5 Kết luận
3.18Minh họa cho chứng minh của định lý 3.3.1
3.3.3 Đánh giá hiệu năng
Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày đánh giá hiệu năng của thuật toán colbar thông qua mô phỏng. Trước hết, chúng tôi sẽ trình bày kịch bản mô phỏng trong phần 3.3.3.1, sử dụng kịch bản mô phỏng này, trong phần 3.3.3.2 chúng tôi sẽ so sánh hiệu năng của thuật toán của chúng tôi với các thuật toán đã được đề xuất bởi các nhóm nghiên cứu khác, GPSR [30], EHDS [59], hexagon [16].
3.3.3.1 Kịch bản mô phỏng
Phần mềm mô phỏng được sử dụng là NS-2 ( với thuật toán ở tầng MAC là 802.11). Bảng 3.2 tóm tắt các thông số được cài đặt, các thông số này được đề xuất bởi nhóm tác giả trong bài báo [47]. Trong mô phỏng của mình, chúng tôi triển khai1500 nút mạng ở các vị trí ngẫu nhiên trong vùng mạng với diện tích1000mx1000m. Một hố mạng với52đỉnh được tạo ở vùng giữa mạng. Các cặp nguồn-đích với nhiều khoảng cách khác nhau được chọn ngẫu nhiên và truyền tin cho nhau với tần suất 1 gói tin/1 giây cho đến khi thời gian mô phỏng đạt tới500s.
Các tiêu chí đánh giá như sau::
Hệ số đường đi bằng hop-count:Là hệ số giữa số nút của đường định tuyến sử dụng
thuật toán định tuyến của chúng tôi và đường định tuyến ngắn nhất. Mặc dù trong mục 3.3.2 chúng tôi đã phân tích hệ số đường đi Ơclit của thuật toán đề xuất bằng lý thuyết, trong chương này một lần nữa chúng tôi đánh giá lại bằng thực nghiệm hệ số đường đi hop-count. Đây là tiêu chí cơ bản, được sử dụng rộng rãi trong đánh giá các thuật toán định tuyến.
Phân bố năng lương tiêu thụ của các nút mạng:Để đánh giá tính năng cân bằng tải của
thuật toán, chúng tôi sẽ đo năng lượng tiêu thụ của từng nút mạng và biểu diễn trên đồ thị 3D. Kết quả này sẽ cho chúng ta một cái nhìn trực quan về phân bố năng lượng của thuật toán và từ đó đánh giá được mức độ cân bằng tải trong mạng. Năng lượng phân bố càng
Tham số Giá trị
Vùng phủ sóng 250m
Hiệu điện thế 3V
Năng lượng nhận gói tin 15mA
Năng lượng truyền gói tin 29.5mA
Dòng điện 3.2mA
Bảng 3.2:Các thông số mô phỏng
đều thì tải giữa các nút càng cân bằng và ngược lại.
Năng lượng phụ trội:Là năng lượng tiêu tốn bởi pha cài đặt ban đầu trong thuật toán
của chúng tôi. Thông số này được đánh giá bằng năng lượng tiêu tốn trung bình bởi một nút trong pha cài đặt ban đầu.
3.3.3.2 Kết quả mô phỏngHệ số đường đi hop-count: Hệ số đường đi hop-count:
Hình 3.19 biểu diễn hệ số đường đi hop-count của 4 thuật toán khác nhau. Trong hình này, trục x biểu diễn khoảng cách giữa nút nguồn và nút đích theo đơn vị hop-count, trục y biểu diễn hệ số đường đi. Một kết quả thú vị là thuật toán của chúng tôi có hệ số đường đi rất ổn định, không phụ thuộc vào khoảng cách của nguôn-đích trong khi hệ số đường đi của các thuật toán khác có xu hướng tăng khi khoảng cách nguồn-đích giảm. Vớihệ số phát
tán thông tin đa giác lõibằng1, hệ số đường đi của thuật toán của chúng tôi là thấp nhất
trong các thuật toán và hệ số đường đi của GPRS là cao nhất. Sự ảnh hưởng củahệ số phát
tán thông tin đa giác lõi, i.e.δ, lên hệ số đường đi được thể hiện trong hình 3.20. Có thể
thấy rằng, hệ số đường đi có xu hướng tăng khiδtăng. Vớiδ<2.5, hệ số đường đi của thuật toán của chúng tôi tốt nhất so với các thuật toán khác, tuy nhiên vớiδ≥2.5, thuật toán của chúng tôi bắt đầu kém hơn thuật toán sử dụng lục giác và hình tròn, vớiδ≥3.5, thuật toán của chúng tôi bắt đầu kém hơnδ≥3.5.
Năng lượng phụ trội:
Hình 3.21 biểu diễn quan hệ giữahệ số phát tán thông tin đa giác lõi, i.e.δ, và năng lượng phụ trội.δlà thông số quy định phạm vi phát tán của đa giác lõi, trong đó δcàng lớn thì phạm vi phát tán càng nhỏ điều đó cũng có nghĩa là năng lượng phụ trội có xu hướng càng giảm. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khiδ≤1.2, vùng phát tán thông tin đa giác lõi gần như bao toàn bộ mạng vì vậy năng lượng phụ trội gần như là không đổi khi 0≤δ≤1.2. Khi δ
tăng, vùng phát tán bắt đầu co hẹp lại và như ta có thể nhìn thấy trên đồ thị, năng lượng phục trội giảm khiδtăng từ1.2đến4. Khiδ≥4, vùng phát tán co lại gần như chỉ còn bao
0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 18 28 38 48 S tr et ch
Distance between source and destination (number of hop-counts)
GPSR Circle hexagon Proposal (δ=1) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.19:So sánh hệ số đường đi hop-count của các thuật toán khác nhau
0.9 1.4 1.9 2.4 2.9 18 28 38 48 st re tc h
Distance between source and destination (number of hop-counts)
δ=0 δ=1 δ=2
δ=2.5 δ=3
Hình 3.20:Ảnh hưởng củaδlên hệ số đường đi
0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0 1 2 3 4 5 A v e ra g e c o n su m e d e n e rg y ( J) δ
Hình 3.21:Năng lượng tiêu thụ trung bình của một nút trong pha cài đặt ban đầu
gồm biên của đa giác lõi, vì vậy năng lượng phụ trội gần như không đổi khi δ≥4. Để ý rằng, kể cả trong trường hợp xấu nhất, thì năng lượng phụ trội trung bình của một nút cũng không vượt quá0.59J, tức là chưa đến0.095%năng lượng ban đầu của một nút.
Phân bố năng lương tiêu thụ của các nút mạng:
Hình 3.22 cho thấy phân bố năng lượng tiêu thụ bởi các nút mạng trong các thuật toán khác nhau. Trục x và trục y biểu diễn tọa độ x và tọa độ y của các nút. Trục z biểu diễn năng lượng tiêu thụ của nút. Màu của các điểm thể hiện mức năng lượng tiêu thụ của nút ở điểm đó, màu càng đỏ thì mức tiêu thụ năng lượng càng cao, màu càng xanh thì mức tiêu thụ năng lượng càng thấp. Có thể dễ dàng thấy rằng, phân bố năng lượng của thuật toánGPSR
là kém cân bằng nhất. Sự mất cân bằng này thể hiện ở việc có một vùng đỏ xuất hiện ở trung tâm trong hình 3.22(b). Ví trí của vùng này tương ứng với cùng biên của hố. Phân bố năng lượng của thuật toán EHDS và lục giác đều hơn GPSR. Tuy nhiên, các nút ở vùng quanh đường tròn ngoại tiếp hố vẫn tiêu thụ năng lượng nhiều hơn các nút khác. Điều này thể hiện ở sự xuất hiện của một vành màu đỏ ở vùng trung tâm trong các hình 3.22(c) và 3.22(d). Kết quả thí nghiệm cho thấy thuật toán của chúng tôi có cân bằng tải tốt nhất. Điều
(a) Proposal (δ=1) (b) GPSR
(c) EHDS (d) Hexagon
Hình 3.22:Phân bố năng lượng của các nút mạng
này được chứng minh bằng hình 3.22(a). Trong hình này, ngoại trừ vùng ở chính giữa (là vùng bên trong hố) thì các vùng còn lại có màu đồng đều nhau.
3.4 Các nghiên cứu liên quan
Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày các nghiên cứu liên quan đến bài toán định tuyến vượt hố trong mạng cảm biến không dây. Định tuyến địa lý là thuật toán định tuyến được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến không dây do tính đơn giản và hiệu quả của nó. Trong định tuyến địa lý, đường đi của gói tin được quyết định dựa trên thông tin về vị trí địa lý của các nút mạng. Một ưu điểm nổi bật là các nút chỉ cần biết thông tin vị trí của chính nó, của các nút láng giềng (các nút nằm trong vùng phủ sóng) và của nút đích là có thể định tuyến được gói tin. Nghĩa là, các nút không cần lưu trữ thông toàn cục của mạng mà chỉ cần lưu trữ thông tin cục bộ của các nút láng giềng xung quanh nó là có thể thực hiện được thuật toán.
3.4.1 Định tuyến tham ăn
Một thuật toán định tuyến địa lý cổ điển nhất làđịnh tuyến tham ăn [14, 29]. Trong định tuyến tham ăn, tại mỗi nút mạng, gói tin sẽ được truyền tới nút lân cận nút hiện tại thỏa mãn điều kiện: gần đích hơn nút hiện tại và gần đích nhất trong số tất cả các nút lân cận của nút hiện tại. Hình 3.23 minh họa đường đi theo thuật toán định tuyến tham ăn. Trong hình này, gói tin xuất phát từ nútS và cần được truyền tới nút D. Tại nútS, gói tin được truyền tới
Hình 3.23:Định tuyến tham ăn Hình 3.24:Nút tắc
nútN1 là nút lân cận củaS, gầnDhơnS và gầnDnhất trong số tất cả các lân cận củaS. TạiN1, gói tin sẽ được truyền tiếp tớiN2 và cứ như vậy cho đến khi gói tin đến đượcD.
Như chúng ta có thể thấy, thuật toán định tuyến tham ăn rất đơn giản và vì thế nó được sử dụng rất rộng rãi trong mạng cảm biến không dây. Đối với các mạng có mật độ nút khá dày đặc, định tuyến tham ăn hoạt động rất hiệu quả. Tuy nhiên, đối với mạng có sự xuất hiện của các hố mạng (tức là các vùng trống không có nút mạng còn khả năng hoạt động), định tuyến tham ăn gặp phải vấn đềnút tắc. Nút tắc là nút mạng mà tại đó, không có lân cận nào gần đích hơn chính bản thân nó. Như vậy, khi gói tin được truyền tới nút tắc, nó sẽ bị tắc ở đấy, không truyền tiếp được nữa. Hình 3.24 minh họa một nút tắc như vây. Trong hình này,Slà nút nguồn,Dlà nút đích. Khi gói tin được truyền tới nútN2, do không có nút lân cận nào củaN2 gầnDhơnN2nên gói tin sẽ bị tắc ở đấy. Vì vùng bên trong hố mạng là vùng không tồn tại nút mạng nào còn khả năng hoạt động, nên các nút trên biên hố thường là các nút tắc.
3.4.2 Định tuyến vành đai
Một trong những giải pháp được đưa ra để giải quyết bài toán nút tắc đó chính là các giải thuật định tuyến vành đai, mà tiêu biểu trong số đó là giải thuật GPSR được đề xuất bởi nhóm tác giả B.Karp vào năm 2000. Thuật toán này xây dựng một đồ thị planar cho toàn mạng, trong đó đỉnh của đồ thì là các nút mạng, cạnh của đồ thì là cạnh nối hai nút mạng nằm trong vùng phủ sóng của nhau. Mỗi gói tin sẽ có hai chế độ truyền tin:truyền tin tham
ănvà truyền tin vành đai. Gói tin sẽ được khởi tạo ở chế độ truyền tin tham ăn và được
nút này, gói tin sẽ được chuyển sang chế độ truyền tin vành đai, gói tin sẽ được truyền men theo các cạnh của đồ thị theo quy tắc bản tay phải. Ngoài GPSR còn rất nhiều thuật toán khác cũng sử dụng đồ thị planar để giải quyết bài toán nút tắc như [12][34][35][33]. Mặc dù các phương pháp sử dụng đồ thị planar có thể giải quyết được vấn đề nút tắc, phương pháp này đòi hỏi chi phí cao để xây dựng và duy trì đồ thị planar cho toàn bộ mạng. Năm 2005, nhóm tác giả Qing Fang [18] đề xuất một thuật toán xác định biên hố chỉ dựa vào các thông tin cục bộ của các nút mạng. Đồng thời, nhóm tác giả này cũng đề xuất một thuật toán định tuyến tránh hố trong đó gói tin khi gặp một nút tắc trên biên hố sẽ đi men theo biên hố cho đến khi gặp 1 nút khác gần đích hơn nút tắc ban đầu.
3.4.3 Định tuyến vượt hố
Tuy các thuật toán định tuyến vành đai có thể giải quyết được bài toán nút tắc nhưng nó lại dẫn đến vấn đề tắc nghẽn trên biên hố. Để giải quyết bài toán này, một lớp các thuật toán định tuyến vượt hố đã được đề xuất. Trong các thuật toán này, các tác giả định nghĩa một vùng cấm xung quanh hố. Vùng cấm này thường có hình dạng đơn giản hơn hố ban đầu nên chúng tôi gọi vùng cấm này là hình xấp xỉ của hố. Thông tin của vùng cấm sẽ được phát tán cho các nút trong mạng (phạm vi phát tán thông tin thay đổi tùy từng thuật toán). Khi một nút mạng có thông tin về vùng cấm nhận được gói tin, nó sẽ sử dụng thông tin vùng cấm để định tuyến. Cụ thể, các gói tin sẽ được định tuyến vòng qua vùng cấm thay vì định tuyến thẳng vào biên hố sau đó đi men theo biên hố như các thuật toán định tuyến vành đai. Có thể kể đến một số thuật toán tiêu biểu trong lớp này như: thuật toán định tuyến với vùng cấm là một hình tròn [59, 21], thuật toán định tuyến với vùng cấm là một hình ellipse [51], thuật toán định tuyến với vùng cấm là một hình lục giác [25], thuật toán định tuyến với cùng cấm là đa giác lồi bao hố [57].
Trong thuật toán định tuyến với vùng cấm là hình tròn [59, 21], thông tin về hình tròn chỉ được phát tán cho các nút trên biên hố. Các gói tin ban đầu được truyền đi theo phương thức truyền tin tham ăn cho đến khi nó gặp một nút trên biên hố. Nút biên hố này sẽ gửi một gói tin ngược lại cho nút nguồn, thông báo về sự có mặt của vùng cấm. Trong gói tin này có chứa tọa độ tâm và bán kính của hình tròn. Sau khi nút nguồn nhận được gói tin thông báo này, nó sẽ gửi lại gói tin ban đầu với đường định tuyến là đường vòng qua hình tròn. Hình 3.25 mô tả thuật toán này. Trong hình này,S là nút nguồn,Dlà nút đích. Đầu tiên, gói tin được gửi từS đến Dtheo phương thức truyền tin tham ăn cho đến khi nó gặp nút U trên biên hố.U sẽ gửi lại choS thông tin về vùng cấm hình tròn. Sau khi nhận được thông tin về vùng cấm,S sẽ xác định đường định tuyến vòng qua vùng cấm, là đườngSVD. Gói tin sẽ được truyền men theo đườngSVD. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.25:Định tuyến với vùng cấm là hình tròn (hình trích dẫn từ [59])
Có thể thấy rằng, trong thuật toán định tuyến với vùng cấm là hình tròn, các gói tin phải gửi hai lần: lần đầu tiên gói tin được gửi đến biên của hố bằng định tuyến tham ăn, lần thứ hai gửi tới đích bằng định tuyến vòng quanh vùng cấm. Điều này làm tăng thời gian gửi gói tin cũng như tiêu tốn năng lượng của các nút trên đường truyền. Để giải quyết vấn đề này, trong bài báo [25], các tác giả đề xuất thuật toán định tuyến sử dụng gói tinquan sátđể thu thập thông tin về hố. Đồng thời, trong thuật toán này, các tác giả sử dụng vùng cấm là lục giác thay vì hình tròn. Ý tưởng chung của thuật toán này như sau:
Các nút trên biên hố xác định hình tròn và thông tin của hình tròn này cũng được phát tán cho các nút trên biên hố tương tự các trong bài báo [59, 21]. Khi một nút nguồn có gói tin cần gửi đến một nút đích nằm về phía bên kia của hố, nó sẽ gửi đi một gói tinquan sát
đế nút đích theo phương pháp định tuyến tham ăn. Gói tin này không chứa dữ liệu vì vậy dung lượng nhỏ hơn nhiều so với gói tin chính cần gửi. Đồng thời, sau khi gửi gói tin quan sát một thời gianτ, nút nguồn sẽ bắt đầu gửi gói tin chính bằng phương pháp định tuyến tham ăn. Khi gói tin quan sát đến một nút trên biên hố, nút trên biên hố sẽ chèn thông tin vòng tròn xấp xỉ vào gói tin quan sát và gửi ngược lại nút nguồn theo đường đi mà gói tin quan sát đã đi đến biên hố. Mỗi nút trên đường về của gói tin quan sát, sẽ lưu thông tin hố vào bộ nhớ của nó. Khi gói tin chính thức được truyền đến một nút trung gian có thông tin của hố, nút này sẽ xác định hình lục giác đều ngoại tiếp hình tròn vùng cấm và có 1 cạnh song song với đường nối nút hiện tại và nút đích. Gói tin sau đó sẽ được định tuyến vòng tránh qua lục giác đều này. Hình 3.26 minh họa thuật toán định tuyến này.
Trong hình này, nút nguồnS cần gửi một gói tin đến nút đíchD. Trước hết, nút nguồn
Sgửi gói tin quan sát đếnDtheo phương thức truyền tin tham ăn, vì vậy, gói tin này có xu