1. 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN
THÔNG VIỆT NAM
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN
VÀ ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌNH TRONG MẠNG AD HOC
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ:23.060.52.704.3898
Họ tên học viên: VŨ THỊ MAI
Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS ĐINH THẾ CƯỜNG
HÀ NỘI – 2010
2. 2
MỞ ĐẦU
1 Giới thiệu chung
Từ thập kỷ 90 của thế kỷ trước với sự ra đời của kỹ
thuật số đã đẩy nhanh sự phát triển các công nghệ và ứng
dụng chúng vào các lĩnh vực đời sống hàng ngày, đặc biệt
là truyền thông và công nghệ thông tin. Các hệ thống
truyền thông từ cố định đến di động đã phủ rộng khắp thế
giới làm cho con người khắp nơi trên thế giới có thể thông
tin với nhau mọi lúc, mọi nơi. Tuy vậy, trong một số hoàn
cảnh đặc biệt như thiên tai, động đất, chiến tranh ..v.v ở đó
cơ sở hạ tầng viễn thông bị phá vỡ, lúc đó con người sẽ
liên lạc với nhau như thế nào?
Để giải quyết bài toán đó, gần đây một dạng công nghệ
mạng ra đời, đó là mạng AD HOC. Mạng Ad hoc là một
tập hợp các nút mạng di động không dây, nằm phân tán về
mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng
bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung
nào. Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi trường vô
tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nút
mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có
trang bị một bộ thu phát không dây. Các bộ định tuyến tự
do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu hình mạng thay đổi
thường xuyên. Mạng như vậy có thể hoạt động độc lập
hoặc kết nối với mạng hạ tầng chung tạo thành mạng
thông tin toàn cầu.
Với đặc điểm đó, một loạt thách thức với mạng ad hoc
được đặt ra cần giải quyết:
- Năng lượng: Các phần tử của mạng ad hoc hoạt
động được nhờ nguồn năng lượng là pin. Vì vậy
3. 3
vấn đề tuổi thọ của pin, công suất pin cần đặc
biệt quan tâm.
- Cấu hình mạng không có cấu trúc và biến đổi
ngẫu nhiên.
- Chất lượng liên lạc thấp.
- Băng thông rất hạn chế.
- Khả năng mở rộng phải rất cao vì mạng có rất
nhiều nút mạng.
Với những bài toán cơ bản đó, nhiều nhà khoa học đã
dành thời gian thích đáng để nghiên cứu và giải quyết.
Riêng trong lĩnh vực định tuyến và điều khiển cấu hình có
những kết quả nổi bật [3], [4], [7], [8], [10]. Các công
trình này tập trung vào các giao thức định tuyến.
Xuất phát từ định nghĩa cấu hình trong một mạng [4]
là sự sắp xếp các nút và các tuyến theo một cấu trúc nào
đó. Sự sắp xếp nghĩa là liên quan đến định tuyến vì vậy
trong luận văn này sẽ đi theo hướng nghiên cứu kết hợp đó
vào trong các giao thức định tuyến với tên đề tài
“NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐIỀU
KHIỂN CẤU HÌNH TRONG MẠNG AD HOC”.
2 Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu các giải pháp định tuyến và điều khiển cấu
hình trong mạng AD-HOC nhằm sử dụng tốt nhất hiệu
suất sử dụng nguồn điện cho hệ thống.
3 Đối tượng nghiên cứu
Các bài toán điều khiển cấu hình và định tuyến trong
mạng Ad hoc.
4. 4
4 Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sở mô hình mạng Ad hoc, sử dụng công cụ
toán học để nghiên cứu các bài toán điều khiển công suất
phát, xây dựng cấu hình, duy trì cấu hình, kết hợp định
tuyến và điều khiển cấu hình. Để làm rõ hơn các kết quả lý
thuyết, học viên ứng dụng công cụ mô phỏng Atarraya xây
dựng và phân tích các kết quả mô phỏng các giao thức
điều khiển cấu hình.
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1 Ý nghĩa khoa học
Ngoài giải pháp điều khiển cấu hình, luận văn đã
nghiên cứu kết hợp điều khiển định tuyến và cấu hình phù
hợp trạng thái kênh nhằm giảm mức công suất phát để tiết
kiệm nguồn tiêu thụ của thiết bị và giảm can nhiễu trong
hệ thống.
Luận văn đã xây dựng các bài toán mô phỏng ứng dụng
công cụ Atarraya để làm sáng tỏ hơn phần lý luận đã nêu.
5.2 Ý nghĩa thực tiễn
Giúp định hướng xây dựng các giao thức ứng dụng khi
triển khai áp dụng mạng ad hoc có hiệu quả và tiết kiệm
năng lượng nguồn phát và giảm can nhiễu.
6 Bố cục của luận văn
Luận văn được trình bày trong ba chương và phụ lục
như sau:
Chương 1. Tổng quan về mạng Ad hoc
Giới thiệu chung về mạng Ad hoc, những khả năng và
thách thức trong quá trình phát triển mạng Ad hoc. Ở đây
cũng giới thiệu các giao thức định tuyến và kỹ thuật điều
khiển cấu hình.
5. 5
Chương 2. Điều khiển cấu hình.
Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển cấu hình trong mạng
Ad hoc, một giải pháp quan trọng nhằm giảm công suất
năng lượng tiêu thụ trong mạng Ad hoc.
Chương 3. Kết hợp định tuyến và điều khiển cấu
hình trong mạng Ad hoc.
Trong chương này, luận văn nghiên cứu việc kết hợp
điều khiển cấu hình trong các giao thức định tuyến để đưa
ra một số giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng của
mạng.
Phụ lục.
Giới thiệu mô hình mạng vô tuyến để mô hình hóa
mạng Ad hoc và công cụ mô phỏng Atarraya. Đưa ra các
bài toán điều khiển cấu hình cụ thể sử dụng các giao thức
xây dựng cấu hình phân cấp.
6. 6
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC
1.1 Mạng Ad hoc
Mạng ad hoc là một tập hợp các nút mạng di động không
dây nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời
mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay sự
quản lý tập trung nào. Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi
trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy
mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động
có trang bị bộ thu phát không dây. Các bộ định tuyến tự do di
chuyển một cách ngẫu nhiên và tự tổ chức một cách tùy tiện, vì
vậy cấu hình không dây của mạng thay đổi nhanh chóng và
không thể đoán trước. Mạng như vậy có thể hoạt động độc lập
hoặc kết nối với các mạng hạ tầng tạo thành mạng toàn cầu.
Hình 1.1 Mạng ad hoc di động - MANET
Mạng ad hoc có đặc điểm dễ kết nối với mạng truy
nhập, cấu trúc mạng đa chặng động và truyền thông ngang
hàng trực tiếp. Tính đa chặng cần để làm cầu tới cổng kết nối
vào mạng trục hạ tầng. Cổng kết nối phải có giao diện mạng
của cả hai kiểu mạng và là một phần của cả mạng định tuyến
rộng khắp và định tuyến ad hoc cục bộ. Người dùng được lợi
từ mạng khắp nơi: di chuyển cho phép người dùng chuyển đổi
giữa các thiết bị, phiên làm việc và vẫn có cùng dịch vụ cá
7. 7
nhân. Trạm di động cho phép thiết bị của người dùng di động
quanh mạng và duy trì kết nối và khả năng truyền thông.
Những vấn đề thách thức cần phải giải quyết trong
mạng ad hoc: năng lượng; cấu hình mạng không có cấu
trúc và biến đổi; chất lượng liên lạc thấp; ràng buộc về tài
nguyên và khả năng co dãn.
1.2 Điều khiển cấu hình
1.2.1 Giới thiệu
Khái niệm điều khiển cấu hình (TC – Topology Control)
được đưa ra [4] là một quá trình tương tác giữa hai pha: xây
dựng cấu hình và duy trì cấu hình. Ban đầu pha khởi tạo chung
được thực hiện. Trong pha này, các nút tự khám phá và sử
dụng công suất phát tối đa để xây dựng cấu hình ban đầu. Sau
pha khởi tạo là pha xây dựng một cấu hình mới. Cấu hình mới
này sẽ hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định vì các
nút tham gia vào mạng sẽ tiêu tốn năng lượng do đó ngay khi
pha xây dựng cấu hình thiết lập mạng rút gọn thì bắt đầu 1 pha
mới: pha duy trì cấu hình. Trong suốt pha này, thuật toán mới
được thực hiện để giám sát trạng thái cấu hình mới và sẽ khởi
tạo một pha xây dựng cấu hình mới vào thời điểm thích hợp.
Trong suốt thời gian sống của mạng, vòng tròn này được lặp đi
lặp lại cho đến khi năng lượng mạng cạn hết
Lý do thúc đẩy chính sự triển khai TC trong mạng Ad
hoc là: bảo toàn năng lượng; tránh xung đột và dung lượng
mạng tăng
1.2.2 Các vấn đề đặt ra trong điều khiển cấu hình
mạng ad hoc
Các vấn đề cần chú ý để thiết kế giao thức điều khiển
cấu hình hiệu quả là: thuật toán phân tán; thông tin cục bộ;
cần có thông tin định vị; kết nối; vùng phủ sóng; mật độ
8. 8
nút nhỏ; kênh liên kết hai hướng; đơn giản; hiệu quả năng
lượng; mở rộng hơn và thời gian hội tụ.
1.2.3 Bài toán điều khiển cấu hình [4]
Điều khiển cấu hình là tổ chức lại và quản lý các tham
số nút và các chế độ hoạt động trong từng khoảng thời
gian để điều chỉnh cấu hình mạng nhằm kéo dài thời gian
sống mà vẫn duy trì các đặc tính quan trọng như mạng,
kết nối và vùng phủ sóng.[4]
1.2.4 Điều khiển cấu hình và chồng giao thức
truyền thông
Chức năng điều khiển cấu hình là một lớp giao thức bổ
sung nằm giữa lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng, và tương
tác với cả hai lớp này.
1.3 Định tuyến trong mạng ad hoc
1.3.1 Kiến trúc định tuyến
Kiến trúc định đuyến của mạng tự tổ chức có thể là
phân tầng hoặc phẳng. Trong mạng tự tổ chức phẳng, quản
lý tính di động là rất cần thiết vì tất cả các nút có thể nhận
thấy từ các nút khác qua các giao thức định tuyến. Trong
thuật toán định tuyến phẳng như DSDV và WRP, bảng
định tuyến có các cổng tới tất cả các trạm trong mạng. Tuy
nhiên tính mở rộng của các thuật toán định tuyến phẳng
không tốt. Mào đầu định tuyến tăng nhanh khi mạng trở
lên lớn hơn. Vì thế một số dạng sơ đồ phân tầng được triển
khai để tái sử dụng kênh điều khiển về mặt không gian và
giảm mào đầu thông tin định tuyến. Gộp nhóm là kĩ thuật
phổ biến nhất. Định tuyến phân tầng bao gồm việc quản lí
nhóm, quản lí địa chỉ, và quản lí tính di động.
9. 9
1.3.2 Phân loại giao thức định tuyến
Để khắc phục vấn đề liên quan đến giải thuật trạng thái
liên kết và vector khoảng cách, một số giao thức cho mạng
ad hoc được đề xuất. Các giao thức này có thể được phân
loại thành 3 nhóm: định tuyến trước, định tuyến theo yêu
cầu và định tuyến lai ghép.
1.4 Kết luận
Chương mở đầu của luận văn này đã giới thiệu tổng
quan về mạng ad hoc. Với những ưu điểm triển khai nhanh
chóng, tự cấu hình và đáp ứng các đặc điểm di động mạng
ad hoc hứa hẹn mang đến sự phổ biến rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực. Tuy nhiên vẫn còn nhiều khó khăn thách thức về
mặt công nghệ cần giải quyết. Như đã nêu trong bài toán
định tuyến, vấn đề ràng buộc về tài nguyên cần có những
kỹ thuật mới được nghiên cứu phát triển riêng cho mạng
ad hoc, mà nổi lên hiện nay là kỹ thuật điều khiển cấu
hình. Trong các chương tiếp theo, ta sẽ đi vào nghiên cứu
các phương pháp điều khiển cấu hình và sự kết hợp giữa
điều khiển cấu hình và định tuyến nhằm đưa ra giao thức
đơn giản và hiệu quả hơn.
10. 10
Chương 2
ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌNH
2.1 Xây dựng cấu hình
2.1.1 Điều khiển công suất phát
2.1.1.1Bài toán Khoảng phát tới hạn CTR
Khoảng phát tới hạn CTR là phạm vi phát đồng nhất
tối thiểu áp dụng cho tất cả các nút tạo ra một đồ hình kết
nối. Phương pháp EMST (Euclidean Minimal Spanning
Tree) đưa ra vùng bao phủ tối thiểu của tất cả các nút
trong đồ hình.
Phương pháp sử dụng lý thuyết đồ hình hình học ngẫu
nhiên đưa ra một giải pháp phân tích bài toán vùng truyền
thông với xác suất cao tạo ra một cấu hình kết nối theo một số
giả thiết. Giả thiết ta có một hình vuông cạnh l, trong đó có n
nút phân bố ngẫu nhiên. Đối với mạng có mật độ dày đặc, tính
theo xác suất, chiều dài của cạnh dài nhất để từ đó tính được
CTR được cho bởi công thức (2.1):
log n + f (n)
CTR dense = (2.1)
nπ
2.1.1.2Bài toán Ấn định khoảng RA
Phương pháp mang lại hiệu quả năng lượng hơn, tìm
năng lượng tối đa cho mỗi nút, gán công suất không đồng
nhất để xây dựng cấu hình kết nối rút gọn [4]:
Cho một tập n nút trong không gian d chiều. Cần xác
định hàm ấn định khoảng (RA) cho đồ hình kết nối vững
và giảm thiểu tổng chi phí mạng, được cho bởi tổng công
suất phát của n nút.
11. 11
2.1.1.3 Xây dựng cấu hình phân tán cho mạng đồng nhất
Các kỹ thuật theo vị trí
Các thuật toán giải quyết bài toán xây dựng cấu hình
sử dụng kỹ thuật cơ sở định vị giả thiết mọi nút đều biết
gần như chắc chắn vị trí riêng của nó. Thông tin này cho
phép sử dụng các đặc điểm hình học để cấu hình tốt nhất
về mặt khoảng cách giữa các nút chính là xác định khoảng
phát tốt nhất cho mỗi nút. Có hai giao thức quan trọng dựa
trên cơ sở định vị là giao thức R&M và LMST (Local
Minimum Spanning Tree).
Các kỹ thuật theo hướng
Các kỹ thuật dựa trên hướng giả thiết các nút có thể
xác định hướng của tín hiệu nhận được từ nút lân cận của
chúng và trong một số trường hợp xác định được cả
khoảng cách giữa chúng. Hướng góc đến của tín hiệu
trong vùng phát bao quanh có thể tìm được nhờ anten định
hướng lắp đặt trong các nút. Mặt khác, thông tin khoảng
cách có thể biết được nhờ các kỹ thuật khác nhau như chỉ
thị độ mạnh tín hiệu nhận được (RSSI), thời gian đến
(ToA), độ lệch thời gian đến (TDOA).
Các kỹ thuật dựa theo định tuyến
Độ kết nối của một cấu hình là một trong các yêu cầu quan
trọng nhất của bất cứ giao thức xây dựng cấu hình nào. Một
cách để phát hiện kết nối là đảm bảo rằng tìm thấy tuyến từ một
nút tới mọi nút khác trong mạng. Đây là mục tiêu chính của
hàm định tuyến: xây dựng bảng định tuyến để định tuyến gói
tin từ một nút tới tất cả các đích có thể. Khi tất cả các nút được
kể ra trên bảng định tuyến nghĩa là chúng có thể liên lạc được
và khoảng phát không cần phải điều chỉnh. Đây là ý tưởng
chính của các kỹ thuật dựa vào định tuyến. Giao thức xây dựng
12. 12
cấu hình công suất chung (COMPOW) được biết đến một cách
rộng rãi là một giao thức xây dựng theo kỹ thuật này.
2.1.1.4 Xây dựng cấu hình không đồng nhất
Có 3 thuật toán xây dựng cấu hình dành cho mạng không
đồng nhất: Các thuật toán LMST trực tiếp (DLMST) và RNG
trực tiếp (DRGN) duy trì được tính kết nối và song hướng,
nhưng không có được đầy đủ các ưu điểm của các thiết bị trong
mạng không đồng nhất. Thuật toán xây dựng cấu hình READ
(Residual Energy Aware Dynamic) là thuật toán tập trung mà
các thiết bị nhiều công suất hơn được tập hợp để có vai trò nổi
bật trong mạng giúp kéo dài thời gian sống của mạng.
2.1.2 Xây dựng cấu hình phân cấp
Phương pháp xây dựng cấu hình phân cấp xác định bài
toán bậc thang và thuận tiện cho việc tập hợp thông tin để
tiết kiệm năng lượng. Một hệ thống cấp bậc truyền thông
được tạo ra, trong đó lựa chọn phân tập các nút rút gọn và
thay mặt cho các chức năng rút gọn và đơn giản cho phần
lớn các nút.
2.2 Duy trì cấu hình
2.1 Các vấn đề đặt ra trong kỹ thuật duy trì cấu hình
2.1.1 Khái niệm và phân loại
Duy trì cấu hình là một quá trình khôi phục, hoán đổi
và tái tạo lại cấu hình mạng từng khoảng thời gian khi
cấu hình rút gọn hiện tại không tối ưu nữa, gồm cả việc
hoán đổi vai trò các nút nhiều nhất có thể để cải thiện thời
gian hoạt động của mạng [4].
Các kỹ thuật duy trì cấu hình có thể được phân loại
theo thời điểm các cấu hình rút gọn được xây dựng thành:
tĩnh, động, hoặc lai ghép.
13. 13
2.1.2 Tiêu chuẩn kích hoạt
Tiêu chuẩn kích hoạt có quan hệ chặt chẽ đến việc tiết
kiệm năng lượng cũng như vùng phủ sóng, độ tin cậy và
các yếu tố quan trọng khác nữa, tiêu chuẩn kích hoạt có
thể dựa trên các lựa chọn sau: theo thời gian, theo năng
lượng, ngẫu nhiên, theo lỗi, theo mật độ hoặc kết hợp.
2.1.3 Vấn đề trong thiết kế duy trì cấu hình
Để quá trình duy trì cấu hình hiệu quả và cho các kết
quả mong đợi bằng việc kéo dài thời gian hoạt động của
mạng, các kỹ thuật duy trì cấu hình phải được thiết kế trên
cơ sở xem xét thận trọng các vấn đề sau: hiệu quả năng
lượng, mào đầu ít, ít phức tạp, phân phối đều năng lượng,
thời gian hội tụ thấp, chiếm bộ nhớ.
2.1.4 Đồng bộ các máy thu.
Một vấn đề đặt ra là làm thế nào kích hoạt các nút
đang ở chế độ nghỉ tham gia trong thủ tục xây dựng cấu
hình mới. Một cách để đánh thức tất cả các nút liên quan
tại thời điểm thích hợp là có mạng đồng bộ hoàn toàn.
2.2 Các kỹ thuật duy trì cấu hình tĩnh
Thực tế các kỹ thuật tĩnh thường là kiểu toàn phần vì
việc tính toán thay thế cho nhiều phần mạng sẽ làm mất
quá nhiều nguồn tài nguyên. Một kiểu kỹ thuật tĩnh khác là
tăng phạm vi phần mạng chuyển đổi.
2.3 Các kỹ thuật duy trì cấu hình động
So với các kỹ thuật duy trì cấu hình tĩnh, các kỹ thuật
động không thực hiện tính toán ưu tiên để xác định cấu
hình sẽ ở trạng thái hoạt động khi cấu hình hiện tại không
còn phù hợp nữa. Thay vào đó, các kỹ thuật động thực
hiện các tính toán “trên đường đi”. Như vậy các kỹ thuật
14. 14
động thường mất nhiều thời gian và năng lượng hơn vì
phải chạy tiến trình xây dựng cấu hình nhiều lần.
2.4 Các kỹ thuật duy trì cấu hình lai ghép
Các kết hợp của các kỹ thuật duy trì cấu hình động và
tĩnh tạo ra các kỹ thuật duy trì cấu hình lai ghép.
2.3 Một số kết quả mô phỏng
Giới thiệu một số kết quả mô phỏng giao thức xây
dựng cấu hình cơ bản bằng công vụ mô phỏng Atarraya
1.0. Trước tiên phân tích giao thức đơn giản Simple tree
xây dựng cấu hình phân cấp trong mục 2.1.2: diễn tả trình
tự trao đổi bản tin phổ biến, sử dụng thời gian chờ và cách
thay đổi trạng thái nút. Trên cùng một vùng triển khai với
các tham số như nhau, mô phỏng theo giao thức xây dựng
cấu hình phân cấp A3 để so sánh.
2.3.1 Mô phỏng giao thức xây dựng cấu hình Simple Tree
Minh họa tiến trình trao đổi bản tin như sơ đồ hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ trình tự trao đổi bản tin
15. 15
Số liệu đưa vào chương trình mô phỏng: triển khai mạng
trên một khu vực diện tích 600x600 với 100 nút mạng giả
thiết mạng đồng nhất với bán kính truyền thông là 100; mức
năng lượng cố định 1000, vùng triển khai như hình 2.2.
Hình 2.2. Vùng triển khai.
Hình 2.3. Nút sink khởi tạo quá trình
16. 16
Hình 2.4. Cấu hình rút gọn theo giao thức Simple Tree
Kỹ thuật này có đặc điểm phù hợp với các giao thức định
tuyến như cấu trúc có trật tự cho phép thực hiện định tuyến
trên cơ sở tìm kiếm hoặc đánh địa chỉ phân cấp.
2.3.2 Mô phỏng giao thức xây dựng cấu hình
phân cấp A3
Giao thức A3 cũng là một giải thuật phát triển cây
phân tán. A3 xây dựng tập CDS không tối ưu trên đồ hình
kết nối ban đầu xem xét năng lượng còn lại ở mỗi nút và
khoảng cách giữa chúng. Cây được xây dựng sử dụng bốn
kiểu bản tin: Hello, Parent Recognition, Children
Recognition và Sleeping.
Hình 2.5. Nút sink ID=100 khởi tạo mô phỏng (A3)
17. 17
Cấu hình thu được qua mô phỏng Atarraya như hình 2.6.
Hình 2.6. Kết quả mô phỏng Atarraya – Cấu hình kết nối
A3
A3 có ưu điểm hơn: linh hoạt vì chỉ cần thông tin nội
bộ và hoạt động theo cách thức phân tán hoàn toàn; không
cần thông tin vị trí; không cần GPS hay bất cứ cơ chế định
vị nào; không cần đồng bộ nhờ trình tự tạo cây có thứ tự;
đơn giản và độ phức tạp tính toán thấp và rất hiệu quả
năng lượng.
2.4 Kết luận
Chương 2 tập trung nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển
cấu hình với 2 pha: xây dựng cấu hình và duy trì cấu hình,
giới thiệu các giao thức tiêu biểu trong các cơ chế điều khiển
cấu hình. Để làm rõ tiến trình xây dựng cấu hình, các bài toán
xây dựng cấu hình với các giả thiết ban đầu được xây dựng
trên nền công cụ mô phỏng Atarraya. Dựa trên kết quả mô
phỏng, có thể phân tích ưu nhược điểm của các cơ chế xây
dựng cấu hình khác nhau trên cùng một nền tảng mạng như
nhau. Để minh chứng rõ ràng hơn, các bài toán mô phỏng với
các giao thức phức tạp hơn và chạy đầy đủ các giao thức xây
18. 18
dựng cấu hình, duy trì cấu hình, truyền thông, định tuyến sẽ
tiếp tục được nghiên cứu trong thời gian tới.
19. 19
Chương 3
KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐIỀU
KHIỂN CẤU HÌNH TRONG MẠNG AD
HOC
3.1 Quản lý năng lượng trong mạng ad hoc
Quỹ năng lượng giới hạn ảnh hưởng đến khả năng
truyền thông và tính toán của mỗi thiết bị. Tài nguyên năng
lượng và khối lượng tính toán phân bố khác nhau trên mạng.
Một số thiết bị di động có năng lượng dự trữ. Có các thiết bị
dùng hết nguồn chỉ nạp lại khi rời mạng. Do đó, tốt hơn là
phân bố lại tài nguyên năng lượng thừa để đáp ứng phân phối
công việc không đồng đều trên mạng.
3.2 Chế độ tiết kiệm năng lượng IEEE 802.11
Trong các mạng ad hoc, có nhiều gánh nặng hơn đặt ra
cho phía gửi để đảm bảo rằng bộ thu họat động hoặc được
đánh thức. Các bộ thu cũng phải ở trạng thái sẵn sàng hơn và
không thể nghỉ nhiều như trong các mạng có hạ tầng. Quản lý
nguồn trong IEEE 802.11 PSM dựa theo các bản tin chỉ thị lưu
lượng. Các nút sử dụng các bản đồ chỉ thị lưu lượng đồng bộ
(ATIM) để thông báo cho các nút khác chuẩn bị nhận số liệu.
Tất cả các nút định kỳ phải được đánh thức để lắng nghe ATIM
và kiểm tra xem chúng có các gói tin nào để nhận hay không.
3.3 Giao thức EE-MAC
Ý tưởng chính của EE-MAC là chọn các nút chủ từ tất
cả các nút trong mạng. Các nút chủ giữ trạng thái thức
trong tất cả thời gian và hoạt động như trục ảo để định
tuyến các gói tin trong mạng ad hoc. Các nút khác được
gọi là nút tớ, duy trì ở trạng thái hoạt động hiệu quả năng
20. 20
lượng và đánh thức định kỳ chỉ trong khoảng thời gian
mẫu để kiểm tra xem chúng có các gói tin nào để nhận hay
không. Cơ chế hoán đổi giữa các chủ và tớ được sử dụng
để công bằng.
3.3.1 Các tiêu chí thiết kế
Giao thức phải đảm bảo chọn được đủ các nút chủ để
xây dựng đường trục của mạng sao cho mỗi nút có ít nhất
một nút chủ lân cận. Để tránh thông lượng của mạng giảm
đột ngột, cần có một số nút chủ duy trì kết nối toàn vùng
để dự phòng.
3.3.2 Các đặc điểm của EE-MAC
Trong EE-MAC, do các nút chủ không hoạt động ở
chế độ tiết kiệm năng lượng và có thể chuyển tiếp gói tin
trong tất cả thời gian, nên tỷ lệ phân phối gói tin và độ trễ
gói tin có thể được cải thiện hơn nhiều so với PSM. Một
số đặc điểm chính của EE-MAC: sang trạng thái nghỉ sớm
hơn;xử lý ưu tiên các gói tin cho các nút tớ, kéo dài thời
gian nghỉ cho các nút tớ, điều khiển lớp MAC bổ sung.
3.3.3 Hiệu năng
Đánh giá hiệu quả mạng qua các thông số: tỷ lệ phân
phối gói tin; trễ đầu cuối; hiệu quả năng lượng.
3.4 Cơ chế quản lý nguồn phát - Giao thức định
tuyến PCCB
Giao thức định tuyến PCCB (Power Cost Calculate
Balance) là giao thức theo yêu cầu, được khởi tạo bởi
nguồn. Mục đích để tìm ra tuyến hạn chế nguồn thấp nhất.
3.4.1 Tiến trình định tuyến của giao thức PCCB
3.4.1.1 Khám phá tuyến
21. 21
Do giao thức PCCB là giao thức định tuyến theo yêu
cầu, được khởi tạo bởi phía nguồn, các nút không thuộc
tuyến đã chọn sẽ không duy trì thông tin định tuyến hoặc
tham gia trong việc trao đổi bảng định tuyến.
3.4.1.2 Duy trì tuyến
Kế thừa từ giao thức định tuyến AODV, nút dùng bản
tin HELLO định kỳ phát quảng bá trong vùng để thông
báo cho mỗi nút di động lân cận duy trì kết nối vùng. Nút
nguồn khởi tạo tiến trình tìm tuyến khác để tìm đường mới
đến đích hoặc khởi tạo việc sửa lỗi trong vùng.
3.4.2 Phân tích giao thức định tuyến PCCB
Giao thức định tuyến PPCB là giao thức định tuyến
thuần túy theo yêu cầu. PCCB cho phép các nút di động
nhanh chóng tìm được các tuyến với các đích mới và đáp
lại những liên kết ngắt quãng và những thay đổi cấu trúc
mạng một cách kịp thời. Giao thức định tuyến PCCB có
thể tối ưu sử dụng nguồn.
3.5 Điều khiển công suất phát
Mạng ad hoc là mạng truyền thông đa chặng, vì vậy
không cần thiết dùng một thực thể (trung tâm) điều khiển
gán công suất. Nếu có thông tin tập trung, việc thiết lập
công suất cần thực hiện đồng thời với điều khiển cấu hình
mạng. Các phương pháp khác sử dụng thông tin cục bộ
hoặc khai thác hoặc tích hợp thêm dữ liệu như vị trí hoặc
hướng của nút lân cận để tìm giá trị công suất phát tối ưu
bằng các giải thuật phân tán.
3.5.1 Thích nghi công suất phát theo trạng thái
kênh truyền
Tùy theo trạng thái kênh truyền, công suất phát cũng
có thể được thích nghi trong các khoảng thời gian ngắn.
22. 22
Do vậy nếu chất lượng kênh truyền được ước tính là tốt
hơn, có thể gán mức công suất phát thấp, kết quả là bộ
khuyếch đại tiêu thụ ít công suất và có can nhiễu thấp.
Ngược lại, nếu chất lượng kênh truyền dự tính là xấu, cần
mức công suất phát cao hơn hoặc quá trình phát có thể bị
gián đoạn tạm thời đến khi kênh truyền tốt trở lại.
3.5.2 Các kỹ thuật MAC
Lớp MAC quyết định về thời điểm bắt đầu phát, với
các đặc điểm sau: tắt, mở giao diện mạng và bộ xử lý;
tránh xung đột;tốc độ chấp nhận.
3.5.3 Điều khiển liên kết lô gíc (LLC)
Trong khi lớp MAC quyết định khi nào cố gắng gửi
gói tin, LLC xác định khuôn dạng chính xác của gói tin, ví
dụ kích thước và cách xử lý lỗi. Hầu hết các thủ tục lớp
liên kết có ảnh hưởng trực tiếp ảnh hưởng trực tiếp về hiệu
quả năng lượng của hệ thống truyền tin.
3.6 Kết luận
Thiết bị trong các mạng ad hoc sử dụng năng lượng
nguồn hạn chế như nguồn pin. Mặc dù thực tế là việc tính
toán di động đang phát triển nhanh chóng, có nhiều tiến bộ
trong truyền thông vô tuyến, và các thiết bị thì ngày càng
nhỏ hơn và hiệu quả hơn, nhưng các tiến bộ trong công
nghệ nguồn pin vẫn không đạt đến mức máy tính xách tay
có thể hoạt động hàng ngày mà không cần nạp lại. Vì vậy,
các kỹ thuật tiết kiệm nguồn tiên tiến là cần thiết.
Trong chương này đã thảo luận về cách quản lý năng lượng
hiệu quả cho các mạng ad hoc vô tuyến, giới thiệu các giao
thức định tuyến kết hợp điều khiển cấu hình có hiệu quả năng
lượng khác nhau chủ yếu giải quyết các kỹ thuật quản lý nguồn
và quản lý công suất phát. Trong đó có giao thức kiểm soát truy
23. 23
cập môi trường truyền thông hiệu quả năng lượng (EE-MAC)
và giao thức cân bằng tính toán chi phí nguồn (PCCB).
KẾT LUẬN
Mạng Ad hoc ra đời trong mười năm trở lại đây trên
cơ sở kỹ thuật số đã làm phong phú và bổ sung cho mạng
cơ sở hạ tầng viễn thông những hoàn cảnh và vị trí mà các
mạng hạ tầng không giải quyết nổi.
Trong luận văn này, học viên đã có một số kết quả sau:
1. Nêu tóm tắt về mạng ad hoc, đặc biệt nhấn mạnh
hai vấn đề chủ chốt là điều khiển cấu hình và định
tuyến trong mạng Ad hoc, chúng liên quan đến các
vấn đề sẽ đề cập trong chương 2 và 3.
2. Trên cơ sở những khái niệm ở chương 1, luận
văn giới thiệu sâu hơn bài toán điều khiển cấu
hình. Trong đó chủ yếu tập trung vào hai vấn đề
cốt lõi là xây dựng cấu hình và duy trì cấu hình.
3. Một trong những vấn đề nổi bật nhất của mạng
Ad hoc là làm sao nâng cao được hiệu suất sử
dụng nguồn pin cung cấp cho các nút mạng.
Điều đó liên quan chặt chẽ với giải pháp tìm
cấu hình hợp lý và bài toán cấu hình lại gắn
chặt với các giao thức định tuyến. Luận văn đã
giới thiệu giải pháp kết hợp định tuyến và điều
khiển cấu hình trong mạng Ad hoc.
4. Để minh chứng, luận văn đưa ra các kết quả mô
phỏng trên nền công cụ Atarraya.
CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Các giải pháp nâng cao tuổi thọ của pin.
24. 24
2. Xây dựng các giao thức định tuyến tối ưu trong
mạng Ad hoc.
3. Bảo mật cho mạng Ad hoc.
PHỤ LỤC
A. Mô hình mạng ad hoc [3]
Mạng ad hoc phức tạp như mạng vô tuyến đa chặng sẽ
cần phải được phân rã thành các mô hình nhỏ hơn, đơn
giản để dễ dàng cho việc mô hình hóa. Phần phụ lục này
giới thiệu những mô hình phù hợp nhất để giải quyết bài
toán tối ưu cấu hình mạng. Các mô hình gồm: một mô
hình kênh vô tuyến đơn, một mô hình mô tả toàn bộ các
kênh vô tuyến trong mạng, một mô hình tiêu thụ năng
lượng nút mạng, và một mô hình biễu diễn sự di chuyển
của các nút.
B. Công cụ mô phỏng Atarraya
B.1 Giới thiệu
Chương trình mô phỏng Atarraya là phần mềm viết
trên nền Java và tổng quát cho các thuật toán điều khiển
cấu hình trong mạng ad hoc đặc biệt là mạng cảm biến.
Phụ lục này giới thiệu cơ bản về Atarraya 1.0 cùng với cấu
trúc của nó, là công cụ để chạy mô phỏng các giao thức
điều khiển cấu hình nhằm làm sáng tỏ lý thuyết các kỹ
thuật điều khiển cấu hình giới thiệu trong chương 2.
B.2 Mô tả cấu trúc Atarraya
Các thành phần chức năng chính của Atarraya được
mô tả ở hình B1. Đây là cấu trúc tổng quát bộ mô phỏng
25. 25
bao gồm chuỗi mô phỏng chính, bộ xử lý nút – Node
Handler và bộ thực thi bó – BatchExecutor.
Hình B.1. Thành phần chức năng của Atarraya [4]
B.3 Giao diện chương trình
Atarraya có 4 kiểu giao thức: xây dựng cấu hình, duy
trì cấu hình, quản lý dữ liệu cảm biến và các giao thức
định tuyến truyền thông. Có thể lựa chọn 2 chế độ mô
phỏng: hoặc chỉ xây dựng cấu hình hoặc toàn bộ các giao
thức. Các panen điều khiển chương trình mô phỏng như
mô tả ở hình B.2.
Atarraya đưa ra hai kiểu thử nghiệm. Kiểu thứ nhất
dựa trên một cấu hình sử dụng để trình diễn quan sát cấu
hình phù hợp cho thiết kế giao thức và gỡ rối. Kiểu thứ hai
26. 26
là chế độ thực thi bó mô phỏng nhiều cấu hình giúp đánh
giá và phân tích đầy đủ.
Hình B.2. Panen điều khiển mô phỏng Atarraya.
Để tăng tính ngẫu nhiên cho tiến trình mô phỏng,
Atarraya đưa nhiễu vào các tiến trình chung trên mạng do
đó từng trường hợp mô phỏng hoặc thậm chí trên cùng
một cấu hình thì kết quả có thể khác nhau.
27. 26
là chế độ thực thi bó mô phỏng nhiều cấu hình giúp đánh
giá và phân tích đầy đủ.
Hình B.2. Panen điều khiển mô phỏng Atarraya.
Để tăng tính ngẫu nhiên cho tiến trình mô phỏng,
Atarraya đưa nhiễu vào các tiến trình chung trên mạng do
đó từng trường hợp mô phỏng hoặc thậm chí trên cùng
một cấu hình thì kết quả có thể khác nhau.
