I. Tổng Quan Mạng Ad Hoc Khái Niệm Đặc Điểm Ứng Dụng
Mạng Ad Hoc là mạng gồm hai hay nhiều thiết bị di động, chẳng hạn như máy tính xách tay, PDA, có khả năng giao tiếp trực tiếp với nhau trên một kênh truyền không dây thông thường. Các thiết bị này được trang bị bộ thu phát không dây, hoạt động mà không cần dựa trên bất kỳ cơ sở hạ tầng mạng nào, ví dụ như trạm cơ sở hoặc điểm truy cập không dây. Các nút trong mạng Ad Hoc sẽ tự thiết lập, tổ chức, và thích nghi khi có một nút mới gia nhập hoặc rời khỏi mạng. Thông tin về nút mới sẽ được cập nhật vào bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi toàn mạng. Khi một nút rời khỏi mạng, thông tin về nút đó sẽ được các nút xóa khỏi bảng định tuyến và hiệu chỉnh lại tuyến. Mạng Ad Hoc có nhiều loại thiết bị khác nhau tham gia, nên các nút mạng không những phải có khả năng phát hiện được khả năng kết nối của các thiết bị, mà còn phải phát hiện ra loại thiết bị và các đặc tính tương ứng của các loại thiết bị đó. Ví dụ, khả năng tính toán, lưu trữ hay truyền dữ liệu trong mạng.
1.1. So Sánh Mạng Ad Hoc Với Mạng Không Dây Cơ Sở Hạ Tầng
Để hiểu hơn về mạng Ad Hoc, cần so sánh với các mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng. Trong mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng, một nút chỉ có thể gửi một gói tin đến một nút đích thông qua điểm truy cập (AP) thuộc mạng hạ tầng. Nhược điểm của mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng là các thiết bị đầu cuối không thể giao tiếp trực tiếp với các thiết bị đầu cuối khác trong cùng một tế bào và trong các tế bào khác. Điểm truy cập thực hiện gửi các thông điệp điều khiển; thông điệp của nút nguồn gửi đến các điểm truy cập và sau đó các điểm truy cập phân phối các thông điệp đến các thiết bị đầu cuối mong muốn. Nếu một thiết bị đầu cuối muốn giao tiếp với một thiết bị đầu cuối nằm ở tế bào khác, các điểm truy cập sẽ chuyển tiếp thông báo cho điểm truy cập khác, trong đó có kiểm soát tế bào mong muốn. Các điểm truy cập thường kết nối có dây với nhau. Vấn đề ở mạng cơ sở hạ tầng là nếu các điểm truy cập bị lỗi thì tất cả các thiết bị đầu cuối trong tế bào này không thể thực hiện bất kỳ việc truyền thông tin liên lạc nào. Đây là bất lợi lớn nhất của mạng không dây dựa trên cơ sở hạ tầng.
1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Mạng Ad Hoc So Với Mạng Khác
Ưu điểm chính của mạng Ad Hoc là tính linh hoạt, chi phí thấp, có thể triển khai nhanh và mạnh mẽ. Mạng Ad Hoc có thể dễ dàng thiết lập, thậm chí ở những nơi như sa mạc và có thể chịu đựng được với hoàn cảnh có thảm họa thiên nhiên và chiến tranh. Những đặc điểm này làm cho mạng Ad Hoc rất thích hợp cho các hoạt động quân sự, các hoạt động khẩn cấp, khắc phục thảm họa lớn.
II. Thách Thức Vấn Đề Nghiên Cứu Trong Mạng Ad Hoc Hiện Nay
Mạng Ad Hoc đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm tỷ lệ lỗi bit cao do các yếu tố như đường truyền bị che chắn, hiện tượng gặp phản xạ, tán xạ, suy giảm cường độ tín hiệu. Điều này dẫn đến tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn so với truyền thông có dây. Bảo mật cũng là một vấn đề, do tính chất phân phối và thiếu điểm giám sát tập trung, mạng Ad Hoc dễ bị tổn thương bởi các loại hình tấn công. Hạn chế về năng lượng cũng là một vấn đề lớn, vì các nút di động hoạt động bằng pin, ảnh hưởng đến tuổi thọ của mạng.
2.1. Các Vấn Đề Bảo Mật Cần Giải Quyết Trong Mạng Ad Hoc
Có rất nhiều vấn đề an ninh trong mạng Ad Hoc. Dưới đây là một số vấn đề bảo mật của IEEE 802.11: Nghe trộm: nghe không hợp pháp trong quá trình truyền giữa hai nút. Phân tích lưu lượng: kẻ tấn công giám sát việc truyền tải cho các mô hình truyền thông. Giả mạo: kẻ tấn công giả vờ được ủy quyền sử dụng một hệ thống để đạt được quyền truy cập vào nó hoặc để đạt được đặc quyền lớn hơn họ đang có thẩm quyền. Sửa đổi tin nhắn: kẻ tấn công thay đổi thông điệp ban đầu bằng cách xóa, bổ sung, sửa đổi tin nhắn ban đầu.
2.2. Hạn Chế Năng Lượng Bài Toán Tiết Kiệm Năng Lượng Cho Nút Mạng
Mạng Ad Hoc cho phép các nút di động giao tiếp trong trường hợp không có cơ sở hạ tầng cố định. Vì vậy, chúng hoạt động với nguồn điện của pin; do đó sẽ có hạn chế về năng lượng. Thiếu năng lượng không chỉ ảnh hưởng đến chính các nút đó mà còn ảnh hưởng đến khả năng mà nút đó thay mặt cho các nút khác để chuyển tiếp các gói tin, do đó ảnh hưởng đến tuổi thọ của mạng.
III. Giao Thức MAC Điều Khiển Công Suất Giải Pháp Tiết Kiệm Năng Lượng
Để khắc phục hạn chế về thiếu hụt năng lượng, giao thức MAC điều khiển công suất được nghiên cứu và triển khai. Mục đích là nghiên cứu các giải pháp giao thức điều khiển công suất trong mạng Ad Hoc nhằm tiết kiệm nguồn tiêu thụ của thiết bị và giảm can nhiễu trong hệ thống. Các giao thức này điều chỉnh công suất phát của các nút mạng để tối ưu hóa hiệu suất mạng và kéo dài tuổi thọ pin.
3.1. Cơ Chế Hoạt Động Của Giao Thức IEEE 802.11 Với Điều Khiển Công Suất
Cơ chế hoạt động của IEEE 802.11 với điều khiển công suất cơ sở (basic power control) được nghiên cứu. Ý tưởng của giao thức điều khiển công suất cơ sở là các nút mạng sẽ điều chỉnh công suất phát của mình dựa trên khoảng cách đến nút nhận. Tuy nhiên, giao thức này có hạn chế là không xét đến yếu tố nhiễu từ các nút khác.
3.2. Đề Xuất Giao Thức MAC Điều Khiển Công Suất Của Eun Sun
Đề xuất giao thức MAC có điều khiển công suất của tác giả Eun-Sun được xem xét. Ý tưởng tương tự như giao thức điều khiển công suất cơ sở. Mô tả thủ tục được sử dụng trong giao thức MAC có điều khiển công suất - PCM (Power Control MAC). Tuy nhiên, giao thức này vẫn còn nhiều hạn chế và cần được cải tiến.
IV. Mô Phỏng Đánh Giá Hiệu Quả Năng Lượng Giao Thức MAC
Việc mô phỏng và đánh giá hiệu quả năng lượng của giao thức MAC điều khiển công suất trong mạng Ad Hoc là rất quan trọng. Các công cụ mô phỏng như NS-2, OPNET, QualNet được sử dụng để đánh giá hiệu suất của các giao thức khác nhau. Các kết quả mô phỏng cho thấy giao thức điều khiển công suất có thể giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu suất mạng.
4.1. Khả Năng Mô Phỏng Mạng Của NS2 Công Cụ Đánh Giá Hiệu Năng
Khả năng mô phỏng mạng của NS2 được tìm hiểu. NS2 là một công cụ mô phỏng mạng mã nguồn mở phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu mạng. NS2 cung cấp nhiều mô hình truyền sóng vô tuyến, mô hình di chuyển nút mạng, và các giao thức mạng khác nhau.
4.2. Mô Hình Truyền Sóng Vô Tuyến Trong Mạng Di Động Không Dây
Mô hình truyền sóng vô tuyến trong mạng di động không dây được nghiên cứu. Các mô hình truyền sóng phổ biến bao gồm mô hình hai tia mặt đất (Two Ray Ground), mô hình Shadowing. Các mô hình này mô tả cách sóng vô tuyến lan truyền trong môi trường không gian, và ảnh hưởng của các yếu tố như khoảng cách, vật cản đến cường độ tín hiệu.
V. Ứng Dụng Thực Tế Triển Vọng Phát Triển Của Mạng Ad Hoc
Mạng Ad Hoc có nhiều ứng dụng thực tế trong quân sự, cứu hộ khẩn cấp, giáo dục, văn phòng, gia đình, và giao thông vận tải. Triển vọng phát triển của mạng Ad Hoc là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh Internet of Things (IoT) và các ứng dụng di động ngày càng phổ biến. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, bảo mật, và khả năng mở rộng của mạng Ad Hoc.
5.1. Ứng Dụng Mạng Ad Hoc Trong Các Tình Huống Khẩn Cấp
Một lĩnh vực đầy hứa hẹn cho ứng dụng mạng Ad Hoc là các hoạt động khẩn cấp, trong đó có tìm kiếm cứu nạn và khắc phục thảm họa. Ví dụ như trong hoạt động tìm kiếm cứu nạn, xem xét một hãng hàng không có gắn thiết bị không dây nhỏ trong các áo phao dưới mỗi ghế. Giả sử rằng chiếc máy bay có vấn đề về cơ khí và phải hạ cánh khẩn cấp xuống nước. Khi đội tìm kiếm, thường là các đội cứu hộ đến nơi địa điểm máy bay hạ cánh, họ sẽ được cung cấp các thông tin chi tiết về vị trí (các tọa độ và có khả năng cả độ sâu) của các nạn nhân thông qua các bộ thu tín hiệu. Kết quả là, các đội cứu hộ có thể xác định vị trí các nạn nhân chính xác, hiệu quả và tiếp cận các nạn nhân một cách nhanh chóng.
5.2. Mạng Ad Hoc Trong Giao Thông Vận Tải VANET
VANET là một loại mạng Ad Hoc di động để cung cấp thông tin liên lạc giữa các xe ô tô ở gần nhau và giữa xe ô tô với thiết bị cố định gần đó. Mục tiêu chính của sử dụng VANET là cung cấp sự an toàn và sự thoải mái cho hành khách, cụ thể một thiết bị điện tử đặc biệt sẽ được đặt bên trong mỗi chiếc xe để cung cấp kết nối mạng Ad Hoc cho hành khách. Mạng lưới này có xu hướng hoạt động mà không có bất kỳ cơ sở hạ tầng nào. Mỗi chiếc xe được trang bị thiết bị VANET sẽ là một nút trong mạng Ad Hoc và có thể nhận chuyển tiếp tin nhắn khác thông qua đường truyền không dây.
VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Giao Thức MAC
Luận văn đã trình bày tổng quan về mạng Ad Hoc, các thách thức và giải pháp liên quan đến giao thức MAC điều khiển công suất. Các kết quả mô phỏng cho thấy tiềm năng của các giao thức này trong việc tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu suất mạng. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các giao thức MAC điều khiển công suất thích ứng với các môi trường mạng khác nhau, và tích hợp các cơ chế bảo mật để đảm bảo an toàn cho mạng Ad Hoc.
6.1. Tối Ưu Hóa Giao Thức MAC Cho Các Môi Trường Mạng Đa Dạng
Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa giao thức MAC cho các môi trường mạng đa dạng, bao gồm các mạng có mật độ nút cao, các mạng có tốc độ di chuyển nút cao, và các mạng có yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau. Các giao thức MAC cần có khả năng thích ứng với các điều kiện mạng thay đổi để đảm bảo hiệu suất tốt nhất.
6.2. Tích Hợp Cơ Chế Bảo Mật Vào Giao Thức MAC Điều Khiển Công Suất
Việc tích hợp cơ chế bảo mật vào giao thức MAC điều khiển công suất là rất quan trọng để bảo vệ mạng Ad Hoc khỏi các cuộc tấn công. Các cơ chế bảo mật có thể bao gồm mã hóa dữ liệu, xác thực nút, và phát hiện xâm nhập. Các cơ chế này cần được thiết kế sao cho không ảnh hưởng quá nhiều đến hiệu suất năng lượng của mạng.
