Nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa cơ chế sử dụng năng lượng của các nút di động nhằm nâng cao hiệu năng định tuyến trong mạng AD hoc

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN

THÔNG

ĐẶNG HẢI NAM

NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ TỐI ƯU HÓA CƠ CHẾ

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CỦA CÁC NÚT DI

ĐỘNG NHẰM NÂNG CAO HIỆU NĂNG ĐỊNH

TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 8 52 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ ĐÌNH CƯỜNG

Thái Nguyên - 2021

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu vấn đề tối ưu hoá

cơ chế sử dụng năng lượng của các nút di động nhằm nâng cao hiệu năng định

tuyến trong mạng ad hoc” tôi đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của

các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại

học Thái Nguyên để hoàn thành luận văn này.

Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám

hiệu, phòng Đào tạo, Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông, các thầy giáo,

cô giáo thuộc Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học

Thái Nguyên đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

học tập, nghiên cứu.

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến Thầy TS. Đỗ Đình Cường - người

đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để tôi

hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ này.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động

viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có

thểcòn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng

góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn để luận văn được hoàn thiện.

Thái Nguyên, ngày … tháng …. năm 2021

Học viên

Đặng Hải Nam

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................i

MỤC LỤC........................................................................................................iii

DANH MỤC BẢNG......................................................................................... v

DANH MỤC HÌNH .........................................................................................vi

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC DI ĐỘNG VÀ

ỨNG DỤNG................................................................................3

1.1. Giới thiệu về mạng ad hoc di động ............................................................ 3

1.1.1. Định nghĩa và đặc trưng của mạng ad hoc di động................................. 3

1.1.2. Đặc điểm của mạng ad hoc di động ........................................................ 4

1.1.3. Ứng dụng của mạng ad hoc di động ....................................................... 5

1.2. Một số công nghệ của mạng ad hoc di động.............................................. 9

1.2.1 Các đặc tả của IEEE 802.11..................................................................... 9

1.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth............................................................ 10

1.2.3. Mô hình kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b............................... 12

1.2.4. Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b............................................................ 13

1.2.5. Mạng ad-hoc Bluetooth......................................................................... 17

1.3. Định tuyến trong mạng ad hoc di động.................................................... 19

1.3.1. Những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến trong mạng ad hoc di động. 19

1.3.2. Giao thức định tuyến AODV ................................................................ 20

1.4. Kết luận Chương 1 ................................................................................... 28

CHƯƠNG 2. VẤN ĐỀ TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG

AD HOC DI ĐỘNG THEO CÁCH TIẾP CẬN LIÊN TẦNG........ 30

2.1. Tổng quan về thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng.............. 30

2.2 Phương pháp tối ưu hóa năng lượng trên cơ sở cường độ tín hiệu nhận...... 31

2.2.1. Cơ chế hội thoại năng lượng ................................................................. 32

2.2.2. Loại bỏ các liên kết một chiều .............................................................. 35

iv

2.2.3. Khám phá đường tin cậy ....................................................................... 37

2.3. Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến........ 39

2.3.1. Khởi tạo mạng....................................................................................... 40

2.3.2. Đăng ký mạng ....................................................................................... 44

2.3.3. Độ đo giá của đường ............................................................................. 45

2.3.4. Quá trình hoạt động............................................................................... 46

2.4. Phương pháp định tuyến trên cơ sở nhận biết chất lượng liên kết........... 47

2.4.1. Thuật toán chuyển tiếp RREQ .............................................................. 47

2.4.2. Định tuyến đầu cuối có nhận biết chất lượng liên kết .......................... 50

2.5. Tổng kết chương 2 ................................................................................... 53

CHƯƠNG 3. NÂNG CAO HIỆU NĂNG ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG AD

HOC DI ĐỘNG BẰNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CLPC........ 55

3.1. Kiến trúc xuyên tầng trong giao thức CLPC............................................ 55

3.2. Điều khiển động năng lượng truyền......................................................... 56

3.2. Tiến trình tìm đường ................................................................................ 59

3.3. Tiến trình tìm lại đường ........................................................................... 61

3.4. Phân tích và đánh giá hiệu năng của giao thức CLPC............................. 62

3.4.1. Các độ đo hiệu năng.............................................................................. 62

3.4.2. Cấu hình mô phỏng ............................................................................... 63

3.4.3. Phân tích hiệu năng theo tốc độ di chuyển của nút mạng..................... 63

3.4.4. Phân tích hiệu năng theo kích cỡ mạng ................................................ 68

3.5. Kết luận Chương 3 ................................................................................... 71

KẾT LUẬN.................................................................................................... 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 74

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các tham số cấu hình mô phỏng..................................................... 63

Bảng 3.2. Giá trị trễ đầu cuối trung bình theo tốc độ di chuyển..................... 64

Bảng 3.3. Giá trị tỉ lệ truyền gói thành công theo tốc độ di chuyển ............... 65

Bảng 3.4. Giá trị tổng số gói tin điều khiển theo tốc độ di chuyển ................ 67

Bảng 3.5. Giá trị tỉ lệ truyền gói thành công theo số lượng nút...................... 68

Bảng 3.6. Giá trị trễ đầu cuối trung bình theo số lượng nút ........................... 69

Bảng 3.7. Giá trị số lượng gói tin điều khiển theo số lượng nút..................... 70

vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Minh họa mạng ad hoc di động......................................................... 3

Hình 1.2. Ví dụ minh họa mạng ad hoc di động trên xe bus ............................ 7

Hình 1.3. Một ví dụ của mạng Rooftop ............................................................ 8

Hình 1.4. Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802.11 ...................................... 10

Hình 1.5. Thông số chính của các chuẩn IEEE 802.11 và Bluetooth............. 11

Hình 1.6. Các chế độ hoạt động của IEEE 802.11b........................................ 12

Hình 1.7. Kiến trúc của IEEE 802.11 ............................................................. 13

Hình 1.8. Sử dụng frame ATIM...................................................................... 15

Hình 1.9. Cửa sổ ATIM .................................................................................. 16

Hình 1.10. Tác động của frame ATIM đối với chế độ tiết kiệm năng lượng. 17

Hình 1.11. Cấu trúc gói RREQ ....................................................................... 23

Hình 1.12. Cấu trúc gói RREP........................................................................ 25

Hình 1.13. Cấu trúc gói RRER ....................................................................... 27

Hình 2.1: Chia sẻ thông tin trong thiết kế xuyên tầng. ................................... 32

Hình 2.2. Tiến trình truyền RREP thất bại...................................................... 36

Hình 2.3. Tiến trình khám phá đường tin cậy................................................. 38

Hình 2.4. Sơ đồ luồng của giao thức xuyên tầng............................................ 39

Hình 2.5. Véc tơ quảng bá khởi tạo ................................................................ 40

Hình 2.6. Ví dụ về một tiến trình khởi tạo mạng đơn giản............................. 40

Hình 2.7. Mô hình minh họa sự quan trọng của tham số X........................... 42

Hình 2.8: Bảng định tuyến được xây dựng trên cơ sở IBV và IBF ................ 43

Hình 2.9. Lượng giá đường theo năng lượng còn lại của nút ......................... 46

Hình 2.10. Minh họa quá trình chuyển tiếp gói RREQ của AODV ............... 48

Hình 2.11. Minh họa quá trình chuyển tiếp gói RREQ của giao thức LA￾AODV ............................................................................................................. 52

Hình 3.1. Thiết kế xuyên tầng của giao thức CLPC....................................... 56

Hình 3.2. Phân loại các vùng truyền thông theo giá trị RSS .......................... 58

vii

Hình 3.3: Tiến trình tìm đường ....................................................................... 59

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán của tiến trình tìm đường .................................... 60

Hình 3.5. Tiến trình tìm lại đường .................................................................. 62

Bảng 3.2. Giá trị trễ đầu cuối trung bình theo tốc độ di chuyển..................... 64

Hình 3.6: Biểu đồ trễ đầu cuối theo tốc độ di chuyển..................................... 65

Bảng 3.3. Giá trị tỉ lệ truyền gói thành công theo tốc độ di chuyển ............... 65

Hình 3.7. Biểu đồ tỉ lệ truyền gói thành công theo tốc độ di chuyển ............. 66

Bảng 3.4. Giá trị tổng số gói tin điều khiển theo tốc độ di chuyển ................ 67

Hình 3.8: Biểu đồ tải định tuyến theo tốc độ di chuyển ................................. 67

Bảng 3.5. Giá trị tỉ lệ truyền gói thành công theo số lượng nút...................... 68

Hình 3.9. Biểu đồ Tỷ lệ truyền gói thành công theo số lượng nút.................. 69

Bảng 3.6. Giá trị trễ đầu cuối trung bình theo số lượng nút ........................... 69

Hình 3.10. Biểu đồ trễ đầu cuối trung bình theo số lượng nút ....................... 70

Hình 3.11. Biểu đồ tổng số gói tin điều khiển theo số lượng nút ................... 71

1

MỞ ĐẦU

Mặc dù ý tưởng nghiên cứu về mạng ad hoc di động (Mobile Ad hoc

Network) có từ những năm 70 của thế kỷ XX khi nghiên cứu về công nghệ Mobile

Packet Radio, hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề về mạng ad hoc di động dành

được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu như: bài toán định tuyến, tối ưu hóa

tầng vật lý và tầng MAC, khả năng tự cấu hình, các vấn đề về an ninh, các ứng

dụng và dịch vụ mới cho mạng ad hoc cùng kiến trúc của chúng …

Một mạng ad hoc di động làm việc trên nguyên lý quảng bá theo từng

chặng từ một nút nguồn tới các nút láng giềng nằm trong phạm vi truyền thông

của nó. Các vấn đề liên quan tới năng lượng truyền thông là những vấn đề phổ

biến ảnh hưởng tới chức năng của mạng không dây phi cấu trúc. Nó liên quan

tới toàn bộ các tầng trong ngăn xếp giao thức, từ tầng vật lý tới tầng chuyển

vận làm phát sinh ba vấn đề chính: độ trễ cao, mất gói tin và thông lượng thấp.

Do các tính chất khác biệt của mạng ad hoc di động so với mạng truyền

thống, có nhiều thách thức cần được giải quyết từ các nhà nghiên cứu và triển

khai công nghệ mạng này. Để góp phần giải quyết những vấn đề là thách thức

của mạng ad hoc di động, giao thức định tuyến sử dụng trong mạng này cần

đảm bảo được yêu cầu tối thiếu hoá tải điều khiển và tải xử lý, hỗ trợ định tuyến

đa chặng, đáp ứng những thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp.

Khi một giao thức được thiết kế theo nguyên tắc phân tầng, hoạt động của

giao thức này chỉ tập trung vào một tầng cụ thể nào đó mà không xem xét tới

các tham số từ các tầng khác của trong mô hình ngăn xếp giao thức. Vì vậy,

hoạt động của các giao thức chỉ đạt mục tiêu tại tầng mà nó được thiết kế chứ

không tối ưu cho vấn đề điều khiển năng lượng truyền thông gây ảnh hưởng tới

hiệu năng của toàn mạng.

Đã có nhiều cải tiến nghiên cứu được đề xuất nhằm cải tiến các giao thức

định tuyến cho mạng ad hoc di động. Tuy nhiên, mỗi đề xuất cải tiến chỉ áp