Trong các giao thức định tuyến thông thƣờng nhƣ AODV, các nút trung gian chỉ chuyển tiếp gói RREQ đầu tiên nó nhận đƣợc trong quá trình khám phá đƣờng để tìm ra đƣờng có số chặng tối thiểu cho dù đây chƣa chắc đã là đƣờng tốt nhấ. Điều này dẫn đến việc hình thành đƣờng yếu với các liên kết dài, yếu và không đáng tin cậy. Thuật toán chuyển tiếp RREQ mới đƣợc trình bày ở đây nhằm mục đích tìm ra đƣờng có hiệu suất cao và mạnh mẽ.
Hình 2.10 minh họa quá trình chuyển tiếp RREQ với số chặng tối thiểu và các vấn đề có thể xảy ra trong các giao thức định tuyến thông thƣờng nhƣ AODV. Do gói RREQ đến đầu tiên đƣợc chuyển tiếp và gói khác bị bỏ qua, nút b nhận gói RREQ trực tiếp đến từ s và chuyển tiếp nó làm hình thành một đƣờng định tuyến 2 chặng <s, b, d> nhƣ trong Hình 2.10(a). Gói RREQ đến từ nút a bị bỏ qua tại nút b vì nó đến sau. Sau khi tìm thấy một con đƣờng, việc phân phối dữ liệu đƣợc thực hiện qua đƣờng tìm đƣợc nhƣ trong Hình 2.10(b). Thông lƣợng trên đƣờng này là 1 Mbps vì trên đƣờng này có liên kết yếu <s, b> bị giới hạn tốc độ truyền dữ liệu ở tốc độ cơ sở 1 Mbps. Mặt khác, nếu nút b di chuyển ra ngoài phạm vi truyền thông tối đa của nút s nhƣ trong Hình 2.10(c) thì nó không nhận đƣợc các gói dữ liệu từ nút s nữa, dẫn đến việc truyền dữ liệu thất bại và một tiến trình khám phá đƣờng mới lại đƣợc bắt đầu. Tác động của sự dịch chuyển làm thay đổi cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc với mức độ giảm theo cấp số nhân khi khoảng cách tăng và do đó ảnh hƣởng đến SINR. Hình 2.10(d) cho thấy một ví dụ khác về lỗi truyền dữ liệu. Nếu nhiễu trên liên kết <s, b> tăng do
môi trƣờng mạng động và không ổn định, SINR của gói đƣợc truyền từ nút s sẽ nhỏ hơn ngƣỡng (ví dụ: 10 dB) và do đó, nút b không nhận đƣợc gói thành công mặc dù nó không di chuyển.
Mức độ tác động của nhiễu bị ảnh hƣởng bởi môi trƣờng mạng động không ổn định và những thay đổi không đƣợc dự đoán trƣớc theo thời gian. Những yếu tố này đều ảnh hƣởng đến SINR. Nhƣ đã đề cập từ trƣớc, điểm yếu của các giao thức định tuyến thông thƣờng là thuật toán chuyển tiếp gói RREQ tìm ra tuyến đƣờng có số chặng tối thiểu mặc dù đƣờng đó chƣa chắc đã phải là đƣờng tốt nhất.
Thuật toán 1. Thủ tục chuyển tiếp gói RREQ
1: S = {R1}; // lưu vết các gói RREQ nhận được (chất lượng liên kết hoặc SINR)
2: // kí tự i trong tập Ri biểu diễn thứ tự nhận gói
3: timer := Tw; // khởi tạo bộ đếm ngược thời gian timer
4: while timer <= Twdo { // lặp lại các dòng 4-7 cho đến khi timer = 0
5: // nhận các gói RREQ cho đến khi timer hết hạn
6: if <nhận được gói RREQ> then <gắn gói RREQ nhận được vào S>;
7: }
8: k = |S|; // số lượng phần tử của S
9: if k = 1 then <chuyển tiếp R1>
10: else { //nếu nhận được 2 hoặc nhiều gói RREQ
11: <sắp xếp S theo thứ tự giảm dần của SINR>;
12: if <tồn tại gói RREQ trong phạm vi δ dB tính từ SINR lớn nhất trong S> {
13: //dành cho bản sao tính động của SINR
14: <chọn gói RREQ đầu tiên>;
15: <chuyển tiếp gói RREQ đã chọn>;
16: }
17: else <chuyển tiếp gói RREQ có giá trị SINR lớn nhất;
18: }
19: return;
Trong giao thức LA-AODV đƣợc đề xuất ở đây, tiến trình tìm và bảo trì đƣờng về cơ bản đƣợc thực hiện nhƣ trong giao thứcAODV. Sự khác biệt chính giữa giao thức AODV và LA-AODV là cơ chế chuyển tiếp RREQ trong quá trình khám phá đƣờng. Thuật toán 1 là thuật toán chuyển tiếp RREQ đƣợc đề xuất trong giao thức LA-AODV. Thuật toán chuyển tiếp RREQ mới giúp tìm ra một đƣờng tin cậy với các liên kết mạnh. Khi một nút có nhu cầu gửi dữ liệu đi, nó phải biết một đƣờng đi đến đích. Nếu trong bảng định tuyến hoặc bộ đệm đƣờng của nó không có đƣờng nào phù hợp, nó sẽ khởi động tiến trình khám phá đƣờng bằng cách quảng bá gói RREQ. Một nút trung gian từ khi nhận đƣợc gói RREQ đầu tiên dành cho một đích xác định sẽ chờ trong khoảng thời gian xác
định trƣớc (Tw) để nhận các gói RREQ tiếp theo dành cho đích đó. Gói RREQ có SINR cao nhất sẽ đƣợc nút trung gian lựa chọn để chuyển tiếp. Trong trƣờng hợp có nhiều gói RREQ có giá trị SINR sai khác trong phạm vi δ dB so với SINR cao nhất, gói RREQ đầu tiên trong số những gói này sẽ đƣợc chọn để phù hợp với tính động của SINR. Các gói RREQ khác đến sau đƣợc bỏ qua nếu có. Tƣơng tự, đích lấy gói RREQ có SINR cao nhất để thực hiện tiến trình trả lời đƣờng.
2.4.2. Định tuyến đầu cuối có nhận biết chất lượng liên kết
Do thuật toán chuyển tiếp RREQ tìm đƣợc đƣờng mạnh gồm các liên kết mạnh, giao thức LA-AODV đƣợc đề xuất nhằm tăng hiệu suất truyền dữ liệu. Lƣu ý rằng hoạt động khám phá đƣờng của LA-AODV khác với AODV nhƣng không có sự khác biệt đáng kể trong việc bảo trì đƣờng. Vì vậy việc triển khai giao thức LA-AODV có thể dễ dàng đƣợc thực hiện.
Hình 2.12 cho thấy quá trình chuyển tiếp gói RREQ nhận biết chất lƣợng liên kết đƣợc đề xuất và các kết quả của nó cho ví dụ tƣơng tự nhƣ trong Hình 1. Trong quá trình tìm đƣờng ở Hình 2.12(a), nút b chuyển tiếp gói RREQ đến từ nút a thay vì đến từ nút s vì gói RREQ từ nút b có chất lƣợng liên kết tốt hơn (SINR cao hơn). Trong thuật toán chuyển tiếp RREQ đƣợc đề xuất, các nút trung gian chuyển tiếp gói RREQ có SINR cao nhất trong số các gói RREQ nhận đƣợc cho thời gian chờ RREQ đƣợc xác định trƣớc sau khi nhận đƣợc RREQ đầu tiên. Trong trƣờng hợp có nhiều gói RREQ có giá trị SINR sai khác trong phạm vi δ dB so với SINR cao nhất, gói RREQ đầu tiên trong số những gói này sẽ đƣợc chọn để phù hợp với tính động của SINR. Hình 2.12(b) minh họa quá trình phân phối dữ liệu sau tiến trình khám phá đƣờng, trong đó dữ liệu đƣợc phân phối ở
tốc độ 2 Mbs với 3 chặng. Vì vậy, thông lƣợng của tuyến là 2 Mbps, gấp đôi thông lƣợng 1 Mbps trong các giao thức thông thƣờng nhƣ trong Hình 2.10(b). Kết quả này là do các liên kết mạnh <s, a> và <a, b> hình thành đƣờng tìm đƣợc đã thay thế cho liên kết yếu <s, b>. Ngay cả khi nút b di chuyển nhƣ trong Hình 2.12(c), việc phân phối dữ liệu vẫn diễn ra thành công với cùng thông lƣợng 2 Mbs mà không làm giảm hiệu suất. Nếu nút b di chuyển xa khỏi nút a hoặc nút d, thông lƣợng có thể bị giảm nhƣng đƣờng vẫn có thể tồn tại. Hình 2.12(d) cho thấy một ví dụ khác về phân phối dữ liệu trong trƣờng hợp môi trƣờng mạng không ổn định và có topo biến đổi. Nếu nhiễu tăng lên làm đến chất lƣợng liên kết thay đổi, SINR của gói đƣợc truyền từ nút a bị giảm nhƣng liên kết <a, b> vẫn đủ mạnh để nhận gói mà không bị lỗi và do đó nút b vẫn có thể nhận gói thành công ở tốc độ dữ liệu thấp hơn (ví dụ: 1 Mbps). Lƣu ý ở đây là tốc độ truyền dữ liệu bị giảm (tức là, từ 2 Mbps xuống 1 Mbps trong hình) vì SINR bị giảm do nhiễu trên liên kết <a, b> tăng.
Trong các giao thức thông thƣờng nhƣ AODV, chỉ có gói RREQ đầu tiên đến đƣợc nút trung gian chuyển tiếp và các gói khác bị bỏ qua. Lý do căn bản của thiết kế nhƣ vậy là nó tìm ra con đƣờng ngắn nhất (đƣờng có số chặng nhỏ nhất) bởi vì gói đến đầu tiên là gói đi qua đƣờng có số chặng nhỏ nhất từ nút nguồn. Mục tiêu của các giao thức định tuyến thông thƣờng là khám phá đƣờng có số chặng nhỏ nhất. Tuy nhiên, đƣờng có số chặng nhỏ nhất không có nghĩa là đƣờng tốt nhất. Cách tiếp cận đƣợc đề xuất ở đây có thể tìm ra đƣờng không có lộ trình ngắn nhất về số chặng. Tuy nhiên, đƣờng đƣợc tìm thấy trong giao thức LA-AODV là đƣờng có độ tin cậy và tốc độ truyền dữ liêu dữ liệu cao hơn vì nó bao gồm các liên kết mạnh, dẫn đến thông lƣợng cao và khả năng định tuyến mạnh.
Hình 2.12. Minh họa quá trình chuyển tiếp gói RREQ của giao thức LA-AODV
Hoạt động của giao thức LA-AODV tƣơng đối giống với giao thức AODV ngoại trừ thuật toán chuyển tiếp gói RREQ đƣợc trình bày ở trên. Do đó, giao thức LA-AODV có thể đƣợc triển khai một cách dễ dàng bằng cách chỉ thiết kế lại mô-đun chuyển tiếp RREQ trong AODV và điều chỉnh một số mô-đun liên
quan một cách thích hợp. Lƣu ý rằng thuật toán chuyển tiếp RREQ đƣợc đề xuất là khả thi vì SINR có thể đo đƣợc mà không cần hỗ trợ thêm tại máy thu.
2.5. Tổng kết chƣơng 2
Các rằng buộc về năng lƣợng và băng thông, vấn đề truyền dữ liệu đa chặng và topo động của mạng MANET đã có đƣợc những quan tâm đặc biệt trong nghiên cứu về các lĩnh vực đa ăng ten, mã hóa, điều khiển năng lƣợng, lập lịch, định tuyến có nhận biết trễ và năng lƣợng và tƣơng thích với ứng dụng. Nhƣng phần đa các nghiên cứu vẫn tập trung vào các tầng độc lập mà bỏ qua vai trò quan trọng của sự tƣơng tác giữa các tầng. Khi ngăn xếp giao thức đƣợc thiết kế và hoạt động một cách độc lập với các giao tiếp tĩnh giữa các tầng, nó đã làm đơn giản hóa rất nhiều thiết kế mạng. Tuy nhiên, tính không linh hoạt và phƣơng pháp tối ƣu cục bộ của cách tiếp cận theo tầng độc lập đã làm tăng tải điều khiển trong quá trình hoạt động. Do đó, các phƣơng pháp thiết kế theo cách tiếp cận xuyên tầng thông qua việc chia sẻ các tham số tƣơng tác giữa các lớp nhƣ trạng thái liên kết, tắc nghẽn, cƣờng độ nhiễu, yêu cầu QoS, cƣờng độ tín hiệu, v.v., là những thiết kế hiện đại làm tăng hiệu năng mạng. Thông thƣờng, Tầng MAC và Tầng Định tuyến không liên quan đến việc xử lý thông tin liên quan đến cƣờng độ tín hiệu. Tuy nhiên, nếu nó đƣợc những thông tin này từ Tầng Vật lý đƣợc cung cấp cho tầng trên để chúng nhận biết chất lƣợng của liên kết, thì hoàn toàn có thể có các cơ chế phù hợp để tiết kiệm năng lƣợng và lựa chọn liên kết nhằm hình thành tuyến đƣờng tin cậy.
Chƣơng này đã trình bày chi tiết về ba nghiên cứu đề xuất tối ƣu hóa việc sử dụng năng lƣợng cho mạng MANET bao gồm: (1) Phƣơng pháp tối ƣu hóa năng lƣợng trên cơ sở cƣờng độ tín hiệu nhận; (2) Phƣơng pháp định tuyến tiết
kiệm năng lƣợng cho mạng cảm biến và (3) Phƣơng pháp định tuyến trên cơ sở nhận biết chất lƣợng liên kết.
Phƣơng pháp tối ƣu hóa năng lƣợng trên cơ sở cƣờng độ tín hiệu nhận đề xuất thiết kế xuyên tầng để thu thập thông tin về cƣờng độ tín hiệu nhận từ Tầng Vật lý, truyền tới tầng MAC và định tuyến để thực hiện các cơ chế hội thoại năng lƣợng, loại bỏ các liên kết một chiều và thuật toán khám phá đƣờng tin cậy để cải tiến hiệu năng của giao thức định tuyến AODV nhằm tiết kiệm năng lƣợng.
Mạng cảm biến là một loại mạng ad hoc đặc biệt bao gồm một nút xử lý dữ liệu và các nút cảm biến. Yêu cầu tiết kiệm năng lƣợng và tài nguyên trong mạng cảm biến là một yêu cầu đƣợc đặt lên hàng đầu khi thiết kế giao thức dành cho mạng này. Giao thức EADV đƣợc đề xuất nhằm tối ƣu hóa năng lƣợng cho mạng cảm biến. Nó sử dụng chiến lƣợc định tuyến ngắn đa chặng để hình thành đƣờng định tuyến qua các liên kết mạnh và tin cậy trên cơ sở thông tin của các nút láng giềng và thông tin về giá của đƣờng và hoạt động cơ chế định tuyến ngắn đa chặng.
Phƣơng pháp định tuyến trên cơ sở nhận biết chất lƣợng liên kết đề xuất giao thức LA-AODV nhằm cải tiến giao thức AODV để đạt đƣợc hiệu năng và tiết kiệm năng lƣợng hơn cho mạng MANET. Ý tƣởng chính của việc tìm ra một con đƣờng mạnh trong giao thức LA-AODV là chuyển tiếp gói RREQ với tỷ số cƣờng độ tín hiệu trên nhiễu cao nhất trong số nhiều gói RREQ nhận đƣợc. Trong trƣờng hợp có các gói RREQ thuộc phạm vi δ (dB) tính từ giá trị tỷ số SINR cao nhất, gói đầu tiên trong số chúng đƣợc chọn nhằm phù hợp với tính động của SINR.
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM TỐI ƢU HÓA NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG MANET
3.1. Kiến trúc xuyên tầng trong giao thức CLPC
Trên cơ sở các nghiên cứu về vấn đề định tuyến nhằm tối ƣu hóa năng lƣợng cho mạng MANET theo cách tiếp cận xuyên tầng đã đƣợc trình bày trong chƣơng 2, các tác giả Ahmed, Kumaran, Syed và Subburam [1] đã đề xuất phƣơng pháp thiết kế xuyên tầng để điều chỉnh lại thiết kế của giao thức AODV thành giao thức CLPC (the Cross-Layer design approach for Power Control) có hiệu năng cao hơn và mức độ hiệu quả khi sử dụng năng lƣợng cao hơn trong mạng MANET.
Kiến trúc xuyên tầng này cho phép điều chỉnh năng lƣợng truyền đƣợc tạo ra tại tầng Vật lý sau khi một nút nhận đƣợc thông tin về Cƣờng độ tín hiệu nhận (RSS) của các nút láng giềng. Việc điều chỉnh năng lƣợng truyền sẽ giúp cho nút này thay đổi động phạm vi truyền ở tầng Vật lý vì năng lƣợng truyền sẽ ảnh hƣởng trực tiếp tới phạm vi truyền. Thông tin RSS này đƣợc truyền từ tầng Vật lý lên tầng Mạng để nó có thể đƣa ra các quyết định tối ƣu trong các giao thức định tuyến. Ƣu điểm chính của kiến trúc này là cho phép các tầng phía trên (tầng MAC và tầng Mạng) truy cập thông tin từ tầng Vật lý. Hình 3.1 minh họa tƣơng tác xuyên tầng trong kiến trúc này.
Đối với giao thức AODV, đƣờng đƣợc chọn cài đặt vào bảng định tuyến và chuyển tiếp dữ liệu là đƣờng ngắn nhất về số chặng. Vì vậy, đƣờng này sẽ đƣợc hình thành từ các liên kết dài và yếu dẫn đến mức độ ổn định và tính bền vững của đƣờng không cao. Đây cũng là một nhƣợc điểm khi giao thức AODV chỉ đƣợc thiết kế và hoạt động dựa vào các thông tin tại tầng định tuyến (tầng
Mạng). Thiết kế xuyên tầng của giao thức CLPC nhằm cải tiến nhƣợc điểm này của giao thức AODV với cơ chế thu thập thông tin về Cƣờng độ tín hiệu nhận (RSS) phục vụ cho thuật toán điều chỉnh năng lƣợng truyền và thiết kế lại tiến trình tìm đƣờng cũng nhƣ tiến trình tìm lại đƣờng khi đƣờng bị lỗi. Thiết kế xuyên tầng của giao thức CLPC đƣợc minh họa trong Hình 3.1.
Hình 3.1. Thiết kế xuyên tầng của giao thức CLPC
Trong thiết kế này các tầng sau đƣợc kết nối với nhau để hoàn thành một tập các nhiệm vụ sau:
Tầng Vật lý: Điều kiển năng lƣợng truyền, điều chế tín hiệu và mã hóa dữ liệu.
Tầng Liên kết dữ liệu: Điều khiển hàng đợi, nhận biết tắc nghẽn nhận biết mất mát gói tin.
Tầng Mạng: Giải quyết tắc nghẽn và định tuyến tối ƣu
Tầng Chuyển vận: Cung cấp các dịch vụ UDP
Tầng Ứng dụng: Cung cấp các dịch vụ ứng dụng đa phƣơng tiện
3.2. Điều khiển động năng lƣợng truyền
Có rất nhiều công việc liên quan đến việc quản lý năng lƣợng của các giao thức của mạng MANET. Nếu không có cơ chế điều khiển năng lƣợng truyền một cách hiệu quả, việc truyền gói tin có thể bị ảnh hƣởng bởi sự thiếu ổn định của các liên kết, bởi RSS yếu và nhiễu. Chất lƣợng của RSS luôn phụ thuộc vào năng lƣợng của nút phát quảng bá tín hiệu. Điều này có nghĩa là tín hiệu quảng bá từ