải phân đoạn. Gói tin
không phân đoạn ở lớp vận chuyển có thể chứa lên tới 11 byte dữ liệu.
Khi tin nhắn có kích thước lớn, ở lớp vận chuyển sẽ tách thành các phân
đoạn để gửi đi (lên tới 32 đoạn), kích thước gói tin có thể lên tới 384 byte
dữ liệu.
- Phần tử (Element): Một phần tử là một mục có thể định địa chỉ trong nút.
Một nút phải có ít nhất một phần tử gọi là phần tử chính, và có thể có
thêm một hoặc nhiều phần tử phụ khác. Số lượng và cấu trúc của các phần
tử là tĩnh và không được thay đổi trong suốt thời gian sống của nút.
6