Một nút đƣợc đăng ký vào mạng nếu nó mới đƣợc thêm vào nó hoặc đã offline trong một khoảng thời gian mà không tham gia nhƣ một nút định tuyến trong mạng. Ban đầu, nút sẽ gửi một gói LB (Login Broadcast). LB đƣợc gửi giới hạn trong phạm vi cục bộ và không đƣợc các nút láng giềng chuyển tiếp.
Trong trƣờng hợp mạng sử dụng sơ đồ đánh thức định kỳ, nhƣ đƣợc sử dụng trong CSMA-MPS hoặc WiseMAC; nút đăng ký phải gửi LB đi trong một khoảng thời gian dài hơn để gói này tới đƣợc tất cả các nút có thể ở chế độ ngủ trong một thời gian nhất định. Khi nhận đƣợc IB, nút nhận trả lời bằng ACK, trong đó có chứa vectơ có chi phí thấp nhất của nút tƣơng ứng. Tất cả các vectơ truyền về phía nút mới đƣợc lƣu trữ trong bảng định tuyến. Sau một thời gian (để chắc chắn rằng nó đã nhận đƣợc tất cả ACK từ hàng xóm), nút mới sẽ quảng bá một thông điệp khác chứa vectơ chi phí thấp nhất. Các nút láng giềng của nút mới lƣu trữ vectơ nếu các điều kiện trong phƣơng trình (1) đƣợc đáp ứng. Phƣơng pháp này đảm bảo rằng một mặt là các nút mới xây dựng bảng định tuyến của riêng chúng mà không làm tràn ngập toàn bộ mạng và mặt khác, các
nút láng giềng đƣợc thông báo về các đƣờng dự phòng khác qua nút mới đƣợc thêm vào.
2.3.3. Độ đo giá của đường
Thiết lập mạng nhƣ đƣợc mô tả ở trên có trƣờng chi phí đƣợc chứa trong các thông điệp quảng bá, đƣợc điều chỉnh dựa trên một số độ đo chi phí. Độ đo chi phí là một yếu tố rất quan trọng để tối đa hóa thời gian hoạt động của mạng. Cần phải phân biệt giữa hai loại nút. Một loại là nút có nguồn cung cấp năng lƣợng (BSN). Đây là loại nút có lƣợng năng lƣợng ban đầu khả dụng, giảm đơn điệu theo thời gian. Các nút đƣợc kết nối với nguồn điện có dây cũng có thể đƣợc tính là các nút BSN theo nghĩa cung cấp cho chúng một lƣợng năng lƣợng rất lớn không bao giờ giảm. Một loại nút khác là nút không có nguồn năng lƣợng ổn định (ESN). Những nút này thƣờng chỉ có một bộ đệm năng lƣợng nhỏ nhƣ tụ điện hoặc pin sạc nhỏ và lấy năng lƣợng từ môi trƣờng bằng pin mặt trời hoặc bất kỳ nguồn nào khác. Năng lƣợng sẵn có của các nút này có thể có sự biến động đáng kể theo thời gian, điều này có thể gây ra những thay đổi thƣờng xuyên về giá của liên kết.
Hàm lƣợng giá đƣợc xác định theo công thức (5) đƣợc chia thành ba vùng: năng lƣợng thấp, năng lƣợng bình thƣờng và năng lƣợng cao (Hình 2.9). Ngƣỡng cho ba vùng đƣợc xác định dựa trên môi trƣờng và năng lƣợng dự trữ của nút. Trong vùng năng lƣợng bình thƣờng, giá đƣợc xây dựng theo hàm bậc hai trong khi hàm tuyến tính và hàm bậc 3 đƣợc sử dụng tƣơng ứng ở vùng năng lƣợng cao và thấp.
{
(5)
Đối với trƣờng hợp các nút sử dụng tụ điện là yếu tố lƣu trữ năng lƣợng, có thể dễ dàng xác định Q bằng cách đo điện áp trên tụ điện, nhƣng đối với các nút có nguồn cung cấp năng lƣợng là pin chính thì đây không phải là phƣơng pháp khả thi vì nó không chính xác và chủ yếu phụ thuộc vào loại pin. Đối với trƣờng hợp này, một nút có thể theo dõi hoạt động của một nút khác và ƣớc tính năng lƣợng tiêu thụ trong As (Ampe-giây) sau đó lấy Qmax trừ đi để lấy Q thực tế. Trong vùng năng lƣợng cao, giá đƣờng giảm xuống giá trị tối thiểu không đổi, cũng có thể bằng 0 (ví dụ: nếu một nút đƣợc kết nối với nguồn điện có dây). Trong vùng năng lƣợng thấp, cách tiếp cận theo hàm bậc hai là không đủ để khiến một nút duy nhất trở thành yếu tố chính chi phối giá trị trên đƣờng đa chặng. Do đó, hàm giá đã đƣợc xác định giá trị cao hơn, cho phép chi phí tăng nhanh hơn nhiều khi mức năng lƣợng đạt đến giá trị ngƣỡng thấp hơn.
Hình 2.9. Lượng giá đường theo năng lượng còn lại của nút
So với định tuyến đƣờng dựa trên xác suất, EADV luôn sử dụng đƣờng có giá thấp nhất và điều chỉnh giá nhanh chóng để tối đa hóa thời gian hoạt động
của mạng. Giá cập nhật đƣợc đƣa vào trong mọi gói ACK làm cho các thông báo cập nhật giá có thể phân phối đƣợc trên mạng với tốc độ chậm.
2.3.4. Quá trình hoạt động
Xét mạng đƣợc biểu diễn trong Hình 2.8, nếu Nút 4 muốn gửi dữ liệu cảm biến đến nút dữ liệu, nó có thể gửi theo 4 đƣờng. Đƣờng đƣợc sử dụng là đƣờng có giá thấp nhất trong trƣờng hợp này. Giả sử đƣờng có giá thấp nhất của Nút 4 là C2. Nút 4 cũng nhƣ Nút 5 sẽ gửi dữ liệu của nó qua Nút 1 do đó năng lƣợng khả dụng tại Nút 1 sẽ giảm nhanh hơn năng lƣợng từ Nút 2. Để tránh điều này, nút nhận (trong trƣờng hợp này là Nút 1) sẽ gửi một thông điệp ACK chứa entry là vectơ rẻ nhất từ bảng định tuyến của mình. Khi đó việc đi trên đƣờng có giá C1 từ Nút 4 qua Nút 2 sẽ trở nên rẻ hơn việc đi trên đƣờng qua Nút 1 có giá C2. Trong trƣờng hợp này, Nút 4 sẽ cố gắng truyền thông điệp qua Nút 2 và nút này cũng sớm cập nhật lại giá C1. Theo cách này, lƣu lƣợng sẽ đƣợc cân bằng giữa các nút và do thông tin về giá đƣợc gửi qua ACK có thể đƣợc cập nhật nhanh chóng. Điều này có ý quan trọng đặc biệt đối với các mạng có các nút không có nguồn cung năng lƣợng ổn định. Các nút này có năng lƣợng khả dụng thay đổi thƣờng xuyên hơn nên các bảng định tuyến cũng phải cập nhật thƣờng xuyên hơn.
2.4. Phƣơng pháp định tuyến trên cơ sở nhận biết chất lƣợng liên kết
Giao thức định tuyến nhận biết chất lƣợng liên kết do Sangman Moh đề xuất [6] nhằm mục đích tìm đƣợc các con đƣờng mạnh với các liên kết mạnh trong quá trình khám phá đƣờng. Ý tƣởng chính của việc tìm ra một con đƣờng mạnh là chuyển tiếp gói RREQ với SINR 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 cƣờng độ tín hiệu trên nhiễu (SINR) cao nhất, gói đầu tiên trong số chúng đƣợc chọn nhằm phù hợp với tính động của SINR.
2.4.1. Thuật toán chuyển tiếp RREQ
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