TỐI ưu hóa TOPOLOGY TRONG MẠNG AD HOC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đức Hải TỐI ƯU HÓA TOPOLOGY TRONG MẠNG AD-HOC KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đức Hải TỐI ƯU HĨA TOPOLOGY TRONG MẠNG AD-HOC KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cơng nghệ thông tin Cán hướng dẫn: PGS.TS Trần Hồng Quân HÀ NỘI - 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời cảm ơn Để hồn thành khóa luận trước hết em xin gửi cảm ơn tất thầy cô trường Đại Học Công Nghệ truyền thụ cho em kiến thức để nghiên cứu vấn đề khóa luận, cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Hồng Quân, người trực tiếp hướng dẫn em suốt trình làm khóa luận, đến anh Vũ Anh Hải ban BCCS VNPT, người giúp đỡ em nhiều trình xây dựng chương trình mơ Và cuối em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè giúp đỡ, tạo điều kiện, động viên em suốt q trình làm khóa luận Hà Nội, ngày tháng Sinh viên năm 2009 Nguyễn Đức Hải LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tóm tắt nội dung Ngày với phát triển nhanh chóng đa dạng thiết bị di dộng, nhu cầu kết nối thiết bị lúc nơi ngày trở nên cấp thiết Một giải pháp cho yêu cầu xây dựng nên mạng ad-hoc Về bản, mạng ad-hoc kết nối tất thiết bị truyền thông không dây mà không sử dụng sở hạ tầng cố định Rất nhiều vấn đề đặt tạo mạng ahoc tối ưu Một vấn đề cần giải làm để trì mạng ad-hoc với thời gian dài điều kiện bị giới hạn nguồn lượng Trong khóa luận giải vấn đề theo phương pháp tiếp cận tối ưu hóa topology mang ad-hoc cho node mạng truyền số lượng gói tin lớn sử dụng nguồn lượng nhỏ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Mở đầu .1 Chương Giới thiệu mạng Ad-hoc .2 1.1 Mạng Ad-Hoc 1.2 Những thách thức Chương Mô hình hóa mạng ad-hoc 2.1 Kênh truyền không dây .6 2.2 Đồ thị truyền thông 10 2.3 Mơ hình hóa tiêu thụ lượng .13 2.4 Mơ hình hóa tính di động 16 Chương Tối ưu hóa Topology 20 3.1 Vấn đề vùng ảnh hưởng 20 3.1.1 Định nghĩa vấn đề 20 3.1.2 Vấn đề RA mạng chiều (One-Dimensional Networks) 21 3.1.3 Vấn đề RA mạng chiều 23 3.1.4 Vấn đề tính đối xứng 25 3.2.Chi phí lượng Range Assignment tối ưu .33 Chương Hiệu lượng kết nối topology 34 4.1 Hiêu lượng Unicast 34 4.2 Hiệu lượng broadcast .39 Chương Mô kết thực nghiệm 43 5.1 Ý tưởng xây dựng chương trình mơ 43 5.2 Xây dựng chương trình mơ 43 5.3 Kết mô 44 5.4 Nhận xét 44 Chương Kết luận 46 6.1 Những kết đạt mặt hạn chế khóa luận 46 6.2 Phương hướng phát triển .47 Tài liệu tham khảo 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Mơ hình two-ray group Hình 2: Chiều mạng phạm vi vùng ảnh hưởng node 11 Hình 3: Đồ thị điểm chiều .12 Hình 4: Các cạnh backward 21 Hình 5: Minimum Spanning Tree .24 Hình 6: SRA WSRA 26 Hình 7: Gadget cho cạnh (a, b) 29 Hình 8: Sự xếp node khoảng cách chúng 33 Hình 9: Đồ thị maxpower G đồ thị G’ với hệ số power stretch .35 Hình 10: Bảng đồ thị định tuyến hệ số liên quan 37 Hình 11: Một vùng bao phủ node đồ thị Gabriel 38 Hình 12: Giao diện chương trình .43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mở đầu Những thiết bị tính tốn truyền thông không dây trở nên phổ biến kèm với sở hạ tầng truyền thơng ngày lớn mạnh làm nên phát triển nhanh chóng mạng khơng dây Hầu hết nghiên cứu phát triển dành cho mạng không dây ổn định, quan tâm cộng đồng khoa học nghành công nghiệp truyền thơng, lĩnh vực truyền thơng kích thích hướng tới truyền thông giao tiếp mà không cần sở hạ tầng Với yêu cầu cấp thiết mạng ad-hoc giải pháp hữu hiệu Vấn đề đặt để thiết kế mạng ad-hoc với độ ổn định cao, hiệu đường truyền lớn nhất, đồng thời tiết kiêm lượng sử dụng cho node Trong khóa luận tiếp cận giải vấn đề theo phương pháp tối ưu hóa Topology để đạt tới hiệu sử dụng mạng cách cao nhất, đồng thời tiết kiệm lượng sử dụng cho node Một số nội dung khóa luận nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa Topology trình bày theo chương sau: Chương 1: Giới thiệu mạng ad-hoc, tầm quan trọng, tính bật thách thức xây dựng mạng ad-hoc Chương 2: Mơ hình hóa mạng ad-hoc, mơ hình kênh truyền khơng dây, xây dựng topology mạng ad-hoc dựa đồ thị truyền thơng Chương 3: Tối ưu hóa Topology, đưa thuật tốn nhằm tính tốn tạo topology cho mạng ad-hoc cho cách tối ưu Chương 4: Hiệu lượng từ việc tối ưu hóa Topology, chứng minh với Topology tối ưu lượng sử dụng cho mạng ad-hoc giảm xuống Chương 5: Mô tả chương trình mơ phỏng, đưa ý tưởng xây dựng chương trình mơ phỏng, module chính, kết thực nghiệm đánh giá thực tế Chương 6: Kết luận, đưa mặt đạt khóa luận, mặt cịn hạn chế bước phát triển khóa luận tương lai LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương Giới thiệu mạng Ad-hoc 1.1 Mạng Ad-Hoc Mạng ad-hoc lĩnh vực tảng truyền thông không dây.Cơng nghệ cho phép node mạng truyền thông với node khác sử dụng phát không dây mà không cần sử dụng sở hạ tầng cố định Điều khác biệt lớn mạng ad-hoc với nhiều mạng không dây cổ điển mạng cellular hay wireless LAN, mạng này, node phải truyền thông với trạm sở trạm sở sử dụng mạng có dây Mạng ad-hoc trông đợi cách mạng hóa truyền thơng khơng dây vài năm tới: bổ sung mơ hình mạng cổ điển (Internet, mạng cellular, truyền thông vệ tinh), mạng ad-hoc trở nên vô phổ biến, cách khai thác công nghệ không dây ad-hoc, thiết bị không dây vô phổ biến (điện thoại , PDA, laptop …) thiết bị cố định (máy trạm, điểm truy xuất Internet khơng dây …) kết nối tạo thành mạng rộng khắp mạng toàn cầu Những ứng dụng tương lai theo xu hướng công nghệ mạng ad-hoc chứng minh hữu dụng.Ví dụ, xem xét tình sau Một trận động đất phá hủy hầu hết thứ, cớ sở hạ tầng thông tin liên lac thành phố lớn(đường dây điện thoại, máy trạm mạng cellular …) Một vài đội cứu hộ (chữa cháy, cảnh sát, y tế …) làm việc thảm họa để cứu người giúp đỡ người bị thương.Để mang lại giúp đỡ tốt cho người dân đội cứu hộ phải phối hợp với nhau.Rõ ràng, hành động phối hợp đạt người cứu hộ có khả giao tiếp, với người đội vả đội khác (ví dụ cảnh sát với cảnh sát hay cứu hỏa với y tế) Với cơng nghệ có sẵn, nỗi nỗ lực phối hợp người cứu hộ hồn cảnh sở hạ tầng thơng tin liên lạc bị phá hủy nghiêm trọng khó khăn: chí thành viên nhóm trang bị đàm thiết bị tương tự, khơng có quyền truy cập vào cớ sở hạ tầng cố định có sẵn người cứu hộ liên lạc phạm vi gần Vì ưu tiên ngày quản lý thiên tai làm để khôi phục lại hệ thống sở thông tin liên lạc nhanh tốt, việc thường thực cách sửa chữa sở hạ tầng bị phá hủy triển khai thiết bị thông tin liên lạc tạm thời LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tình hình khác nhiều công nghệ mạng ad-hoc sẵn sàng: cách sử dụng đầy đủ hình thức truyền thơng khơng dây phân cấp hay truyền thông không dây đa chặng, người cứu hộ có khả giao tiếp khoảng cách tương đối xa Đối với mơt khu vực thiên tai có mật độ dân cư đông thành phố cơng nghệ mạng ad-hoc mang lại thành công nỗ lực cứu hộ mà không cần sử dụng sở hạ tầng thông tin liên lạc Ví dụ phần mơ tả tính nối bật ứng dụng sử dụng công nghệ mạng ad-hoc: Mạng không đồng nhất: Một mạng ad-hoc điển hình mạng lưới bao gồm nhiều thiết bị khơng đồng Ví dụ giả thiết phía mơ tả, nhóm cứu hộ làm việc vùng bị thiên tai trang bị thiết bị truyền thông giao tiếp khác như: điện thoại di động, PDAs, đàm hay máy tính xách tay … Để cho việc thiết lập mạng lưới thông tin liên lạc cách thành cơng cơng nghệ mạng phải tảng giúp cho phép thiết bị khác giao tiếp với Tính di động: mạng ad-hoc điển hình, hầu hết node mạng di động, ví dụ trường hợp người làm việc vùng bị thiên tai mà ta nêu giả thiết phía Mạng phân tán: việc xây dựng mạng ad-hoc phân tán nút mạng phân tán theo phương diện vật lý, thực tế nút mạng gần truyền thơng qua chặng hữu dụng nhiều truyền thông qua nhiều chặng không cần thiết Tiềm ứng dụng mạng ad-hoc nhiều , đánh giá điều sau đây: Phân phối nhanh chóng lưu lượng truy cập đường cao tốc khu đô thị: Những tuyến đường cao tốc khu thị trang bị trạm phát vô tuyến cố định, gửi thơng tin quảng bá tới xe có gắn thiết bị thu nhận GPS Lần lượt xe hoạt động cập nhật giao thơng nhanh chóng.So với cơng nghệ cũ cơng nghệ cung cấp xác nhanh chóng Truy cập Internet khắp nơi: Trong tương lai gần, khu vực công cộng như, sân bay, nhà ga, khu mua sắm cao cấp, trang bị điểm truy cập Internet không dây, cách sử dụng thiết bị di động người dùng khác cầu nối không dây việc truy cập internet phủ rộng hầu hết nơi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phân phối điểm thu nhận thông tin: Bằng cách sử dụng trạm truyền thông không dây điểm thu nhận thơng tin phân phối thu thập thông tin từ người sử dụng Ví dụ điểm thu nhận thơng tin thông tin chuyến du lịch, kiện xung quanh, thông tin cửa hàng, nhà ăn khu khu vực … 1.2 Những thách thức Mặc dù công nghệ dành cho mạng ad-hoc tương đối hoàn thiện ứng dụng hồn tồn khơng có.Một phần thực tế số vấn đề mạng ad-hoc cịn chưa có hướng giải quyết.Trong phần mô tả trạng thái công nghệ mạng ad-hoc thời đối điện với thách thức việc thiết kế mạng ad-hoc Mạng không dây ad-hoc thu hút nhiều quan tâm của nhà ngiên cứu ngành công nghiệp vài năm gần đây.Với tư cách kết loạt hoạt động ngiên cứu đáng kể, chế truyền thông không dây ad-hoc thiết kế chuẩn hóa Những ví dụ phổ biến nhất, chuẩn giao tiếp IEEE 802.11 Bluetooth thực thi hàng loạt thiết bị không dây thương mại, chuẩn cho phép thiết bị không dây giao tiếp với mà sử dụng sở hạ tầng Vì vậy, giao tiểp không dây, multihop thiêt bị khác điện thoại di động, máy tính cách tay, PDA hay thiết bị thơng minh trở thành thực với công nghệ cung cấp thời Mặc dù thực tế công nghệ dành cho mạng ad-hoc tồn tại, ứng dụng tảng mơ hình mạng ad-hoc hồn tồn khơng có.Ngun nhân điều thực tế triển khai dịch vụ mạng ad-hoc gặp nhiều khó khăn.Những thách thức mà gặp phải là: - Sự trì lượng: Những thiết bị mạng ad-hoc thường sư dụng nguồn lượng thông qua pin gắn cùng, mục tiêu thiết kế mạng cho nguồn lượng sử dụng cách hiệu - Hình trạng mạng khơng cấu trúc và/hoặc thay đổi theo thời gian: Trong mạng lưới node, nguyên tắc thiết bị di động nơi khu vực rộng lớn liên tục di động, đồ thị hình trạng mạng biểu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương Hiệu lượng kết nối topology Trong phần trước, xét đến vấn đề, để tính tốn tâp hợp transmitting range với chi phí lượng nhỏ cách tạo đồ thị liên thông, Những nghiên cứu lớn hầu hết dành cho đồng topologies để tạo hiệu việc sử dụng lượng cho kết nối node mạng Hay nói cách khác, xác định đồ thị liên thông G thu tất node truyền với tối đa sức mạnh, mục đích đồng đồ thị G’ G cho hiêu lượng sử dụng để liên kết tốt mà giữ tính chất G’ Tiêu chí xác định để đánh giá hiệu lượng liện kết phụ thuộc vào kết nối mẫu xác định từ trước Thông thường kiểu kết nối ý đến kết nối cuối cuối (end to end) node (hình thức truyền unicast) kiểu kết nối toàn (one to all) (hình thức truyền broadcast) Trong chương này, phân tích vấn đề tối ưu hóa topology cho hình thức truyền unicast, sau xét vấn đề tương tự với hình thức truyền broadcast Chú ý tất kết thu chương dành cho mạng chiều 4.1 Hiêu lượng Unicast Cho G(N, E) đồ thị với sức mạnh tối đa (maxpower graph) có nghĩa một đồ thị liên thông tạo tất node node kết nối truyền với tối đa sức mạnh Trong đồ thị giả sử G kết nối Cho Puv đường kết nối có hướng node u node v G Chi phí (power cost ) Puv = {u = w0, w1, , wh, wh+1=v} định nghĩa tổng chi phí cạnh đơn, : h pc(Puv) = ∑ δ(wi, wi+1)α i =0 Với α hệ số suy giảm lượng theo khoảng cách Đường kết nối node u, v G bị giới hạn điều kiện khoảng cách nhỏ (tương ứng với minimum power) xác định Puvmin,G gọi minimum power path node u v 34 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com G Nếu minimum power path u v không đơn nhất, chọn đường đánh minimum power path 4.1.1 (Hệ sỗ dãn power): Cho G’ đồ thị tùy ý đồ thị G cho Hệ số dãn power G’ liên quan tới G xác định theo công thức sau: pc( Puvmin,G ' ) ρ G ' = max u ,v∈N pc ( P min,G ) uv Quy định định nghĩa ρG= ∞ node u v tồn kết nối G khơng có kết nối G’ Hệ số dãn power suy rộng khái niệm hệ số co dãn khoảng cách (distance stretch factor ), khái niệm nêu tài liệu Goodman and O’Rourke 1997 Đơi hệ số cịn gọi hệ số bước nhảy (hop stretch factor) Một ví dụ maxpower graph G đồ thị G’ với hệ số power stretch, distance stretch, hop stretch Hình 9: Đồ thị maxpower G đồ thị G’ với hệ số power stretch 4.1.2 (Power spanner): Cho G(N, E) đồ thị với sức mạnh tối đa (maxpower graph) với |N|=n Một đồ thị G’ G gọi Power spanner ρG = O(1) Nói chung, tìm kiếm đồ thị G’ (còn gọi đồ thị định tuyến) đồ thị G, đồ thị có hệ số power stretch thấp điều quan trọng so với đồ thị ban đầu Đồ thị định tuyến coi đầu vào giao thức 35 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com định tuyến tính tốn đường node đồ thị G’ mà ta xét Cho tính chất power spanning, đảm bảo lượng dùng cho việc kết nối với tuyến đường “gần tối thiểu” Lợi ích việc sử dụng G’ thay G routing overhead giảm Hãy ý phương pháp tiếp cận vấn đề kiểm sốt topology hồn tồn giả định node thay đổi lượng truyền gói tin bản: node u gửi gói tin tới node v, thiết lập cấp độ lượng để truyền có giá trị tối thiểu cần thiết để đạt tới node quãng đường định tuyến tới v Bên cạnh sparse power spanner (đồ thị n node gọi sparse số lượng cạnh đồ thị O(n), vài tính chất mong muốn đồ thị định tuyến xác định Đi vào chi tiết, bậc node topology xây dựng bị ràng buộc số Hãy ý thực tế bậc node G’ đảm bảo giá trị trung bình , khơng phải lớn nhất, bậc node đồ thị số Sở dĩ có buộc nhằm mong muốn tránh tượng ‘nút cổ chai’ (bottle necks) trong đồ thị liên thông Nếu đồ thị định tuyến sử dụng với giao thức định tuyến tính chiều đảm bảo việc chuyển tin Cuối quan trọng là, đồ thị định tuyến phải xây dựng khu vực hạn chế phân bố node hồn tồn tùy ý Hay nói cách khác node u mạng tính tốn vị trí G’ dựa sở node hàng xóm gần đồ thị cha G Tổng kết lại rằng, đồ thị định tuyến G’ nên: Là power spanner đồ thị maxpower Là sparse Có giới hạn bậc node Có tính chiều Dễ dàng cho việc tính tốn việc phân bố xắp xếp vị trí node Một số đồ thị định tuyến đáp ứng vài toàn yêu cầu nói tài liệu Hầu hết đồ thị dựa sở đồ thị G Trong thực tế, dễ dàng nhận thấy đồ thị định hướng G’ distance spanner đồ thị G power spanner đồ thị G (chú ý đảo ngược lại nghĩa G’ power spanner G chưa distance spanner G) Vì hầu hết 36 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nghiên cứu dành cho distance spanner việc tính tốn hình học để sử dụng để thiết kế đồ thị định tuyến tốt Hình 10: Bảng đồ thị định tuyến hệ số liên quan Đi vào chi tiết , đồ thị sau thu từ việc tính tốn hình học sử dụng để xây dựng đồ thị định tuyến cho mạng ad-hoc: Relative Neighborhood Graph (RNG), Gabriel Graph (GG), Delaunay Triangulation (DT), Yao Graph với tham số c (YGc).Những đồ thị gọi proximity graphs.Từ việc thiết lập kết nối liên quan tới node u đồ thị tạo tính tốn dựa sở vị trí node hàng xóm đồ thị maxpower Vì proximity graph xây dựng vùng giới hạn node phân bố tùy ý Sau mối quan hệ promixity graph chứng minh: cho tập hợp điểm N RNG(N ) ⊆ GG(N ), RNG(N ) ⊆ YGc(N ), với c ≥ Hơn MST(N ) bao gồm RNG(N ), GG(N ), DT(N ), YGc(N ), với c ≥ Tỉ lệ distance power spainning đồ thị tổng kết bảng phía với bậc trung bình lớn node.Trong bảng RDT giới hạn Delaunay Triangulation (những cạnh vượt transmitting range node bị loại bỏ) Như nhìn bảng, GG có hệ số power stretch tối ưu.Thuật tốn đươc trình bày bên sử dụng để tính tốn GG vùng giới hạn có cách phân bố tùy ý node.Thuật toán dựa giả thiết tất node mạng biết vị trí mặt phẳng, điều hồn tồn thực cơng nghệ GPS số cơng nghệ tìm kiếm vị trí khác Chúng ta nhắc lại cạnh (u, v) ∈ G nằm đồ thị Gabriel đường tròn với đường kính cạnh (u, v) khơng bao gồm node G (Hình bên dưới): 37 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 11: Một vùng bao phủ node đồ thị Gabriel Điều nhìn thấy thuật tốn đươc trình bày bên Cần ý bậc lớn node trong đồ thị maxpower cao n-1.Có thể dễ dàng nhận thấy thuật tốn có độ phức tạp thời gian O(n2) Độ phức tạp thông báo O(n) tất node đồ thị truyền với thơng báo đơn Mặc dù GG có hệ số power stretch tối ưu, bậc node tăng lên đến n-1.Những giá trị đồ thị khác liệt kê hình 10 Vì lý số biến thể proximity graphs đề xuất với mục đích có ràng buộc bậc lớn node Thật không may mắn vấn đề đem nghiên cứu khơng có đồ thị có bậc node số mà thỏa mãn điều kiện có đường với minimum power cho cặp node Chính mà khơng có power spainner tối ưu với số giới hạn bậc tối node tồn Ngày đồ thị định tuyến với bậc node số có hệ số power stretch tố đồ thị OrdYaoGG.Nó tạo xây dựng đồ thị YGc với c ≥ đồ thị GG Đồ thị OrdYaoGG có hệ số power stretch ρ = π − (2 sin ) c bậc lớn α node c+5 với c> tham số đồ thị Yao Ví dụ cho c = α = có hệ số power stretch 1.88 giới hạn bậc tối đa node 14.Mặc dù OrdYaoGG xây dựng vùng giới hạn node phân bố tùy ý, yêu cầu tính tốn số lượng định tin trao đổi (24n tin nhất) Vì lý 38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tác giả đề xuất đồ thị SyaoGG tương tự đồ thị OrdYaoGG số tin tối thiểu yêu cầu trao đổi 3n Hệ số power stretch ρ= 2α π − (2 sin ) c bậc lớn c với c >8 tham số đồ thị Yao Ví dụ cho c α = 9, α = có hệ số power stretch 31.11 bậc tối đa node Thuật toán Gabriel Graph (Thuật toán cho xây dựng đồ thị Gabriel Graph) IDu định danh node u, (xu, yu) vị trí node u EG(u) EGG(u) tập hợp liên kết u đồ thị maxpower GG Disk(u,v) môt đường trịn với cạnh (u, v) đường kính 1, Khởi tạo EG(u) = EGG(u) = Φ Xử lý tin đến - Trong nhận tin (IDv,(xu,yu)) từ node v add thêm (u, v) vào EG(u) - Kiểm tra xem cạnh (u, w) có thực thuộc EG(u) w ∈ disk(u, v) - Nếu không thêm (u, v) vào EGG(u) - Với (u, w) ∈ EGG(u): + Kiểm tra xem v ∈ disk (u, w) + Nếu có xóa (u, w) EGG(u) Kết thúc Sau xử lý xong tất tin đến, EGG(u) bao gồm tất cạnh GG liên quan tới u 4.2 Hiệu lượng broadcast Một vấn đề khác xem xét tài liệu việc xác định topology cho hiệu lượng broadcast: cho đồ thị maxpower G, mục đích xác định đồ thị G’ G (đồ thị broadcast) quảng bá G’ hiệu lượng sử dụng cho đồ thị đồ thị maxpower Điểm lợi việc sử dụng đồ thị vấn đề ta xem xet “nhỏ hơn” so với đồ thị maxpower tượng nhiễu chế đồ truyền broadcast giảm Hiện tượng xảy node vùng lân cận cố 39 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com gắng truyền lại tin broadcast thời điểm, kết gây dư thừa lớn, cạnh tranh băng thông xung đột Trước trình bày kết giới thiệu khái niệm hệ số broadcast stretch Bây xem xet đồ thị maxpower G Bất kỳ quảng bá tạo node u xem có hướng đồ thị G với root node u, gọi broadcast (broadcast tree) Chi phí lượng broadcast T định nghĩa sau Gọi pcT(v) chi phí lượng phải trả truyền tin broadcast node v, pcT(v) = v node T pcT(v) = max(v,w) δ(v, w)α khác Tổng lượng cần để truyền tin broadcast T pc(T) = ∑(v∈N)pcT(v) Chúng ta gọi chi phí chi phí lượng T (power cost T) Cây tạo G với root u với chi phí lượng nhỏ gọi minimum power broadcast tree u ký hiệu Tumin,G Định nghĩa 4.2.1 (Hệ số broadcast stretch) Cho G’ đồ thị tùy ý đồ thị maxpower G (N,E), hệ số power stretch G’ G gọi βG giá trị lớn tỉ lệ chi phí lượng nhỏ broadcast G’ với root u chi phí lượng nhỏ broadcast G với root u βG’ = max u∈N pc(Tumin,G ' ) pc(Tumin,G ) Định nghĩa 4.2.2 (Broadcast spanner) Cho G(N, E) đồ thị maxpower với |N| = n Một đồ thị G’ G gọi broadcast spanner G βG ∈ O(1) Tương tự trường hợp unicast mục đích tìm broadcast spanner rời rạc G điều tính tốn khu vực gới hạn phân bố tùy ý Không may mắn nhiệm vụ đưa khó khăn nhiều so với trường hợp unicast.Khó khăn xảy đến từ thật việc tính tốn chi phí lượng nhỏ cho broadcast tree có root node vấn đề NPhard, giả thiết node sử dụng cấp độ lượng rời rạc {P1, , Pk} Vì việc trực tiếp tính tốn hệ số power stretch đồ thị G’của G gần thực được, từ điều yêu cầu hướng giải cho vấn đề NP-hard Căn vào kết hardness, số nhà nghiên cứu đề xuất số giải pháp, đề xuất giải pháp cho vấn đề tố ưu chi phí nhỏ broadcast theo giá trị gần Một nghiên cứu đề cập tới 40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thuật toán Broadcast Incremental Power (BIP).Thuật toán BIP trình bày bên dưới.Thuật tốn biến thể thuật tốn Prim cho việc tìm kiếm MST.Thuật tốn bắt đầu việc tìm kiếm node nguồn u để đạt tới mức chi phí nhỏ Node thêm vào tập hợp node covered C, node nhận tin broadcast Một điểm chung bước thứ i, BIP xét tất node chưa nhận nhận tin broadcast với node v tín tốn chi phí tăng lên việc thêm node v vào spanning tree thời.Node v với chi phí tăng lên tối thiểu thêm vào tập hợp C phần spanning tree thời Xử lý lặp lại tất node covered Một broadcast spanner G đươc xây dựng sau: cho node u G, áp dụng thuật toán BIP để xây dựng broadcast Tu với root u Cho GBIP = Uu ∈ N Tu , nghĩa là, liên kết (u,v) GBIP nằm broadcast tính tốn BIP Cho phương pháp BIP phương pháp xấp xỉ tối ưu (được xây dựng đồ thị maxpower) với hệ số lớn 12, sau ta có: với node u, GBIP bao gồm broadcast với root u chi phí gấp O(1) lần so với chi phí tối ưu, nghĩa GBIP broadcast spanner G Không may mắn đồ thị GBIP nhiều.Hơn BIP thuật toán tập trung, yêu cầu phải biết tất node Một đồ thị khác sử dụng để xây dựng broadcast spanner MST, xấp xỉ broadcast với chi phí nhỏ hệ số 12 Không may việc tính tốn MST u cầu phải biết tất node.Để giải vấn đề người ta thường đưa điều kiện thuật toán nên triển khai vùng hạn chế Tóm lại, việc thiết kế thuật tốn đươc giới hạn phạm vi phân phối tùy ý sử dụng để xây dựng broadcast spanner G cịn cơng việc khác phức tạp Thuật toán BIP u node nguồn C tập hợp node xét T spanning tree N tập hợp node mạng Khởi tạo 41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com C = {u} T = {u} Lặp C = N với node v ∈ N – C Tính tốn chi phí tăng thêm ic(v) thêm c vào T Cho v N-C với chi phí tăng thêm nhỏ C = C Υ{v} Thêm v vào spanning tree thời T Kết thúc Khi C = N, T broadcast spanning với gốc u Trước kết thúc chương điểm lại số nét chung vấn đề range assignment trình bày chương vấn đề hiệu lượng chế độ broadcast Giả sử có G đồ thị maxpower tập hợp N điểm, vấn đề RA mục đích tìm range assigment với chi phí tối ưu đồ thị có kết nối Giả sử ta có node u tùy ý muốn quảng bá tin m, cho RA range assignment tối ưu, sơ đồ quảng bá đơn giản lan truyền: node u truyền m khoảng cách RA(u), node khác v nhận m khoảng thời gian đầu tiên, sau truyền lại m theo khoảng cách RA(v), thấy sau tất node N truyền tin m, quảng bá lan truyền khắp mạng Vì chi phí lượng cho RA giới hạn chi phí lượng broadcast G 42 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương Mô kết thực nghiệm 5.1 Ý tưởng xây dựng chương trình mơ - Mạng ad-hoc xây dựng từ ý tưởng giả sử coi node mạng cảm biến, cảm biến tạo nên mạng ad-hoc, mạng cảm biến - Xây dựng nên mạng ad-hoc với thay đổi số lượng node (các cảm biến) tham gia - Xây dựng nên RA tối ưu với thuật toán MST, Prim - Giả lập có truyền tải gói tin node - Tính tốn tiêu thụ lượng - So sánh tiêu thụ lượng mạng có RA tối ưu khơng có RA tối ưu Từ đưa đánh giá mức độ ảnh hưởng RA đến tiêu thụ lượng 5.2 Xây dựng chương trình mơ Chương trình xây dựng theo nhiều module gép nối module với để mô tả ý tưởng nêu Sau gép nối module với nhau, chương trình có khả mơ mang ad-hoc cách Giao diện chương trình trình bày hình bên Hình 12: Giao diện chương trình 43 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Module chương trình Wireless Sensor NetWork đảm nhiệm vai trò: o Xây dựng mạng ad-hoc với thông số node o Xây dựng hàm có chức mô mạng o Xây dựng RA tối ưu MST a) Xây dựng mạng ad-hoc với thông số node: public WirelessSensorNetwork(variables): hàm cho phép khởi tạo thông số mạng ad-hoc như: số lượng node, lượng dành cho node, tọa độ, vùng giới hạn mang … b) Xây dựng hàm có chức mô mạng ad-hoc public void BuildNetwork(bool bOptimizeRA): cho phép xây dưng mang ad-hoc với thông số khởi tạo trên, RA tối ưu xây dựng theo RA tối ưu public bool Process(): hàm xử lý toàn trao đổi mạng adhoc, tính tốn giá trị lượng cập nhật cho biến … c) Xây dưng RA tối ưu MST internal bool OptimizeRA(): hàm xây dựng RA tối ưu dựa vào thuật toán Prim, MST 5.3 Kết mơ Dựa vào chương trình mơ có bảng thơng số nhứng kết sau Thời gian tồn mạng RA khơng tối ưu Số lượng gói Số lượng gói tin giao tiếp tin giao tiếp mạng mạng RA RA tối không tối ưu ưu Số lượng node Năng lượng cung cấp Thời gian tồn mạng RA tối ưu 10 10000 2.34 1.40 328 307 50 50000 2.47 209 456 427 100 100000 1.44 1.32 788 746 130 130000 2.14 1.46 868 859 5.4 Nhận xét 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Dựa vào kết chương trình mơ phỏng, nhận thấy với RA tối ưu khả giao tiếp mạng nâng lên, số lượng gói tin giao tiếp mạng tăng lên, đồng thời giảm thiểu lượng sử dụng cho node mạng Nâng thời gian tồn mạng tăng lên 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương Kết luận 6.1 Những kết đạt mặt hạn chế khóa luận Nghiên cứu lĩnh vực truyền thông mạng ad-hoc lĩnh vực tương đối khó vấn đề truyền thơng khơng dây nói chung Nó u cầu người nghiên cứu phải có kiến thức sâu rộng khơng mạng nói chung mà cịn địi hỏi người nghiên cứu phải có tính tốn tỉ mỉ, khả ước lượng cao kiên trì chi tiết mạng khơng dây nói chung bị ảnh hưởng nhiều yếu tố khác Mặc dù kiến thức, kinh nghiệm cịn non song q trình làm khóa luận em đạt số kết đáng ý sau: Nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa mạng ad-hoc Tính tốn tìm giải pháp cho việc tối ưu hóa vùng ảnh hưởng cho node mạng ad-hoc Chứng minh với vùng ảnh hưởng tối ưu tiết kiệm lượng sử dụng cho node nói riêng tồn mạng ad-hoc nói chung Thiết kế chương trình mơ mạng ad-hoc đơn giản Lập trình tìm vùng ảnh hưởng tối ưu cho node mạng ad-hoc theo thuật toán Prim MST Mơ q trình truyền liệu node tính tốn lượng tiêu thụ cho mạng ad-hoc Do giới hạn mặt kiến thức, thời gian non kinh nghiệm nên khóa luận em cịn có mặt hạn chế định: Những chứng minh công thức vấn đề liên quan đến việc mô cịn chưa nêu tồn Do mạng mơ nên nhiều đặc tính node ảnh hưởng môi trường người thiết kế tự đưa ra, cịn chưa sát với thực tế Chương trình dừng lại mức độ trung bình di chuyển biến đổi node chưa cao Vùng ảnh hưởng tối ưu đưa mang tính chất tương đối, chưa đưa vùng ảnh hưởng tối ưu giúp phần tiết kiệm lượng cách tối ưu 46 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6.2 Phương hướng phát triển Nghiên cứu lý thuyết tốn học cho tìm vùng ảnh hưởng tìm kiếm topology tối ưu Xây dựng chương trình mơ cách xác sát với thực tế 47 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tài liệu tham khảo [1] David J Stein, “Wireless Sensor Network Simulator” [2] Paolo Santi, “Topology Control In Wireless Ad hoc and Sensor Networks”, trang 1-9 [3] Paolo Santi, “Topology Control In Wireless Ad hoc and Sensor Networks”, trang 1325 [4] Paolo Santi, “Topology Control In Wireless Ad hoc and Sensor Networks”, trang 7385 [5] Paolo Santi, Topology Control In Wireless Ad hoc and Sensor Networks, trang 87-92 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... Chương 3: Tối ưu hóa Topology, đưa thuật tốn nhằm tính tốn tạo topology cho mạng ad- hoc cho cách tối ưu Chương 4: Hiệu lượng từ việc tối ưu hóa Topology, chứng minh với Topology tối ưu lượng sử... 1: Giới thiệu mạng ad- hoc, tầm quan trọng, tính bật thách thức xây dựng mạng ad- hoc Chương 2: Mơ hình hóa mạng ad- hoc, mơ hình kênh truyền không dây, xây dựng topology mạng ad- hoc dựa đồ thị... mạng ad- hoc Về bản, mạng ad- hoc kết nối tất thiết bị truyền thông không dây mà không sử dụng sở hạ tầng cố định Rất nhiều vấn đề đặt tạo mạng ahoc tối ưu Một vấn đề cần giải làm để trì mạng ad- hoc