3.2. 3.2.
3.2. Điều khiển cấu hình và dung lượng mạngĐiều khiển cấu hình và dung lượng mạng Điều khiển cấu hình và dung lượng mạngĐiều khiển cấu hình và dung lượng mạng
Trái ngược với trường hợp kênh truyền thông tin hữu tuyến điểm - điểm, truyền thông không dây sử dụng các phương tiện dùng chung: kênh vô tuyến. Việc sử dụng các phương tiện chia sẻ hàm ý rằng phải dành một sự quan tâm đặc biệt nhằm tránh việc truyền thông tin chồng chéo lên nhau trong cùng một thời điểm.
Một ví dụ điển hình về sư xung đột này được mô tả trong hình 3.2: nút u
đang truyền dữ liệu đến nút v sử dụng một công suất truyền cụ thể là P; cùng lúc ấy, nút w cũng đang truyền dữ liệu đến nút z cũng sử dụng một công suất truyền P. Vì δ(v,w) = < δ(v,u) = ^, công suất của tín hiệu giao thoa do nút v nhận thì cao hơn công suất của đường truyền dự tính từ nút
u,1 và việc thu dữ liệu truyền từ nút u bị gián đoạn.
1 Điều này đúng độc lập đối với mô hình tổn thất đường truyền tất định. Trong trường hợp mô hình tổn thất đường truyền xác suất, phát biểu này giữ tính trung lập
Hình 3-2. Xung đột truyền phát vô tuyến. Các hình tròn thể hiện khu vực phủ sóng vô tuyến với công suất truyền P.
Lưu ý rằng lượng giao thoa giữa việc truyền thông tin đồng thời liên quan chặt chẽ đến công suất dùng để truyền dữ liệu. Chúng ta làm rõ vấn đề này bằng một ví dụ. Giả thiết rằng nút u phải truyền thông tin đến nút v
đang gặp phải một tần số giao thoa mức độ I từ các sóng vô tuyến trùng lặp khác. Để đơn giản hơn, chúng ta xem I là mức công suất thu, và giả thiết rằng một dữ liệu truyền đến nút v chỉ có thể được nhận một cách chính xác chỉ khi cường độ sóng thu ít nhất bằng (1+η) I, η dương. Nếu công suất truyền P hiện tại do nút u sử dụng bằng công suất thu tại nút v thấp hơn
(1+η) I, chúng ta có thể điều chỉnh việc nhận thông tin bằng cách tăng công suất truyền tới một giá trị P’ > P để công suất thu tại nút v lớn hơn (1+η) I.
Điều này có vẻ chỉ ra rằng tăng công suất truyền là một lựa chọn tốt để tránh sự hao hụt thông tin do sự giao thoa. Mặt khác, việc tăng công suất truyền tại nút u tăng mức độ giao thoa tại các nút khác trong khu vực lân cận nút u. Vì thế xảy ra sự cân bằng giữa tầm nhìn cục bộ( u truyền dữ liệu đến v) và tầm nhìn hệ thống (giảm mức độ giao thoa trong toàn bộ hệ thống): ở trường hợp đầu yêu cầu công suất truyền cao trong khi ở trường hợp sau công suất truyền càng thấp càng tốt. Vì thế hình thành nên câu hỏi sau: làm thế nào để cài đặt công suất truyền nếu mục đích của người thiết kế là tối đa hóa công suất truyền tải của mạng.
Để trả lời câu hỏi này ta cần một mô hình giao thoa thích hợp. Có thể là mô hình đơn giản nhất sau đây mô hình Protocol được sử dụng [16] để đạt được giới hạn trên và dưới của mạng ad hoc. Trong mô hình này, dữ liệu truyền bởi nút u đến nút v được nhận chính xác nếu
δ(v,w)≥(1+η) δ(u,v) (3.2)
đối với bất kì nút w nào khác đang truyền thông tin đồng thời, khi η> 0
là hằng sốphụ thuộc vào các tính năng của máy thu không dây. Vì thế, khi một nút xác định đang nhận dữ liệu, tất cả các nút trong vùng giao thoa
(interference region) phải ở chế độ câm để nhận dữ liệu một cách chính xác. Vùng giao thoa là một vòng tròn bán kính (1+η) δ(u,v) (khoảng giao thoa – interference range) ở trung tâm của máy thu. Điều này có nghĩa khu vực vùng giao thoa đo lượng biên độ không dây do một số phương tiện truyền thông tiêu thụ bởi các phương tiện truyền thông không xung đột đồng thời chỉ xảy
ra ngoài vùng giao thoa, cũng có nghĩa là đo công suất của toàn bộ hệ thống mạng.
Giả sử nút u phải truyền dữ liệu đến nút v, ở khoảng cách d. Thêm vào đó, giả thiết có các nút trung gian c^,….., cd giữa nút u và v và δ(u, c^) = δ( c^, c)= … = δ( cd, v) = de^9 (xemHình 3-3).
Từ quan điểm công suất mạng, việc truyền dữ liệu trực tiếp từ u đến v
hay sử dụng đường truyền đa chặng c^, c,…,v cách nào được ưa thích hơn? Câu hỏi này có thể được dễ dàng trả lời bằng cách xem xét các khoảng giao thoa giữa hai trường hợp. Trong trường hợp truyền trực tiếp, khoảng giao thoa của nút v là (1+η)d, tương ứng với một vùng giao thoa của khu vực π(1 +η). Trong trường hợp truyền đa chặng, chúng ta phải cộng các khu vực của vùng giao thoa của các chặng ngắn. Vùng giao thoa của mỗi chặng truyền sóng là π(de^9 )(1 +η), và có k+1 vùng để xem xét tổng thể. Từ đó, dựa vào bất đẳng thức Holder, ta có:
g (de^ de^9 )
Kh^ = (k+1) (de^9 )< (gde^de^9
Kh^ ) = (3.3)
chúng ta có thể kết luận rằng, từ quan điểm công suất mạng, tốt hơn nếu truyền thông tin dùng nhiều các chặng ngắn giữa nơi phát sóng và đích đến.
Quan sát trên là một nguyên nhân khác làm động lực cho công tác thiết kế cẩn thận hơn cấu hình mạng: thay vì sử dụng các biên độ dài trong graph thông tin, chúng ta có thể sử dụng đường truyền đa chặng được cấu thành từ các biên độ ngắn hơn nối các điểm cuối của các biên độ dài. Vì thế, graph thông tin công suất cực đại, có nghĩa là, graph thu được khi các nút truyền ở
Hình 3-3. Trường hợp truyền thông đa chặng: nút u phải truyền dữ liệu đến nút v, sử dụng các nút trung gian c^,….., ci = cd được ưa thích hơn trên quan điểm công suất mạng
công suất cực đại, có thể được cắt bớt một cách hợp lý để duy trì chỉ các biên độ có công suất hiệu quả. Mục đích của công nghệ điều khiển cấu hình là xác định và cắt tỉa các biên độ như vậy.
3.3. 3.3. 3.3.
3.3. TaxonomyTaxonomy điều khiển cTaxonomyTaxonomy điều khiển cđiều khiển cđiều khiển cấu hìnhấu hìnhấu hìnhấu hình
Như định nghĩa thông thường về điều khiển cấu hình được giới thiệu ở chương trước vạch ra, rất nhiều kỹ thuật khác nhau được phân loại như cơ cấu điều khiển cấu hình. Trong phần này, chúng ta sẽ cố gắng tổ chức các cách tiếp cận đa dạng đến các vấn đề điều khiển cấu hình trong một taxanomy đa dạng. Taxanomy các kỹ thuật điều khiển cấu hình được mô tả trong Hình 3-4.
Đầu tiên, chúng ta phân biệt giữa điều khiển cấu hình CTR đồng nhất và không đồng nhất. Ở trường hợp đầu tiên, các nút mạng phải sử dụng cùng một khoảng phát r, và vấn đề điều khiển cấu hình trở thành một vấn đề đơn giản hơn trong việc xác định giá trị nhỏ nhất của r mà một số các đặc tính của mạng có thể đáp ứng được. Giá trị r này được biết đến như khoảng phát giới hạn ( critical transmitting range – CTR) vìsử dụng một khoảng phát nhỏ hơn r sẽ thỏa hiệp với mục đích của mạng yêu cầu. Trong điều khiển cấu hình không đồng nhất, các nút được phép lựa chọn các khoảng phát khác nhau (phụ thuộc vào điều kiện là khoảng phát đã được lựa chọn không vượt quá khoảng phát cực đại).
Trường hợp đồng nhất hiện tại là công thức đơn giản nhất cúa vấn đề điều khiển cấu hình. Tuy nhiên, nó đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, có thể bởi vì tính đơn giản của nó, đạt được kết quả rõ ràng về mặt lí thuyết trong trường hợp này là một thách thức nhưng là một nhiệm vụ khả thi.
Điều khiển cấu hình không đồng nhất được phân loại thành ba loại, tùy thuộc vào loại thông tin được sử dụng để tính toán cấu hình.
Theo cách tiếp cận dựa vào vị trí, giả sử biết thông tin chính xác nhất về vị trí nút (vị trí nút chính xác). Thông tin này sẽ được sử dụng bởi quyền tập trung để tính toán một dãy các ấn định khoảng phát tối ưu hóa một số đo
lường (đây là trường hợp của các ấn định khoảng và các biến thể của chúng) hoặc chúng được chuyển đổi giữa các nút và được sử dụng để tính toán một điều khiển cấu hình tối ưu theo kiểu phân phối (đây là trường hợp của protocol nhằm xây dựng topology năng lượng hiệu quả cho truyền thông quảng bá). Một cách điển hình, cách tiếp cận dựa vào vị trí giả sử rằng các nút mạng, hoặc ít nhất là một phần quan trọng của chúng, được trang bị bộ thu GPS. Các kỹ thuật điều khiển cấu hình dựa vào vị trí được mô tả ở Chương 4.
Trong cách tiếp cận dựa vào hướng, giả thiết rằng các nút không biết vị trí của chúng nhưng có thể ước lượng hướng liên quan của các nút lân cận.
Trong kỹ thuật dựa vào các nút lân cận, giả sử các nút có đường dẫn đến một lượng rất nhỏ thông tin liên quan đến các nút lân cận, chẳng hạn sự nhận dạng của chúng, và có thể sắp xếp chúng theo một số chỉ tiêu (như khoảng cách, hoặc chất lượng đường truyền).
Một sự khác biệt cuối cùng là giữa điều khiển cấu hình theo gói và định kỳ. trong cách tiếp cận đầu tiên, mỗi nút duy trì một danh sách các nút lân
Dựa theo vị
trí Dựa theo hướng các nút lân cận Dựa theo Đồng nhất
(CTR) Không đồng nhất
Ấn định khoảng và các
biến thể Truyền thông năng lượng hiệu quả Điều khiển cấu hình
cận hiệu quả1 và, cho mỗi nút lân cận như v, công suất truyền sẽ được sử dụng để truyền thông tin đến v. Vì thế sự lựa chọn công suất truyền để sử dụng sẽ được tiến hành trên cơ sở gói thông tin: khi gói thông tin được nhắm đến một đích đến là một nút v nào đó, một công suất P(v) thích hợp sẽ được cài đặt và gói thông tin được truyền đi.
Topology theo gói thông tin thường phụ thuộc vào các thông tin khá chính xác về vị trí của nút và nó thường được áp dụng điển hình trong việc kết hợp với điều khiển cấu hìn dựa theo vị trí hoặc dựa theo hướng. Một thiếu sót của kỹ thuật này là nó khá đòi hỏi từ phía quan điểm kỹ thuật, bởi nó yêu cầu công suất truyền thay đổi rất thường xuyên. Vì lí do này, các kỹ thuật định kỳ đơn giản hơn được đề xuất. Trong cách tiếp cận này đối với điều khiển cấu hình, mỗi nút duy trì một danh sách các nút lân cận hiệu quả; tuy nhiên, khác với kỹ thuật theo gói thông tin, một nút sử dụng công suất truyền đơn (được gọi là công suất phát – broadcast power) để liên lạc với tất cả các nút lân cận. Công suất này có thể được tính cao bằng công suất truyền cần để liên lạc được với các nút lân cận trong danh sách. Theo định kỳ, cài đặt mức công suất phát do các nút sử dụng được cập nhật, để đáp ứng sự chuyển động của các nút và/ hoặc lỗi kết nối. Điều khiển cấu hình định kì rất phù hợp cho việc áp dụng trong mạng di động và mạng ad hoc.
3.4. 3.4. 3.4.
3.4. Điều khiển cấu hình Điều khiển cấu hình trong Protocol StackĐiều khiển cấu hình Điều khiển cấu hình trong Protocol Stacktrong Protocol Stack trong Protocol Stack
Một câu hỏi cuối cùng còn lại là cơ cấu điều khiển cấu hình sẽ được đặt ở đâu trong mạng ad hoc Protocol Stack? Vì không có câu trả lời rõ ràng nào về vấn đề này, nên phần sau đây chúng ta sẽ mô tả quan điểm về chúng, như là một trong những giải pháp có thể. Thực tế, sự kết hợp của các kỹ thuật điều khiển cấu hình trong Protocol Stack là một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính và vẫn chưa xác định được giải pháp tốt nhất cho vấn đề này.
Theo quan điểm của chúng ta, điều khiển cấu hình là một lớp protocol bổ sung được định vị giữa đường truyền và giao thức MAC ( xem Hình 3-5).
1 Với nghĩa hiệu quả, ở đây ý nói đến hoặc hiệu quả về năng lượng, hoặc hiệu quả về công suất, hoặc cả hai
3.4.1. Điều khiển cấu hình và định tuyến
Lớp định tuyến chịu trách nhiệm tìm và duy trì các tuyến truyền giữa các cặp nguồn và đích đến trong mạng: khi nút u phải truyền một thông điệp đến nút v, nó dẫn đến protocol định tuyến, kiểm tra liệu có biết một tuyến truyền (có thể là đa chặng) đến nút v hay không; nếu không nó sẽ bắt đầu một pha định tuyến với mụcc đích là xác định hướng tới nút v; nếu không tìm thấy đường tới nút v, việc liên lạc sẽ bị trì hoãn hoặc hủy bỏ1 . Lớp định tuyến cũng chịu trách nhiệm chuyển tiếp thông tin đến đích tại các nút trung gian trên tuyến truyền.
Sự tương tác hai chiều giữa protocol định tuyến và điều khiển cấu hình được mô tả trong Hình 3-6. Protocol điều khiển cấu hình, tạo và duy trì danh sách các lân cận trung gian của một nút, có thể khởi động một pha cập nhật các tuyến trong trường hợp nó phát hiện rằng danh sách lân cận thay đổi đáng kể. Thực tế, nhiều nút tham gia/ rời khỏi danh sách lân cận có thể chỉ ra rằng nhiều tuyến truyền đến các nút ở xa cũng thay đổi. Vì thế, thay vì ở thế bị động chờ đợi protocol định tuyến nhật các tuyến truyền một cách riêng rẽ, một pha cập nhật tuyến có thể được khởi động, dẫn đến một thời
1 Giao thức truyền tin phản kháng được cân nhắc, bởi lẽ đa số nghĩ rằng truyền tin phản kháng hoạt động tốt hơn truyền tin thực hiện trong mạng ad hoc.
Lớp điều khiển Tôpô mạng Lớp định tuyến
Lớp MAC
gian đáp ứng nhanh hơn đối với những thay đổi cấu hình và giảm tỉ lệ thất thoát thông tin. Mặt khác, lớp định tuyến có thể khởi động việc thực hiện lại protocol điều khiển cấu hình trong trường hợp nó phát hiện nhiều sự gián đoạn đường truyền trong mạng, vì điều này này có thể được chỉ ra rằng cấu hình mạng trên thực tế đã thay đổi rất nhiều từ lần thực hiện điều khiển cấu hình trước.
3.4.2. Điều khiển cấu hình và MAC
MAC ( viết tắt của Medium Access Control) hay lớp kiểm soát truy nhập là một lớp con nằm trong lớp kết nối dữ liệu (data link) chịu trách nhiệm kiểm soát việc truy nhập không dây và kênh truyền chia sẻ. Nó là nền tảng cơ bản quan trọng trong các mạng ad-hoc/sensor nhằm làm giảm bớt các xung đột trong mạng, duy trì dung lượng mạng phù hợp với các mức. Để hiểu sâu hơn về sự tương tác giữa lớp MAC và kiểm soát topology , chúng ta sẽ xem giao thức MAC được sử dụng trong chuẩn IEEE 802.11 [19].
Trong 802.11, việc truy nhập đối với kênh không dây được quy định thông qua thông điệp (message) RTS/CTS. Khi nút u muốn gửi một gói tới nút v, thì đầu tiên nó gửi một thông điệp Request to Send (yêu cầu gửi - RTS) chứa ID của nút u và ID của nút v, kích thước gói dữ liệu. Nếu v với u là trong cùng một khoảng và không có bất kỳ một tranh chấp nào xảy ra, thì nó nhận thông điệp RTS. Trong trường hợp liên lạc xảy ra thì nút v sẽ trả lời với thông điệp Clear to Send (CTS). Ngay lập tức khi nhận được thông điệp CTS,
Lớp định tuyến
Lớp điều khiển Tôpô Sự kiện thực thi
điều khiển Tôpô
Sự kiện cập nhật tuyến
nút u sẽ bắt đầu truyền gói dữ liệu và chờ thông điệp ACK được gửi đi bởi nút v để thông báo rằng dữ liệu gửi đã được nhận.
Để giới hạn các xung đột tại mỗi nút, 802.11 duy trì một vectơ định vị mạng (Network Allocation vector – NAV) theo dõi vết các cuộc truyền đến. NAV được cập nhật mỗi lần khi nút đó nhận các thông điệp RTS, CTS, ACK. Lưu ý rằng, bất kỳ nút nào trong cùng khoảng phát với nút u hoặc v có thể nghe trộm được ít nhất một phần sự trao đổi thông điệp RTS/CTS/DATA/ACK, vì vậy có thể lưu giữ một phần thông tin về các cuộc