Mô hình hành trình ngẫu nhiên của mạng di động AD-HOC dùng bản đồ số

Những đặc điểm khác của mạng ad-hoc gồm có “kết hợp một số lượng lớn các MN, độ rộng băng thông, sự cần thiết hỗ trợ truyền thông đa phương tiện theo thời gian thực và khả năng chống tru

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG QUỐC VIỆT

MÔ HÌNH HÀNH TRÌNH NGẪU NHIÊN CỦA MẠNG DI

ĐỘNG AD-HOC DÙNG BẢN ĐỒ SỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ

HÀ NỘI - 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG QUỐC VIỆT

MÔ HÌNH HÀNH TRÌNH NGẪU NHIÊN CỦA MẠNG DI

ĐỘNG AD-HOC DÙNG BẢN ĐỒ SỐ

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin liên lạc

Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN VIẾT KÍNH

HÀ NỘI – 2006

MỞ ĐẦU

Với những tiến bộ trong công nghệ, mạng không dây ngày càng trở nên thông dụng Mạng không dây cho phép người dùng tự do di chuyển từ nơi này đến nơi khác mà không bị ngắt quãng dịch vụ Tuy nhiên, mạng không dây yêu cầu các trạm cơ sở BS (Base Station - BS) nối dây phục vụ cho các trạm không dây gửi/nhận các bản tin Mạng ad-hoc, một nhóm nhỏ của mạng không dây, cho phép tạo thành một mạng không dây mà không cần trạm cơ sở Tất cả người dùng tham gia mạng ad-hoc đều chấp nhận chuyển tiếp các bản tin tới các người dùng khác Với khả năng mềm dẻo này, mạng ad-hoc có thể được thiết lập ở bất kỳ nơi nào, tại bất kỳ thời điểm nào, miễn là có hai người dùng trở lên mong muốn liên lạc Vậy, mạng ad-hoc là gì?

Ad-hoc là cụm từ Latin với ý nghĩa “cho mục đích nào đó” Nó thường biểu hiện

là một giải pháp dùng cho một mục đích riêng biệt và chỉ là tạm thời, không phổ biến Ngược lại với nó là các giải pháp tổng thể

Mạng ad-hoc được tạo nên một cách linh động và được duy trì bởi các node riêng biệt (trong mạng ad-hoc, node có ý nghĩa vừa là trạm truyền/nhận vừa là thành phần trung gian chuyển tiếp gói tin) Chúng không yêu cầu một kiến trúc có sẵn cho mục đích truyền thông và không dựa trên bất kỳ kiểu cơ sở hạ tầng nối dây nào; trong mạng ad-hoc, tất cả truyền thông thực hiện thông qua môi trường không dây Với công nghệ ngày nay và sự thông dụng ngày càng gia tăng của các máy tính xách tay làm cho ngày càng có nhiều những nghiên cứu về mạng mạng ad-hoc Sự tiến bộ của công nghệ trong tương lai sẽ giúp ta tạo nên những mạng ad-hoc nhỏ trong các công sở, trong hội thảo và thậm chí ngay trong gia đình Thêm nữa, sự cần thiết các mạng ad-hoc “gọn nhẹ” trong các nhiệm vụ cứu hộ và trong những tình huống địa lý gồ ghề đang trở nên cực kỳ phổ biến Ta đưa ra các ví dụ của mạng ad-hoc dưới đây để minh hoạ cho những điều ta đã trình bày:

 Hoạt động đội cứu hộ: Các thành viên của đội cứu hộ cần được liên lạc không ngừng trong khi làm nhiệm vụ cứu hộ, với yêu cầu trao đổi thông tin Một mạng ad-hoc đáp ứng yêu cầu này

 Tại những khu vực kém phát triển: Những vùng đất có địa hình gồ ghề sẽ được thiết lập các mạng ad-hoc mà không mất chi phí ban đầu, mất thời gian và mất năng lượng để thiết lập như mạng nối dây

Mạng ad-hoc gồm có một số tính chất đặc biệt của mạng không dây nhưng chúng không yêu cầu trạm trung tâm Các mạng không dây đơn giản yêu cầu các trạm trung tâm để đáp ứng định tuyến các bản tin đến/đi của các node di động MN (Mobile Node - MN, một số tài liệu dùng

là Mobile Host - MH Ta thống nhất dùng là MN trong luận văn này) nằm trong vùng phủ sóng của nó Các mạng ad-hoc lại khác, chúng không đòi hỏi bất kỳ một thiết bị có sẵn nào mà hai hoặc nhiều MN sẽ hợp tác tạo nên mạng Thay vì nhờ vào các BS nối dây để sắp xếp luồng gói tin đến mỗi node, các MN riêng biệt tạo thành mạng của riêng chúng và tự chuyển tiếp gói tin đến/đi của mỗi node Hoạt động tương thích này cho phép một mạng nhanh chóng được tạo thành kể cả trong những điều kiện bất lợi nhất Những đặc điểm khác của mạng ad-hoc gồm có

“kết hợp một số lượng lớn các MN, độ rộng băng thông, sự cần thiết hỗ trợ truyền thông đa phương tiện theo thời gian thực và khả năng chống truy nhập nguồn tài nguyên dữ liệu được phân phát”

Hai kiến trúc khác nhau của mạng ad-hoc là: kiến trúc trên mặt phẳng - mạng phẳng, và kiến trúc phân lớp - mạng phân lớp Mạng phẳng là đơn giản nhất vì tất cả các MN là “ngang bằng” Mỗi node trong mạng phẳng tham gia vào quá trình chuyển tiếp và nhận gói tin phụ thuộc vào kỹ thuật định tuyến Mạng phân lớp dùng phương pháp phân lớp thành hai hay nhiều lớp Lớp phía dưới gồm các MN nhóm lại thành các mạng nhỏ Một MN được chọn từ mỗi nhóm này đóng vai trò là một cổng giao tiếp với lớp cao hơn Cũng như thế, các cổng giao tiếp này lại tạo thành lớp cao hơn Khi một MN thuộc nhóm A muốn liên lạc với một MN khác cùng nhóm A thì

kỹ thuật định tuyến tương tự như trong mạng phẳng Nếu một MN thuộc nhóm A muốn truyền thông với một MN thuộc nhóm B, thì sẽ thực hiện các kỹ thuật định tuyến cải tiến hơn Cho những mục đích của luận văn này, ta chỉ xét đến kiến trúc mạng trên mặt phẳng

Cách thông dụng nhất để nghiên cứu mạng di động ad-hoc MANET (Mobile Ad-hoc Network - MANET) là thông qua mô phỏng Lợi ích của mô phỏng là rất rõ ràng: nó nhanh và có thể lặp lại; có thể tách rời các tham số để đánh giá hoạt động khi thiết kế; cho phép kiểm tra một dải rộng các kịch bản với các giá trị đo lớn (mà khó thực hiện trong thực tế) Muốn mô phỏng

MANET để qua đó tìm giao thức định tuyến, lưu lượng, quản lý, thì điều kiện là phải có mô hình di động

Có rất nhiều mô hình di động và mẫu truyền thông đã được triển khai trong mô phỏng để đánh giá khi thiết kế Việc sử dụng các mô hình gần với thực tế là cần thiết, vì như thế sẽ có một tương quan gần khi triển khai trong thực tế Có nhiều mô hình di động được đề xuất Nhưng tất

cả các mô hình này đều trải qua trạng thái không ổn định khi bắt đầu mô phỏng Phân bố xác suất

của sự di chuyển của các node thay đổi theo thời gian, nhưng rốt cuộc vẫn hội tụ đến trạng thái

ổn định - phân bố dừng Sự phụ thuộc này thay đổi tuỳ vào các tham số của mô hình di động và

không thực Hoạt động của mạng thay đổi theo thời gian, có sự khác nhau giữa lúc khởi đầu và sau khi đạt được trạng thái ổn định Phương pháp đề xuất giải quyết vấn đề này là loại bỏ thời gian khởi đầu và đặt trạng thái ổn định vào điểm khởi động mô phỏng Tuy nhiên, rất khó để xác định trước được khoảng thời gian chuyển trạng thái Navidi và Camp [8] đã giải quyết vấn đề này cho mô hình di động điểm định hướng ngẫu nhiên RWPMM (Random Waypoint Mobility Model - RWPMM) bằng cách tìm ra phân bố trạng thái ổn định và tạo ra mô hình di động được lấy mẫu từ phân bố trạng thái ổn định (được gọi là “mô phỏng hoàn hảo” và “lấy mẫu hoàn hảo”)

Về mặt toán học, điều kiện để mô phỏng chính xác các loại mô hình di động là chúng phải có chế độ dừng Khi đó ta mới có thể lấy mẫu trung bình theo thời gian, hoặc trung bình theo tập hợp Nếu hệ là quá trình ergodic thì lấy mẫu theo các giá trị moment Phương pháp Palm

là công cụ tốt để ta đưa ra các điều kiện cho chế độ dừng

Kết quả trình bày trong luận văn này cung cấp một lớp các mô hình di động - gọi là mô hình di động hành trình ngẫu nhiên RTMM (Random Trip Mobility Model - RTMM); sử dụng phương pháp Palm để xem xét trạng thái ổn định; thực hiện mô phỏng hoàn hảo RTMM làm đầu vào cho phần mềm mô phỏng ns-2 Xem xét các mô hình thuộc RTM: RWPMM, mô hình bước ngẫu nhiên RWM (Random Walk Model - RWM) phản xạ, RWM “đi xuyên”, RWPMM bị giới hạn và đặc biệt là mô hình di động theo một bản đồ không gian thực

Tính toán của ta là cho mô hình bản đồ không gian thực (là dạng tiêu biểu của RWPMM) Do đó, ta sẽ đưa ra các điều kiện xem xét chế độ dừng (tức là gồm các tính chất dừng của vận tốc, quãng đường di chuyển, khoảng thời gian di chuyển, mật độ node, ) của RWPMM Đánh giá tính ổn định của chế độ dừng Sau đó thực hiện mô phỏng để kiểm tra lại các kết quả lý

thuyết này Thực hiện giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing - DSR) trên mô hình di động bản đồ không gian thực khi mô phỏng hoàn hảo và mô phỏng chưa hoàn hảo để xem sự khác nhau giữa chúng

Vì vậy, phần còn lại của luận văn được tổ chức như sau:

 Chương 1 bàn về các mô hình di động riêng lẻ (nghĩa là xét cho từng MN đơn) Đây là các mô hình được áp dụng nhiều nhất trong mô phỏng hệ thông tin di động, đặc biệt là cho mạng ad-hoc

 Chương 2 xem xét một số mô hình di động theo nhóm Nó cũng được áp dụng trong một

số tình huống di động chuyên dụng

 Chương 3 là phần chính của luận văn Nó mô tả RTMM lý thuyết (nhân tạo) với mong muốn bắt chước thực tế và nhấn mạnh rằng áp dụng cho mạng ad-hoc Đó là cơ sở cho các mô hình di động thực tế Phương pháp lấy mẫu sự di chuyển của MN được quan tâm trong chương này Từ đó được áp dụng cho một bản đồ số thực

 Chương 4 là phần mô phỏng với kết quả mô phỏng và bình luận trên một bản đồ số thực

tế (nhưng vẫn chỉ là hai chiều, nghĩa là trên mặt phẳng) Sau đó, mô hình di động dựa trên bản đồ số được thực hiện với giao thức định tuyến DSR (cho mạng di động ad-hoc)

để xem xét và đánh giá sự ổn định của mô hình dựa theo tỷ số phân phát gói tin

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH DI ĐỘNG RIÊNG LẺ

Các MN trong mạng ad-hoc di chuyển từ nơi này đến nơi khác; tuy nhiên, tìm ra những cách để mô hình hoá những sự di chuyển này là không dễ dàng Yêu cầu mô phỏng giao thức một cách triệt để thì cần thiết phát triển và sử dụng các mô hình di động biểu diễn chính xác sự

di chuyển của các MN trong giao thức đó Từ đó mới có thể xác định được rằng giao thức đó liệu

có ích để thực hiện hay không?

Hiện nay tồn tại hai kiểu mô hình di động đã được dùng trong mô phỏng mạng ad-hoc:

mô hình nhân tạo và mô hình dò theo vết Dò theo vết là các mẫu mô hình được quan sát trong các hệ đời sống thực tế Ví dụ, nếu một người mang điện thoại di động có khả năng dò chính xác

sự di chuyển và hoạt động của các người dùng điện thoại di động khác trong một khoảng thời gian đã cho, họ sẽ thu được một vết Các vết cung cấp thông tin chính xác, đặc biệt khi chúng có một số lượng lớn các MN tham gia và khoảng thời gian quan sát đủ dài Nhưng thật không may,

vì lý do bảo mật nên các dữ liệu vết có thể bị cấm thu thập và phân phát những số liệu thống kê Thêm nữa, trong vùng địa lý mới (khi triển khai mạng ad-hoc) là không dễ dàng được mô hình hoá nếu các vết chưa đủ để tạo thành mô hình Trong những tình huống như thế này thì sử dụng các mô hình nhân tạo là cần thiết Các mô hình nhân tạo cố gắng biểu diễn một cách hiện thực hoạt động của các MN mà không sử dụng các vết và những số liệu thống kê chưa biết

Một mô hình di động tốt sẽ cố gắng bắt chước sự di chuyển của các MN thực Những thay đổi về tốc độ và chiều chuyển động phải xảy ra, và chúng phải xảy ra trong những khe thời gian có tính hợp lý Ta không mong muốn các MN đi lại trên những đường thẳng với vận tốc đều suốt quá trình mô phỏng, vì các MN thực tế sẽ không di chuyển theo một cách cứng nhắc như vậy Thay vào đó, vận tốc của các MN phải thỉnh thoảng thay đổi và thậm chí vận tốc có thể bằng không Chiều chuyển động của các MN cũng phải thay đổi vì các MN ít khi di chuyển chỉ theo một chiều trong một khoảng thời gian dài Hiện nay có hai loại mô hình di động biểu diễn các MN đơn lẻ: mô hình di động mạng tế bào và mô hình di động mạng ad-hoc

1.1 Các mô hình di động mạng tế bào [12]

Các mô hình tế bào tập trung vào những di chuyển đơn lẻ vì chúng chỉ gồm chiều gọi và các “chuyển giao” của một MN đơn Các mô hình di động dưới đây đã được phát triển để kiểm nghiệm hoạt động của các giao thức tế bào và những chiến lược của chúng:

 Mô hình bước ngẫu nhiên RWM (Random Walk Model - RWM): Mô hình di động đơn giản dựa trên sự ngẫu nhiên của vận tốc và chiều chuyển động

 Mô hình luồng lưu lượng với vận tốc không đổi FFM (Constant Velocity Fluid-Flow Model - FFM): Mô hình tập trung vào các mẫu lưu lượng

 Mô hình Markov_Gauss ngẫu nhiên RGMM (Random Gauss_Markov Model - RGMM):

Mô hình này được tạo nên để bù đắp những khiếm khuyết của hai mô hình trên

1.1.1 Mô hình bước ngẫu nhiên - RWM

RWM là một trong những mô hình được sử dụng rộng rãi nhất vì nó mô tả sự di chuyển liên quan đến các tế bào của mạng tế bào Nhiều thực thể trong tự nhiên di chuyển theo những cách không thể dự đoán được Ví dụ, các phần tử di chuyển theo những chiều ngẫu nhiên mà không có mẫu hoặc hướng chính nào RWM được phát triển trong nỗ lực bắt trước sự di chuyển thất thường của các đối tượng Đặc biệt, trong mô hình này, một MN di chuyển từ vị trí này đến

vị trí khác bằng cách chọn ngẫu nhiên một chiều và một vận tốc trong quá trình chuyển động của

nó Chiều và vận tốc mới được chọn từ hai khoảng đã được xác định, [0,2π] và [ν min,νmax] tương

ứng Mỗi MN của RWM di chuyển trong khoảng thời gian không đổi t, ở cuối khoảng thời gian

t, chiều và tốc độ mới của MN sẽ được tính toán

Nhiều RWM được phát triển gồm di chuyển theo không gian một chiều 1-D, hai chiều

2-D, ba chiều D và d chiều d-D Ta chỉ trình bày mô hình di chuyển 1-D và 2-2-D, các mô hình

3-D và d-3-D có thể ngoại suy được

Trong mô hình di chuyển 1-D, ta hình dung một vận động viên đứng ở chính giữa một trục cân bằng dài vô hạn cả về hai phía Đưa ra kết quả của sự kiện tung đồng xu, vận động viên

di chuyển theo một chiều với một vận tốc ngẫu nhiên trong một khoảng thời gian t Ví dụ, nếu

kết quả đồng xu là ngửa, vận động viên di chuyển về phía bên phải với một vận tốc được chọn ngẫu nhiên và ngược lại Sau khi lặp lại phép thử này với một số lần lớn, mô hình di chuyển 1-D được vạch ra

Trong mô hình di chuyển 2-D, ta hình dung vẫn là vận động viên đó di chuyển trên một mặt phẳng hai chiều Ví dụ, sử dụng phương thức tương tự như mô hình di chuyển 1-D, ta tạo nên mô hình di chuyển ngẫu nhiên 2-D Đặc biệt, thay vì tưởng tượng vận động viên đứng trên trục cân bằng, ta mở rộng môi trường thành một mặt sàn vô hạn và sử dụng một đĩa quay trên đó

có mũi tên Sau khi quay đĩa, vận động viên di chuyển theo chiều của mũi tên với vận tốc ngẫu

nhiên trong khoảng thời gian t Cứ làm như thế, vận động viên di chuyển ngẫu nhiên trên mặt

phẳng 2-D và ta tạo nên được mô hình di chuyển 2-D

Nhiều kết quả đã chứng minh rằng một sự di chuyển ngẫu nhiên 1-D hoặc 2-D đều quay trở lại điểm ban đầu với một điều hoàn toàn chắc chắn, nghĩa là xác suất bằng 1 (ta không đi sâu vào điều này vì đây không phải là mục đích chính của luận văn) Đặc điểm này đảm bảo rằng sự di chuyển ngẫu nhiên biểu diễn chính xác mô hình di động Mô hình di động kiểm nghiệm sự di chuyển của các thực thể xung quanh điểm xuất phát của chúng và không phải lo rằng các thực thể di chuyển mà không quay lại điểm xuất phát Sự di chuyển 2-D đặc biệt được quan tâm để phát triển các giao thức

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] TRẦN THẠCH TÙNG (2005), “Linux tự học trong 24 giờ”, NXB Thống kê

[2] TRỊNH ANH VŨ (2005), “Giáo trình thông tin di động nâng cao” (Tài liệu giảng

dạy dành cho sinh viên chuyên nghành viễn thông), chương 1, chương 2, Hà Nội

Tiếng Anh

[3] WILLIAM H TRANTER, K SAM SHANMUGAN, THEODORE S

RAPPARORT and KURT L KOSBAR, “Principles of Communication Systems

Simulation with Wireless Application”, Prentice Hall, Profession Technical

Reference, Upper Saddle River, New Jersey 07458, 2002

[4] STEFANO BASAGNI, MARCO CONTI, SILVIA GIORDANO and IVAN

STOJMENOVIC, “Mobile Ad hoc Networking”, chapter 14, chapter 16, IEEE Press,

A John Wiley & Sons, Inc Publication, 2004

[5] IVAN STOJMENOVIC, “Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing”,

chapter 15, chapter 17, chapter 21, A John Wiley & Sons, Inc Publication, 2002 [6] P NICOPOLITIDIS, M S OBAIDAT, G I PAPADIMITRIOU and A S

POMPORTSIS, “Wireless networks”, chapter 1, chapter 2, chapter 3, chapter 4,

chapter 5, chapter 6, chapter 13, A John Wiley & Sons, Inc Publication, 2003 [7] WILLIAM NAVIDI and TRACY CAMP (2004), “Stationary Distributions for the

Random Waypoint Mobility Model”, IEEE Trans on Mobile Computing, 3(1)

[8] T CAMP, W NAVIDI and N BAUER (March 2004), “Improving the Accuracy of

Random Waypoint Simulations through Steady-state Initialization”, In Proceedings

of the 15th Int’l Conference on Modeling and Simulation (MS ’04)