42
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 1

Vu thi mai

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Vu thi mai

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

1

Page 2: Vu thi mai

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu chungTừ 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

2

Page 3: Vu thi mai

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 tàiNghiên 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 cứuCác bài toán điều khiển cấu hình và định tuyến trong mạng Ad hoc.

3

Page 4: Vu thi mai

4 Phương pháp nghiên cứuTrên 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 tiễn5.1 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 vănLuận văn được trình bày trong ba chương và phụ lục

như sau:Chương 1. Tổng quan về mạng Ad hocGiới 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.

4

Page 5: Vu thi mai

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.

5

Page 6: Vu thi mai

Chương 1TỔNG 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 - MANETMạng 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

6

Page 7: Vu thi mai

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 hình1.2.1 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

7

Page 8: Vu thi mai

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.

8

Page 9: Vu thi mai

1.3.2 Phân loại giao thức định tuyếnĐể 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 luậnChương 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.

9

Page 10: Vu thi mai

Chương 2ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌNH

2.1 Xây dựng cấu hình2.1.1 Điều khiển công suất phát2.1.1.1Bài 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):

(2.1)

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.

10

Page 11: Vu thi mai

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

11

Page 12: Vu thi mai

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 nhấtCó 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 cấpPhương 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 hình2.2.1 Các vấn đề đặt ra trong kỹ thuật duy trì cấu hình2.2.1.1 Khái niệm và phân loạiDuy 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.

12

Page 13: Vu thi mai

2.2.1.2 Tiêu chuẩn kích hoạtTiêu 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.

2.2.1.3 Vấn đề trong thiết kế duy trì cấu hìnhĐể 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.

2.2.1.4 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.

2.2.2 Các kỹ thuật duy trì cấu hình tĩnhThực 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.

2.2.3 Các kỹ thuật duy trì cấu hình độngSo 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

13

Page 14: Vu thi mai

động thường mất nhiều thời gian và năng lượng hơn vì phải chạy tiến trình xây dựng cấu hình nhiều lần.

2.2.4 Các kỹ thuật duy trì cấu hình lai ghépCác 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 TreeMinh họa tiến trình trao đổi bản tin như sơ đồ hình 2.1.

Hình 2.1. Sơ đồ trình tự trao đổi bản tin

14

Page 15: Vu thi mai

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

15

Page 16: Vu thi mai

Hình 2.4. Cấu hình rút gọn theo giao thức Simple TreeKỹ 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)

16

Page 17: Vu thi mai

Cấu hình thu được qua mô phỏng Atarraya như hình 2.6.

Hình 2.6. Kết quả mô phỏng Atarraya – Cấu hình kết nối A3A3 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 luậnChương 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 dựng cấu hình, duy trì cấu hình, truyền thông, định tuyến sẽ tiếp tục được nghiên cứu trong thời gian tới.

17

Page 18: Vu thi mai

Chương 3KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐIỀU

KHIỂN CẤU HÌNH TRONG MẠNG AD HOC

3.1 Quản lý năng lượng trong mạng ad hocQuỹ 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 802.11Trong 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-MACÝ 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

18

Page 19: Vu thi mai

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 kếGiao 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-MACTrong 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 năngĐánh 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 PCCB3.4.1.1 Khám phá tuyến

19

Page 20: Vu thi mai

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 tuyếnKế 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 PCCBGiao 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 phátMạng 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.

20

Page 21: Vu thi mai

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 MACLớp 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 luậnThiết 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

21

Page 22: Vu thi mai

cập môi trường truyền thông hiệu quả năng lượng (EE-MAC) và giao thức cân bằng tính toán chi phí nguồn (PCCB).

KẾT LUẬNMạng 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 THEO1. Các giải pháp nâng cao tuổi thọ của pin.

22

Page 23: Vu thi mai

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 thiệuChương 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 AtarrayaCác thành phần chức năng chính của Atarraya được

mô tả ở hình B1. Đây là cấu trúc tổng quát bộ mô phỏng

23

Page 24: Vu thi mai

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 trìnhAtarraya 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

24

Page 25: Vu thi mai

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.

25