Định tuyến đi vòng cho mạng không dây dựa vào thông tin địa lý và xoay trục tọa độ của các nút mạng

Bài viết Định tuyến đi vòng cho mạng không dây dựa vào thông tin địa lý và xoay trục tọa độ của các nút mạng giới thiệu một số giao thức định tuyến sử dụng thông tin vị trí địa lý như GPSR, DRQC. Dựa trên phân tích và đánh giá hiệu năng định tuyến của chiến lược phân chia các nút mạng theo góc phần tư trong giao thức DRQC và chiến lược tham lam trong giao thức GPSR, chúng tôi đề xuất thuật toán định tuyến DRCR (Định tuyến địa lý dựa trên quay trục tọa độ) cho mạng không dây dựa trên tọa độ địa lý của các nút mạng.

Nguyễn Quốc Dũng, Phan Thị Gấm, Trần Thị Thiều Hoa 108 ĐỊNH TUYẾN ĐI VỊNG CHO MẠNG KHƠNG DÂY DỰA VÀO THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ XOAY TRỤC TỌA ĐỘ CỦA CÁC NÚT MẠNG DETOUR ROUTING PROTOCOL FOR WIRELESS NETWORK BASED ON GEOGRAPIC INFORMATION AND COORDINATES ROTATION AXES Nguyễn Quốc Dũng, Phan Thị Gấm, Trần Thị Thiều Hoa Trường Đại học Hà Tĩnh; gam.phanthi@htu.edu.vn Tóm tắt - Bài báo giới thiệu số giao thức định tuyến sử dụng thông tin vị trí địa lý GPSR, DRQC Dựa phân tích đánh giá hiệu định tuyến chiến lược phân chia nút mạng theo góc phần tư giao thức DRQC chiến lược tham lam giao thức GPSR, chúng tơi đề xuất thuật tốn định tuyến DRCR (Định tuyến địa lý dựa quay trục tọa độ) cho mạng không dây dựa tọa độ địa lý nút mạng Giao thức DR-CR sử dụng chiến lược định tuyến phân chia tọa độ nút theo góc phần tư kết hợp quay trục tọa độ Để đánh giá hiệu giao thức DR-CR, tiến hành thực nghiệm mô NS3, kết cho thấy trường hợp mạng có vấn đề vùng trống hiệu giao thức DR-CR tốt DRQC hẳn GPSR Abstract - This paper introduces a number of routing protocols using geographic location information such as Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) and Detour Routing based on Quadrant Classification (DRQC) Through analyzing and evaluating performance routing of quadrant classification strategy in the DRQC protocol and greedy strategy in GPSR protocol, we recommend a new protocol called DR-CR (Detour Routing Protocol based on Coordination Rotation) for local void area in geographic networks DR-CR protocol based on quadrant classification strategy and coordinate rotation axes The simulation was implemented in NS3 shown that, in case the network have void area, the performance of DR-CR protocol is relatively better than DRQC protocol and much better than GPSR protocol Từ khóa - đánh giá hiệu mạng; giao thức mạng; định tuyến sử dụng thông tin địa lý; network simulator NS3; vấn đề vùng trống Key words - network performance network; network protocol; protocols using geographic information; NS3 network simulator; void area problem Đặt vấn đề Ngày nay, định tuyến sử dụng thơng tin vị trí địa lý nghiên cứu sử dụng phổ biến VANETs [1], [2], WSN [3] Trong định tuyến sử dụng thông tin địa lý, nghiên cứu[2], [4], [5] đề xuất số thuật tốn tìm kiếm đường hạn chế xảy vấn đề vùng trống Trong [5], Dejing Zhang giới thiệu thuật toán định tuyến dựa giao thức định tuyến GPSR Theo thuật toán này, nút gửi gói tin gặp vấn đề vùng trống, tạo nút ảo dựa nút xung quanh vùng trống để gửi gói tin Tuy nhiên, theo giao thức GPSR nút lưu trữ hàng xóm cấp 1, nên thuật tốn mà Dejing Zhang đề xuất chưa giải vấn đề hạn chế gói tin gửi đến vùng trống Trong báo này, nhóm tác giả phân tích thuật tốn định tuyến cho mạng khơng dây có nút mạng nằm vùng tối thiểu GPSR [6], giao thức định tuyến dựa thơng tin vị trí địa lý nút mạng cách phân chia nút vào góc phần tư DRQC [7] Qua phân tích mơ đánh giá hai thuật tốn GPSR DRQC, nhóm tác giả đề xuất thuật toán nhằm cải thiện tỷ lệ chuyển gói tin thành cơng định tuyến Ở thuật toán đề xuất, giả định trình định tuyến nút mạng biết thơng tin vị trí địa lý nó, nút hàng xóm cấp (1-hop neighbors) hàng xóm cấp (2-hop neighbors) Các nút xác định trạng thái nút đỏ nút trắng dựa vào thuật toán đề cập [7] Thuật toán xác định nút dựa tiêu chí trạng thái nút xoay trục tọa độ tính tốn tìm nút đường gói tin Statekess Routing) chuyển tiếp gói tin sử dụng thuật toán tham lam (Flooding algorithm) GPSR tìm kiếm tất nút hàng xóm nút gửi chọn nút hàng xóm gần với nút đích để gửi gói tin Trong trường hợp GPSR khơng tìm thấy nút hàng xóm gần với nút đích xảy vấn đề vùng trống [1], trường hợp GPSR sử dụng thuật toán định tuyến xoay quanh mặt phẳng (chiến lược phục hồi) gọi quy tắc bàn tay phải [6] Dựa mặt phẳng đồ thị nút mạng, theo quy tắc bàn tay phải, nút nhận gói tin bắt đầu chuyển tiếp, nút khơng tìm thấy hàng xóm gần chuyển gói tin nhận theo hướng ngược kim đồng hồ điều kiện áp dụng thuật toán tham lam phục hồi Ví dụ Hình 1, đường gói tin {F  abcD} Định tuyến cho vấn đề vùng trống sử dụng thông tin địa lý 2.1 Giao thức định tuyến GPSR Giao thức định truyến GPSR (Greedy Perimeter Hình Vùng trống định truyến 2.2 Giao thức định tuyến DRQC DRQC (Detour Routing Based on Quadrant Classification) giao thức định tuyến đề xuất nhằm hạn chế việc gửi gói tin đến vùng trống giao thức định tuyến GPSR DRQC đề xuất chiến lược phân chia nút hàng xóm cấp hàng xóm cấp thành góc tọa độ (Hình 2) [7] Mỗi nút giao thức DRQC ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển 109 xác định hai trạng thái khác nút đỏ nút trắng [7], đó: - Nút đỏ: nút có nút hàng xóm cấp tồn góc ¼ - Nút trắng: nút khơng có nút hàng xóm cấp tồn góc ¼ Hình Định tuyến DRQC khơng tối ưu Hình Định nghĩa góc trạng thái nút Thuật tốn xử lý định tuyến giao thức DRQC thường kết hợp định tuyến phân chia góc định tuyến tham lam Khi nút chuyển tiếp gói tin tới nút đích, thuật tốn tìm kiếm nút thuộc hàng xóm cấp cấp có trạng thái nút đỏ góc với nút đích, khơng thỏa mãn điều kiện thứ nhất, lựa chọn thực Lựa chọn cuối sử dụng chiến lược tham lam để tìm kiếm nút đích [7] Thuật tốn định tuyến sử dụng giao thức DRQC Hình Ví dụ Hình 4, nút nguồn S gửi gói tin tới nút đích D Theo DRQC, nút S chọn nút thuộc góc phần tư với nút D, S chọn nút {3} nút đường gói tin từ S tới D Tiếp tục giao thức DRQC chọn nút {4, 5} nên đường gói tin S     D Tuy nhiên, dễ nhận thấy rằng, nút S lựa chọn đường S   2 D chi phí gửi gói tin 3.2 Nút tối ưu khơng góc phần tư với nút đích Giả định 1: Nút tối ưu đường gói tin khơng thuộc góc phần tư chứa nút đích Đây nút mạng tối ưu q trình định tuyến khơng thuộc góc phần tư với nút đích xét hệ trục toạ độ Hình Nút tối ưu nằm trục tọa độ Trường hợp 1: xét Hình với nút nguồn nút Khơng làm tính tổng quát giả sử nút nằm trục hồnh góc phần tư thứ nhất, khơng nằm góc phần tư thứ  Các nút {2, 3, 4} nằm trục hoành trục toạ độ nút  Các nút {8, 15} nằm trục tung trục toạ độ nút Hình Thuật tốn định tuyến giao thức DRQC Định tuyến địa lý dựa quay trục tọa độ 3.1 Hạn chế giao thức định tuyến DRQC Khi nút tìm đường gói tin tới nút đích xem xét nút hàng xóm thuộc góc phần tư với nút đích Tuy nhiên, trình tìm hiểu giao thức DRQC, nhóm tác giả thấy rằng, trường hợp nút nằm gần kề với nút đích khơng nằm góc phần tư với nút đích thuật tốn giao thức DRQC dẫn tới việc khơng tìm thấy đường đường khơng tối ưu  Các nút {2, ,4, 8, 15} gọi nút biên nút Vì nút nằm góc phần tư nên ta có, nút {2, 3, 4} nằm góc phần tư thứ nút nút {8, 15} nằm góc phần tư thứ tư Khi đó, để nút nguồn gửi gói tin đến nút đích 19, theo giao thức DRQC phải qua nút {2, 9, 16, 15} Tuy nhiên, dễ nhận thấy gói tin từ nút nút {8, 15} giảm chi phí định tuyến Trường hợp 2: Xét Hình với nút nguồn nút S  Các nút {3, 4, 5} thuộc góc phần tư thứ với nút đích D  Các nút {1, 2} thuộc góc phần tư thứ khơng góc với nút đích D Theo giao thức DRQC gói tin gửi từ nút S tới nút D qua nút {3, 4, 5}, nhiên, chọn qua nút {1, 2} giảm chi phí định tuyến gói tin Các Nguyễn Quốc Dũng, Phan Thị Gấm, Trần Thị Thiều Hoa 110 nút {1, 2} nút tối ưu không thuộc góc phần tư với nút đích Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức Trong chiến lược định tuyến phân chia góc phần tư, việc định tuyến đạt hiệu tốt tồn nút tối ưu nằm góc phần tư với nút đích Để hạn chế việc gửi gói tin đến vùng trống khắc phục vấn đề đường tối ưu, nhóm tác giả đề xuất giải pháp cải tiến định tuyến dựa vào phân chia góc phần tư xoay trục tọa độ nút tại, thực tính tốn tìm kiếm nút đường Giao thức cải tiến tạm gọi “Định tuyến địa lý dựa quay trục tọa độ - Detour Routing based on Coordinates Rotation axis (DR-CR)” 4.1 Giải pháp quay trục tọa độ Từ hệ trục tọa độ gốc ban đầu nút S xSy, nút S thực tính tốn tìm đường cho gói tin đến nút D, nút S thực việc xoay trục tọa độ ban đầu thành trục tọa độ x’Sy’(Hình 6) Việc quay trục tọa độ dựa tiêu chí: Các trục tọa độ đảm bảo cách tới nút đích Khi đó, đường thẳng nối tâm hệ tọa độ nút đích D đường phân giác góc phần tư theo trục tọa độ tồn nút đích Nhìn Hình thấy, hạ vng góc đường thẳng từ nút D tới hai trục tọa độ Sx’ DH Sy’ DK DH = DK Hình Xoay trục tọa độ nút S 4.2 Phương pháp quay trục Xét phương trình đường thẳng hệ trục tọa độ xSy: 𝑥 −𝑥1 𝑥2−𝑥1 = 𝑦 −𝑦1 𝑦2−𝑦1 (1) Trong (x1, y1) (x2, y2) tọa độ hai điểm đường thẳng; a, b tham số đường thẳng (d): ax+by+c = Biến đổi phương trình (1) ta có: x(y2-y1) - x1(y2-y1) = y(x2-x1) - y1(x2-x1) x(y2-y1) -y(x2-x1) - x1(y2-y1) + y1(x2-x1) = (y2-y1)x + (-x2 + x1)y + (-x1(y2 - y1)) + (y1(x2 - x1)) = => a = y2 - y1 b = -x2 + x1 (2) c = -x1(y2 - y1) + y1(x2 - x1) Trong DR-CR, để xác định hai trục tọa độ Sx’ Sy’ ta cần xác định tọa độ điểm trục Tọa độ thứ S(sx;sy), tọa độ gốc hệ trục tọa độ cũ tọa độ gốc hệ trục tọa độ Điểm H(x’1;y’2) nằm trục ox’ K(x’2;y’2) nằm trục oy’ Tọa độ điểm H K cần tìm giao đường thẳng vng góc với trục tọa độ đường thẳng qua tọa độ nút đích KD HD Giả thiết đặt cho thuật toán cải tiến xác định tọa độ điểm H, K hai trục tọa độ Việc xác định chúng dựa vào hàm lượng giác Quan sát Hình 6:  Tính giá trị tan góc nút đích ̂ ) = (dy – sy)/(dx – sx ) tan(𝑥𝑆𝐷  Tính tan góc tạo trục tọa độ oy’ ox ̂ tan 𝑥𝑆𝑦’  Tính tọa độ hai điểm hai trục tọa ̂ giả thiết cho trước tọa độ thuộc độ biết tan 𝑥𝑆𝑦’ trục Sx Khi thay giá trị vào phương trình (2) giá trị a, b, c trục ox’ oy’ 4.3 Phương pháp quay trục áp dụng thuật toán Khi sử dụng thuật tốn định tuyến giao thức DRQC (Hình 3), trường hợp nút đích khơng tồn tập hợp nút hàng xóm bảng định tuyến, thuật tốn DR-CR áp dụng để tìm kiếm nút hàng xóm cấp 2, nút đỏ nút trắng Sau gọi hàm xoay trục tọa độ DR-CR số lượng nút hàng xóm thuộc góc với nút đích ln lớn hơn, khoảng cách nút góc phần tư đến nút đích nhỏ so với hệ tọa độ ban đầu Điều dễ dàng chứng minh cách sử dụng cơng thức lượng giác với đường trịn có tâm nút gửi bán kính khoảng cách từ nút gửi đến nút đích Áp dụng quay trục tọa độ giúp cho thuật toán DRQC giảm chi phí duyệt qua tồn nút hàng xóm gặp vấn đề vùng trống định tuyến dựa vào thơng tin vị trí địa lý Mơ đánh giá Nhóm tác giả cài đặt đánh giá hiệu giao thức đề cập đến báo gồm: giao thức GPSR, DRQC giao thức định tuyến cải tiến từ giao thức đề xuất DR-CR Các thuật toán cài đặt công cụ mô kiện mạng NS-3 Mã nguồn cài đặt viết ngôn ngữ C++ Cụ thể: 5.1 Tỷ lệ chuyển gói tin thành công mạng Thực mô theo kịch cho cấu trúc mạng khác Bảng với nút có vị trí ngẫu nhiên diện tích 500m x 500m, nguồn đích ngẫu nhiên Bảng Thông số kịch mô mạng ngẫu nhiên N1 N2 N3 N4 N5 Số nút 50 100 150 200 250 Thời gian mô (s) 100 100 100 100 100 Tốc độ truyền liệu (Mbps) 2 2 Kích thước gói tin (byte) 64 64 64 64 64 Transmit Power (dBm) 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 Thực chương trình mơ phỏng, phân tích tính tốn kết cho thấy tỷ lệ chuyển gói tin thành cơng giao thức tương ứng với cấu trúc mạng Bảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển Bảng Kết mô Nút mạng DRQC GPSR DR-CR 50 72,00% 69,00% 72,50% 100 80,00% 76,56% 81,00% 150 89,56% 84,60% 88,50% 200 90,58% 89,58% 90,58% 250 93,38% 92,38% 93,00% STT Kết mô cho thấy: Giao thức định tuyến dựa phân chia góc phần tư DRQC DR-CR giao thức định tuyến có tỷ lệ chuyển gói tin thành cơng tương đối cao ln ln có tỷ lệ thành cơng lớn giao thức GPSR Kết rõ Hình Đặc biệt, với cấu trúc mạng có số lượng nút mạng nhỏ (chẳng hạn 150 nút) phân bố diện tích lớn tỷ lệ chuyển gói tin thành cơng giao thức DRQC, DR-CR GPSR có chênh lệch tương đối cao, cụ thể, giao thức DR-CR có tỷ lệ chuyển gói tin thành công lớn DRQC lớn hẳn giao thức GPSR (Bảng 2) 111 cố định cho trước, số điều kiện kịch mô (Bảng 3), kết thông lượng theo thời gian giao thức DRQC, DR-CR hai giao thức định tuyến dựa phân chia góc phần tư, ln lớn giao thức GPSR, giao thức dựa thuật tốn tham lam Với cấu trúc mạng có vùng trống xác định nút nguồn nút đích nằm vị trí khơng tối ưu, thấy giao thức cải tiến dựa theo phân chia góc phần tư (DR-CR) có thơng lượng trung bình lớn giao thức gốc DRQC Hình Thơng lượng giao thức Hình Tỷ lệ chuyển gói tin thành cơng 5.2 Thơng lượng trung bình giao thức định tuyến địa lý Thực mô gửi gói tin từ nút nguồn tới nút đích thực tính tốn thơng lượng trung bình theo thời gian giao thức cho cấu trúc mạng Bảng Bảng Thông số mô mạng cố định STT 10 Tham số Số nút Thời gian mô Diện tích phân bổ nút mạng Khoảng cách nút Nút nguồn Nút đích Transmit Power Data Rate Packet Size Data rate Giá trị 150 nút 30 s 500 x 500 m 30 m Nút {18} Nút {95} 7,5 dBm 1.024 byte Mbps Kết thực chương trình mơ với giao thức DRQC, GPSR, DR-CR Hình cho thấy rằng, cấu trúc mạng có vị trí vùng trống Kết luận Trong báo này, nhóm tác giả trình bày giao thức định tuyến sử dụng thơng tin vị trí địa lý mạng khơng dây có vùng trống Nhóm tác giả so sánh kết rằng, định tuyến theo thơng tin vị trí địa lý mạng khơng dây giao thức định tuyến dựa vào phân chia góc phần tư ln có kết tốt giao thức định tuyến dựa vào thuật toán tham lam Trong điều kiện có vùng trống giao thức cải tiến DR-CR ln có kết tốt so với giao thức DRQC giao thức GPSR TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nandan Banerji, Uttam Kumar Kundu, Pulak Majumder, Debabrata Sarddar, “Quadrant Based WSN Routing Technique by Shifting of Origin”, International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 4(3), 2013, pp 38 – 41 [2] Chen chen, Lei liu, Ning Zhang, Shengda Wang, A Bio-inspired Geographic Routing in VANETs, IEEE International Conference on Intelligent Transportation Engineering, 4/16, 2016, pp 162-167 [3] Amjad Gawanmeh, Optimizing Lifetime of Homogeneous Wireless Sensor Networks for Vehicular Monitoring, IEEE – ICCVE Conference, 2014, pp 980-985 [4] University of Freiburg, Germany, Theory and Practice of Geographic Routing, 2009 [5] Dejing Zhang, Enqing Dong, “An Efficient By passing Void Routing Protocol Based on Virtual Coordinate for WSNs”, IEEE Communications Letters, 19(4), (2015), pp 653-656 [6] Brad Krap, H T Kung, GPSR: Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks, ACM International Conference on Mobile Computing and Networking, 2000, pp 243-245 [7] Lih-Chyau Wuu, Wen-Ben Li, Wen-Chung Ko, Detour Routing Protocol for Geographic Sensor Network, International Conference on Broadband, Wireless Computing, Communication and Applications, 122, 2010, pp 505 – 510 (BBT nhận bài: 31/07/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 30/10/2017) ... xác định hai trục tọa độ Sx’ Sy’ ta cần xác định tọa độ đi? ??m trục Tọa độ thứ S(sx;sy), tọa độ gốc hệ trục tọa độ cũ tọa độ gốc hệ trục tọa độ Đi? ??m H(x’1;y’2) nằm trục ox’ K(x’2;y’2) nằm trục. .. tốn tìm đường cho gói tin đến nút D, nút S thực việc xoay trục tọa độ ban đầu thành trục tọa độ x’Sy’(Hình 6) Việc quay trục tọa độ dựa tiêu chí: Các trục tọa độ đảm bảo cách tới nút đích Khi... trục toạ độ nút  Các nút {8, 15} nằm trục tung trục toạ độ nút Hình Thuật tốn định tuyến giao thức DRQC Định tuyến địa lý dựa quay trục tọa độ 3.1 Hạn chế giao thức định tuyến DRQC Khi nút tìm