Tối ưu hóa topology trong mạng ad-hoc

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Tối ưu hóa topology trong mạng ad-hoc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Đức Hải

TỐI ƯU HÓA TOPOLOGY TRONG MẠNG AD-HOC

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUYNgành: Công nghệ thông tin

1.5 HÀ NỘI - 2009

1.6

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Đức Hải

TỐI ƯU HÓA TOPOLOGY TRONG MẠNG AD-HOC

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUYNgành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn:PGS.TS Trần Hồng Quân

1.12HÀ NỘI - 2009

1.13

Lời cảm ơn

Để hoàn thành được khóa luận này trước hết em xin gửi cảm ơn tất cả các thầycô trong trường Đại Học Công Nghệ đã truyền thụ cho em những kiến thức để có thểnghiên cứu những vấn đề của khóa luận, sự cảm ơn chân thành đến PGS.TS TrầnHồng Quân, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình làm khóa luận, đếnanh Vũ Anh Hải ban BCCS VNPT, người đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình xâydựng chương trình mô phỏng.

Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã giúpđỡ, tạo điều kiện, động viên em trong suốt quá trình làm khóa luận.

Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Sinh viên

Nguyễn Đức Hải

Tóm tắt nội dung

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng và đa dạng của các thiết bị di dộng,nhu cầu kết nối giữa các thiết bị mọi lúc mọi nơi ngày càng trở nên cấp thiết Mộttrong những giải pháp cho yêu cầu này đó là xây dựng nên một mạng ad-hoc Về cơbản, mạng ad-hoc có thể kết nối tất cả các thiết bị truyền thông không dây mà khôngsử dụng bất cứ các cơ sở hạ tầng cố định nào Rất nhiều vấn đề đã được đặt ra đó làlàm sao tạo ra được một mạng ahoc là tối ưu nhất Một trong những vấn đề cần giảiquyết đó là làm thế nào để duy trì được mạng ad-hoc với thời gian là dài nhất trongđiều kiện bị giới hạn về nguồn năng lượng.

Trong khóa luận này chúng ta sẽ giải quyết vấn đề này theo một phương pháptiếp cận là tối ưu hóa topology của mang ad-hoc sao cho các node trong mạng có thểtruyền được số lượng các gói tin là lớn nhất và sử dụng nguồn năng lượng là nhỏ nhất.

Chương 2 Mô hình hóa mạng ad-hoc 6

2.1 Kênh truyền không dây 6

3.2.Chi phí năng lượng của Range Assignment tối ưu 33

Chương 4 Hiệu quả năng lượng của sự kết nối các topology 34

4.1 Hiêu quả năng lượng Unicast 34

4.2 Hiệu quả năng lượng broadcast 39

Chương 5 Mô phỏng và kết quả thực nghiệm 43

5.1 Ý tưởng xây dựng một chương trình mô phỏng 43

5.2 Xây dựng chương trình mô phỏng 43

5.3 Kết quả mô phỏng 44

5.4 Nhận xét 44

Chương 6 Kết luận 46

6.1 Những kết quả đạt được và mặt hạn chế của khóa luận 46

6.2 Phương hướng phát triển 47

Tài liệu tham khảo 48

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Mô hình two-ray group 8

Hình 2: Chiều của mạng và phạm vi vùng ảnh hưởng của node 11

Hình 3: Đồ thị điểm 2 chiều 12

Hình 4: Các cạnh backward 21

Hình 5: Minimum Spanning Tree 24

Hình 6: SRA và WSRA 26

Hình 7: Gadget cho cạnh (a, b) 29

Hình 8: Sự sắp xếp các node và khoảng cách giữa chúng 33

Hình 9: Đồ thị maxpower G và đồ thị con G’ với các hệ số power stretch 35

Hình 10: Bảng các đồ thị định tuyến và các hệ số liên quan 37

Hình 11: Một vùng bao phủ của 1 node trong đồ thị Gabriel 38

Hình 12: Giao diện chính của chương trình 43

Mở đầu

Những thiết bị tính toán và truyền thông không dây đã trở nên phổ biến và đi kèmvới đó là cơ sở hạ tầng truyền thông ngày càng lớn mạnh đã làm nên một sự phát triểnnhanh chóng của mạng không dây Hầu hết các nghiên cứu và sự phát triển dành chomạng không dây đó là những sự ổn định, được sự quan tâm của cộng đồng khoa học vànghành công nghiệp truyền thông, lĩnh vực truyền thông đang được kích thích và đanghướng tới truyền thông giao tiếp mà không cần bất cứ một cơ sở hạ tầng nào Với nhữngyêu cầu cấp thiết này thì mạng ad-hoc là một giải pháp hữu hiệu Vấn đề đặt ra đó là làmsao để thiết kế được mạng ad-hoc với một độ ổn định cao, hiệu năng trên đường truyền làlớn nhất, đồng thời tiết kiêm được năng lượng sử dụng cho mỗi node Trong khóa luậnnày chúng ta sẽ tiếp cận và giải quyết vấn đề này theo một phương pháp là tối ưu hóaTopology để đạt tới hiệu năng sử dụng của mạng một cách cao nhất, đồng thời tiết kiệmnăng lượng được sử dụng cho từng node Một số nội dung chính của khóa luận khi nghiêncứu về vấn đề tối ưu hóa Topology được trình bày lần lượt theo các chương sau:

Chương 1: Giới thiệu về mạng ad-hoc, tầm quan trọng, tính năng nổi bật cũng nhưnhững thách thức khi xây dựng một mạng ad-hoc.

Chương 2: Mô hình hóa mạng ad-hoc, mô hình về các kênh truyền không dây, xâydựng topology của mạng ad-hoc dựa trên đồ thị truyền thông

Chương 3: Tối ưu hóa Topology, đưa ra các thuật toán nhằm tính toán và tạo rađược topology cho mạng ad-hoc sao cho một cách tối ưu nhất

Chương 4: Hiệu quả năng lượng từ việc tối ưu hóa Topology, chúng ta sẽ chứngminh rằng với Topology tối ưu thì năng lượng sử dụng cho mạng ad-hoc sẽ được giảmxuống.

Chương 5: Mô tả về chương trình mô phỏng, đưa ra các ý tưởng xây dựng chươngtrình mô phỏng, các module chính, kết quả thực nghiệm và các đánh giá thực tế

Chương 6: Kết luận, đưa ra những mặt đã đạt được của khóa luận, những mặt còn hạn chếvà bước phát triển tiếp theo của khóa luận trong tương lai

Chương 1 Giới thiệu về mạng Ad-hoc1.1 Mạng Ad-Hoc

Mạng ad-hoc là lĩnh vực nền tảng trong truyền thông không dây.Công nghệ nàycho phép những node mạng có thể truyền thông ngay lập tức với những node khác sửdụng những bộ phát không dây mà không cần sử dụng một cơ sở hạ tầng cố định Điềunày là một sự khác biệt rất lớn của mạng ad-hoc với nhiều mạng không dây cổ điển nhưmạng cellular hay wireless LAN, trong những mạng này, mỗi node sẽ phải truyền thôngvới một trạm cơ sở và những trạm cơ sở này thì sử dụng mạng có dây.

Mạng ad-hoc đang được trông đợi sẽ là một cuộc cách mạng hóa của truyền thôngkhông dây trong vài năm tới: bằng sự bổ sung những mô hình mạng cổ điển (Internet,mạng cellular, truyền thông vệ tinh), mạng ad-hoc sẽ trở nên vô cùng phổ biến, bằng cáchkhai thác công nghệ không dây ad-hoc, những thiết bị không dây vô cùng phổ biến (điệnthoại , PDA, laptop …) và những thiết bị cố định (máy trạm, những điểm truy xuấtInternet không dây …) có thể được kết nối cùng nhau sẽ tạo thành một mạng rộng khắphay là một mạng toàn cầu.

Những ứng dụng trong tương lai theo xu hướng công nghệ mạng ad-hoc sẽ chứngminh rằng nó rất hữu dụng.Ví dụ, hãy xem xét những tình huống sau đây Một trận độngđất đã phá hủy hầu hết mọi thứ, các cớ sở hạ tầng thông tin liên lac của một thành phốlớn(đường dây điện thoại, các máy trạm của mạng cellular …) Một vài đội cứu hộ (chữacháy, cảnh sát, y tế …) đang làm việc trên thảm họa đó để cứu mọi người và giúp đỡnhững người bị thương.Để mang lại một sự giúp đỡ tốt hơn cho người dân thì những độicứu hộ phải được phối hợp với nhau.Rõ ràng, một hành động phối hợp chỉ có thể đạtđược nếu những người cứu hộ có khả năng giao tiếp, với những người trong đội của mìnhvả cả những đội khác nữa (ví dụ như cảnh sát với cảnh sát hay cứu hỏa với y tế) Vớicông nghệ có sẵn, những nỗi nỗ lực phối hợp của những người cứu hộ trong hoàn cảnh cơsở hạ tầng thông tin liên lạc bị phá hủy nghiêm trọng là rất khó khăn: thậm chí nếu cácthành viên trong nhóm được trang bị những bộ đàm hoặc là các thiết bị tương tự, khikhông có quyền truy cập vào các cớ sở hạ tầng cố định có sẵn thì những người cứu hộ chỉcó thể liên lạc trong một phạm vi gần Vì vậy một trong những ưu tiên ngày nay trongquản lý thiên tai đó là làm thế nào để khôi phục lại được hệ thống cơ sở thông tin liên lạccàng nhanh càng tốt, việc này thường được thực hiện bằng cách sửa chữa các cơ sở hạtầng đã bị phá hủy và triển khai các thiết bị thông tin liên lạc tạm thời.

Tình hình có thể khác đi rất nhiều nếu công nghệ mạng ad-hoc đã sẵn sàng: bằngcách sử dụng đầy đủ các hình thức truyền thông không dây phân cấp hay truyền thôngkhông dây đa chặng, những người cứu hộ sẽ có khả năng giao tiếp trong một khoảng cáchtương đối xa Đối với môt khu vực thiên tai có một mật độ dân cư đông hay là một thànhphố thì công nghệ mạng ad-hoc có thể mang lại thành công trong những nỗ lực cứu hộmà không cần sử dụng một cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc nào.

Ví dụ trên phần nào mô tả được những tính năng nối bật của những ứng dụng sửdụng công nghệ mạng ad-hoc:

Mạng không đồng nhất: Một mạng ad-hoc điển hình là một mạng lưới bao gồm

nhiều thiết bị không đồng nhất Ví dụ ở giả thiết phía trên đã mô tả, các nhóm cứu hộ làmviệc trên vùng bị thiên tai sẽ được trang bị các thiết bị truyền thông giao tiếp khác nhaunhư: điện thoại di động, PDAs, bộ đàm hay máy tính xách tay … Để cho việc thiết lậpmột mạng lưới thông tin liên lạc một cách thành công thì công nghệ mạng phải là nềntảng giúp cho phép các thiết bị khác nhau có thể giao tiếp được với nhau.

Tính di động: trong một mạng ad-hoc điển hình, hầu hết các node trong mạng là di

động, một ví dụ trong trường hợp này chính là những người làm việc trong vùng bị thiêntai mà ta đã nêu trong giả thiết phía trên.

Mạng phân tán: việc xây dựng một mạng ad-hoc phân tán là khi các nút trong

mạng là phân tán theo phương diện vật lý, trong thực tế khi các nút mạng là gần nhau thìtruyền thông qua một chặng sẽ hữu dụng hơn rất nhiều và sự truyền thông qua nhiềuchặng là không cần thiết.

Tiềm năng của những ứng dụng trong mạng ad-hoc là rất nhiều , trong đó chúng tađánh giá những điều sau đây:

Phân phối nhanh chóng lưu lượng truy cập trên đường cao tốc và khu đô thị:

.Những tuyến đường cao tốc và các khu đô thị có thể được trang bị những trạm phát vôtuyến cố định, gửi những thông tin quảng bá tới những xe hơi có gắn những thiết bị thunhận GPS Lần lượt các xe đang hoạt động có thể cập nhật được giao thông rất nhanhchóng.So với những công nghệ cũ thì công nghệ mới này sẽ cung cấp những chính xác vànhanh chóng hơn.

Truy cập Internet khắp nơi: Trong một tương lai rất gần, những khu vực công

cộng như, sân bay, nhà ga, khu mua sắm cao cấp, sẽ được trang bị những điểm truy cậpInternet không dây, bằng cách sử dụng các thiết bị di động của những người dùng khácnhư là một cầu nối không dây việc truy cập internet sẽ được phủ rộng hầu hết mọi nơi

Phân phối những điểm thu nhận thông tin: Bằng cách sử dụng những trạm truyền

thông không dây những điểm thu nhận thông tin có thể phân phối hoặc thu thập thông tintừ những người sử dụng Ví dụ về một điểm thu nhận thông tin đó là một thông tin vềmột chuyến du lịch, các sự kiện xung quanh, thông tin về các cửa hàng, nhà ăn trong khumột khu vực …

1.2 Những sự thách thức

Mặc dù công nghệ dành cho mạng ad-hoc là tương đối hoàn thiện nhưng nhữngứng dụng trên nó hầu như hoàn toàn không có.Một phần của thực tế này chính là một sốvấn đề trong mạng ad-hoc còn chưa có hướng giải quyết.Trong phần này chúng ta sẽ môtả những trạng thái của công nghệ mạng ad-hoc hiện thời và đối điện với thách thức trongviệc thiết kế mạng ad-hoc.

Mạng không dây ad-hoc đã thu hút được nhiều sự quan tâm của của các nhà ngiêncứu và các ngành công nghiệp trong một vài năm gần đây.Với tư cách là kết quả của mộtloạt các hoạt động ngiên cứu đáng kể, các cơ chế truyền thông không dây ad-hoc cơ bảnđã được thiết kế và chuẩn hóa Những ví dụ phổ biến nhất, chuẩn giao tiếp IEEE 802.11và Bluetooth đã được thực thi trong hàng loạt các thiết bị không dây thương mại, vànhững chuẩn này cho phép các thiết bị không dây giao tiếp với nhau mà ít sử dụng các cơsở hạ tầng.

Vì vậy, giao tiểp không dây, multihop giữa các thiêt bị khác nhau như điện thoạidi động, máy tính cách tay, PDA hay các thiết bị thông minh đều có thể trở thành hiệnthực với công nghệ được cung cấp hiện thời.

Mặc dù thực tế là công nghệ dành cho mạng ad-hoc đang tồn tại, nhưng nhữngứng dụng trên nền tảng mô hình mạng ad-hoc hầu như hoàn toàn không có.Nguyên nhâncủa điều này đó là thực tế khi triển khai các dịch vụ mạng ad-hoc gặp rất nhiều khókhăn.Những thách thức chính mà chúng ta sẽ gặp phải là:

- Sự duy trì năng lượng: Những thiết bị trong mạng ad-hoc thường được sư dụng

nguồn năng lượng thông qua pin được gắn cùng, một trong những mục tiêu chính đó làthiết kế mạng sao cho nguồn năng lượng được sử dụng một cách hiệu quả nhất.

- Hình trạng mạng không cấu trúc và/hoặc thay đổi theo thời gian: Trong một

mạng lưới các node, về nguyên tắc một thiết bị di động có thể ở bất kỳ nơi nào trong mộtkhu vực rộng lớn và liên tục di động, như vậy một đồ thị của hình trạng mạng sẽ biểu

diễn cho sự liên kết giữa các node thường là không có cấu trúc.Hơn nữa hình trạng mạngsẽ thay đổi theo thời gian vì các nodes gần như liên tục di chuyển.Với nguyên nhân nàyviệc tối ưu hóa các giao thức trong mạng ad-hoc là một công việc rất khó khăn.

- Chất lượng thông tin liên lạc kém: Thông tin liên lạc trong trên một kênh truyền

không dây nói chung là kém chất lượng hơn so với một kênh truyền có dây.Hơn nữa chấtlượng thông tin liên lạc là bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường, (điều kiện thời tiết, cácvật cản, chướng ngại vật, sự can thiệp của các mạng lưới không dây khác, …).Vì vậy cácứng dụng cho mạng ad-hoc nên có khả năng phục hồi nhanh chóng để đáp ứng lại sự ảnhhưởng từ bên ngoài này.

- Tính toán sự giới hạn tài nguyên: Đặc trưng của mạng ad-hoc là những tài

nguyên sẵn có rất ít.Đặc biệt năng lượng và lương băng thông được cung cấp trong mạngrất hạn chế so với những mô hình mạng trước đây.Những giao thức trong mạng ad-hocphải mang lại mức độ thực thi cao trong điều kiện những tài nguyên có sẵn bị hạn chế.

- Khả năng mở rộng: Trong tương lai không xa của mạng ad-hoc, mạng có thể

gồm hàng trăm hay tới hàng nghìn những node, điều này có nghĩa là giao thức dành chomạng ad-hoc phải có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường có một số lượng rấtlớn các node tham gia.

Trong trường hợp công nghệ mạng ad-hoc được sử dụng để tạo nên một mạngrộng khắp thì các vấn đề sau đây cũng nên được quan tâm:

Phân chia mạng toàn cầu: Trong viễn cảnh của một mạng rộng khắp được mô tả

trong phần 1.1.1 thì dữ liệu sẽ đi qua hầu hết các mô hình của các mạng: ad-hoc, cellular,vệ tinh, wireless LAN, Internet, vv.Một lý thuyết lý tưởng là người sử dụng có thểchuyển dữ liệu thông suốt từ một mạng này tới một mạng khác mà không cần những ứngdụng chuyển đổi hoặc ngắt chuyển đổi.Và để thực hiện được điều này thì quả thực là mộtnhiệm vụ rất khó khăn.

Mô phỏng sự liên kết giữa các node: Khi thiết kế một giao thức mạng, việc thiết kế

thường được giả định rằng tất cả các node đều tình nguyện tham gia thực thi mạng này.Trong tương lai của những ứng dụng mạng ad-hoc, những node mạng thường được sởhữu bởi các đối tượng khác nhau (người dùng cá nhân, các chuyên gia hay những tổ chứclợi nhuận hoặc phi lợi nhuận), và những node này sẽ tự động tham gia thực thi các giaothức trong mạng ad-hoc Vì vậy những node trong mạng phải được mô phỏng theo mộtgiao thức nào đó một cách chi tiết và đặc biệt

Chương 2 Mô hình hóa mạng ad-hoc

Trong chương này, chúng ta sẽ giới thiệu một mô hình mạng ad-hoc không dâyđơn giản nhưng đã được áp dụng rộng khắp.Mô hình này cũng được áp dụng cho nhữngmạng có kiểu tương tự như mạng ad-hoc

2.1 Kênh truyền không dây

Những node trong mạng ad-hoc truyền thông thông qua những bộ thu phát khôngdây Vì lý do này, một điều quan trọng khi xây dựng một khối mô hình cho mạng ad-hoclà xây dựng kênh truyền không dây

Một kênh truyền không dây giữa một đơn vị truyền u và một đơn vị nhận v đượcthiết lập khi và chỉ khi cường độ của tín hiệu nhận được bởi node v (Pr) ở trên mộtngưỡng, ngưỡng này được gọi là cảm ứng với ngưỡng (sensitivity threshold) Về mặthình thức có một liên kết không dây trực tiếp giữa u và v nếu Pr , là giá trị cảmứng với ngưỡng, giá trị chính xác của  phụ thuộc vào bộ truyền không dây và tốc độtruyền dữ liệu: cho một kênh truyền không dây, nếu tốc độ truyền dữ liệu là cao thì giá trịcủa  cũng cao hơn.Điều này cũng cho thấy rằng Pr cũng cần cao hơn Để đơn giản hóatrong các ví dụ sau thì chúng ta giả thiết rằng sẽ có giá trị 1.

Cường độ của tín hiệu nhận được Pr sẽ phụ thuộc vào cường độ tín hiệu gửi Pt củau trên kênh truyền không dây và với sự mất mát trên đường truyền, tín hiệu trên mô hìnhnày sẽ bị suy giảm theo khoảng cách Gọi PL(u,v) là giá trị mất mát trên kênh truyền giữau và v chúng ta có thể tính Pr theo công thức:

đối tượng khác nằm giữa người gửi và người nhận mà tiêu biểu là sự giao thoa sóng sẽgây nên sự nhiễu tín hiệu Sự suy giảm xảy ra khi một số nhỏ các đổi tượng người nhậnvà người gửi cũng sẽ nhận những tín hiệu dẫn đến sóng lan truyền bị phân tán và suygiảm cường độ.Trong phần sau đây chúng tôi xin giới thiệu một cách ngắn gọn những môhình mất mát trên đường truyền phổ biến nhất.

2.1.1 Mô hình truyền free space

Mô hình này được sử dụng để truyền các tín hiệu lan truyền khi đường truyền giữangười gửi và người nhận là rỗi và không bị tắc nghẽn Có nghĩa là với Pr(d) là cường độcủa tín hiệu nhận được từ người gửi với khoảng cách giữa 2 node gửi và nhận là d, chúngta có công thức 2.1:

Pr(d) =

Cf là một hằng số phụ thuộc và các đặc điểm của người gửi

Với công thức trên đã cho chúng ta thấy rằng cường độ suy giảm của tín hiệu nhậnđược tỉ lệ với bình phương khoảng cách d giữa người gửi và người nhận

Kết hợp với công thức 2.2 với giá trị cảm ứng ngưỡng, những tín hiệu chỉ có thểđược truyền đi khi và chỉ khi

tfPCd .

Nói cách khác, vùng bao phủ của một node truyền chính là một vùng tròn có bán kính là

C với node truyền là tâm

Công thức free space chỉ đúng khi giá trị d là tương đối lớn đối với ăngten phủ củangười truyền là tương đối xa

2.1.2 Mô hình two-ray ground

Mô hình free space là một trường hợp đặc biệt, khi mà đường truyền giữa ngườigửi và người nhận là duy nhất và tín hiệu truyền cũng là duy nhất.Chính vì lý do này mô

hình free space thường là không chính xác Để cải thiện tính chính xác hay xem xét môhình two-ray ground theo 2 phần: đường truyền trực tiếp và đường truyền phản xạ quamặt đất giữa người gửi và người nhận Xem hình bên dưới.

Hình 1: Mô hình two-ray group

Trong mô hình two-ray ground cường độ của tín hiệu nhận với khoảng cách truyềnnhận là d được tính theo công thức 2.3:

ht là độ cao của ăngten của bên truyền, hr là độ cao của ăngten bên nhận, nếukhoảng cách giữa người gửi và người nhận là tương đối lớn (d >> h thr ) Với giả thiếtnày ta có thể viết được một công thức đơn giản (2.4) để tính cường độ sóng nhận vớikhoảng cách d là

tr 

Ct(t viết tắt của two – ground model), Ct là một hằng số phụ thuộc và các đặc điểm củangười gửi Vì vậy điểm khác biệt với mô hình “free space ” là độ suy giảm tín hiệu trongtrường hợp này tỉ lệ với khoảng cách tương quan lên tới lũy thừa 4 thay vì bình phươngkhoảng cách tương quan.

Kết hợp với công thức 2.2 với giá trị cảm ứng ngưỡng, chúng ta có vùng bao phủcủa một node truyền chính là một vùng tròn có bán kính là 4 Ct.Pt

2.1.3 Mô hình log- distance path

Mô hình log- distance path thu được nhờ sự kết hợp của các phương pháp phântích và phương pháp thực ngiệm Phương pháp thực nghiệm dựa trên cơ sở các phép thử

ngiệm đo lường cũng như là các phép điều chỉnh trực tiếp trên dữ liệu.Mô hình này có thểđược coi là mô hình tổng quát của hai mô hình trên, mô hình free space và two-rayground Biết rằng hệ số mất mát đường truyền trung bình tương ứng với khoảng cách dmột cách chính xác là số mũ của , nó được gọi là mất mát đường truyền hệ số mũ haylà độ suy giảm cường độ theo khoảng cách.

Giá trị của  phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường, và nó được đánh giátrong nhiều trường hợp thực ngiệm khác nhau

Dưới đây là một bảng thể hiện một số giá trị của  theo từng điều kiện môi trường(Trích Topology Control In Wireless Ad-hoc Networks (Paolo Santi))

Khu vực dân cư 2.7 – 3.5

2.1.4 Những biến đổi quy mô lớn và quy mô nhỏ

Mô hình truyền log-distance path thường dự đoán giá trị trung bình cường độ tínhiệu nhận được nhờ một khoảng cách nhất đinh, tuy nhiên cường độ của các tín hiệu nhậnđược thường là rất khác nhau từ những giá trị trung bình này Vì lý do này, mô hình xácsuất đã được sử dụng để tính toán cho các sự thay đổi của các kênh không dây.Trong môhình xác suất, diện tích bao phủ sẽ không xa hơn một vùng tròn, cho tới khi một kênhkhông dây giữa hai node xuất hiện như là một sự kiện ngẫu nhiên.

Mô hình kênh truyền xác xuất có thể chia thành 2 lớp:

Mô hình những biến đổi quy mô lớn: mô hình này sẽ dự đoán những biến đổi của

cường độ tín hiệu trong một vùng rộng lớn.

Mô hình những biến đổi quy mô nhỏ: mô hình này sẽ dự đoán những biến đổi của

cường độ tín hiệu trong một vùng nhỏ, chúng còn được gọi là mô hình multipath fading.

2.2 Đồ thị truyền thông

Đồ thị truyền thông tạo nên những hình trạng của mạng (Network Topology) cónghĩa là, các node kết nối không dây sẽ sử dụng để kết nối đến những node khác.Như đãđưa ra thảo luận trong các phần trước, rõ ràng là sự liên kết giữa 2 đơn vị u và v trongmạng phụ thuộc rât nhiều vào khoảng cách giữa u và v, cường độ truyền được sử dụng đểtruyền dữ liệu và những môi trường xung quanh Từ việc tính toán cho sự biến đổi của tínhiệu không dây ở mức độ lớn và mức độ nhỏ đồng thời tạo ra một mô hình chặt chẽ gắnliền với các ứng dụng thực tiễn là một công việc rất phức tạp, trong chương này và cácphần còn lại của khóa luận chúng ta sẽ mô hình hóa kênh không dây sử dụng mô hìnhlog-distance path, chúng sẽ được loại trừ nhiều đặc tính của môi trường.Đây là mô hìnhđược coi là tiêu chuẩn trong nghiên cứu về kiểm soát topology trong mạng ad-hoc.

Gọi N là tập hợp những node không dây, với | N | = n Các node được đặt trongvùng giới hạn R Để đơn giản hơn, chúng ta giả sử rằng R là một chiều của một hình lậpphương với cạnh là l Ta có

R = [0, l]d với l > 0 khi d = 1, 2 3 Với bất kỳ node u thuộc N, vị trí của u trong R ,được xác định bởi L(u), được diễn tả như chiều tọa độ Do đó hàm L : N  R sẽ ánh xạtất cả các node trong mạng thành một đồ thị được giới hạn bởi R Nếu các node là diđộng, thì vị trí vật lý của các node sẽ phụ thuộc vào thời gian Nếu node di chuyển trongvùng R Chúng ta có thể giả định rằng sự mất mát nói chung của tính di động có thể đượcthêm vào bằng một đối số trong L, đó là khoảng thời gian thiết lập t Tóm tắt lại hàm L :N x T  R sẽ gán toàn bộ các tính chất của những node N và tại bất kỳ thời điểm t thuộcT thành tập hợp những tọa độ d chiều để biểu diễn cho những node vật lý tại thời điểm t.Một d –chiều di động của mạng ad-hoc được biểu diễn bởi cặp Md = (N, L), N, L đã đượcđịnh nghĩa tại phía trên.

Cho một mạng lưới Md = (N, L) , một vùng ảnh hưởng của Md là một hàm gán chotất cả các thành phần u của N một giá trị RA(u) nằm trong khoảng từ [0 , rmax], được coilà vùng ảnh hưởng Thông số rmax được gọi là vùng ảnh hưởng lớn nhất, và thông số nàyphụ thuộc vào những thuộc tính của trạm truyền được trang bị trên các node Và một điềugiả định rằng tất cả các node đều được trang bị những thiết bị có các thuộc tính tương tựnhau, có nghĩa là tất cả các node trong mạng đều có rmax bằng nhau Trong trường hợpmạng bao gồm các đơn vị được trang bị các thiết bị có khả năng thu phát là khác nhau vàgiá trị rmax sẽ được lấy giá trị là vùng ảnh hưởng lớn nhất của node.

Vùng ảnh hưởng của một node u có nghĩa là trong vùng ảnh hưởng ấy dữ liệu đượctruyền bởi node u bắt buộc phải được nhận một cách chính xác Cho một vùng có độ rộngr vùng ảnh hưởng của R để dữ liệu có thể chuyển một cách chính xác phụ thuộc vàochiều mạng : trong trường hợp mạng một chiều, nó sẽ là chiều dài gồm 2 phần có độ dàilà 2r với u là trung tâm, trong trường hợp là mạng 2 chiều nó sẽ là một vòng tròng có bánkính là r và u là trung tâm, trong trường hợp là 3 chiều, nó là một khối cầu có bán kính làr và u là trung tâm (xem hình bên dưới).

Hình 2: Chiều của mạng và phạm vi vùng ảnh hưởng của node

Chú ý rằng, dưới giả thiết sự lan truyền tín hiệu không dây theo mô hình logdistance, với bất kỳ node, trong một pham vi truyền r (0, rmax] thì cường độ truyền sẽ làPr  (0, Pmax], Pmax là mức cường độ truyền là lớn nhất của các node.Vì vậy cần chú ýrằng khái niệm phạm vi truyền và cường độ truyền là tương đương nhau, và chúng có thểhoàn toàn thay thế cho nhau trong những phần còn lại của bài viết này.

Cho một mạng Md = (N, L) và một vùng ảnh hưởng RA, đồ thị truyền thông baogồm RA trên Md tại thời điểm t được định nghĩa là một đồ thì có hướng Gt = (N, E(t)),E(t) là một cạnh có hướng giữa u và v , nó sẽ có được nếu RA(u)(L(u,t),L(v,t))

trong đó (L(u,t),L(v,t)) là khoảng cách giữa u và v theo thời điểm t Nói cách khácnhững liên kết có hướng không dây (u , v) có thể có được khi và chỉ khi node u và v nằmtrong khoảng cách từ chính nó tới RA (u) tại thời điểm t Trường hợp này v được gọi là 1hop hàng xóm, hay một hàng xóm trong khoảng ngắn của node u Một kết nối được gọi làthuộc 2 hướng, hay có tính đối xứng khi tại một thời điểm t (u, v)  E(t) và (v, u) 

E(t) Trong trường hợp này các node u và v được gọi là hàng xóm đối xứng

Vùng ảnh hưởng với max power có nghĩa là RA(u) = rmax cho mỗi node u, hay tấtcả các node u trong mạng sẽ truyền với tối đa sức mạnh Đồ thị truyền thông thu đượccuối cùng được gọi là đồ thị sức mạnh tối đa và nó sẽ được biểu diễn tất cả các kết nối cóthể giữa các node mạng

Một vùng ảnh hưởng RA được gọi là kết nối tại thời điểm t, hay đơn giản hơn là kếtnối, nếu đồ thị truyền thông thu được cuối cùng tại thời điểm t là một kết nối mạnh, cónghĩa là với bất kỳ cặp u và v, có ít nhất một đường đi có hướng từ u tới v Một vùng ảnhhưởng mà trong đó tất cả các node đều có một vùng ảnh hưởng như nhau là r, 0 < r < rmax

được được gọi là đồng nhất r Cần chú ý rằng đồ thị truyền thông được sinh ra bởi RAđồng nhất có thể được coi như là đại lượng vô hướng, từ (u, v) thuộc E(t)  (v,u) thuộcE(t)

Nếu mạng là di động, vùng ảnh hưởng có thể là khác nhau với thời gian để duy trìtính ổn định của đồ thị truyền thông, chẳng hạn như là tính kết nối

Nói chung, chúng ta có thể xác định một số chuỗi những vùng ảnh hưởng trongkhoảng thời gian sống của mạng, RAti là vùng ảnh hưởng tại thời điểm ti , và sự chuyểntiếp giữa các RA được xác định bởi các giao thức thích hợp.

Nếu mạng là tĩnh (nghĩa là vị trí của tất cả các node không thay đổi trong suốt thờigian tồn tại của mạng) các mô hình đã được giới thiệu ở phía trên có thể được đơn giảnhóa bằng cách là coi L là một hàm của N mà thôi Tuy nhiên vì nguyên tắc thì các RA cóthể khác nhau trong quá trình sử dụng của mạng.Các RA có thể được thay đổi, ví dụ nhưđể hỗ trợ các loại truy cập ( ví dụ, trong mạng cảm biến thông tin được gửi ra bên ngoàiphụ thuộc vào các sự kiện được phát hiện ) hoặc là để đạt được một sự cân bằng trongviệc sử dụng năng lượng giữa các node mạng Vì vậy nói chung là đồ thị truyền thông sẽphụ thuộc vào thời gian, ngay cả khi mạng là tĩnh.

Hình 3: Đồ thị điểm 2 chiều

Tương tự như mô hình biểu đồ được sử dụng trong lý thuyết xác suất, như là đồ thịliên thông và đồ thị hình học ngẫu nhiên.Trong các lý thuyết xác suất một đơn vị đĩa đồ( unit disk graph ) là một đồ thị mà trong đó 2 node được kết nối bởi một cạnh khi và vàchỉ khi khoảng cách tối đa giữa 2 node là 1.Tiến đến việc tiêu chuẩn hóa, một đơn vị đĩa

đồ tương ứng với các mô hình đã được giới thiệu trong những phần trước với RA là đồngnhất Theo lý thuyết xác suất thì một tập hợp các điểm được phân phối theo một các hệ sốphân phối xác suất trong một số khu vực nhất định Những điểm sau đó được kết nối theomột số quy tắc nhất định (ví dụ như kết nối đến tất cả các điểm trong khoảng cách r hoặclà kết nối đến k điểm gần nhất v v ) để tạo ra đồ thị hình học ngẫu nhiên Ngoài ra môhình này là một trường hợp đặc biệt của chúng ta trong đó các node được phân phối mộtcách ngẫu nhiên và các RA được xác định theo một quy tắc đặc biệt nào đó.Nếu các bạnquan tâm tới thông tin về lý thuyết về đồ thị liên thông và đồ thị hình học ngẫu nhiên cóthể tìm hiểu thêm trong tài liệu Topology Control in wireless ad-hoc and sensornetworks, còn trong phần này chúng ta sẽ không đi sâu vào các lý thuyết xác suất và lýthuyết về hình học.

Điểm chính của mô hình đồ thị điểm đó là sự giả định về phạm vi vùng ảnh hưởngthông thường đạt đến mức hoàn hảo: vùng ảnh hưởng là một vùng tròn d chiều với trungtâm chính là điểm truyền sóng.Như đã thảo luận trong các phần trước giả thiết này là kháthực tế trong môi trường phẳng Thật không maylà thực tế trong cuôc sống khá nhiều sựảnh hưởng từ môi trưởng, chẳng hạn là có sự ngăn cản của các bức tường, các tòa nhà vv.Tuy nhiên nếu gộp tất cả các chi tiết trên vào một mô hình mạng sẽ làm cho nó trở nên vôcùng phức tạp và sẽ phụ thuộc nhiều vào các giả thiết, các kết quả thu được từ việc phântích và tổng hợp sẽ trở nên cực kỳ cồng kềnh Vì lý do này, mặc dù mô hình đồ thị điểmkhả năng còn khá giới hạn nhưng nó vẫn đang được sử dụng rộng rãi trong việc ngiêncứu các đặc tính của mạng ad-hoc.

Trước khi kết thúc chương này, chúng tôi muốn nhấn mạnh rằng các kết quả thuđược bằng cách sử dụng mô hình đồ thị điểm là rất hữu ích, ít nhất ở một vài mức độ,chẳng hạn như với các điểm thu phát có các vùng ảnh hưởng là khác nhau.

2.3 Mô hình hóa sự tiêu thụ năng lượng

Một trong những mối quan tâm chính của người thiết kế mạng ad-hoc đó chính làviệc sử dụng hiệu quả sự tiêu thụ năng lượng.Vì vậy, cần một mô hình cơ bản để xác địnhviệc tiêu thụ năng lượng của các node một cách chính xác và hiệu quả.Sau đây chúng tasẽ tìm hiểu về việc sử dụng năng lương cho các node trong mạng ad-hoc

2.3.1 Mạng ad-hoc

Tùy thuộc vào các sự giả định, mạng ad-hoc có thể được tạo thành từ rất nhiều cácthiết bị rất đa dạng: máy tính xách tay, điện thoại di động, PDA, các thiết bị thông minhvv Hơn nữa, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai, mạng có thể bao gồm cảnhững thiết bị không đồng nhất.Do tính đa dạng của các node, một cách tiếp cận điểnhình là chỉ chú ý duy nhất tới việc tiêu thụ năng lượng của việc truyền các tín hiệu khôngdây.Và đây cũng là sự lựa chọn của chúng ta, cụ thể chúng ta chỉ quan tâm đến việc giảmsự tiêu thụ năng lượng được sử dụng để giao tiếp giữa các node Trên các loại thiết bịlượng tiêu thụ năng lượng được sử dụng để truyền thông giao tiếp dao động trong khoảngtừ 15% đến 35% trong tổng số năng lượng được sử dụng cho node Những thông số sửdụng năng lượng trước đây được cung cấp cho card không dây một máy tính xách taythuân thủ theo chuẩn IEEE 802.11 và mới đây là được sử dụng để cung cấp cho mộtthiết bị PDA.Kể từ khi năng lượng được sử dụng cho card không dây là một phần trongnăng lượng được sử dụng cho một node thì việc tối ưu hóa việc sử dụng cho việc giaotiếp trở thành một vấn đề quan trọng Một số các nhóm phát triển đã tiến hành đo đạc sựtiêu thụ năng lượng của một card không dây theo chuẩn 802.11.Một card không dâychuẩn 802.11 thông thường sẽ có 4 chế độ hoạt động

- Nhàn rỗi: Card là được bật, tuy nhiên nó không được sử dụng- Truyền: Card đang ở chế độ truyền các gói dữ liệu

- Nhận: Card đang ở chế độ nhận các gói dữ liệu- Ngủ: Sự cung cấp năng lượng giảm.

Bảng bên dưới cho chúng ta thấy sự tiêu thụ năng lượng của card CISCO Aironet IEEE802.11 a/b/g (Trích Topology Control In Wireless Ad-hoc Networks (Paolo Santi))

Sự tiêu thụ năng lượng ở chế độ ngủ không được biểu diễn trong bảng, bảng nàycòn cho chúng ta thấy pham vi truyền giới hạn khi card truyền với tối đa sức mạnh Nhưchúng ta thấy trong bảng phạm vi truyền giới hạn phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường(trong nhà hay điều kiện ngoài trời ) và tốc độ dữ liệu được sử dụng để gửi các gói tin.Chúng ta cần chú ý rằng, các dữ liệu trong bảng bên trên chỉ là các kết quả rút ra từnhững thực nghiệm và có thể có sự khác biệt với thực tế thiêu thụ năng lượng của cáccard không dây Tất cả các kết quả thu được từ những thực nghiệm đã vạch ra cho chúngta một điểm rất quan trọng đó là bất kỳ sự chuyển trạng thái nào của đơn vị truyền cũngcó thể phải sử dụng năng lượng (và cả thời gian trễ nữa) Điều này đặc biệt đúng đối vớisự chuyển trạng thái từ chế độ ngủ chuyển sang chế độ nhàn rỗi Trong phần này chúng tasẽ mô hình hóa việc sử dụng năng lượng của các node theo tỉ lệ Ngủ : Nhàn rỗi : Gửi vàNhận, hay nói cách khác chúng ta sẽ không quan tâm đến chính xác một giá trị nào củaviệc tiêu thụ năng lượng mà là chỉ là các giá trị tương đối Trong mô hình đơn giản củachúng ta chúng ta giả định rằng các card thu phát được quy ước là 1 khi ở chế độ nhànrỗi, 1.X là khi nhận một gói tin , 1.Y khi gửi một gói tin với sức mạn tối đa , và 0 Z khiở chế độ ngủ (các giá trị X, Y , Z phụ thuộc vào đặc tính của card mạng)

Trước khi kết thúc chương này, chúng ta cần lưu ý rằng tỉ lệ 1.Y được sử dụng liênquan tới sự tiêu thụ năng lương của card khi nó ở trạng thái truyền với sức mạnh tốiđa.Mặt khác chúng ta sẽ thấy rằng giao thức kiểm soát Topology được dựa trên nền tảngđó là khả năng điều chỉnh khả năng truyền của các node không dây Tính năng này đượccung cấp trên một vài sản card theo chuẩn 802.11, như là các sản phẩm của CISSCOchẳng hạn.Ví dụ như card CISCO Aironet IEEE 802, 11 a / b / g có thể truyền với sứcmạnh vào khoảng từ 1 MW đến 100 MW Trong thực tế các card không dây có thể tiêuthụ năng lượng như là một hệ thống mạch tương tự hay kỹ thuật số Như vậy, làm thế nàođể xây dựng mô hình thiêu thụ năng lượng sao cho hợp lý và hiệu quả, trong khi khảnăng hoạt động với tối đa sức mạnh của card không dây là chưa thực sự rõ ràng Hầu hếtcác phương pháp tiếp cận trong các tài liệu đều có liên quan đến sức mạnh truyền, nóthường được mô hình hóa bằng các công thức được sử dụng trong chương 2, trừ khi cómột số các quy định khác được xác định, trong bài viết này chúng ta sẽ đơn giản hóa môhình tiêu thụ năng lương, cụ thể chúng ta sẽ sử dụng các định nghĩa về chi phí nănglượng sau:

Định nghĩa 2.3.1(Chi phí năng lượng)

Cho một vùng ảnh hưởng RA của một mạng Md=(N, L) chi phí năng lượng choRA được tính theo công thức sau:

trong đó  là hệ số suy giảm năng lượng theo khoảng cách.

Lưu ý rằng định nghĩa của chi phí năng lượng được nêu ở phía trên là gắn liền vớigiả thiết hoạt động của chúng ta, đó là những tín hiệu không dây lan truyền theo mô hìnhlog-distance path.

2.4 Mô hình hóa tính di động

Tính di động của những node là một trong những tính năng nổi bật trong mạng hoc Như là một hệ quả tất yếu trong việc thiết kế các giao thức cho mạng ad-hoc, tính diđộng là một phần quan trọng của việc thiết kế này.Từ thực tế là việc triển khai mạng ad-hoc là khá khó, việc mô hình sự chuyển động thực là một công việc khá khó khăn, cácphương pháp tiếp cận phổ biến là sử dụng các mô hình tổng hợp và sự mô phỏng.

ad-Mô hình hóa tính di động của mạng ad-hoc thường là:

Mô phỏng sự chuyển động: dành cho những ứng dụng của mạng ad-hoc trong một

diện rộng, mô hình phải mô hình được những sự chuyển động trong một khu vực rộnglớn với nhiều thành phần tham gia: từ sự chuyển động của những sinh viên trong khuônviên trường tới những chiếc xe đang lưu thông trên đường cao tốc hay từ sự di chuyểncủa các nhóm du lịch trên các vùng núi hay là những đội cứu hộ đang hoạt động trênnhững khu vực thiên tai Cung cấp một mô hình di động phù hợp với tất cả các loại hìnhdi động gần như là một công việc không thể thực hiện.Tuy nhiên một mô hình di động ítnhất phải mô tả được tính chất của một ứng dụng nào đó.

Đơn giản hóa việc mô phỏng/ phân tích: cho đến khi việc mô hình hóa tính di

động được sử dụng trong mạng ad-hoc, thì mô việc mô hình hóa này nên được đơn giảnhóa bằng cách tích hợp thêm các sự mô phỏng theo một khoảng thời gian hợp lý Hơnnữa bằng cách sử dụng những mô hình tương đối đơn giản sẽ làm cho việc phân tích cácthông số của mạng ad-hoc trở nên dễ dàng hơn Lần lượt các kết quả này có thể được sửdụng để tối ưu hóa hiệu suất thực thi của các giao thức mạng ad-hoc.

Rõ ràng hai tiêu chí trên là mâu thuẫn: Mô hình thực tiễn thường có rất nhiều chitiết phải được bao gồm trong mô hình này và mô hình này sẽ ngày càng trở nên phức tạp.Mặt khác việc mô phỏng, phân tích thì phải đơn giản để việc thiết kế các giao thức thựcthi cho mạng ad-hoc trở nên dễ dàng hơn Như vây việc mô hình hóa tính di dộng phải

cân bằng được giữa tính chi tiết và việc đơn giản hóa, đó là chỉ xem xét đến các tínhnăng nổi trội của mô hình chuyển động, trong khi chúng ta sẽ bỏ qua các chi tiết ít đượcđể ý hơn Và trong chương này chúng ta sẽ mô tả ngắn gọn những mô hình di động quantrong được sử dụng trong việc mô phỏng mạng ad-hoc

Mô hình Random waypoint (RWP): Đây là mô hình thông dụng nhất được sử dụng

trong mạng ad-hoc Mô hình Random waypoint đã được giới thiệu trong một số tài liệuvà đã được thực thi trong giao thức đinh tuyến DSR ( Dynamic Source Routing) Trongmô hình này mỗi node sẽ thống nhất chọn một điểm đích ngẫu nhiên (‘way point’) trongmột vùng R và di chuyển tới điểm đã chọn theo một đường thẳng Tốc độ dịch chuyểncủa node nằm được thống nhất chọn ngẫu nhiên trong khoảng [vmin, vmax] với vmin và vmax

là tốc độ dịch chuyển nhỏ nhất và lớn nhất của các node Khi node di chuyển đến điểmđến, sau đó nó sẽ dừng lại với một khoảng thời gian được xác định từ ban đầu Sau đó nósẽ đi chuyển trở lại theo cùng một khuôn mẫu.

Mô hình RWP biểu diễn những sự di chuyển cá thể của node Mỗi node di chuyểnđộc lập với nhau và chúng có thể di chuyển bất kỳ trong khu vực R Ví dụ như nhữngchuyển động tương tự được sinh ra khi những người dùng di chuyển trong một phòng lớnhay trên một môi trường bằng phẳng Do tính phổ biến mô hình RWP đã được ngiên cứunhiều hơn trong các tài liệu

Mặc dù mô hình này còn tương đối đơn giản nhưng trong tương lai những môhình RWP sẽ được khái quát hóa để ngày càng phù hợp với thực tế, Ví dụ mô hình RWPsẽ cho phép một node bất kỳ dừng lại trong quá trình chuyển động tới đích theo một xácsuất ngẫu nhiên nào đó.

Mô hình hướng ngẫu nhiên (Random direction model (RDM)) Tương tự như mô

hình RWP, mô hình RDM cũng hướng theo việc mô hình hóa sự di chuyển cá nhân và cóxu hướng tự do.Mô hình này sẽ được tạo ra với một vùng tròn có bán kính R, với node làtrung tâm Trong mô hình này các node sẽ chọn ngẫu nhiên một hướng trong khoảng từ[0,2π] và tốc độ ngẫu nhiên trong khoảng [v] và tốc độ ngẫu nhiên trong khoảng [vmin,vmax] Và sau đó node sẽ di chuyển theohướng đã được chọn và với tốc độ cũng đã được chọn Khi nó đạt tới ranh giới R, nó sẽchọn một hướng mới và tốc độ mới

Brownian-like motion: ngược với mô hình di động RWP và RDM , những mô hình

này chuyển động có sự định hướng trước (điểm đích hoặc theo hướng ), mô hìnhBrownian-like motion sẽ mô tả sự di chuyển một cách tự do, thi thoảng mô hình này cònđược gọi là mô hình drunkardlike

Trong mô hình Brownian-like motion, vị trí của một node tại một bước thời gianphụ thuộc vào vị trí của node tại thời điểm trước đó.Cụ thể, tính chất di chuyển có đinhhướng hay vận tốc di chuyển đều không được sử dụng tại mô hình này Tính di độngđược mô hình hóa bằng 3 tham số sau đây:

pstart, pmove, và m, Tham số đầu tiên thể hiện xác suất node ở trạng thái dừng trong toàn bộthời gian mô phỏng, pmove thể hiện xác suất, xác suất node sẽ di chuyển trong một bướcthời gian., m là tham số mô hình, tại một số mức, tốc đô: nếu một node đang di chuyển ởbước i,vị trí của nó ở bước tiếp theo i+1 là một vị trí được chọn ngẫu nhiên trong vòngbán kính là 2m với tâm là vị trí hiện thời của node.

Map-based mobility: Trong tất cả các mô hình đã giới thiệu từ trước đến giờ các

node được tự do di chuyển trong khu vực triển khai R Tuy nhiên trong nhiều tình huốngthực tế, các node thường bị bắt buộc di chuyển theo một đường đặc biệt nào đó Đây làmột trường hợp, chẳng hạn những chiếc xe di chuyển trên một xa lộ hay mọi người đi bộđều di chuyển trên vỉa hè, vv Mô hình Map based sẽ được sử dụng để mô phỏng các tìnhhuống trên Bước đầu tiên trong việc tạo nên mô hình Map based là thiết lập một bản đồ,đó là định nghĩa những đường di chuyển trong đó các node sẽ được phép di chuyển trênđó Sau đó một số node có vị trí ngẫu nhiên nằm trên những con đường này và chúng sẽdi chuyển theo lộ trình đã được quy định cụ thể

Một ví dụ của mô hình map based mobilily là mô hình Freeway Mobiliy, chúngđược sử dụng để mô phỏng sự di chuyển của những chiếc xe trên xa lộ, trong mô hìnhnày một số xa lộ sẽ được xác định trong khu vực triển khai Mỗi xa lộ sẽ bao gồm 1 conđường và có 2 hướng Node sẽ có vị trí ngẫu nhiên trên xa lộ, và chúng sẽ di chuyển vớivận tốc ngẫu nhiên, vận tốc này sẽ phụ thuộc theo thời gian vao vận tốc trước đó của nó.Nếu 2 node mà trong cùng một làn xe với một khoảng cách tối thiểu (khoảng cách antoàn) thì tốc độ của nó sẽ không được vượt quá tốc độ của node bên trên nó.

Một mô hình khác của map based mobilily là mô hình Manhattan mobility, chúngđược sử dụng để mô phỏng sự di chuyển … Đầu tiên Manhatta như là một bản đồ baogồm chiều dọc và chiều ngang của những con đường sẽ được tạo ra Các node sẽ dichuyển dọc theo những con đường theo hai hướng Khi node di chuyển đến một chỗ cắt,nó sẽ chọn ngẫu nhiên một con đường, có thể là đi thẳng theo hướng như ban đầu hoặc cóthể rẽ phải hoặc rẽ trái Tương tự như mô hình FreeWay tốc đô hiện thời của node phụthuộc vào tốc độ trước đó của node theo bước thời gian.

Ví dụ thứ 3 của mô hình Map- based là mô hình the Obstacle mobility, trong môhình này bản đồ được tạo ra đầu tiên là thêm các vật cản (những tòa nhà chẳng hạn)những trở ngại được thêm vào có thể được lấy một cách ngẫu nhiên hoặc dựa trên bản đồthực tế Một khi các công trình xây dựng được triển khai những con đường nối nhữngcông trình này sẽ được tạo ra và những node sẽ được giả định di chuyển theo những conđường này Một tính năng thú vị của mô hình này đó là những vật cản cũng được tínhtoán cho việc mô phỏng tín hiệu được lan truyền trong môi trường Nói cách khác môhình này còn giả định được những tín hiệu sẽ bị cản bởi các vật cản trong môi trường

Group-based mobility: Tất cả những mô hình được giới thiệu từ trước đều mô

phỏng sự di chuyển của từng cá thể Tuy nhiên trong nhiều tình huống các node có thể dichuyển theo một nhóm (ví dụ như một nhóm du lịch di chuyển trong thành phố) Group-based Mobility được tạo ra để mô hình những tình huống như trên.Trong mô hình Group-based Mobility một nhóm nhỏ các node mạng được coi như là những trưởng nhóm(group leaders) Những node còn lại sẽ được gán ngẫu nhiên với những trưởng nhóm tạothàn một nhóm.Đầu tiên các nhóm trưởng sẽ ngẫu nhiên phân phối vùng triển khai R vàcác thành viên trong nhóm sẽ có vị trí ngẫu nhiên trong vùng R và là ‘hàng xóm’ củatrưởng nhóm.Sau đó các trưởng nhóm sẽ di chuyển theo một mô hình đã được giới thiệuở phía trên, Chẳng hạn như là RWP hay RDM Các thành viên trong nhóm sẽ làm theongười đứng đầu, các thành viên này sẽ có hướng và tốc độ theo hướng và tốc độ củatrưởng nhóm Khi hai nhóm giao nhau, một thành viên bất kỳ có thể rời nhóm của nó vàgia nhập vào một nhóm khác theo một xác suất đã biết Chi tiết về mô hình Group-basedMobility có thể tham khảo ở một số tài liệu khác như Hong et al 1999; Wang and Li2002

Chương 3 Tối ưu hóa Topology

3.1 Vấn đề về vùng ảnh hưởng

Trong chương này chúng ta sẽ xem xét các vấn đề để phân bố được một cấp độtruyền để tạo ra một đồ thị truyền thông với một khoảng thời gian trong khi sẽ giảm thiểuđược sự tiêu thụ năng lượng Vấn đề này được hiệu như là một vấn đề của vùng ảnhhưởng

3.1.1 Định nghĩa vấn đề

Chúng ta nhắc lại rằng, thiết lập cho tập hợp những node N trên mạng, một vùngảnh hưởng cho N là một hàm RA, hàm này sẽ gán cho mỗi node thuộc N một vùng ảnhhưởng RA(u) với 0 < RA(u) ≤ rmax với rmax là vùng ảnh hưởng lớn nhất Chú ý rằng, dướigiả thuyết là mô hình Path Loss được sử dụng cho mọi Node, và hiệu ứngShadowing/fading không được xem xét, và vùng truyền (Transmitting Range) và cấp độtruyền (transmit power level) là những khái niệm tương đương Hàm RA trước đây đượcđịnh nghĩa như là các quy tắc về phạm vi thay vi sức mạnh và chúng ta vẫn giữ nhữngquy ước này Những vấn đề về Range Assigment được định nghĩa như sau:

Định nghĩa 3.1.1(Vấn đề RA): Cho N là tập hợp những node trong không gian dchiều (d= 1, 2, 3) Một hàm range assigment RA được xác định tương đương như là mộtđồ thị truyền thông với những kết nối mạnh, và c(RA)uN(RA(u)) là hàm kết nốitất cả các RA với một khoảng cách nhỏ nhất, với  là độ suy giảm cường độ theokhoảng cách

Chi phí đo c(RA) được sử dụng trong định nghĩa vấn đề RA là tổng cấp độtruyền( Transmit Power levels) được sử dụng tại các node trong mạng Vì vậy một vấn đềcủa RA có thể thực sự được bắt đầu với việc tìm một RA ‘minimal’ với những node, vớiRA này các node sẽ kết nối với nhau để tạo thành một đồ thị truyền thông, và minimal ởđây có thể được hiểu là ‘chi phí năng lượng nhỏ nhất’ Bên cạnh việc giảm thiểu sự tiêuthụ năng lượng việc kết nối RA với sự tiêu thụ năng lượng nhỏ này sẽ giúp phần tăngthêm khả năng của mạng

3.1.2 Vấn đề RA trong những mạng một chiều (One-Dimensional Networks).

Trong phần này chúng ta sẽ giới thiệu một số thuật toán cho việc tìm kiếm nhữnggiải pháp cho vấn đề RA.Trước khi trình bày thuật toán chúng ta cần định nghĩa một cáchsơ bộ

Cho N là một tập hợp những điểm (Node) nằm trên một đường thẳng.Không mấttính tổng quát, chúng ta giả sử rằng các node được sắp xếp tăng dần tùy thuộc theo tọa độtrong không gian, chẳng hạn như u1 là node bên trái nhất và un là node bên phải nhất Chomột bộ những node và một RA, chúng ta gọi những cạnh (ui, uj) trong đồ thị truyền thôngthu được là một backward nếu mà i > j, có nghĩa là cạnh đi từ phải sang trái Với bất kỳ i,j nào (1  i < j  n) chúng ta định nghĩa tập hợp Ei,j gồm tất cả các cạnh backward cóđiểm đầu cuối thuộc {ui , uj}, Ei,j = {(us, ur) : i  r < s  j} Một số cạnh backward đượcgiới thiệu trong hình bên dưới (Những cạnh bôi đen là những cạnh backward)

Hình 4: Các cạnh backward

Thuật toán cho việc tìm kiếm một giải pháp tối ưu dựa trên nền tảng là những phép đệquy Cho một RA tối ưu kết nối cho các node (u1, uk) với 1  k <n , sau đó chúng ta sẽxây dựng được một RA tối ưu kết nối cho (u1, uk+1) Tư tưởng chính của thuật toán này làkhi chúng ta đã có một RA tối ưu với k node là RAk thì RA tiếp theo có thể được xácđịnh Giả sử chi phí của RAk là 0 (giả thiết, nghĩa là c(RAk) cũng bằng 0) và khi có thêmmột node gia nhập thêm vào thì chi phí của RAk+1 sẽ được tăng lên một giá trị đã đượcxác định điều này được thể hiện trong định nghĩa sau:

Định nghĩa 3.2.1 (RA increamental cost)

Cho N = {u1, , un} là một tập hợp các node và E là bộ những cạnh giữa nhữngnode trong N RA được sinh ra bởi E được gọi là RAE , RAE là “minimal assignment” khiRAE(ui)(ui,uj)với bất kỳ một cạnh có hướng (ui, uj) E.Chi phí tăng thêm của rangeassignment liên quan tới E được gọi là cE(RA), được xác định như sau: cE(RA) =

- Giữa một cặp node bất kỳ đều có đường tồn tại