cân bằng tải trong định tuyến vượt hố cho mạng cảm biến không dây sử dụng yếu tố ngẫu nhiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIBÁO CÁO TỔNG KÊT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ VIỆT NAM" NĂM 2014 DÀNH CHO SINH VIÊN CÂN BẰNG TẢ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ VIỆT NAM"

NĂM 2014 DÀNH CHO SINH VIÊN

CÂN BẰNG TẢI TRONG ĐỊNH TUYẾN VƯỢT HỐ CHO

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

SỬ DỤNG YẾU TỐ NGẪU NHIÊN

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật và Công nghệ 3 (KT3)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KÊT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ VIỆT NAM"

NĂM 2014 DÀNH CHO SINH VIÊN

CÂN BẰNG TẢI TRONG ĐỊNH TUYẾN VƯỢT HỐ CHO

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

SỬ DỤNG YẾU TỐ NGẪU NHIÊN

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật và Công nghệ 3 (KT3)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Trọng Giới tính: Nam

Lớp, khoa: CNTT3, Viện Công nghệ thông tin và truyền thông

Năm thứ: 5 / Số năm đào tạo: 5

Ngành học: Công nghệ phần mềm

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Khanh Văn, ThS Nguyễn Phi Lê

MỤC LỤC

Mục lục 3

Danh mục hình ảnh 5

Danh mục bảng biểu 7

Danh mục từ viết tắt 8

1 Tổng quan đề tài nghiên cứu & kết quả thu được 9

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 11

1.2 Phương pháp nghiên cứu 12

1.3 Các Kết quả đạt được – Nội dung kỹ thuật của báo cáo 13

1.4 Bố cục các nội dụng trình bày của báo cáo 15

2 Bài toán Định tuyến cho mạng cảm biến không dây 16

3 Các nghiên cứu liên quan 19

4 Định tuyến tránh hố sử dụng vùng cấm động 21

4.1 Pha định biên 22

4.2 Pha định tuyến 24

5 Đánh giá hiệu năng 27

5.1 Đánh giá cận dưới của E_Stretch 28

5.2 Đánh giá cận trên của E_Stretch 29

6 Xây dựng công cụ thực nghiệm 31

6.1 Tổng quan 33

6.2 Nguyên lý thiết kế 35

6.2.1 Giao diện đồ họa 35

6.2.2 Công cụ tạo kịch bản với số lượng nút lớn 36

6.2.3 Thư viện các giao thức định tuyến 37

6.2.4 Quan sát hoạt động của các hố 38

6.2.5 Khái niệm vùng, nhóm 39

6.2.6 Quan sát năng lượng 40

6.3 Xây dựng giao diện đồ họa 41

6.3.1 Lập kịch bản mô phỏng 41

6.3.2 Theo dõi và phân tích kết quả hoạt động của mạng 44

6.4 Hai chế độ biên soạn 47

7 Thực nghiệm và phân tích kết quả thực nghiệm 51

7.1 Chỉ số Stretch 53

7.2 Năng lượng tiêu thụ 54

8 Hướng phát triển: hố mạng động và ứng dụng khảo sát vùng thiên tai 56

Kết luận 58

Tài liệu tham khảo 60

Phục lục 1 – Hình ảnh Bộ công cụ mô phỏng và phân tích 63

Chức năng soạn thảo kịch bản 63

Chức năng tái hiện và phân tích hoạt động của mạng 68

Phụ lục 2 – Bài báo “Load Balanced Routing with Constant Stretch for Wireless Sensor Network with Holes” 72

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sự khéo dài đường đi 17

Hình 2: Mở rộng hố do nút chết 17

Hình 3: Đường định tuyến bị kéo dài trong một số nghiên cứu hiện tại 18

Hình 4: Tuyền tin theo tư tưởng tham lam 19

Hình 5: Xác định đường tròn cơ bản 22

Hình 6: Xác định đường tròn mở rộng 24

Hình 7: Định tuyên vượt hố lục giác 25

Hình 8: Trường hợp có E_Stretch nhỏ nhất 28

Hình 9: Trường hợp có E_Stretch lớn nhất 29

Hình 10: Các bước của quá trình thực nghiệm bằng mô phỏng 33

Hình 11: Giao diện biên soạn kịch bản dạng văn băn 41

Hình 12: Giao diện thiết kế kịch bạn dạng đồ họa 42

Hình 13: Tái hiện hoạt động của mạng 44

Hình 14: Phân tích hiệu xuất truyền tin 45

Hình 15: Theo dõi năng lượng toàn mạng 46

Hình 16: Tương quan giữa mã nguồn Tcl và các đối tượng thể hiện đồ họa 47

Hình 19: Mô hình đồng bộ hóa 48

Hình 18: Thời gian chuyển đổi từ Mã nguồn tới Đối tượng đồ họa 49

Hình 19: Thời gian chuyển đổi từ Đối tượng đồ hoa tới Mã nguồn 50

Hình 20: Topology mạng 52

Hình 21: So sánh Stretch 53

Hình 22: Năng lượng tiêu thụ toàn mạng khi áp dụng các thuật toán 54

Hình 23: Biên soạn kịch bản dạng văn bản 63

Hình 24: Thiết kế mạng dạng đồ họa 63

Hình 25: Thiết lập thông số 64

Hình 26: Thiết lập tham số cho giao thức định tuyến đã chọn – GOAL 64

Hình 27: Tự động sinh nút mạng theo lưới 65

Hình 28: Kiểm tra kết nối của các nút mạng 65

Hình 29: Quản lý nút mạng theo vùng 66

Hình 30: Đồ thị Delaunay 66

Hình 31: Đồ thì Voironoi 67

Hình 32: Tái hiện hoạt động truyền tin theo thời gian 68

Hình 33: Quan sát trạng thái năng lượng theo vùng màu 68

Hình 34: Theo dõi quá trình truyền tin giữa hai vùng 69

Hình 35: Phân tích hiệu suất truyền tin 69

Hình 36:Theo dõi năng lượng của một nút mạng 70

Hình 37: Theo dõi năng lượng theo vùng 70

Hình 38: Theo dõi năng lượng toàn mạng 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Thống số mô phỏng 51

1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU & KẾT QUẢ THU ĐƯỢC

Cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng thu nhận tín hiệu từ môi trường xung quanh vàqua đó thu thập số liệu về các yếu tố môi trường như ánh sáng, âm thanh, nhiệt độ, độ ẩm,…

Dữ liệu thu được từ cảm biến thường được gửi về các máy tính hoặc thiết bị xử lý khác, trởthành đầu vào cho các quy trình nghiệp vụ khác nhau Có nhiều cách để các thiết bị cảmbiến kết nối và truyền dữ liệu với nhau và với các thiết bị xử lý khác; một trong số đó là kếtnối thông qua thu phát sóng vô tuyến, tức liên lạc không dây Các cảm biến sử dụng kết nối

không dây được gọi là cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây là mạng được thiết

lập bởi các kết nối không dây giữa những nút mạng mang thiết bị cảm biến

Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật vi xử lý, giá thành cảm biến đã trở nên rẻ, mạngcảm biến ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực phát triển kinh tế xã hội vàquân sự, an ninh rất đa dạng Mạng cảm biến giúp chúng ta thu thập thông tin, qua đó theodõi và giám sát môi trường, và trở nên đặc biệt hữu ích khi môi trường là khắc nghiệt cho

điều kiện sống của con người Có thể kể một số ví dụ như sau: trong khí tượng, nông nghiệp để theo dõi độ ẩm, ánh sáng, nhiệt độ…, trong ngôi nhà thông minh để điểu khiển và tối ưu hiệu quả các các thiết bị môi trường…, trong công nghiệp để giám sát phóng xạ, theo dõi áp lực…, trong quân sự để giám sát sự bố trí lực lượng và vũ khí của quân địch trên

chiến trường

Nút mạng cảm biến là các thiết bị có khả năng tính toán rất hạn chế, bộ nhớ nhỏ và hoạtđộng nhờ nguồn năng lượng dự trữ bởi pin Từ các yếu tố kỹ thuật riêng biệt này mà quátrình truyền tin trong mạng cảm biến không dây có những đặc thù riêng so với các mạngtruyền thống thường gặp như mạng cục bộ hay mạng Internet Do khả năng thu phát yếu,việc truyền tin của một nút mạng (thiết bị cảm biến) về đến máy tính xử lý ở trung tâm dựa

trên cơ chế lan truyền qua các nút mạng trung gian Đây là một đặc thù riêng của truyền tin

trên mạng cảm biến, gây nên những khó khăn và thách thức cho việc đảm bảo tốc độ truyềntin và tiết kiệm năng lượng Hơn nữa mỗi nút chỉ có khả năng nhận biết trong một vùng bánkính rất hẹp, thường chỉ bao gồm một vài nút lân cận Vì mỗi nút chỉ có thông tin cục bộhạn chế và có khả năng tính toán rất giới hạn, việc định tuyến – xác lập đường truyền tingiữa các cặp nút nguồn và đích – trở nên không đơn giản Đặc biệt bài toán truyền tin trênmạng không dây, mà trung tâm của nó là vấn đề định tuyến, sẽ trở nên rất khó khăn, tháchthức khi mạng được bố trí ở vùng môi trường có địa hình phức tạp

Hiện nay ứng dụng mạng cảm biến đang thu hút mối quan tâm rất lớn, do đó các hoạtđộng nghiên cứu về công nghệ truyền tin cảm biến không dây đang được thúc đẩy mạnh.Đặc biệt, bài toán định tuyến được coi là một vấn đề nóng do những đặc thù khó khăn riêngbiệt của mạng cảm biến đã kể trên Tuy nhiên cho đến nay phần lớn các nghiên cứu họcthuật trong lĩnh vực này có xu hướng giả định một môi trường lý tưởng; chưa có nhiềunhững đề xuất về giải thuật định tuyến có tính đến những yếu tố liên hệ địa hình phức tạp

Trong thực tế, mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên những địa hình phức tạp, và còn phải chịu nhiều điều kiện khắc nghiệt từ bên ngoài Trên các địa hình thực tế,

thường tồn tại nhiều vật cản như sông, hồ, đầm lầy,… dẫn tới việc không thể bố trí đều đặn

nút mạng cảm biến Thậm chí, tại các vùng ảnh hưởng thiên tai như núi lửa, động đất, lũ lụt,

… các nút mạng dễ bị hỏng, bị phá hủy do tác động bên ngoài Những trường hợp như trên

sẽ dẫn tới sự tồn tại các vùng mạng có mật độ cảm biến rất thấp, thậm chí không tồn tại cảm

biến có khả năng hoạt động; đây là các vùng thường được gọi là các “hố” hay “hố mạng”.

Sự tồn tại của các hố mạng sẽ dẫn tới ảnh hưởng không tốt tới hoạt động truyền tin trongmạng, làm giảm hiệu quả hay thậm chí làm tê liệt hoạt động của toàn mạng

Với các giải thuật định tuyến truyền thống đã có, sự tồn tại các hố mạng sẽ dẫn đến hiệntượng một lượng lớn gói tin sẽ được truyền men theo biên của hố Mà hố có thể có hình

dạng khúc khuỷu phức tạp dẫn tới đường đi của các gói tin này bị kéo dài, dài gấp nhiều lần

so với đường đi tối ưu Một hiệu ứng khác từ hiện tượng tập trung giao thông trên biên hố là tình trạng mất cân bằng tải: các nút trên biên hố sẽ phải làm việc nhiều hơn so với các nút

thông thường Các nút chịu tải cao này sẽ nhanh bị hết băng thông, cạn kiệt tài nguyên; dĩnhiên hiện tượng quá tải này sẽ gây tắc nghẽn các đường truyền Đồng thời, các nút quá tảinày sẽ nhanh chóng cạn kiệt năng lượng, không còn khả năng hoạt động và trở thành mộtnút chết Sự chết đi của các nút quá tải trên biên hố, vô hình chung, làm hố mở rộng thêm

ra Khi hố rộng ra, số lượng đường truyền tin cắt qua hố tăng lên, số gói tin truyền qua cácnút trên biên cũng vì thế tăng lên theo Toàn bộ quá tình trên tạo thành một vòng luẩn quẩn

mà hậu quả là mạng cảm biến không dây sẽ bị chia cắt và mất đi tính liên thông giữa cáckhu vực khác nhau, thậm chí sẽ dẫn đến tê liệt (tức là cái chết của toàn mạng)

Trong nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, chúng tôi đặc biệt chú ý tới vấn đề địahình phức tạp và tác động từ đó đến chất lượng của quá trình định tuyến và truyền tin.Chúng tôi đã định hướng giải quyết các vấn đề nảy sinh do địa hình tạo hố mạng dựa trênhướng tiếp cận bằng định tuyến địa lý Nhiệm vụ trọng tâm trong nghiên cứu của chúng tôi

là đưa ra những giải pháp thông minh, hiệu quả cho bài toán định tuyến khắc phục hố mạng trong truyền tin mạng cảm biến Có thể nói, một giải pháp thành công, hiệu quả cao

cho bài toán định tuyến khắc phục hố mạng sẽ là một đóng góp mang tính then chốt, chìakhóa cho một giải pháp chung cho việc sử dụng mạng cảm biến không dây một cách có hiệuquả trên các địa hình xấu và trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt Đặc biệt trong mộttương lại không xa, những nghiên cứu của chúng tôi có thể góp một tiếng nói quan trọngtrong việc xây dựng giải pháp theo dõi và giám sát vùng thiên tai đang xảy ra

1.1 T ÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam là một nước nông nghiệp; tuy nhiên vì chưa phải có một nền nông nghiệpphát triển, hiệu quả của các mùa màng trồng trọt, chăn nuôi tại Việt Nam còn phụ thuộc rấtnhiều vào điều kiện tự nhiên Một trong những nguyên nhân của sự phụ thuộc này là dochúng ta chưa có hay chưa triển khai tốt các phương thức theo dõi các điều kiện tự nhiên,môi trường một cách hiệu quả Các yếu tố như độ ẩm, ánh sáng, côn trùng, tình trạng xâmnhập mặn… hầu hết được theo dõi và đánh giá dựa trên kinh nghiệm Một trong những giảipháp hiệu quả là ứng dụng mạng cảm biến không dây, cho phép theo dõi, đánh giá được cácđiều kiện tự nhiên trên những diện tích nông nghiệp rộng lớn

Như đã phân tích, việc ứng dụng mạng cảm biến không dây trong thực tế, đặc biệt làtrong hoàn cảnh nước ta, nơi có nhiều mặt nước, địa hình và khí hậu phức tạp, chỉ đem lạichất lượng và hiệu quả kinh tế khi chúng ta giải quyết tốt bài toán truyền tin mạng cảm biếntrong địa hình phức tạp Chìa khóa then chốt ở đây chính là bài toán xây dựng cơ chế địnhtuyến khắc phục hố mạng Đóng góp nghiên cứu ở đây sẽ đem lại những giải pháp thực tiễnmang tính kinh tế cao, tiết kiệm chi phí ban đầu, chi phí bảo trì và phát sinh Thiếu nhữngđóng góp này, mạng cảm biến sẽ làm việc kém hiệu quả mà thời gian sống ngắn, gây sựtriển khai đi lại nhiều lần, tốn phí tiền của và thời gian

Việt Nam cũng là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề từ tình trạng biến đổikhí hậu của trái đất, chúng ta thường xuyên hứng chịu những điều kiện thời tiết cực đoan vàcác dạng thiên tai khác nhau (như triều cường, giông bão, lũ đầu nguồn, ) Mặc dù có thểcòn hơi sớm, nhưng khả năng sử dụng mang cảm biến không dây để theo dõi, giám sát vùngthiên tai đang xảy ra là một tiềm năng thấy trước được Rất khó cho con người có thể trựctiếp lao vào khảo sát biến đổi vùng đang trải qua thiên tai, điều mà mạng cảm biến khôngdây có thể thay thế vừa hiệu quả, vừa tránh mất mát tính mạng Các nghiên cứu của chúngtôi hứa hẹn đưa ra giải pháp hiệu quả cho việc theo dõi sự biến đổi nhanh chóng của hốmạng, điều mà có thể ứng dụng vào để theo dõi và giám sát vùng “hố thiên tai” trong thực

tế Tất nhiện đây là một bài toán thách thức, vì sự biến đổi nhanh của “hố thiên tai” sẽ pháhủy mọi thiết bị liên lạc trên đường đi của nó Tuy nhiên các thuật toán định tuyến xấp xỉthông minh có thể khắc phục được khó khăn này Việc luôn biết trước hướng phát triển của

“hố thiên tai” sẽ giúp con người đưa ra phương án phòng tránh và đối phó hiệu quả, làmgiảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra

Một giải pháp thông minh cho bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây trênđịa hình xấu, đặc biệt là bài toán định tuyến khắc phục hố, sẽ cho phép nâng cao khả năngthích nghi của mạng cảm biến không dây với các địa hình đa dạng, phức tạp trong thực tế.Đóng góp nghiên cứu tốt trong vấn đề này sẽ là điểm tựa then chốt giúp chúng ta xây dựnggiải pháp chung cho việc ứng dụng các mạng cảm biến không dây đạt hiệu quả cao trongcác ứng dụng thực tế

1.2 P HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mô hình hóa: Một phương châm nghiên cứu cơ bản của chúng tôi là cố gắng tìm cách

khái quát hóa và mô hình hóa để đưa một vấn đề phức tạp về một mô hình bài toán mà ta cóthể đưa ra các phát biểu tường minh về các đặc tính của mô hình và các yếu tố cần khảo sát.Phương châm mô hình hóa này đã dẫn đến những bước tiến chiến lược cơ bản Thứ nhất, từmột bình diện quan tâm nghiên cứu rộng, chúng tôi đã xác định được hướng nghiên cứu sâubằng cách đề xuất mô hình hố mạng với những chủ đề nghiên cứu xoay quanh vấn đề địnhtuyến khắc phục hố, rút ra từ những quan sát thực tế Thứ hai, như một sự đột phá vềphương pháp, chúng tôi đã tiếp tục mô hình hóa việc khảo sát hố mạng bằng việc đưa vềhình học Euclide (các hố mạng như là các đa giác, và định tuyến là xác định các đường gấpkhúc nối 2 điểm cho trước mà tránh cắt các đa giác hố) Nhờ đó chúng tôi có thể sử dụngcác công cụ hình học Euclide vốn rất đầy đủ và trực quan để khảo sát và giải quyết vấn đề

Mô phỏng: Để có thể đánh giá chính xác được hiệu quả thực tế của một giải pháp kỹ

thuật thì ta cần thông qua triển khai và thử nghiệm trên thực tế Tuy nhiên việc thử nghiệmtrên thực địa với một tập hợp cảm biến số lượng lớn (có thể lên tới hàng nghìn) sẽ rất tốtkém, chưa kể việc nghiên cứu đòi hỏi sự thử nghiệm triển khai nhiều lần theo nhiều bố trí đadạng với những tham số hệ thống biến đổi; thực tế đó sẽ dẫn đến những chi phí rất lớn,khiến cho giải pháp thực nghiệm trên thực tế là không thể khả thi Vì vậy, giải pháp duynhất thích hợp ở đây là thực nghiệm thông qua mô phỏng trên hệ thống máy tính Phươngpháp thực nghiệm mô phỏng đã trở nên rất phổ biến và phát triển trên thế giới Nhiều hệcông cụ mô phỏng mạng rất mạnh đã được xây dựng và phổ biến trên thế giới Tuy nhiênviệc áp dụng một hệ công cụ như vậy, được thiết kế mang tính đa năng cho mọi loại mạng,vào một hình thức đặc thù có nhiều điểm riêng biệt (mạng không dây trong địa hình xấu, có

hố mạng, kích thước lớn), cũng là một vấn đề không hề đơn gian, thậm chí thách thức chẳngkém việc tự tạo ra một hệ thống mô phỏng riêng (nhưng qui mô nhỏ) Chúng tôi đã đưa ramột phương pháp mô phỏng của riêng mình dựa trên một hệ công cụ có sẵn, nhưng cầnthêm những nỗ lực mở rộng chức năng công phu để có thể áp dụng hiệu quả

Kỹ thuật phần mềm hệ thống: Phương pháp thực nghiệm của chúng tôi là xây dựng

một hệ thống mô phỏng chuyên dụng cho khảo sát định tuyến trên mạng không dây, vớinhững công cụ mạnh về tạo kịch bản trực quan và tự động, quản lý số nút mạng lớn với khảnăng thiết lập theo vùng, cho phép thiết lập các thuật toán định tuyến kiểu mới của người sửdụng Để xây dựng được một hệ thống phần mềm chuyên dụng này, chúng tôi dựa vào một

hệ công cụ mạnh đa năng đã phổ biến là NS2 Ý tưởng kiến trúc hệ thống của chúng tôi làxây dựng những mô-đun hỗ trợ đa dạng để khai thác phần máy xử lý chính (engine) là lõithực hiện mô phỏng truyền tin do NS2 cung cấp Ở đây, chúng tôi đã áp dụng nhiều kỹ thuậtphần mềm đa dạng để phát triển một hệ thống chuyên dụng kiểu mới trên cơ sở khai thác lõitính toán của một hệ đa năng có sẵn

1.3 C ÁC K ẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC – N ỘI DUNG KỸ THUẬT CỦA BÁO CÁO

Những kết quả chính trong công trình nghiên cứu này của chúng tôi là như sau:

(i) Chúng tôi đề xuất mới một giao thức định tuyến vượt hố dựa trên thông tin địa lý, khắc phục được những khó khăn gây ra do địa hình xấu gây ra Đây là giao thức đầu tiên có thể giải quyết tốt đồng thời 2 vấn đề nghiên cứu chuyên sâu:

 Sự kéo dài đường định tuyến: do các gói tin có xu hướng truyền men theo đường biên hô.

Đường đi của gói tin dài ra mức O(c2), c là độ dài đường đi tối ưu[ CITATION Kuh03 \l

1066 ]

 Sự mất câng bằng tải của mạng: các nút biên hố và vùng lần cận phải chịu tải cao Mất cân

bằng tải không những làm nút mạng tại vùng chịu tải cao hết băng thông dẫn tới tắc nghẽnđường truyền, mà còn khiến chúng hoạt động liên tục, nhanh chóng cạn kiệt năng lượng vànút không còn khả năng hoạt động (“nút chết”)

Một trong những ý tưởng cơ bản được đề xuất là sử dụng yếu tốt ngẫu nhiên để tạo ra

cơ chế định tuyến động, từ đó làm tăng tính cân bằng tải cho mạng Chúng tôi tiến hànhđồng thời cả phân tích lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá hiệu năng của giải thuật được

đề xuất Qua phân tích lý thuyết, chúng tôi chứng mình được rằng hệ số kéo dài đường địnhtuyến không vượt quá hằng số √3, có nghĩ rằng, độ dài đường định tuyến tìm được khi ápdụng giải thuật mới của chúng tôi khi so với đường định tuyến tối ưu không vượt quá √3lần Đây đã là một kết quả hết sức tốt so với các nghiên cứu trước đây Các kết quả thựcnghiệm còn cho thấy hiệu năng tốt hơn các giải thuật khác dựa trên nhiều tiêu chí: hệ số kéodài đường đi, sự tiết kiệm năng lượng và cân bằng tải

Với những kết quả thu được bước đầu (chúng tôi vẫn tiếp tục triển khai nghiên cứu trênđịnh hướng này), chúng tôi đã có công bố khoa học trên bình diện quốc tê và được đánh giácao Bài báo với tiêu đề sau đây đã được trao giải thưởng Bài báo nghiên cứu xuất sắc nhất

tại hội nghị (Best Paper Award): “Load Balanced Routing with Constant Stretch for Wireless Sensor Network with Holes”, trình bày tại hội nghị IEEE International Conference

on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information, tổ chức lần thứ 9, diễn ra tại

Một trong những giải pháp hiệu quả cho vấn đề thực nghiệm với mạng cảm biến khôngdây là sử dụng các hệ thống mô phỏng Các hệ thống mô phỏng cho phép các nhà nghiên

cứu thử nghiệm, theo dõi và đánh giá hoạt động của mạng khi áp dụng các giải thuật mớitheo cách đơn giản và tiết kiệm hơn, trong khi vẫn phản ánh tương đồng tốt với quá trìnhthực tế Một phần mềm mô phỏng mạng được sử dụng phổ biến trên toàn thế giới làNS2[ CITATION Iss09 \l 1066 ] NS2 là một phần mềm mã nguồn mở, phần lõi được viếtbằng ngôn ngữ C++ kết hợp với ngôn ngữ kịch bản Tcl NS2 giao tiếp với người sử dụngthông qua giao diện dòng lệnh và file Đầu vào của NS2 là kịch bản mô phỏng dưới dạngdòng lệnh hoặc file chứa dòng lệnh Tcl Đầu ra của NS2 là file kết quả – trace file – dướidạng văn bản có cấu trúc Mặc dù được đánh giá cao về tính chính xác và khả năng tùy biến,NS2 lại không dễ dàng sử dụng Các công đoạn viết kịch bản và xử lý kết quả mô phỏngkhông được hỗ trợ nhiều, người sử dụng phải tự viết mã kịch bản, khá dài và phức tạp, bằngtay hoặc thông qua các chương trình cung cấp bởi bên thứ ba Vì vậy việc mô phỏng cáchoạt động của một mạng lớn đến hàng nghìn nút là gần như bất khả thi.

Để phục vụ việc thực nghiêm trong công trình này, cũng như đóng góp chung cho cộng

đồng nghiên cứu quốc tế về định tuyến cho mạng cảm biến không dây, chúng tôi đã xây dựng bộ công cụ mô phỏng, phát triển trên nền tảng NS2, hướng tới bài toán chuyên biệt:

mô phỏng và phân tích hoạt động của mạng cảm biến không dây Trong đó tập trung cho việc phục vụ phân tích và đánh giá các giải thuật định tuyến khi áp dụng thực tế Hệ mô

phỏng của chúng tôi cung cấp các công cụ tạo kịch bản trực quan, giúp cho ngay cả nhữngngười mới làm quen với mô phỏng mạng (và NS2) cũng có thể tạo được kịch bản mô phỏngtrong một thời gian ngắn (có thể rút gọn từ nhiều tuần xuống còn một vài ngày) Kích thướcmạng mô phỏng có thể lên tới hàng nghìn nút Đồng thời cũng cung cấp các công cụ phântích kết quả, hướng tới các phân tích chuyên biệt, đánh giá các yếu tố thường được quan tâmtrong các nghiên cứu về định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Ngoài hai kết quả chính nói trên, chúng tôi cũng xin giới thiệu ngắn gọn về những công việc đang thực hiện và kết quả dự kiến sẽ thu được, dựa trên việc phát triển những kết quả

đã thu được trên Trong giai đoạn triển khai mới này, chúng tôi tập trung cho việc nâng cao

hiệu quả sử dụng của mạng cảm biến không dây khi áp dụng cho những bài toán thực tế kháđặc biệt Dựa trên phương pháp nghiên cứu riêng, các thuật toán định tuyến mới của chúngtôi có sự phù hợp rất cao, thích ứng rất hiệu quả với các mạng cảm biến được triển khai trênđịa hình phức tạp, có nhiều vật cản như sông hồ, miệng nút lửa, nhà cao tầng,… Vì vậy, ýtưởng chủ đạo tiếp theo trong giai đoạn nghiên cứu mới của chúng tôi là tìm cách mở rộngcác thuật toán này để có thể đáp ứng mô hình mạng có tính động cao, khi các nút có thể chếthàng loạt, và các hố mạng có thể sinh mới và lan ra liên tục Đây là một vấn đề mới, hoàntoàn còn chưa có nghiên cứu đi trước, vì có độ khó cao Nếu giải quyết được bài toán

nghiên cứu mới này, một triển vọng ứng dụng thực tiễn mới sẽ mở ra: phương pháp định

tuyến và các phần mềm công cụ của chúng tôi có thể được đưa vào để ứng dụng hỗ trợ theo dõi và khảo sát vùng, miền bị thiên tai vừa xảy ra, đang phát triển và lan rộng Giải

quyết bài toán định tuyến trong mạng cảm biến động chính là chìa khóa của bài toán thựctiễn thách thức này

1.4 B Ố CỤC CÁC NỘI DỤNG TRÌNH BÀY CỦA BÁO CÁO

Trong mục 2, chúng tôi phát biểu bài toán định tuyến vượt hố trong mạng cảm biếnkhông dây và giới thiệu các vấn đề liên quan Chúng tôi cũng trình bày ý nghĩa của việc giảiquyết bài toán định tuyến vượt hố Một số nghiên cứu với những kết quả khả quan hiện cóđược chúng tôi giới thiệu tại mục 3 của báo cáo

Hai mục 4 và 5 trình bày giải thuật được chúng tôi đề xuất, cùng với những phân tíchchi tiết cho thấy hiệu quả khi áp dụng giải thuật này trong thực tế

Tại mục 6 và mục 7, chúng tôi giới thiệu bộ công cụ mô phỏng mạng đã được chúng tôiphát triển và kết quả thực nghiệm có được khi áp dụng giải thuật đã đề xuất, cùng với sự sosánh với các giải thuật định tuyến vượt hố khác trong cùng một điều kiện

Toàn bộ mục 8 được dành để nói về một hướng phát triển rất tiền năng: hố mạng động

và ứng dụng khảo sát vùng thiên tai Đây là hướng nghiên cứu mới với tiền năng ứng dụngmạnh mẽ trong việc phát hiện, cảnh báo và theo dõi thiên tai

2 BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Cùng với việc có nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong thực tiễn, mạng cảm biến không dâycũng là một lĩnh vực thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học Một trong các chủ đềnghiên cứu chính là các giao thức định tuyến Mạng cảm biến không dây có các đặc thù rấtriêng biệt như: nút mạng có khả năng tính toán hạn chế (bộ vi xử lý < 20 MHz), bộ nhớ nhỏ(< 4KB), nguồn năng lượng giới hạn (khoảng 0.3 – 0.5 Ah, 1.2 – 3 V, tùy loại cảm biến),mạng lại thường có quy mô rất lớn, từ vài trăm đến vài nghìn nút mạng Vì vậy, việc địnhtuyến trong mạng cảm biến không dây không thể áp dụng các giải thuật định tuyến thườngthấy ở các mạng truyền thống như ethernet, Lan hay Internet Một hướng tiếp cận rất hiệuquả và thường được sử dụng là định tuyến địa lý Hướng tiếp này được sử dụng rộng rãi vìtính đơn giản và hiệu quả của nó

Định tuyến địa lý là giao thức định tuyến dựa trên thông tin vị trí của các nút mạng.Trong đó, mỗi nút mạng biết tọa độ của mình, tọa độ của các nút mạng lân cận trong vùngphủ sóng của nó và tọa độ của nút đích, thông qua các dịch vụ định vị (ví dụ: GPS hay cácdịch vụ khác[CITATION 2 \l 1033 ] [CITATION 1 \l 1033 ]) Hướng tiếp cận sử dụngthông tin địa lý này hoạt động tốt với mạng cảm biến không dây được bố trí tương đối dàyđặc, khi đó có thể đạt được đường định tuyến tối ưu và gần tối ưu Với các địa hình xấu,hướng tiếp cận sử dụng thông tin địa lý phải đối mặt với bài toán định tuyến vượt hố Trong

đó “hố” được định nghĩa là những vùng không tồn tại nút mạng cảm biến còn khả năng hoạtđộng[ CITATION Aky02 \l 1066 ][ CITATION Fan04 \l 1066 ] Tồn tại hố trong mạng cảmbiến không dây có thể do nguyên nhân khách quan như: địa hình xấu, có chướng ngại vật,sông hồ, miệng núi lửa… Hoặc do nguyên nhân chủ quan như: bố trí nút mạng không tốt đểtrống vùng không có nút mạng; Sử dụng thuật toán định tuyến không tốt làm nút mạng ởmột số vùng chịu tải cao, dẫn tới nhanh chóng cạn kiệt năng lượng và không còn khả nănghoạt động Sự tồn tại của hố trong mạng cảm biến không dây dẫn đến việc truyền tin theocác chiến thuật cố điển gặp nhiều vấn đề, trong đó có:

 Sự kéo dài của đường định tuyến: Trong định tuyến vượt hố, khi nút nguồn và nút đích

nằm về hai phía của hố mạng, thì các gói tin được định tuyến men theo các nút trên biên hố

Vì vậy, đường đi của gói tin sẽ dài hơn rất nhiều so với đường đi tối ưu (Hình 1)

 Mất cân bằng tải quanh biên hố: Do tất cả các gói tin giữa các cặp nguồn-đích nằm trên

hai phía của hố mạng đều đi qua các nút mạng trên biên hố, khiến các nút mạng này phảichịu tải cao hơn so với các nút khác Điều này kiến các nút mạng trên biên hố nhanh chóngcạn kiệt năng lượng, không còn khả năng hoạt động và trở thành các nút chết, dẫn tới hiệntượng hố bị mở rộng dần (Hình 2)

Các giải thuật hiện có giải quyết vấn đề định tuyến vượt hố có tư tưởng chính là sau khixác định hố trong mạng, nút mạng sẽ phát tán thông tin này tới các nút khác trong mạngthông qua một gói tin quảng bá Các nút mạng nhận được gói tin quảng bá sẽ lưu giữ thôngtin về hố và sử dụng thông tin này để định tuyến

Hình 1: Sự khéo dài đường đi

Hình 2: Mở rộng hố do nút chết

Hố mạng có hình dạng phức tạp, việc gửi tọa độ của toàn bộ các nút mạng tên biên hốtới các nút trong mạng sẽ đòi hỏi chi phí lớn cho việc quảng bá và lưu giữ thông tin hố.Không những gói tin quảng bá sẽ có dung lượng lớn mà bộ nhớ tại mỗi nút mạng cần để lưutrữ thông tin về hố mạng cũng lớn Vì thế, hố mạng thường được biểu diễn bởi một hình xấp

xỉ nào đó trước khi thông tin về hố được phát tán, nhằm làm giảm chi phí cho việc phát tán

và lưu trữ thông tin về hố

Một số nghiên cứu sử dụng hình bao lồi để miểu tả hố [ CITATION Won11 \l 1066 ][ CITATION Tan09 \l 1066 ] Các nghiên cứu này có thể giải quyết rất tốt vấn đề kéo dàiđường định tuyến, đảm bảo hệ số đường đi (tỉ lệ giữa đường định tuyến thực tế và đườngđịnh tuyến tối ưu) không vượt quá hằng số Tuy nhiên, vì hình xấp xỉ rất gần với biên hố

Đườn

g

đi tố

i ưu

Đườn

g địn

h tuyến

nên các nút trên biên hố vẫn chịu tải cao hơn các nút thông thường, nên các đề xuất nàychưa giải quyết được vấn đề mất cân bằng tải Hơn nữa, hố là một đa giác phức tạp, khôngthể biết trước số đỉnh của hình bao lồi, vì thế, việc sử dụng bao lồi để biểu diễn hố dẫn tớiviệc đòi hỏi chi phí lớn để phát tán và lưu giữ thông tin về hố tại các nút mạng Trongtrường hợp hố mạng là một đa giác lồi, bao lồi của hố sẽ chính là đa giác tạo bởi các núttrên biên hố Khi đó, các giải thuật sử dụng hình bao lồi để biểu diễn hố sẽ không giảm đượcdung lượng gói tin quảng bá cũng như dung lượng bộ nhớ đòi hỏi để lưu trữ thông tin về hốtại mỗi nút.

Một số nghiên cứu khác như [ CITATION Tia08 \l 1066 ][ CITATION ellipse \l 1066 ][CITATION Cho11 \l 1066 ] đề xuất việc sử dụng một “vùng cấm” là hình cố định đủ lớn đểbao trùm toàn bộ hố trước khi phát tán thông tin Việc sử dụng “vùng cấm” là một hình cốđịnh để miêu tả hố cho phép giam chi phí phát tán thông tin và giảm dung lượng bộ nhớ đòihỏi ở mỗi nút mạng để lưu trữ thông tin về hố Tuy nhiên, một số giải thuật có đường địnhtuyến bị kéo dài hơn rất nhiều so với đường định tuyến tối ưu (Hình 3) Hơn nữa, các giảithuật này đó chưa hiệu quả khi xét tới tính cân bằng tải của mạng Vì khi sử dụng một hình

cố định để làm “vùng cấm” thì hình này chính là một hố ảo với kích thước lớn hơn Các núttrên biên của vùng cấm vẫn chịu tải nhiều hơn các nút thông thường

Hình 3: Đường định tuyến bị kéo dài trong một số nghiên cứu hiện tại

3 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Định tuyến dựa trên thông tin địa lý[ CITATION KoY98 \l 1066 ][CITATIONPlaceholder1 \l 1066 ] rất phổ biến cho mạng không dây nói chung và mạng cảm biến khôngdây nói riêng do tính đơn giản và hiệu quả của nó Trong[ CITATION Placeholder1 \l

1066 ], các tác giả đã đề xuất thuật toán định tuyến kết hợp giữa định tuyến tham lam vàđịnh tuyến vành đai

Hình 4: Tuyền tin theo tư tưởng tham lam

Khi gói tin cần được chuyển tới nút đích nằm ở phía bên kia hố Các nút mạng chuyểntiếp gói tin bằng giải thuật tham lam cho tới khi nó đi tới một nút biên hố mà không có bất

kỳ nút mạng lân cận nào ở gần nút đích hơn bản thân nút đó Nút mạng này sẽ sử dụng quytắc “bàn tay phải” để gửi gói tin đi men theo biên của hố cho tới khi tiếp tục đi về phía nútđích được bằng giải thuật tham lam Nhược điểm của thuật toán này là gây ra sự mất cânbằng tải quanh biên hố do tất cả các gói tin giữa các cặp nguồn – đích cắt qua hố sẽ đượcđịnh tuyến đi vòng quanh biên hố Khi gói tin phải đi vòng quanh hố có thể khiến đường đicủa gói tin bị dài ra mức O(c2) với c là độ dài của đường đi tối ưu[ CITATION Kuh03 \l

1066 ] Đồng thời, việc này làm cho mật độ chịu tải trên những nút trên đường biên hố caohơn so với các nút khác trong mạng Việc chịu tải cao dẫn tới việc các nút này thườngxuyên hết đường truyền, tràn bộ nhớ đệm, dẫn đến tắc nghẽn các gói tin truyền qua Đồngthời, chịu tải cao cũng khiến các nút trên đường biên hố nhanh chóng cạn kiệt năng lượng.Khi chúng hết hoàn toàn năng lượng và chết đi, hố sẽ trở nên rộng hơn Số lượng các gói tinphải vòng tránh hố tăng lên và trình trạng mất câng bằng càng trở lên trầm trọng Cuối cùngdẫn đến mất tính liên thông của mạng

Trong[ CITATION Won11 \l 1066 ], các tác giả đề xuất một thuật toán định tuyến tránh

hố có thể đảm bảo hệ số đường đi không vượt quá hằng số Trong nghiên cứu này, nút mạngtìm ra hố sẽ tìm hình bao lồi nhỏ nhất của hố và phát tán thông tin này ra các nút xungquanh Khi có được hình bao lồi của hố, các nút cần gửi gói tin vượt hố sẽ tìm các điểm neo

là đỉnh của hình bao lồi này và gửi gói tin tới một số điểm neo để vượt hố Bằng cách này,đường định tuyến cho các gói tin là tối ưu Tuy nhiên đề xuất này vẫn gặp phải vấn đề mấtcân bằng tải khi các nút trên biên của hình bao lồi chịu tải nhiều hơn Hơn nữa, việc thể hiện

hố bằng bao lồi còn đòi hỏi phải sử dụng tập hợp các điểm với số lượng lớn và không biết

D

x

trước, dẫn tới gói tin quảng bá có dung lượng lớn Đồng thời, các nút mạng sẽ phải sử dụng

bộ nhớ lớn cho việc lưu trữ thông tin về hố

Một số đề xuất khác sử dụng các hình cố định để biểu diễn hố như[CITATION Tia08 \l

1066 ][CITATION ellipse \l 1066 ] cho phép đưa lượng thông tin miêu tả hố thành hằng số,đòi hỏi ít bộ nhớ để lưu trữ và cho phép dễ dàng truyền tải rộng trong mạng Tuy vậy, việc

sử dụng một hình cố định để biểu diễn hố vẫn không giải quyết triệt để vấn đề mất cângbằng tải Khi tất cả các nút mạng sử dụng chung hình xấp xỉ để định tuyến, vô hình chung,hình xấp xỉ này giống như một hố mạng lớn hơn, các nút mạng trong khu vực biên của hìnhxấp xỉ phải chịu tải cao hơn so với các nút thông thường trong mạng

M Choi đưa ra một đề xuất sử dụng hình tròn để bao quanh hố [CITATION Cho11 \l

1066 ], thông tin về tọa độ tâm và bán kính sẽ được gửi tới mỗi nút nguồn Nút nguồn tìmhình lục giác đều tiếp xúc ngoài với đường tròn và có một cặp cạnh song song với đườngthẳng đi qua nút nguồn và nút địch Đề xuất này cho phép mỗi cặp nguồn – đích sử dụngmột hình xấp xỉ khác nhau của hố Tuy nhiên, vì các hình lục giác cùng nhận một đườngtròn cố định duy nhất làm đường tròn nội tiếp nên đường định tuyến của các gói tin vẫn điqua khu vực biên đường tròn này với mật độ lớn hơn so với các khu vực khác

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất một thuật toán định tuyến vượt hố mới trongmạng không dây, trong đó sử dụng yếu tố ngẫu nhiên làm tăng tính cấn băng trọng mạng

Sau khi xác định được hố, nút mạng sẽ xấp xỉ hố thành một đường tròn – gọi là đường tròn

cơ bản và được phát tán thông tin về đường tròn cơ bản, gồm tọa độ tâm và bán kính đường tròn, tới các nút trong mạng Tại mỗi nút mạng có thông tin về đường tròn cơ bản, khi gửi

đi 1 gói tin, nút sẽ kiểm tra xem đoạn thẳng nối chính nó với nút đích có cắt với đường tròn

cơ bản không Nếu có, nút sẽ xấp xỉ hố thành hình lục giác – gọi là hố lục giác – và chọn

một trong hai hướng đi vòng qua hố lục giác bằng cách gửi gói tin tới cá điểm neo là đỉnhcủa hố lục giác

Thay vì tất cả các nút mạng sử dụng chung một hố lục giác tĩnh để miêu tả hố thật, mỗinút trong mạng sẽ tính hố lục giác dựa vào thông tin từ đường tròn cơ bản kết hợp với tọa

độ tương đối của nó cùng với tọa độ tương đối của nút đích nó sẽ gửi tin tới so với đườngtròn cơ bản này Từ đó, mối cặp Nguồn – Đích sẽ sử dụng hố lục giác khác nhau để miêu tả

về hố thật và định tuyến dựa vào thông tin đó

Nhận xét rằng, mặc dù mỗi cặp Nguồn – Đích đã sử dụng các hố lục giác khác nhau, tuynhiên, các gói tin được gửi đi giữa cùng một cặp nút Nguồn – Đích vẫn sử dụng chung một

hố lục giác, chưa giải quyết triệt để vấn đề mất cân bằng tải Để giải quyết vấn đề này, hố

lục giác được xậy dựng từ đường tròn cơ bản, tọa độ tương đôi của nút Nguồn và nút Đích

so với đường tròn cơ bản cùng với các yếu tố ngấu nhiên Việc sử dụng các yếu tố ngẫu

nhiên cho phép mỗi gói tin được định tuyến với một hố lục giác khác nhau, giúp phân tánđều dung lượng truyền tải tại vùng biên và lân cận với hố ban đầu Hố lục giác vẫn phải đảmbảo phủ kín được hố thật để đảm bảo có thể định tuyến vượt hố

4 ĐỊNH TUYẾN TRÁNH HỐ SỬ DỤNG VÙNG CẤM ĐỘNG

Cũng như tất cả các giao thức định tuyến địa lý khác, trong giao thức định tuyến đềxuất, chúng tôi giả thiết rằng: mỗi nút mạng có thông tin về vị trí của nó trong mạng (tọa độđịa lý, tọa độ tương đối…), có thông tin về vị trí của các nút mạng lân cân mà nó có thể gửitrực tiếp gói tin tới (Sử dụng GPS hay các dịch vụ định vị khác[CITATION 2 \l 1033 ][CITATION 1 \l 1033 ]), và mỗi nút mạng biết tọa độ của nút đích mà nó sẽ gửi gói tin tới.Giao thức định tuyến của chúng tôi gồm hai pha như sau:

 Pha định biên: Các nút mạng xác định vị trí của các nút trên biên hố và từ đó xác định

đường tròn cơ bản Thông tin về đường tròn cơ bản gồm tọa độ tâm C (x C , y C) và bán kính

r C, sẽ được phát tán tới các nút trong mạng bằng một gói tin quảng bá Các nút mạng nhậnđược gói tin quảng bá sẽ lưu giữ thông tin về đường tròn cơ bản để phục vụ cho quá trìnhđịnh tuyến, sau đó tiếp tục phát tán gói tin quảng bá tới các nút hàng xóm Kết thúc quátrình định biên, toàn bộ các nút trong mạng có được thông tin về đường tròn cơ bản

 Pha định tuyến: khi các nút mạng đã có thông tin về đường tròn cơ bản, mỗi khi gửi đi một

gói tin, nút sẽ kiểm tra xem đoạn thẳng nối bản thân nó với nút đích có cắt qua đường tròn

cơ bản hay không Nếu có, nó sẽ tính hố lục giác và tạo ra bảng định tuyến gồm tọa độ củanút đích và một hoặc hai điểm neo là đỉnh của lục giác, theo một thứ tự nhất định Trongtrường hợp ngược lại, bảng định tuyến sẽ chỉ có tọa độ của nút đích Bảng định tuyến đượcgắn vào phần header của gói tin, phục vụ việc chuyển tiếp gói tin tại các nút trong mạng.Khi gói tin được chuyển tiếp tại mỗi nút, nút đó sẽ kiểm tra trong bảng định tuyến của

gói tín, lấy được tọa độ của điểm neo đang đứng đầu trong bảng định tuyến – có thể là nút

đích của gói tin hoặc đỉnh của hố lục giác Nút sẽ gửi gói tin về phía điểm neo này bằng giảithuật tham lam[CITATION Placeholder1 \l 1066 ] Trong trường hợp không có bất kỳ hàngxóm nào ở gần điểm neo hơn chính nút đó, điểm neo sẽ bị loại ra khỏi bảng định tuyến vànút sẽ gửi gói tin tới điểm neo tiếp theo trong bảng Quá trình chuyển tiếp gói tin sẽ thựchiện liên tục cho tới khi gói tin tới được nút đích

Trong phần sau đây, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết giải thuật cho hai pha: Pha định biên

và pha định tuyến

4.1 P HA ĐỊNH BIÊN

Pha này có thể chia ra làm 3 bước nhỏ như sau:

- Bước 1: xác định biên hố

- Bước 2: tìm đường tròn cơ bản bao quanh biên hố

- Bước 3: phát tán thông tin của đường tròn cơ bản cho các nút trong mạng

Các nút mạng sẽ xác định hố trong mạng bằng cách sử dụng thuật toánBoundHole[CITATION Fan04 \l 1033 ] Thuật toán BoundHole cho phép xác định được tậphợp các nút nằm trên biền hố, tạo thành một đa giác Dựa vào thông tin về tọa độ các núthàng xóm, mỗi nút sẽ kiểm tra xem nó có phải là nút trên biên của hố hay không Khi mộtnút xác định được nó là nút trên biên hố, nó sẽ gửi gói tin thăm dò HBD đi vòng quanh biên

hố theo quy tắc tay phải[CITATION LiJ00 \l 1066 ] Khi mỗi nút trên biên hố nhận đượcgói tin HBD, nó sẽ ghi lại tọa độ của mình vào phần dữ liệu của gói tin này Sau đó áp dụngquy tắc tay phải để tìm nút tiếp theo trên biên hố và chuyển tiếp cho nút đó Gói tin đượcchuyển tiếp cho tới khi nó trở về với nút xuất phát

Sau khi gói tin thăm dò đi hết một vòng quan hố, nút gửi gói tin này sẽ xác định được

tập các nút nằm trên biên hố, từ đó nút này sẽ tính đường tròn cơ bản thông qua Giải thuật

1 Tập hợp các nút trên biên hố tạo thành một đa giác với các đỉnh là các nút trong tập Từ

đa giác này, bốn điểm lần lượt có: Hoành độ nhỏ nhất; Hoành độ lớn nhất; Tung độ nhỏnhất; Tung độ lớn nhất được tìm ra Bốn đường thẳng đi qua bốn điểm này và tương ứngsong song với trục tung và trục hoành tạo thanh một hình chữ nhật Tâm của hình chữ nhậtnày được chọn làm tâm C (x c , y c) Bán kính r C chính bằng khoảng cách lớn nhất từ một điểmtrên đa giác tới tâm C Giải thuật này cũng được trình bày tương tự tại[CITATION Cho11 \l

1066 ][ CITATION LiF11 \l 1066 ]

Hình 5: Xác định đường tròn cơ bản

Thông tin về hố sẽ thu gọn lại chỉ còn tâm C (x c , y c), và bán kính r c của đường tròn cơbản (Hình 5) Ta cũng ký hiệu (C ,r C) cho đường tròn cơ bản Sau khi tìm được (C ,r C) nút

sẽ phát tán gói tin quảng bá BCH chưa {x c , y c , r c} tới các nút lân cận Mỗi nút mạng nhậnđược gói tin BCH sẽ lưu lại tọa độ tâm và bán kính này phục vụ cho quá trình định tuyến,đồng thời quảng bá gói tin này tới các nút hàng xóm của nó

Giải thuật 1: xác định đường tròn cơ bản (C, r C )

Input: B i(x i B , y i B),1 ≤i ≤ n là nút nằm trên biên hố, n là tổng số nút trên biên

giác và định tuyến dựa trên hố lục giác.

Hố lục giác là một hình lục giác đều, tạo thành từ tập sáu điểm {V i∨0 ≤i ≤5 }, có tọa độlần lượt là ¿,y i V¿, 0 ≤i ≤5 Hố lục giác có hai cạnh V1V2 và V4V5 song song với SD Hố lục

giác có đường tròn nội tiếp là (I ,r I)

Hình 6: Xác định đường tròn mở rộng

Trong trường hợp nút nguồn hoặc nút đích nằm trong hoặc nằm trên đường tròn cơ bản,

hố lục giác sẽ nhận đường tròn cơ bản làm đường tròn nội tiếp, (I ,r I)=(C ,r C) Trong trường hợp ngược lại, nút S sẽ xác định một đường tròn mở rộng (I ,r I) từ đường tròn cơ bản

(C ,r C), tọa độ tương đối của chính nó với đường tròn cơ bản, tọa độ tương đối của nút đích

D với đường tròn cơ bản, cùng với một số yếu tố ngẫu nhiên Sau đó, xác định hố lục giác

với (I ,r I) là đường tròn nội tiếp (Hình 6)

Nút S xây dựng đường tròn mở rộng (I ,r I) bằng cách chọn tâm I, tọa độ (x I , y I), và bánkính r I ngẫu nhiên thỏa mãn thỏa mãn:

{ 0 ≤ r C−CI

r C+CI ≤ r I ≤ MIN ( IS, ID )(1)

Từ (1) ta có hai nhất xét:

 Đường tròn cơ bản luôn nằm trong hoặc tiếp xúc trong với đường tròn mở rộng

 S, D luôn nằm ngoài hoặc nằm trên đường tròn mở rộng

Việc sử dụng đường tròn mở rộng cho phép đưa yếu tố ngẫu nhiên vào quá trình địnhtuyến, từ đó tạo ra cơ chế sinh đường định tuyến động, gói tin trao đổi giữa các cặp S-D cốđịnh không đi trên cùng một đường, giúp phân tán tốt việc chịu tải cho vùng lân cận với hố

Hình 7: Định tuyên vượt hố lục giác

Sau khi xác định được đường tròn nội tiếp (I ,r I), việc xác định hố lục giác trở thành bàitoán nhỏ: Xác định hình lục giác đều biết tâm và bán kính đường tròn nội tiếp của lục giác

đó và biết rằng hình lục giác cần tìm có một cặp cạnh song song với một đường thẳng cho

trước Đây là bài toán hình học đơn thuần Giải thuật 2 trình bày một phương pháp xác định hình lục giác này dựa trên phép xoay trục tọa độ.

Nhận xét rằng: có hai đường định tuyến vượt qua hố lục giác, đường thứ nhất đi quacạnh V1V2 tạo thành đường SV1V2D Đường thứ hai đi qua cạnh V4V5 tạo thành đường

SV5V4D Như vậy, để chọn được đường định tuyến, chỉ cần xác định tọa độ của bốn đỉnh

V1,V2, V4, V5 (Hình 7) Giải thuật 2 không tìm sáu đỉnh của lục giác mà chỉ tìm(x1V , y1V),(x2V , y2V),(x4V , y4V),( x5V , y5V) lần lượt là toạ độ các đỉnh V1,V2, V4, V5

Sau khi có được tọa độ bốn đỉnh V1,V2, V4, V5, nút S sẽ chọn một trong hai đường

SV1V2D và SV5V4D để tạo thành đường định tuyến cho gói tin Việc lựa chọn dựa trên tiêuchí khoảng cách, S sẽ lựa chọn đường đi có độ dài Euclid nhỏ hơn bằng cách so sánh:

Ngược lại, nếu l1≤ l2, bảng định tuyến sẽ gồm:

(x5V , y5V),(x4V , y4V),(x D , y D)

Khi gói tin được chuyển tiếp đi qua các nút, mỗi nút sẽ sử dụng giải thuật tham lam –Greedy[CITATION Placeholder1 \l 1066 ] để gửi gói tin tới hàng xóm gần với điểm neonhất Trong trường hợp không có hàng xóm nào gần hơn chính nó, nút sẽ loại bỏ một điểmneo đó khỏi bảng định tuyến của gói tin và lặp lại với điểm neo tiếp theo (Hình 7)

Giải thuật 2: Xác định hố lục giác

5 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

Thuật toán được đề xuất được đánh giá bằng cả lý thuyết và thực nghiệm Bằng lýthuyết, thuật toán được chứng mình là có đường định tuyến không dài quá một hằng số lần

so với đường định tuyến tốt nhất có thể tìm được Bằng thực nghiệm, thuật toán được đềxuất cho thấy hiệu quả rõ rệt về tinh cân bằng tai của mạng Kết quả được so sánh với cácthuật toán đã biết cho thấy chên lệch rõ rệt

Độ dài đường đi của gói tin được đánh giá qua chỉ số Stretch – chỉ số cho biết tỷ lệ giữa

độ dài đường đi thực tế khi áp dụng giải thuật định tuyến, so với độ dài đường đi ngắn nhất

có thể tìm được:

Stretch= d

d min

Trong đó:

 d : độ dài đường đi thực tế của gói tin khi áp dụng thuật toán định tuyến

 d min : độ dài đường đi ngắn nhất có thể tìm được

Chỉ số Stretch phản ánh việc áp dụng một thuật toán định tuyến nào đó sẽ khiên chođường đi của gói tin bị kéo dài ra bao nhiều lần so với đường đi ngắn nhất có thể tìm được Tuy nhiên, Stretch chỉ có thể tính thông qua khảo sát quá trình truyền tin thực tế của cágói tin (hoặc mô phỏng truyền tin thực tế) Để dễ dàng hơn trong việc đánh giá mức tăng độdài dường đi của gói tin bằng lý thuyết, người ta còn sử dụng một chỉ số khác là E_Stretch

E_Stretch đánh giá mức tăng của độ dài đường định tuyến của gói tin tìm được khi áp dụng thuật toán định tuyến đang khảo sát, so với đường định tuyến ngắn nhất có thể tìm được

giữa nút nguồn và nút đích Đường định tuyến ngắn nhất là đường tìm được khi áp dụngthuật toán GOAL[CITATION Won11 \l 1066 ] Công thức của E_Stretch:

E Stretch= d R

d min R

Trong đó:

 d R : độ dài đường định tuyến thực tế khi áp dụng giải thuật định tuyến

 d min R : độ dài đường định tuyến ngắn nhất có thể tìm được

Bài báo này sẽ đưa ra đánh giá cho cả Stretch và E_Stretch Đánh giá Stretch sẽ đượctính trên số bước gói tin đi qua, dựa vào kết quả khảo sát quá trình mô phỏng truyền tin

trong thức tế, chi tiết được giới thiệu trong các phần sau Dưới đây, E_Stretch sẽ được

chứng mình là luôn giới hạn bởi hằng số trong mọi trường hợp

5.1 Đ ÁNH GIÁ CẬN DƯỚI CỦA E_S TRETCH

Hiển nhiên rằng:

độ dài đường định tuyến ngắn nhất có thể tìm được giữa nút nguồn và nút đích.

Vậy E_Stretch sẽ đạt giá trị nhỏ nhất (tốt nhất) là 1, khi đường định tuyến tìm đượcchính là đường định tuyến tối ưu hoặc có độ dài bằng với độ đường định tuyến tối ưu

5.2 Đ ÁNH GIÁ CẬN TRÊN CỦA E_S TRETCH

Từ (1) ta có được nhận xét r I ≤ SD, r I lớn nhất khi SD chính là đường kính của (I ,r I).Khi đó đường định tuyến của thuật toán sẽ là SV1V2D, hoặc SV5V4D chính là trường hợp có

d R tồi nhất Chiều dài đường định tuyến sẽ là lớn nhất có thể, hay d R sẽ đạt cực đại

Mặt khác, d min R đạt giá trị cực tiểu khi đoạn thẳng nối nút nguồn và nút đích không cắtqua hố, hoặc chỉ tiếp xúc với biên hố, khi đó đường định tuyến ngắn nhất có thể chính làđoạn thẳng nối nút nguồn và nút đích

Hình 9: Trường hợp có E_Stretch lớn nhất

Dễ thấy rằng trong trường hợp d min R đạt cực tiểu và d R đạt cực đại, E_Stretch sẽ có giá trị

lớn nhất Hình 9 mô tả một topology có cả hai trường hợp trên đồng thời xảy ra SD chính là

đường kính của (I, rI), cũng chính là đường định tuyến ngắn nhất Đường định tuyến tìmđược khi áp dụng giải thuật được chúng tôi đề xuất là SV1V2D, thể hiện bằng đường nét đứtmàu cam Khi đó E_Stretch sẽ là lớn nhất có thể

Ta sẽ tính giá trị E_Stretch trong trường hợp này:

Từ (2) và (3) có được:

1 ≤ E Stretch<√3

Vậy, E_Stretch luôn bị giới hạn bởi hằng số Trong trường hợp tốt nhất, E_Stretch bằng

1, đường định tuyến tìm được là đường định tuyến ngắn nhất có thể Trong mọi trường hợp,đường định tuyến của gói tin không dài quá √3 ≈ 1.732 lần đường định tuyến ngắn nhất cóthể tìm được

Việc giới hạn E_Stretch bởi hằng số mang ý nghĩa quan trọng, nó cho thấy độ dàiđường định tuyến luôn bị giới hạn bởi một cận trên hằng số lần so với đường định tuyến tối

ưu, không phục thuộc vào vị trí tương đối của nút nguồn, nút đích so với hố, cũng khôngphục thuộc vào khoảng cách giữa nút nguồn với nút đích

6 XÂY DỰNG CÔNG CỤ THỰC NGHIỆM

Các nghiên cứu trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây luôn phải đối mặt với khókhăn khi thử nghiệm trong thực tế Khó khăn này xuất phát từ việc mạng cảm biến khôngdây thường được triển khai trên các địa bàn phức tạp và mang nhiều đặc thù riêng cho từngứng dụng của mạng cảm biến không dây Ví dụ, mạng cảm biến được ứng dụng trong nôngnghiệp để theo dõi thời tiết, được triển khai trên địa hình đồng ruộng, còn các mạng cảmbiến không dây được ứng dụng trong việc theo dõi núi lửa lại được triển khai trên địa hìnhvùng núi lửa có dấu hiệu hoạt động, hay mạng cảm biến không dây cảnh báo cháy rừngđược triển khai trong các cánh rừng rộng lớn… Đó là khó khăn rất lớn trong việc thửnghiệm và theo dõi hoạt động của mạng cảm biến không dây trong thực tế Để có thể khảosát trên thực địa, sẽ đòi hỏi phải có số lượng cảm biết thí nghiệm lớn, nhân lực phục vụ, chiphí lớn cho việc thu hồi cảm biến…

Bên cạnh đó, yếu tố kỹ thuật của cảm biến và mạng cảm biến cũng là một rào cản vớiviệc thực nghiệm Cảm biến không dây có khả năng xử lý rất giới hạn và bộ nhớ nhỏ.Không cho phép ghi lại lịch sử quá trình hoạt động của cảm biến trong thời gian dài Dẫnđến việc rất khó có được số liệu đầy đủ về hoạt động của mạng cảm biến Mạng cảm biếncũng thường được triển khai với số lượng nút rất lớn, từ vài trăm đến hàng nghìn nút mạng,nên việc muốn có được một thông số kỹ thuật nào đó của tất cả các nút trong mạng tại cùngmột thời điểm là không khả thi trong thực tế

Từ các khó khăn đó, việc thực nghiệm với mạng cảm biến không dây thường khôngđược thực hiện với mạng cảm biến thật Một giải pháp được các nhà nghiên cứu trong lĩnhvực này đánh giá cáo và sử dụng rất phổ biến là thực nghiệm và theo dõi hoạt động củamạng cảm biến không dây thông quá các bộ công cụ mô phỏng

Các công cụ mô phỏng cho phép giả lập môi trường hoạt động, xây dựng các mạng cảmbiến không dây ảo và thực thi các nhiệm vụ của mạng cảm biến không dây ảo này trong môitrường giả lập Người sử dụng có thể dễ dàng thông qua các công cụ mô phỏng để tiến hànhcác thực nghiệm mà không gặp khó khăn như khi thực nghiệm trong thực tế Quá trình hoạtđộng của mạng cũng như của từng thành phần luôn được theo dõi và ghi lịch sử hoạt động,phục vụ việc khảo sát và đánh giá hoạt động của mạng

NS2 là một trong những phần mềm mô phỏng được sử dụng khá rộng rãi trong cácnghiên cứu về mạng NS2 là một mã nguồn mở trên nền linux, với phần lõi được viết bằngngôn ngữ C++ Đầu vào của NS2 là một file kịch bản được viết bằng ngôn ngữ oTcl và đầu

ra là một file kết quả (trace file) dưới dạng file văn bản Mặc dù được sử dụng khá rộng rãinhưng NS2 lại không phải dễ sử dụng bởi vì toàn bộ công đoạn viết kịch bản và xử lý kếtquả mô phỏng hoàn toàn phải thực hiện bằng tay và không có một công cụ đồ họa nào hỗtrợ Do những đặc điểm về quy mô mạng cũng như những đặc thù về năng lượng, sự xuấthiện của hố mạng, việc mô phỏng mạng cảm biến không dây trên NS2, ngoài khó khănchung về sự thiếu hụt công cụ đồ họa, còn gặp phải một số khó khăn như sau:

 Do quy mô của mạng rất lớn nên việc cài đặt cho từng nút một trong khâu tạo kịch bản môphỏng theo phương pháp truyền thống là không khả thi Ngoài ra, trong quá trình xử lý kếtquả mô phỏng, việc đánh giá kết quả theo từng nút riêng biệt không còn ý nghĩa nhiều Thay

vì đó, kết quả mô phỏng cần được đánh giá theo từng vùng, hay từng nhóm các nút

 Do các nút mạng có sự hạn chế lớn về mặt năng lượng, cần phải có một cơ chế để có thểtheo dõi được sự thay đổi về năng lượng của các nút mạng trong quá trình mô phỏng

 Việc tạo ra các “hố mạng” bằng tay trong khâu tạo kịch bản đòi hỏi nhiều công sức vàkhông khả thi đối với những hố mạng lớn

 Các giao thức định tuyến không được cài đặt sẵn trong NS2, vì vậy người sử dụng thườngphải tốn rất nhiều thời gian để cài đặt các giao thức định tuyến cơ bản

Để giải quyết những vấn đề trên đây của NS2 đối với việc mô phỏng mạng nói chung vàvới việc mô phỏng mạng cảm biến không dây nói riêng, chúng tôi đề xuất xây dựng một bộcông cụ hỗ trợ mô phỏng trên nền NS2 với các tính năng sau đây:

1) Cung cấp giao diện đồ họa giúp người dùng sử dụng dễ dàng, giảm bớt thời gian vàcông sức cho việc mô phỏng

2) Cung cấp các chức năng giúp dễ dàng tạo các kịch bản với số lượng nút lớn cũngnhư tự động tạo các “hố mạng”

3) Cài đặt sẵn một số lượng lớn các giao thức định tuyến phổ biến trong mạng cảmbiến không dây giúp người dùng không cần mất công cài đặt

4) Cung cấp công cụ giúp quan sát hoạt động của các nút trên biên hố và sự mở rộngcủa hố

5) Cho phép phân tích kết quả theo từng vùng, từng nhóm nút

6) Theo dõi sự thay đổi năng lượng của các nút trong quá trình mô phỏng

Giới hạn trong khuôn khổ của báo cáo, chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về việc xâydựng bộ công cụ thực nghiệm dựa trên mô phỏng, nguyên lý thiết kế cơ bản và những điểmđặc ưu việt so với các phần mềm mô phỏng hiện có Phần đầu tiên sẽ nêu những mục tiêuchung và ý nghĩa của việc xây dựng bộ công cụ Ở phần thứ hai, chúng tôi trình bày vềnguyên lý thiết kế cơ bản của bộ công cụ, gồm các tiêu điểm quan trọng nhất cho quá trìnhthiết kế, thay vì đi vào từng chi tiết Phần cuối, chúng tôi giới thiệu hai đóng góp quan trọngnhất của việc xây dựng bộ công cụ thực nghiệm, tạo nên các yếu tố nổi trội so với các phầnmềm mô phỏng hiện có: Giao diện tương tác đồ họa và khả năng cung cấp đồng thời hai chế

độ biên soạn kịch bản

6.1 T ỔNG QUAN

Quá trình thực nghiệm thông qua mô phỏng trải qua ba bước: bước thứ nhất, lập kịchbản mô phỏng – create scripts, bao gồm thiết kế topology mạng, tạo bản đồ địa hình, thiếtlập các thống số kết nối, lên lịch cho các sự kiện sẽ diễn ra… Sau khi có được kịch bản, mộtchương trình mô phỏng sẽ được thực thi để tạo ra môi trường mô phỏng với các thành phần

như trong kịch bản mô phỏng Chương trình mô phỏng này sẽ thực thi các sự kiện đã đượclập lịch trong kịch bản và các sự kiện phát sinh có liên quan, từ đó diễn tả toàn bộ quá trìnhhoạt động của mạng Đây chính là bước thứ hai của quá trình thực nghiệm bằng mô phỏng,bước Simulate Các thông số được quan tâm sẽ được chương trình ghi lại để phục vụ chopha phân tích sau khi kết thúc mô phỏng Tại pha phân tích – Analyze, dựa vào các số liệuthu được từ quá trình mô phỏng, ta có thể tái hiện lại hoạt động của mạng hay một vùngmạng nào đó dưới các góc nhìn khác nhau: truyền tin, năng lượng, các sự kiện trongmạng… tùy theo nhu cầu khảo sát của bài toán cụ thể.

Hình 10 miêu tả 3 bước của quá trình thực nghiệm thông qua mô phỏng: Tạo kịch bản

mô phỏng, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả

Create scripts

Simulate

Analyze

Hình 10: Các bước của quá trình thực nghiệm bằng mô phỏng

Để phục vụ việc triển khai thực nghiệm các giải thuật cho mạng cảm biến không dây,bao gồm cả công trình được giới thiệu trong báo cáo này, chúng tôi đã xây dựng một bộcông cụ mô phỏng và phân tích hoạt động của mạng cảm biến không dây Trong đó, thànhphần Simulate sử dụng phần mềm mô phỏng mạng NS2[ CITATION Iss09 \l 1066 ] NS2 làphần mềm mô phỏng mạng được đánh giá cao và sử dụng trong nhiều công trình khoa học.NS2 là phần mềm mã nguồn mở, cho phép các nhà phát triển can thiệp vào mã nguồn và mởrộng tính năng của NS2

Tuy được đánh giá cao về tính đúng đắn và khả năng mở rộng mạnh mẽ, NS2 vẫn cònnhiều hạn chế về mặt tương tác với người dùng với cả việc lập kịch bản và việc phân tíchkết quả mô phỏng Khi sử dụng NS2 cho quá trình thực nghiệm thông qua mô phỏng, quátrình tạo kịch bản và phân tích kết quả đểu phải thực hiện thủ công hoặc thông qua các phầnmềm khác

Kịch bản cho NS2 được viết thông qua ngôn ngữ Tcl[ CITATION tclweb \l 1066 ] NS2cung cấp hai phương thức để người sử dụng nhập kịch bản: người sử dụng có thể gõ trựctiếp kịch bản trên termial qua từng câu lệnh Tcl Hoặc cũng có thể biên soạn mã nguồn Tclsau đó lưu giữ dưới dạng file văn bản và chỉ định NS2 đọc file văn bản này Vì ngôn ngữTcl không chỉ được sử dụng để viết kịch bản cho NS2 mà còn nhiều ứng dụng khác, vì vậy,

có nhiều trình biện soạn và IDE có hỗ trợ ngôn ngữ Tcl Người sử dụng có thể biên soạnkịch bản thông qua một trình soạn thảo văn bản hay IDE cung cấp bởi bên thứ ba Một sốchương trình soạn thảo có hỗ trợ người sử dụng việc viết mã nguồn Tcl nhưGedit[ CITATION Séb14 \l 1033 ], Eclipse[ CITATION WindowBuilderWeb \l 1033 ]Vim[ CITATION vim \l 1033 ], Komodo[ CITATION Kom14 \l 1033 ]… Tuy nhiên, cácchương trình này hộ trợ ngôn ngữ Tcl một cách rất hạn chế, các tính năng trợ giúp phổ biếnnhư: high-light, gợi ý mã nguồn, tự động sửa lỗi chính tả,…

Với việc sử dụng ngôn ngữ Tcl làm kịch bản mô phỏng cho NS2, nhiều đặc thù riêngbiệt của từng bài toán mô phỏng cụ thể cụ thể dẫn tới việc khó có được một công cụ hỗ trợsoạn thảo kịch bản tổng quát Các nhà nghiên cứu thường tự xây dựng các công cụ trợ giúptốt nhất cho nhóm các bài toán hẹp mà họ quan tâm Một số công cụ hỗ trợ quá trình biênsoạn mã nguồn Tcl làm kịch bản mô phỏng cho NS2 đã được xây dựng và công bố nhưNSG[ CITATION Pen14 \l 1066 ], IPQit[ CITATION IPQit \l 1033 ]…

Để phân tích kết quả của việc thực nghiệm, NS2 hỗ trợ người sử dụng theo dõi cácthông số của toàn mạng cũng như của từng nút mạng tham gia vào quá trình mô phỏng, toàn

bộ các sự kiện diễn ra trong quá trình mô phỏng hoạt động của mạng cũng được ghi lại Cácthông tin này được NS2 ghi lại dưới dang file văn bản có cấu trúc, gọi là file trace Ngoài ra,với đặc tính mã nguồn mở, người sử dụng còn có thể can thiệp vào mã nguồn NS2 để thayđổi các chỉ số được theo dõi trong quá trình vận hành của mạng Tương tự với quá trình biênsoạn kịch bản, với quá trình phân tích kết quả mô phỏng, người sử dụng NS2 thường sửdụng các công cụ phân tích và thống kê có sẵn như Matlab[ CITATION Matlabweb \l

1066 ], Microsoft Excel[ CITATION excelweb \l 1066 ],… hoặc các công cụ tự phát triểnphù hợp với yêu cầu riêng như Trafil[ CITATION Bou12 \l 1066 ], IPQit[ CITATION IPQit

\l 1066 ]…

6.2 N GUYÊN LÝ THIẾT KẾ

6.2.1 G IAO DIỆN ĐỒ HỌA

Một trong những nhiệm vụ qua trọng nhất trong việc xây dựng công cụ thực nghiệm làcung cấp giao diện tương tác dạng đồ họa cho người sử dụng Chúng tôi cung cấp cho người

sử dụng các giao diện đồ họa cho cả quá trình tạo kịch bản mô phỏng và quá trình phân tích,đánh giá kết qua thực nghiệm

Phục vụ cho quá trình thiết kế kịch bản, chúng tôi xây dựng giao diện tương tác chophép người sử dụng có thể thiết kế kịch bản thông qua các giao diện đồ họa Việc nà khôngnhững tiết kiệm thời gian, công sức cho việc thiết kế kịch bản mô phỏng mà còn cho phépngười sử dụng có được góc nhìn trực quan về mạng được thiết kế Việc người sử dụng cóthể thấy được một cách trực quan mạng mà mình thiết kế có ý nghĩa rất quan trọng, đặc biệtvới các thực nghiệm của những bài toán có liên quan tới địa hình được triển khai và nhữngbài toán có liên quan tới địa lý Nếu người sử dụng muốn triển khai hoạt động của mộtmạng cảm biến không dây trên một thực địa đã được chỉ định, họ sẽ muốn thực nghiệmtrước với một địa hình được thiết kế giống nhất có thể với địa hình thực tế Việc này là vôcùng khó nếu người sử dụng chỉ viết kịch bản mô phỏng dưới dạng văn bản mà không đượccung cấp các giao diện tương tác trực quan

Việc theo dõi hoạt động của mạng cảm biến không dây và phân tích số liệu ghi được từquá trình hoạt động của mạng là công việc quan trọng bậc nhất của quá trình thực nghiệm.Phục vụ quá trình theo dõi hoạt động của mạng, chúng tôi cung cấp khả năng tái hiện lạihoạt động của mạng dưới dạng trực quan, cho phép người sử dụng quan sát các sự kiện diễn

ra trong mạng theo thời gian Để quan sát hoạt động của mạng, người sử dụng có thể:

- Quan sát toàn bộ các sự kiện diễn ra theo thời gian

- Di chuyển tới vị trí thời gian bất kỳ và quan sát các sự kiện của mạng tại thời điểmđó

- Theo dõi các sự kiện diễn ra trong một khoảng thời gian nào đó

- Lọc các sự kiện diễn ra trong mạng theo các tiêu chí khác nhau: kiểu truyền tin

Từ các số liệu thô thu được từ quá trình mô phỏng, các thông số kỹ thuật của mạngcũng được phân tích và thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau: bảng, biểu đồ, đồ thị,… phục

vụ nhu cầu phân tích của người sử dụng Chúng tôi cũng cung cấp sẵn các phương thức tínhmột số chỉ số quan trọng và thường được quan tâm trong mạng cảm biến không dây Đặcbiệt, chúng tôi cung cấp khả năng theo dõi và phân tích năng lượng của các nút trong mạng,

là đặc thù rất riêng biệt của mạng cảm biến không dây so với các mạng truyền thống khác.Năng lượng có thể được quan sát dưới nhiều góc nhìn: năng lượng toàn mạng, năng lượngtheo vùng địa lý, năng lượng từng nút,… Người sử dụng cũng có thể áp dụng nhiều bộ lọc

để thu được dữ liệu mình quan tâm