Luận án Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng mạng manet
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
VŨ KHÁNH QUÝ
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU
NĂNG MẠNG MANET
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2021
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
VŨ KHÁNH QUÝ
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU
NĂNG MẠNG MANET
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mãsố:9.52.02.08
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Tiến Ban
2. PGS.TS. Nguyễn Đình Hân
Hà Nội - 2021
i
LỜI CAM ĐOAN
Nghiên cứu sinh cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình. Các
kết quả, số liệu nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan.
Một phần nội dung của luận án đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên
ngành, phần còn lại chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã
được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2021
TÁC GIẢ LUẬN ÁN
NCS. Vũ Khánh Quý
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu giải pháp cải thiện
hiệu năng mạng MANET”, nghiên cứu sinh đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình về
mọi mặt của tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ của Khoa Viễn thông 1, Khoa
Đào tạo Sau Đại học, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Nghiên cứu sinh
chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó.
Nghiên cứu sinh vô cùng biết ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của các thầy
hướng dẫn.
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, các thầy/cô giáo và đồng
nghiệp tại cơ quan công tác về sự quan tâm, ủng hộ chí tình trong mọi hoàn cảnh.
Đây là điều kiện và nguồn động lực to lớn để nghiên cứu sinh yên tâm công tác, học
tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Đặc biệt, nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn
các nhà khoa học, các chuyên gia đã dành thời gian đọc và góp ý cho nghiên cứu sinh
hoàn thiện luận án.
Nghiên cứu sinh sẽ luôn trân trọng và ghi nhớ những tình cảm thân thương, sự
tin tưởng, động viên, khích lệ mà người thân, gia đình đã dành cho nghiên cứu sinh
trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này.
Hà nội, ngày 20 tháng 01 năm 2021
TÁC GIẢ LUẬN ÁN
NCS. Vũ Khánh Quý
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii
MỤC LỤC.............................................................................................................iii
BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................... v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ x
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. MANET VÀ BÀI TOÁN CẢI THIỆN HIỆU NĂNG .................... 7
1.1. Mô hình hệ thống mạng MANET................................................................... 7
1.2. Hiệu năng mạng MANET............................................................................... 8
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng........................................................................ 8
1.2.2. Các tiêu chí đánh giá hiệu năng thông qua mô phỏng ...................... 9
1.3. Tình hình nghiên cứu liên quan đến luận án................................................. 10
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................... 10
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới.................................................. 11
1.4. Xác định bài toán nghiên cứu........................................................................ 17
1.5. Kết luận Chương 1 ........................................................................................ 19
CHƯƠNG 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET ................................... 20
2.1. Nguyên lý định tuyến trong mạng MANET ................................................. 20
2.1.1. Định tuyến chủ động ....................................................................... 20
2.1.2. Định tuyến theo yêu cầu.................................................................. 21
2.2. Tham số định tuyến....................................................................................... 22
2.2.1. Đặc điểm của tham số định tuyến ................................................... 23
2.2.2. Tham số dựa trên lưu lượng............................................................ 23
2.2.3. Tham số dựa trên thông tin vô tuyến .............................................. 28
2.2.4. Tham số dựa trên vị trí và di động .................................................. 29
2.2.5. Tham số dựa trên năng lượng.......................................................... 30
2.3. Bài toán lựa chọn tham số định tuyến........................................................... 33
2.3.1. Đơn tham số .................................................................................... 33
2.3.2. Đa tham số....................................................................................... 34
2.4. Phương thức thu nhận thông tin định tuyến.................................................. 35
2.5. Một số giao thức định tuyến tiêu biểu........................................................... 36
2.5.1. Giao thức định tuyến AODV và DSR............................................. 36
2.5.2. Giao thức định tuyến OLSR và DSDV........................................... 38
2.5.3. Đánh giá hiệu năng mạng với các giao thức tiêu biểu .................... 39
2.6. Kết luận Chương 2 ........................................................................................ 44
iv
CHƯƠNG 3. ĐỊNH TUYẾN CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG MANET ...... 45
3.1. Giao thức định tuyến A-WCETT.................................................................. 45
3.1.1. Cách tiếp cận và ý tưởng thiết kế.................................................... 45
3.1.2. Tham số định tuyến......................................................................... 46
3.1.3. Đặc tả giao thức............................................................................... 47
3.1.4. Mô phỏng và phân tích hiệu năng mạng......................................... 50
3.2. Giao thức định tuyến MM-AODV................................................................ 53
3.2.1. Cách tiếp cận và ý tưởng thiết kế.................................................... 53
3.2.2. Tham số định tuyến......................................................................... 53
3.2.3. Đặc tả giao thức............................................................................... 54
3.2.4. Mô phỏng và phân tích hiệu năng mạng......................................... 56
3.3. Giao thức định tuyến Q-AODV.................................................................... 60
3.3.1. Cách tiếp cận và ý tưởng thiết kế.................................................... 60
3.3.2. Tham số định tuyến......................................................................... 60
3.3.3. Đặc tả giao thức............................................................................... 61
3.3.4. Mô phỏng và phân tích hiệu năng mạng......................................... 65
3.4. Kết luận Chương 3 ........................................................................................ 70
CHƯƠNG 4. ĐỊNH TUYẾN NÂNG CAO TUỔI THỌ MẠNG MANET ........ 71
4.1. Định tuyến tiết kiệm năng lượng................................................................... 71
4.1.1. Giới thiệu......................................................................................... 71
4.1.2. Giao thức định tuyến AERP............................................................ 72
4.1.3. Giao thức định tuyến HPLR............................................................ 77
4.1.4. Đánh giá hiệu năng.......................................................................... 79
4.2. Giải pháp phối hợp mạng MANET và đám mây.......................................... 83
4.2.1. Giới thiệu......................................................................................... 83
4.2.2. Định tuyến dựa trên cơ chế phối hợp của các máy chủ .................. 85
4.2.3. Phân tích hiệu quả của cơ chế đề xuất ............................................ 86
4.2.4. Đánh giá hiệu năng.......................................................................... 87
4.3. Kết luận Chương 4 ........................................................................................ 90
KẾT LUẬN.......................................................................................................... 91
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN ............................................ 93
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............................................ 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 95
PHỤ LỤC........................................................................................................... 102
v
BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu
Ý nghĩa
Số gói tin gửi bởi nút nguồn
Số gói tin nhận được tại nút đích
Thời gian gửi gói tin tại nút nguồn
Thời gian nhận gói tin tại nút đích
Kích thước gói tin
ꢀ
ꢁ
ꢀ
ꢂ
ꢃꢁ
ꢃꢂ
ꢄꢅ
Thời gian thực hiện một mô phỏng
ꢅ
Tổng số gói tin định tuyến trong một mô phỏng
Dự kiến tuổi thọ tối thiểu của tuyến j
Xác suất truyền thành công gói tin
Xác suất nhận thành công gói tin
Số lần truyền dự kiến trên liên kết i
Tổng ETX của các chặng thuộc tuyến p
Băng thông của kết nối
ꢀꢆꢇꢈꢉꢃꢊꢋꢌꢃꢍꢎꢏ
ꢐ (ꢃ)
ꢑ
ꢒꢓ
ꢒꢂ
ꢔꢅꢕ(ꢖ)
ꢔꢅꢕ
ꢗ
ꢔꢅꢅ
Chi phí ETT trên liên kết i
(ꢖ)
Chi phí ETT trên tuyến p
ꢔꢅꢕ
ꢘ
Trọng số cân bằng
Năng lượng còn lại của nút mạng i
Năng lượng khởi tạo ban đầu của mỗi nút mạng
Tổng năng lượng tiêu thụ
ꢔꢖ
ꢔꢙꢚꢛ
ꢅꢜꢔ
ꢝ
Tuyến đường giữa một cặp nút nguồn-đích
Tập các tuyến đường giữa một cặp nút nguồn-đích
Liên kết trực tiếp giữa hai nút mạng
ꢀ
ꢞ
vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh
Thuật ngữ Tiếng Việt
1
Giao thức định tuyến đa tham
số cho ứng dụng mạng đa
phương tiện dựa trên vị trí
Multimedia Multimetric Map-
Aware Routing Protocol
3MRP
4G/5G
4/5 Mobile Generation
Thế hệ mạng di động thứ 4/5
A
Advance Weighted
Cumulative Expected
Transmission Time Routing
Protocol
Giao thức định tuyến trọng số
tích lũy ETT cải tiến
A-WCETT
ACK
Acknowledgement
Xác nhận
An Advanced Energy Efficient Giao thức định tuyến hiệu quả
and High Performance Routing năng lượng và đảm bảo hiệu
AERP
Protocol
năng
ALMEL-
AODV
Alternate Link Maximum
Energy Level-AODV
Giao thức định tuyến dựa trên
mức năng lượng của liên kết
Ad-Hoc On Demand Distance
Vector
AODV
Định tuyến theo yêu cầu
B
BA
Back Agent
Tác tử trả lời
Balanced Battery Usage Ad
hoc On-demand Distance
Vector
BBU-
AODV
Giao thức định tuyến cân bằng
pin theo vector khoảng cách
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ Bit lỗi
C
Cluster-Base Life-Time
Routing
Constant Bit Rate
Cross Layer Decision Based
Routing Protocol
Giao thức định tuyến phân cụm
dựa trên tuổi thọ của nút mạng
Tốc độ bit không đổi
Giao thức định tuyến dựa trên
quyết định xuyên lớp
CBLTR
CBR
CLDBRP
Định tuyến dựa trên tham số
pin tối thiểu- tối đa và điều kiện
CMMBCR Conditional MMBCR
Control Overhead Reduction
Algorithm
Thuật toán giảm gói tin điều
khiển
CORA
Mạng truy nhập vô tuyến đám
mây
C-RAN
D
Cloud- Radio Access Network
Destination Sequenced
Distance Vector
Destination Sequence Number Số thứ tự định danh đích
Giao thức định tuyến vector
khoảng cách theo thứ tự đích
DSDV
DSN
vii
Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh
Thuật ngữ Tiếng Việt
Giao thức định tuyến nguồn
động
DSR
E
Dynamic Source Routing
Giao thức định tuyến tiết kiệm
năng lượng dựa trên DSR
Thời gian truyền kỳ vọng
ESDSR
Energy Saving DSR
ETT
ETX
F
Expected Transmission Time
Expected Transmission Count Số lần truyền dự kiến
FA
G
Forward Agent
Tác tử chuyển tiếp
GPS
H
Global Poisitioning System
Hop Count based Energy
Hệ thống định vị toàn cầu
Định tuyến nguồn động tiết
kiệm năng lượng theo số hop
HCESDSR Saving Dynamic Source
Routing
High Performance Longer
Lasting Network Lifetime
Routing Protocol
Giao thức định tuyến hiệu năng
cao và tăng tuổi thọ của mạng
HPLR
I
ID
Identify
Định danh gói tin
Intersection Dynamic VANET Giao thức định tuyến mạng các
Routing phương tiện giao thông
The Internet Engineering Task Nhóm đặc trách kỹ thuật
IDVR
IETF
Force
Internet
L
LQ
Queue Length
Độ dài hàng đợi
M
MAC
MANET
MAR-
AODV
Medium Access Control
Mobile Ad hoc Network
Điều khiển truy cập môi trường
Mạng di động tùy biến
Giao thức định tuyến AODV
dựa trên tác tử di động
Mobile Agent -AODV
Minimum Battery Cost
Routing
MBCR
Định tuyến số liệu pin tối thiểu
MM-
AODV
Giao thức định tuyến đa tham
số
Multi-Metric AODV
Max - Minimum Battery Cost Định tuyến dựa trên tham số
MMBCR
MPR
Routing
pin tối thiểu- tối đa
Multi-Point Relay
Multiple QoS Parameters
based Routing protocol
Chuyển tiếp đa điểm
Giao thức định tuyến sử dụng
đa tham số đảm bảo QoS
MQSPR
Giao thức định tuyến tối thiểu
hóa công suất
MTPR
Minimal Total Power Routing
viii
Từ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh
Thuật ngữ Tiếng Việt
Định tuyến với tổng công suất
tối thiểu
MTPR
Minimal Total Power Routing
N
NP-
complete
NS2
O
Non-deterministic Polynomial- Bài toán có độ phức tạp không
time Complete
xác định trong thời gian đa thức
Network Simulator 2
Phần mềm mô phỏng mạng
Optimized Link State Routing Giao thức định tuyến tối ưu
OLSR
OSPF
Protocol
đường liên kết
Giao thức định tuyến theo trạng
thái đường liên kết
Open Shortest Path First
OSI
P
Open Systems Interconnection Mô hình tham chiếu 7 lớp
PLR
Packet Loss Ratio
High-Performance Routing
Protocol
Tỷ lệ mất gói tin
Giao thức định tuyến hiệu năng
cao
PRP
Q
Giao thức định tuyến đảm bảo
chất lượng dịch vụ
Q-AODV
Quality-AODV
R
RREP
RREQ
RRER
S
Route Reply
Route Request
Router Error
Gói tin trả lời lộ trình
Gói tin yêu cầu lộ trình
Gói tin điều khiển báo lỗi
SNR
Signal to Noise Ratio
Signal Stability-based
Adaptive Routing Protocol
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
Giao thức định tuyến thích nghi
dựa trên cường độ tín hiệu
SSA
T
TCP
TCE
Transmission Control Protocol Giao thức truyền tin cậy
Total Comsumed Energy
Temporally Ordered Routing
Algorithm
Tổng năng lượng tiêu thụ
Thuật toán định tuyến theo thứ
tự thời gian
TORA
TTL
Time To Live
Thời gian sống của gói tin
V
Mạng tùy biến các phương tiện
giao thông
VANET
Vehicular Ad-hoc Network
VoD
VoIP
W
Video on Demand
Voice over Internet Protocol
Dịch vụ video theo yêu cầu
Truyền âm thanh dựa trên IP
Weighted Cumulative
Expected Transmission Time
Giao thức định tuyến sử dụng
trọng số tích lũy ETT
WCETT
ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Ba trạng thái năng lượng của nút mạng. ..............................................31
Bảng 2.2. Các tham số mô phỏng.........................................................................40
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của tham số ꢘ và cách tính chi phí A-WCETT..................49
Bảng 3.2. Các tham số mô phỏng.........................................................................50
Bảng 3.3. Các tham số mô phỏng.........................................................................56
Bảng 3.4. Bộ hệ số hiệu năng mô phỏng. .............................................................57
Bảng 3.5. Bảng tham số mô phỏng.......................................................................65
Bảng 4.1. Minh họa phương thức tính AERP.......................................................76
Bảng 4.2. Bảng tham số mô phỏng.......................................................................79
x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Minh họa một số ứng dụng của mạng MANET. .......................................2
Hình 1.1. Mô hình đồ thị của mạng MANET.........................................................7
Hình 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng MANET [83]. .............8
Hình 1.3. Một số ứng dụng của MANET phục vụ con người. .............................10
Hình 1.4. Thống kê số bài báo đề xuất các giao thức định tuyến [83]. ................12
Hình 1.5. Các tham số định tuyến được khảo sát [83]..........................................13
Hình 1.6. Xác định bài toán nghiên cứu. ..............................................................18
Hình 2.1. Phát quảng bá gói tin yêu cầu tìm đường RREQ..................................21
Hình 2.2. Phát định danh gói tin RREP trả về thông tin đường đi. ......................21
Hình 2.3. Các tham số cơ bản theo hướng tiếp cận lưu lượng [83]......................24
Hình 2.4. Mô hình hàng đợi của các nút di động..................................................25
Hình 2.5. Ba trạng thái xác định tuyến đường của AODV...................................37
Hình 2.6. Tiến trình xác định nút MPR trong OLSR. ..........................................38
Hình 2.7. Tỷ lệ phân phối trung bình - kịch bản di động. ....................................41
Hình 2.8. Thông lượng trung bình - kịch bản di động..........................................41
Hình 2.9. Thời gian trễ trung bình - kịch bản di động..........................................41
Hình 2.10. Tải định tuyến trung bình - kịch bản di động. ....................................41
Hình 2.11. Tỷ lệ phân phối trung bình - kịch bản lưu lượng................................43
Hình 2.12. Thông lượng trung bình - kịch bản lưu lượng. ...................................43
Hình 2.13. Thời gian trễ trung bình - kịch bản lưu lượng. ...................................43
Hình 2.14. Tải định tuyến trung bình - kịch bản lưu lượng..................................43
Hình 3.1. Đề xuất cấu trúc của tác tử di động: a) A_Request; b) A_Reply. ........46
Hình 3.2. Minh họa các tuyến đường ứng viên sau thủ tục tìm kiếm...................49
Hình 3.3. Đánh giá hiệu năng dựa theo tiêu chí: Trễ trung bình..........................51
Hình 3.4. Đánh giá hiệu năng dựa theo tiêu chí: Thông lượng trung bình...........52
Hình 3.5. Đánh giá hiệu năng dựa theo tiêu chí: Tỷ lệ phân phối gói tin.............52
Hình 3.6. Đánh giá hiệu năng dựa theo tiêu chí: Tỷ lệ phân phối gói tin.............57
Hình 3.7. Đánh giá hiệu năng dựa theo tiêu chí: Trễ trung bình..........................58
Hình 3.8. Đánh giá hiệu năng dựa theo tiêu chí: Thông lượng trung bình...........59
Hình 3.9. Thủ tục xử lý gói RREQ tại các nút trung gian (Quality-check)..........62
Hình 3.10. Tập tuyến đường ứng viên giữa một cặp nút S-D. .............................63
xi
Hình 3.11. Tỷ lệ phân phối gói tin - mô hình Adaptive. ......................................66
Hình 3.12. Thông lượng trung bình - mô hình Adaptive......................................67
Hình 3.13. Trễ trung bình - mô hình Adaptive.....................................................67
Hình 3.14. Tỷ lệ phân phối gói tin - mô hình Admission.....................................68
Hình 3.15. Trễ trung bình - mô hình Admission. .................................................69
Hình 3.16. Tải định tuyến - mô hình Admission..................................................70
Hình 4.1. Xác lập và duy trì tuyến đường trong giao thức AERP........................73
Hình 4.2. Thủ tục Energy-check...........................................................................73
Hình 4.3. Các tuyến đường ứng viên thu được sau tiến trình tìm đường.............74
Hình 4.4. Thay đổi định dạng gói tin điều khiển giao thức AODV. ....................76
Hình 4.5. Tuổi thọ của mạng. ...............................................................................80
Hình 4.6. Tỷ lệ phân phối gói tin trung bình. .......................................................81
Hình 4.7. Trễ trung bình. ......................................................................................82
Hình 4.8. Thông lượng trung bình........................................................................82
Hình 4.9. Mô hình kiến trúc mạng Cloud-assited MANET. ................................83
Hình 4.10. Hoạt động của cơ chế hợp tác giữa các Super-Peer............................85
Hình 4.11. Minh họa lộ trình và chi phí thực hiện giao dịch ...............................88
Hình 4.12. Chi phí thực hiện giao dịch tìm kiếm khi có 50 máy chủ...................89
Hình 4.13. Chi phí thực hiện giao dịch tìm kiếm khi có 100 máy chủ.................90
1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị di dộng
(máy tính xách tay, thiết bị cầm tay PDA, điện thoại thông minh, v.v.) và ứng dụng
đa phương tiện đã tạo nên một cuộc cách mạng mới trong ngành truyền thông dữ liệu.
Theo báo cáo của Cisco năm 2017, lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu đã tăng 18 lần
trong vòng 5 năm qua, chiếm 63% tổng lưu lượng mạng và đạt 7,2 exabytes mỗi
tháng với trên 8 tỉ thiết bị di động tham gia kết nối mạng. Dự kiến đến năm 2021, lưu
lượng dữ liệu di động toàn cầu sẽ tăng 7 lần so với hiện tại và có trên 11,6 tỉ thiết bị
di động tham gia kết nối mạng. Trong đó, lưu lượng dữ liệu đa phương tiện chiếm ¾
lưu lượng mạng toàn cầu [18]. Để đáp ứng yêu cầu kết nối các thiết bị và khả năng
truyền tải dữ liệu ngày càng gia tăng, công nghệ mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) đang
được hình thành và phát triển.
Nhiều ứng dụng dựa trên các thiết bị di động hiện nay đòi hỏi mạng kết nối
chúng phải linh hoạt, có thể kết nối mọi lúc, mọi nơi mà không bị giới hạn hay phụ
thuộc vào một kiến trúc hạ tầng nhất định. Trong số những công nghệ mạng thỏa mãn
tốt nhất yêu cầu đặt ra, mạng di động tùy biến (mạng MANET - Mobile Ad-hoc
Network) chiếm một vị trí quan trọng và được dự đoán sẽ rất phổ biến trong tương
lai. Ra đời từ những năm 1970, MANET là một kiểu mạng di động có ưu điểm vượt
trội trong truyền thông dữ liệu: hạ tầng linh hoạt, hỗ trợ di động, cho phép kết nối tốt
hơn, đảm bảo chuyển giao ổn định giữa các mạng khác nhau, v.v. Mạng MANET
luôn được xem là một công cụ giao tiếp rất thuận tiện, đặc biệt, đã có nhiều ứng dụng
thiết thực phục vụ con người trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe [5], [51], cứu
hộ, khắc phục thảm họa [12], [60], giải trí [59], [84], quân sự [61], giao thông thông
minh [20], [56], và thành phố thông minh [4], được minh họa trong Hình 1 và rất
nhiều các lĩnh vực khác đã được chỉ ra trong [8].
2
Chăm sóc
sức khỏe
Thành phố
thông minh
Cứu hộ
Các ứng dụng
của mạng
MANET
Quân sự
Giải trí
Hình 1. Minh họa một số ứng dụng của mạng MANET.
Về bản chất, mạng MANET là mạng tự tổ chức, được hình thành tạm thời giữa
các thiết bị di động mà không đòi hỏi phải có một hạ tầng cố định. Điều này có nghĩa
là mạng MANET cho phép nhiều thiết bị kết nối mạng trong những khu vực không
có hạ tầng truyền thông. Mỗi nút di động khác nhau trong mạng MANET có thể có
những đặc điểm riêng về nguồn năng lượng, bộ phận thu phát sóng, khả năng tính
toán, v.v. Hơn nữa, chúng có thể di chuyển tự do về mọi hướng theo các tốc độ khác
nhau và giao tiếp với các nút mạng khác một cách tùy ý. Các nút mạng tự quyết định
việc kết nối mạng và giữa chúng có thể hình thành một mô hình mạng bất kỳ.
Tương tự mạng không dây truyền thống, mạng MANET phải đối mặt với các
bài toán: quản lý công suất, bảo mật và tối ưu băng thông. Ngoài ra, vấn đề thiếu hạ
tầng cố định và kiểu truyền thông đa chặng trong mạng MANET cũng làm phát sinh
nhiều bài toán mới cần phải giải quyết (Ví dụ, bài toán định tuyến, duy trì topo mạng,
quản lý các nút theo không gian và phát hiện thiết bị, v.v.). Các bài toán của mạng
MANET luôn nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học và đã được
nghiên cứu từ rất sớm. Nhiều giải pháp đã được đề xuất, góp phần nâng cao khả năng
ứng dụng của mạng MANET. Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu kết nối thiết bị và truyền
tải dữ liệu của mạng tương lai, hiệu năng của mạng MANET cần phải được cải thiện.
Đây là hướng nghiên cứu cơ bản, trọng tâm của mạng MANET hiện nay.
3
Hiệu năng của mạng MANET phụ thuộc vào quy mô của mạng, mô hình truyền
thông và môi trường giao tiếp vô tuyến [24], [45], [88]. Trong mạng MANET, vì các
nút mạng di động phải hợp tác với nhau để truyền gói tin, giao thức định tuyến có vai
trò đặc biệt quan trọng đối với vấn đề cải thiện hiệu năng mạng [82]. Vì không sử
dụng một hạ tầng mạng cố định và do đặc tính biến động mạnh của các nút mạng,
định tuyến trong mạng MANET là một thách thức rất lớn. Hơn nữa, sự thiếu thốn về
tài nguyên, nhất là năng lượng và băng thông càng làm cho việc truyền thông trong
mạng MANET thực sự khó khăn. Tuy vậy, hoạt động nghiên cứu đề xuất, cải tiến
giao thức định tuyến cho mạng MANET đã và đang diễn ra rất sôi động. Chỉ tính
riêng những công trình khoa học đăng tải trên IEEE Xplore Digital Library trong 8
năm gần đây, đã có khoảng 38 giao thức định tuyến cho mạng MANET được thiết
lập. Điều này xuất phát từ thực tế đỏi hỏi phải có các giao thức định tuyến phù hợp
để đáp ứng yêu cầu mới, ngày một cao hơn từ các ứng dụng về tiêu chuẩn, chất lượng
và hiệu quả của các dịch vụ mạng. Chẳng hạn, một số giao thức tiêu biểu đã được
tiêu chuẩn hóa để trở thành giao thức định tuyến chuẩn của mạng MANET. Song,
chính các giao thức định tuyến này cũng sớm bộc lộ những hạn chế. Ví dụ, hai giao
thức kinh điển đã được IETF chuẩn hóa là AODV [10] và DSDV [26] đều sử dụng
số chặng (hop-count) làm tham số định tuyến. Theo [24], tham số này là không hiệu
quả đối với yêu cầu đảm bảo chất lượng dịch vụ của các ứng dụng đa phương tiện.
Qua phân tích ở trên có thể khẳng định: cải thiện hiệu năng của mạng MANET
là hướng nghiên cứu có tính thời sự và cấp thiết. Trong đó, việc thiết lập được các
giao thức định tuyến hiệu quả, phù hợp sẽ là chìa khóa cho vấn đề nghiên cứu đặt ra.
Đây là chủ đề nghiên cứu mở và rất lý thú. Do vậy, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài
“Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng mạng MANET” cho luận án của mình.
1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Trong luận án, nghiên cứu sinh hướng tới xây dựng các mô hình và chương trình
tính toán nhằm khảo sát, đánh giá và cải thiện hiệu năng của mạng MANET. Đây
chính là ý nghĩa khoa học của luận án. Ý nghĩa thực tiễn mà nghiên cứu sinh hi vọng
đạt được thể hiện ở các giao thức, giải thuật mà luận án đề xuất nhằm cải thiện hiệu
năng cho MANET, từ đó góp phần nâng cao chất lượng truyền tin của mạng MANET.
4
2. Mục tiêu, kết quả cần đạt được của luận án
Từ các phân tích trên, mục tiêu của luận án là nghiên cứu, đề xuất các cơ chế,
giao thức nhằm cải thiện hiệu năng mạng MANET. Bên cạnh đó, luận án cũng quan
tâm đến các giải pháp nâng cao tuổi thọ mạng trong mối tương quan với hiệu năng
nhằm góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ truyền tin cũng như mở rộng khả năng
của mạng MANET. Một số kết quả đặt ra của luận án là:
- Đề xuất các giao thức định tuyến cải thiện hiệu năng cho mạng MANET.
- Đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao tuổi thọ mạng cho mạng MANET.
Mô phỏng, đánh giá và so sánh hiệu năng các giao thức, giải pháp đề xuất với
các giao thức, giải pháp truyền thống của mạng MANET dựa trên phần mềm mô
phỏng sự kiện rời rạc (NS2) và đề xuất các giải pháp áp dụng.
3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Dựa trên mục tiêu và kết quả cần đạt, phạm vi nghiên cứu của luận án là tập
trung vào đề xuất các giao thức, giải pháp định tuyến nhằm cải thiện hiệu năng, kéo
dài tuổi thọ cho mạng MANET. Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là hệ thống
mạng MANET, hiệu năng, tuổi thọ của hệ thống này. Tham số hiệu năng của hệ thống
được đánh giá trong luận án này là tỷ lệ phân phối gói tin (ꢀꢟꢐ), thời gian trễ
(ꢟꢉꢞꢆꢠ), thông lượng (ꢅℎꢊꢋꢌꢏℎꢝꢌꢃ).
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án thực hiện nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng. Về lý thuyết, luận án thực
hiện khảo sát, phân tích, tổng hợp đánh giá các nghiên cứu liên quan trong và ngoài
nước, từ đó xác định các vấn đề nghiên cứu khả thi, hệ thống hóa các vấn đề cần
nghiên cứu, xây dựng mô hình bài toán, đề xuất giải thuật khả thi, mô phỏng, phân
tích và đánh giá hiệu quả của giải thuật.
5. Bố cục của luận án
Với các mục tiêu nghiên cứu đã nêu ở trên, kết quả nghiên cứu của luận án gồm
ba phần: Mở đầu, Nội dung và Kết luận. Phần Nội dung gồm 04 chương:
5
Chương I, với tiêu đề “Mạng MANET và bài toán cải thiện hiệu năng” trình
bày các nội dung liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án, gồm: Tổng quan về
mạng MANET, các vấn đề chính liên quan đến hiệu năng, nguyên lý định tuyến trong
MANET, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, và cuối cùng, luận án xác định
bài toán nghiên cứu.
Nhằm tìm kiếm phương thức giải quyết các vấn đề nghiên cứu đã được xác định.
Chương II, với tiêu đề “Định tuyến trong mạng MANET” trình bày các nội dung
liên quan đến vấn đề định tuyến trong mạng MANET, gồm: khảo sát các tham số và
giao thức định tuyến, đánh giá hiệu năng các giao thức định tuyến cho mạng MANET.
Một phần nội dung của Chương 2 đã được công bố trong 02 bài báo: 01 bài đăng trên
tạp chí Scopus, Journal of Communications [J1] và 01 bài đăng trên Hội nghị Khoa
học Quốc gia về CNTT & TT lần thứ 11 (FAIR 2018) [C1].
Chương 3, với tiêu đề “Định tuyến cải thiện hiệu năng mạng MANET” trình
bày 03 giao thức định tuyến đề xuất nhằm cải thiện hiệu năng cho 03 cấu trúc
MANET, gồm: (1) Giao thức định tuyến A-WCETT để cải thiện hiệu năng cho các
mạng MANET hoạt động đa kênh; (2) Giao thức định tuyến MM-AODV để cải thiện
hiệu năng cho mạng MANET và (3) Giao thức định tuyến Q-AODV nhằm đảm bảo
chất lượng dịch vụ cho các mạng MANET đa phương tiện. Một phần nội dung của
Chương 3 đã được công bố trong 03 bài báo: 01 bài trên Tạp chí Công nghệ thông tin
và truyền thông (Chuyên san các công trình nghiên cứu phát triển CNTT & TT) [J2];
01 bài tại Hội nghị quốc tế ACIIDS 2018, Springer [C2] và 01 bài trên tạp chí quốc
tế Scopus, Journal of Communications [J3].
Chương 4, với tiêu đề “Định tuyến nâng cao tuổi thọ mạng MANET” trình
bày các giải pháp nhằm nâng cao tuổi thọ cho mạng MANET, gồm: (1) Giao thức
định tuyến AERP nhằm tăng tuổi thọ cho mạng MANET, (2) giao thức định tuyến
HPLR được cải tiến từ giao thức AERP nhằm cải thiện hiệu năng và tuổi thọ cho
mạng MANET và (3) giao thức định tuyến kết hợp tìm kiếm dựa trên cơ chế phối hợp
giữa các máy chủ đám mây trong mạng MANET được hỗ trợ bởi đám mây (Cloud-
assited MANET) nhằm mở rộng không gian hoạt động và tuổi thọ của MANET. Các
đóng góp của luận án được trình bày trong chương này đã được công bố trong 03 bài
6
báo: 01 bài đăng trên tạp chí Scopus, Journal of Communications [J4]; 01 bài đăng
trên Hội nghị khoa học quốc tế lần thứ 10, Advanced Technologies for
Communications (ATC 2018), IEEE Xplore [C4] và 01 bài đăng trên Hội nghị khoa
học quốc gia về CNTT & TT lần thứ 8, FAIR 2015 [C3].
Mỗi giao thức hoặc cơ chế đề xuất đều được trình bày theo cấu trúc gồm: giới
thiệu, mô tả thiết kế, mô phỏng và phân tích kết quả. Trong phần Kết luận, trình bày
tóm tắt và bàn luận những đóng góp chính và mới của luận án, cả về ưu điểm và hạn
chế, từ đó gợi mở hướng phát triển tiếp theo.
7
CHƯƠNG 1. MANET VÀ BÀI TOÁN CẢI THIỆN HIỆU NĂNG
Tóm tắt: Trong chương này luận án trình bày về mô hình, các yếu tố chính ảnh
hưởng và tiêu chí đánh giá hiệu năng mạng MANET; khảo sát các nghiên cứu trong
và ngoài nước liên quan đến hiệu năng mạng MANET để từ đó tìm ra các hạn chế
của các nghiên cứu trước đây và xác định cụ thể bài toán nghiên cứu của luận án.
1.1. Mô hình hệ thống mạng MANET
Hình 1.1. Mô hình đồ thị của mạng MANET.
Để trình bày nguyên lý và những ý tưởng chính của giao thức, luận án sử dụng
một đồ thị có trọng số G để biểu diễn mô hình mạng MANET như sau:
Định nghĩa 1.1: Gọi ꢡ = (ꢢ, ꢔ) là đồ thị truyền thông trong mạng MANET.
Khi đó ꢢ = {ꢢ , . . . , ꢢ } là tập hữu hạn các đỉnh của G, ꢔ là tập hữu hạn các cạnh. Với
ꢣ
ꢤ
mỗi cặp nút ꢢ , ꢢ , chúng ta có ꢔꢖꢑ = ꢥꢢ , ꢢ ꢦ nếu hai nút liên kết trực tiếp với nhau.
ꢖ
ꢑ
ꢖ
ꢑ
Để biểu diễn khả năng tính toán và lựa chọn tuyến đường truyền tin phù hợp
của giao thức, luận án mô hình hóa kiến trúc liên mạng bởi một đồ thị có trọng số.
Mỗi cạnh ꢔꢖꢑ của cặp nút ꢥꢢ , ꢢ ꢦ sẽ được thiết lập một trọng số ꢧ . Ở đây, ꢧ biểu
ꢖ
ꢑ
ꢖ,ꢑ
ꢖ,ꢑ
diễn giá trị của các tham số định tuyến. Lưu ý, trong mạng MANET hai nút mạng bất
kỳ có thể có kết nối trực tiếp (tức là một cạnh của đồ thị) hoặc kết nối gián tiếp thông
qua các nút trung gian (tức là một đường đi trong đồ thị). Vì vậy, các tuyến đường từ
Tải về để xem bản đầy đủ
116 trang
19040
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng mạng manet", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_nghien_cuu_giai_phap_cai_thien_hieu_nang_mang_manet.pdf
