LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌNH TRONG MẠNG AD HOC

MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu chung Từ thập kỷ 90 của thế kỷ trước với sự ra đời của kỹ thuật số đã đẩy nhanh sự phát triển các công nghệ và ứng dụng chúng vào các lĩnh vực đời sống hàng ngày, đặc biệt là truyền thông và công nghệ thông tin. Các hệ thống truyền thông từ cố định đến di động đã phủ rộng khắp thế giới làm cho con người khắp nơi trên thế giới có thể thông tin với nhau mọi lúc, mọi nơi. Tuy vậy, trong một số hoàn cảnh đặc biệt như thiên tai, động đất, chiến tranh ..v.v ở đó cơ sở hạ tầng viễn thông bị phá vỡ, lúc đó con người sẽ liên lạc với nhau như thế nào? Để giải quyết bài toán đó, gần đây một dạng công nghệ mạng ra đời, đó là mạng AD HOC. Mạng Ad hoc là một tập hợp các nút mạng di động không dây, nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung nào. Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có trang bị một bộ thu phát không dây. Các bộ định tuyến tự do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu hình mạng thay đổi thường xuyên. Mạng như vậy có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với mạng hạ tầng chung tạo thành mạng thông tin toàn cầu. Với đặc điểm đó, một loạt thách thức với mạng ad hoc được đặt ra cần giải quyết: - Năng lượng: Các phần tử của mạng ad hoc hoạt động được nhờ nguồn năng lượng là pin. Vì vậy 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.

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

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu chung

Từ thập kỷ 90 của thế kỷ trước với sự ra đời của kỹthuật số đã đẩy nhanh sự phát triển các công nghệ và ứngdụng chúng vào các lĩnh vực đời sống hàng ngày, đặc biệt

là truyền thông và công nghệ thông tin Các hệ thốngtruyền thông từ cố định đến di động đã phủ rộng khắp thếgiới làm cho con người khắp nơi trên thế giới có thể thôngtin với nhau mọi lúc, mọi nơi Tuy vậy, trong một số hoàncảnh 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 sẽliên lạc với nhau như thế nào?

Để giải quyết bài toán đó, gần đây một dạng công nghệmạng ra đời, đó là mạng AD HOC Mạng Ad hoc là mộttập hợp các nút mạng di động không dây, nằm phân tán vềmặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụngbất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trungnào Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi trường vôtuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nútmạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động cótrang bị một bộ thu phát không dây Các bộ định tuyến tự

do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu hình mạng thay đổithường xuyên Mạng như vậy có thể hoạt động độc lậphoặc kết nối với mạng hạ tầng chung tạo thành mạngthông tin toàn cầu

Với đặc điểm đó, một loạt thách thức với mạng ad hocđược đặt ra cần giải quyết:

động được nhờ nguồn năng lượng là pin Vì vậy

vấn đề tuổi thọ của pin, công suất pin cần đặcbiệt quan tâm.

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 vậytrong luận văn này sẽ đi theo hướng nghiên cứu kết hợp đóvào trong các giao thức định tuyến với tên đề tài

“NGHIÊN CỨU KẾT HỢP ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌNH TRONG MẠNG AD HOC”.

2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu các giải pháp định tuyến và điều khiển cấuhình trong mạng AD-HOC nhằm sử dụng tốt nhất hiệusuất sử dụng nguồn điện cho hệ thống

3 Đối tượng nghiên cứu

Các bài toán điều khiển cấu hình và định tuyến trongmạng Ad hoc

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở mô hình mạng Ad hoc, sử dụng công cụtoán học để nghiên cứu các bài toán điều khiển công suấtphát, xây dựng cấu hình, duy trì cấu hình, kết hợp địnhtuyến và điều khiển cấu hình Để làm rõ hơn các kết quả lýthuyết, học viên ứng dụng công cụ mô phỏng Atarraya xâydựng và phân tích các kết quả mô phỏng các giao thứcđiều khiển cấu hình

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Ngoài giải pháp điều khiển cấu hình, luận văn đãnghiên cứu kết hợp điều khiển định tuyến và cấu hình phùhợp trạng thái kênh nhằm giảm mức công suất phát để tiếtkiệm nguồn tiêu thụ của thiết bị và giảm can nhiễu trong

6 Bố cục của luận văn

Luận văn được trình bày trong ba chương và phụ lụcnhư sau:

Chương 1 Tổng quan về mạng Ad hoc

Giới thiệu chung về mạng Ad hoc, những khả năng vàthách thức trong quá trình phát triển mạng Ad hoc Ở đâycũng giới thiệu các giao thức định tuyến và kỹ thuật điềukhiển cấu hình

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 suấtnăng 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 hợpđiều khiển cấu hình trong các giao thức định tuyến để đưa

ra một số giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng củamạng

Phụ lục

Giới thiệu mô hình mạng vô tuyến để mô hình hóamạng Ad hoc và công cụ mô phỏng Atarraya Đưa ra cácbài toán điều khiển cấu hình cụ thể sử dụng các giao thứcxây dựng cấu hình phân cấp

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ 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 sựquản lý tập trung nào Các nút mạng liên lạc với nhau qua môitrường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậymỗi 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 dichuyển một cách ngẫu nhiên và tự tổ chức một cách tùy tiện, vìvậy cấu hình không dây của mạng thay đổi nhanh chóng vàkhông thể đoán trước Mạng như vậy có thể hoạt động độc lậphoặc kết nối với các mạng hạ tầng tạo thành mạng toàn cầu

Mạng Ad hoc

Hình 1.1 Mạng ad hoc di động - MANET

Mạng ad hoc có đặc điểm dễ kết nối với mạng truynhập, cấu trúc mạng đa chặng động và truyền thông nganghàng trực tiếp Tính đa chặng cần để làm cầu tới cổng kết nốivào mạng trục hạ tầng Cổng kết nối phải có giao diện mạngcủa cả hai kiểu mạng và là một phần của cả mạng định tuyếnrộng khắp và định tuyến ad hoc cục bộ Người dùng được lợi

từ mạng khắp nơi: di chuyển cho phép người dùng chuyển đổigiữa các thiết bị, phiên làm việc và vẫn có cùng dịch vụ cá

nhân Trạm di động cho phép thiết bị của người dùng di độngquanh mạng và duy trì kết nối và khả năng truyền thông.Những vấn đề thách thức cần phải giải quyết trongmạng ad hoc: năng lượng; cấu hình mạng không có cấutrúc và biến đổi; chất lượng liên lạc thấp; ràng buộc về tàinguyên và khả năng co dãn.

Khái niệm điều khiển cấu hình (TC – Topology Control)

được đưa ra [4] là một quá trình tương tác giữa hai pha: xâydựng cấu hình và duy trì cấu hình Ban đầu pha khởi tạo chungđược thực hiện Trong pha này, các nút tự khám phá và sửdụng công suất phát tối đa để xây dựng cấu hình ban đầu Saupha khởi tạo là pha xây dựng một cấu hình mới Cấu hình mớinày sẽ hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định vì cácnút tham gia vào mạng sẽ tiêu tốn năng lượng do đó ngay khipha xây dựng cấu hình thiết lập mạng rút gọn thì bắt đầu 1 phamới: pha duy trì cấu hình Trong suốt pha này, thuật toán mớiđược thực hiện để giám sát trạng thái cấu hình mới và sẽ khởitạo một pha xây dựng cấu hình mới vào thời điểm thích hợp.Trong suốt thời gian sống của mạng, vòng tròn này được lặp đilặp lại cho đến khi năng lượng mạng cạn hết

Lý do thúc đẩy chính sự triển khai TC trong mạng Adhoc là: bảo toàn năng lượng; tránh xung đột và dung lượngmạng tăng

mạng ad hoc

Các vấn đề cần chú ý để thiết kế giao thức điều khiểncấu 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

nút nhỏ; kênh liên kết hai hướng; đơn giản; hiệu quả nănglượng; mở rộng hơn và thời gian hội tụ.

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]

truyền thông

Chức năng điều khiển cấu hình là một lớp giao thức bổsung nằm giữa lớp liên kết dữ liệu và lớp mạng, và tươngtác với cả hai lớp này

Kiến trúc định đuyến của mạng tự tổ chức có thể làphân 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 nhậnthấy từ các nút khác qua các giao thức định tuyến Trongthuật toán định tuyến phẳng như DSDV và WRP, bảngđịnh tuyến có các cổng tới tất cả các trạm trong mạng Tuynhiên tính mở rộng của các thuật toán định tuyến phẳngkhông tốt Mào đầu định tuyến tăng nhanh khi mạng trởlên lớn hơn Vì thế một số dạng sơ đồ phân tầng được triểnkhai để tái sử dụng kênh điều khiển về mặt không gian vàgiảm mào đầu thông tin định tuyến Gộp nhóm là kĩ thuậtphổ biến nhất Định tuyến phân tầng bao gồm việc quản línhóm, quản lí địa chỉ, và quản lí tính di động

1.3.2 Phân loại giao thức định tuyến

Để khắc phục vấn đề liên quan đến giải thuật trạng tháiliên kết và vector khoảng cách, một số giao thức cho mạng

ad hoc được đề xuất Các giao thức này có thể được phânloại thành 3 nhóm: định tuyến trước, định tuyến theo yêucầu và định tuyến lai ghép

Chương mở đầu của luận văn này đã giới thiệu tổngquan về mạng ad hoc Với những ưu điểm triển khai nhanhchóng, tự cấu hình và đáp ứng các đặc điểm di động mạng

ad hoc hứa hẹn mang đến sự phổ biến rộng rãi trong nhiềulĩnh vực Tuy nhiên vẫn còn nhiều khó khăn thách thức vềmặt công nghệ cần giải quyết Như đã nêu trong bài toánđịnh 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 cấuhình Trong các chương tiếp theo, ta sẽ đi vào nghiên cứucác phương pháp điều khiển cấu hình và sự kết hợp giữađiều khiển cấu hình và định tuyến nhằm đưa ra giao thứcđơn giản và hiệu quả hơn

Chương 2

ĐIỀU KHIỂN CẤU HÌNH

2.1 Xây dựng cấu hình

2.1.1 Điều khiển công suất phát

2.1.1.1 Bài toán Khoảng phát tới hạn CTR

Khoảng phát tới hạn CTR là phạm vi phát đồng nhấttối 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 ngẫunhiên đưa ra một giải pháp phân tích bài toán vùng truyềnthông 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, tínhtheo xác suất, chiều dài của cạnh dài nhất để từ đó tính được



n

n f n

2.1.1.2 Bài toán Ấn định khoảng RA

Phương pháp mang lại hiệu quả năng lượng hơn, tìmnăng lượng tối đa cho mỗi nút, gán công suất không đồngnhất 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.

2.1.1.3 Xây dựng cấu hình phân tán cho mạng đồng nhất

Các thuật toán giải quyết bài toán xây dựng cấu hình

sử dụng kỹ thuật cơ sở định vị giả thiết mọi nút đều biếtgần như chắc chắn vị trí riêng của nó Thông tin này chophép sử dụng các đặc điểm hình học để cấu hình tốt nhất

về mặt khoảng cách giữa các nút chính là xác định khoảngphát 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 dựa trên hướng giả thiết các nút có thểxác định hướng của tín hiệu nhận được từ nút lân cận củachúng và trong một số trường hợp xác định được cảkhoảng cách giữa chúng Hướng góc đến của tín hiệutrong vùng phát bao quanh có thể tìm được nhờ anten địnhhướng lắp đặt trong các nút Mặt khác, thông tin khoảngcách có thể biết được nhờ các kỹ thuật khác nhau như chỉthị độ mạnh tín hiệu nhận được (RSSI), thời gian đến(ToA), độ lệch thời gian đến (TDOA)

Độ kết nối của một cấu hình là một trong các yêu cầu quantrọng nhất của bất cứ giao thức xây dựng cấu hình nào Mộtcách để phát hiện kết nối là đảm bảo rằng tìm thấy tuyến từ mộtnút tới mọi nút khác trong mạng Đây là mục tiêu chính củahàm định tuyến: xây dựng bảng định tuyến để định tuyến góitin 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 tưởngchính của các kỹ thuật dựa vào định tuyến Giao thức xây dựng

cấu hình công suất chung (COMPOW) được biết đến một cáchrộng rãi là một giao thức xây dựng theo kỹ thuật này.

2.1.1.4 Xây dựng cấu hình không đồng nhất

Có 3 thuật toán xây dựng cấu hình dành cho mạng khôngđồng nhất: Các thuật toán LMST trực tiếp (DLMST) và RNGtrực tiếp (DRGN) duy trì được tính kết nối và song hướng,nhưng không có được đầy đủ các ưu điểm của các thiết bị trongmạng không đồng nhất Thuật toán xây dựng cấu hình READ(Residual Energy Aware Dynamic) là thuật toán tập trung màcác thiết bị nhiều công suất hơn được tập hợp để có vai trò nổibật trong mạng giúp kéo dài thời gian sống của mạng

2.1.2 Xây dựng cấu hình phân cấp

Phương pháp xây dựng cấu hình phân cấp xác định bàitoán bậc thang và thuận tiện cho việc tập hợp thông tin đểtiết kiệm năng lượng Một hệ thống cấp bậc truyền thôngđược tạo ra, trong đó lựa chọn phân tập các nút rút gọn vàthay mặt cho các chức năng rút gọn và đơn giản cho phầnlớn các nút

2.2 Duy trì cấu hình

2.1 Các vấn đề đặt ra trong kỹ thuật duy trì cấu hình 2.1.1 Khái niệm và phân loại

Duy trì cấu hình là một quá trình khôi phục, hoán đổi

và tái tạo lại cấu hình mạng từng khoảng thời gian khi cấu hình rút gọn hiện tại không tối ưu nữa, gồm cả việc hoán đổi vai trò các nút nhiều nhất có thể để cải thiện thời gian hoạt động của mạng [4].

Các kỹ thuật duy trì cấu hình có thể được phân loạitheo thời điểm các cấu hình rút gọn được xây dựng thành:tĩnh, động, hoặc lai ghép

2.1.2 Tiêu chuẩn kích hoạt

Tiêu chuẩn kích hoạt có quan hệ chặt chẽ đến việc tiếtkiệm năng lượng cũng như vùng phủ sóng, độ tin cậy vàcác yếu tố quan trọng khác nữa, tiêu chuẩn kích hoạt cóthể dựa trên các lựa chọn sau: theo thời gian, theo nănglượng, ngẫu nhiên, theo lỗi, theo mật độ hoặc kết hợp

2.1.3 Vấn đề trong thiết kế duy trì cấu hình

Để quá trình duy trì cấu hình hiệu quả và cho các kếtquả mong đợi bằng việc kéo dài thời gian hoạt động củamạng, các kỹ thuật duy trì cấu hình phải được thiết kế trên

cơ sở xem xét thận trọng các vấn đề sau: hiệu quả nănglượng, mào đầu ít, ít phức tạp, phân phối đều năng lượng,thời gian hội tụ thấp, chiếm bộ nhớ

2.1.4 Đồng bộ các máy thu.

Một vấn đề đặt ra là làm thế nào kích hoạt các nútđang ở chế độ nghỉ tham gia trong thủ tục xây dựng cấuhình mới Một cách để đánh thức tất cả các nút liên quantại thời điểm thích hợp là có mạng đồng bộ hoàn toàn

2.2 Các kỹ thuật duy trì cấu hình tĩnh

Thực tế các kỹ thuật tĩnh thường là kiểu toàn phần vìviệc tính toán thay thế cho nhiều phần mạng sẽ làm mấtquá nhiều nguồn tài nguyên Một kiểu kỹ thuật tĩnh khác làtăng phạm vi phần mạng chuyển đổi

2.3 Các kỹ thuật duy trì cấu hình động

So với các kỹ thuật duy trì cấu hình tĩnh, các kỹ thuậtđộng không thực hiện tính toán ưu tiên để xác định cấuhình sẽ ở trạng thái hoạt động khi cấu hình hiện tại khôngcòn phù hợp nữa Thay vào đó, các kỹ thuật động thựchiện các tính toán “trên đường đi” Như vậy các kỹ thuật

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

2.4 Các kỹ thuật duy trì cấu hình lai ghép

Các kết hợp của các kỹ thuật duy trì cấu hình động vàtĩnh 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 xâydựng cấu hình cơ bản bằng công vụ mô phỏng Atarraya1.0 Trước tiên phân tích giao thức đơn giản Simple treexây 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 cáchthay đổi trạng thái nút Trên cùng một vùng triển khai vớicác tham số như nhau, mô phỏng theo giao thức xây dựngcấu hình phân cấp A3 để so sánh

Minh họa tiến trình trao đổi bản tin như sơ đồ hình 2.1

Gửi bản tin Hello

Thiết lập thời gian chờ bàn tin Reply

Bản tin Hello

Địa chỉ nhận = A

Level = 0

Bản tin Hello Địa chỉ nhận = A Level = 0 Nhận bản tin Hello

Gửi bản tin Reply

Bản tin Reply

ID = B Bản tin Reply

ID = C Bản tin Reply

ID = D

Hết thời gian chờ Danh sách trả lời Nếu số trả lời > 0

Nếu B > 20 Bản tin chấp nhận tới nút B Nhận bản tin chấp nhận

Thiết lập thời gian chờ ngẫu nhiên Hết thời gian chờ ngẫu nhiên

Bản tin Hello Địa chỉ nhận = A Level = 1

Hình 2.1 Sơ đồ trình tự trao đổi bản tin