Luận văn thạc sĩ: Tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET bằng phương pháp thiết kế xuyên tầng

• Tác giả: Phạm Văn Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Tam
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Phương Pháp Tiếp Cận Theo Thiết Kế Xuyên Tầng Nhằm Tối Ƣu Hóa Năng Lượng Trong Mạng MANET
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ ỨNG DỤNG
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TỐI ƢU HÓA NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG MANET
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM TỐI ƢU HÓA NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG MANET
• 3. CHƯƠNG 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Mạng MANET Giải Pháp Tối Ưu Năng Lượng

Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) là một hệ thống tự trị gồm các bộ định tuyến kết nối không dây. Mỗi nút vừa là thiết bị đầu cuối, vừa là bộ định tuyến. Các nút di chuyển tự do, làm kiến trúc mạng thay đổi liên tục. MANET hoạt động bằng cách quảng bá theo từng chặng từ nút nguồn đến các nút láng giềng. Các vấn đề về năng lượng ảnh hưởng lớn đến chức năng của mạng, gây ra độ trễ cao, mất gói tin và thông lượng thấp. Do tính chất khác biệt so với mạng truyền thống, MANET đối mặt với nhiều thách thức. Giao thức định tuyến cần giảm thiểu tải điều khiển, hỗ trợ định tuyến đa chặng, đáp ứng thay đổi topo và ngăn chặn định tuyến lặp. Thiết kế phân tầng chỉ tập trung vào một tầng cụ thể, không tối ưu cho việc điều khiển năng lượng, ảnh hưởng đến hiệu năng toàn mạng. Đề tài này tập trung vào cải tiến giao thức định tuyến cho MANET dựa trên phương pháp tiếp cận xuyên tầng để tối ưu hóa sử dụng năng lượng và nâng cao hiệu năng mạng.

1.1. Định Nghĩa và Đặc Trưng Của Mạng MANET

Theo IETF, MANET là một vùng tự trị của các bộ định tuyến kết nối không dây. Các nút có thể trao đổi dữ liệu linh động mà không cần trạm cơ sở cố định. Mỗi nút có phạm vi truyền giới hạn, cần sự trợ giúp của các nút láng giềng để chuyển tiếp gói dữ liệu. Liên kết giữa các nút được đặc trưng bởi khoảng cách và tính sẵn sàng hợp tác. Để triển khai thành công, thiết kế mạng phải đảm bảo kết nối khi nút di chuyển, tính sẵn sàng hợp tác và mạng ngang hàng tạm thời. Các nút ở gần phải sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng. Mạng được coi là tạm thời do không có cơ sở hạ tầng mạng cho trước, các nút phải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to-peer).

1.2. Đặc Điểm Nổi Bật Của Mạng MANET Di Động

MANET có cấu trúc động do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút. Cấu trúc mạng thường xuyên thay đổi, thêm hoặc mất kết nối. Liên kết không dây có băng thông nhỏ hơn so với liên kết có dây. Băng thông thực tế thấp hơn do ảnh hưởng của cơ chế đa truy cập, suy giảm tín hiệu và nhiễu. Các nút mạng có tài nguyên hạn chế về tốc độ xử lý, bộ nhớ và năng lượng. Độ bảo mật vật lý thấp hơn so với mạng có dây. Các kỹ thuật tấn công như nghe lén, giả mạo và từ chối dịch vụ dễ triển khai hơn.

II. Ứng Dụng MANET Tiết Kiệm Năng Lượng Trong Thực Tế

MANET có nhiều ưu thế so với mạng truyền thống trong các điều kiện khó triển khai cơ sở hạ tầng cố định hoặc không khả thi về mặt thực hành hoặc kinh tế. Trong quân đội, MANET được sử dụng rộng rãi. Các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên khi thực hiện nhiệm vụ cụ thể. Mô hình chuyển động theo nhóm giúp giải quyết các vấn đề như định tuyến và sử dụng ứng dụng thời gian thực. Trong cuộc sống, MANET lý tưởng trong trường hợp không có sẵn cơ sở hạ tầng thông tin, cần thành lập mạng tạm thời để trao đổi thông tin và hợp tác. Tại vùng thiên tai, thảm họa, MANET giúp các lực lượng cứu hộ liên lạc và phối hợp. Trong hội họp, MANET cho phép chia sẻ tài liệu dễ dàng giữa những người tham gia.

2.1. Ứng Dụng Mạng MANET Trong Quân Sự Hiện Đại

Quân đội đã sử dụng các mạng "packet radios" từ lâu, một nguyên mẫu của mạng chuyển mạch gói không dây ngày nay. Mạng MANET thuần túy thường tuân theo mô hình điểm ngẫu nhiên, các nút tự do di chuyển. Trong quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên của chúng khi cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Xu hướng di động ở đây là theo nhóm (group mobility). Nếu đưa ra được một mô hình chuyển động theo nhóm, các vấn đề của mạng MANET sẽ trở nên cụ thể hơn, cho phép phát triển một giải pháp tối ưu.

2.2. Ứng Dụng Mạng MANET Trong Đời Sống Hàng Ngày

Mạng MANET rất lý tưởng trong các trường hợp không có sẵn một cơ sở hạ tầng thông tin, tuy nhiên lại cần phải thành lập một mạng tạm thời nhằm trao đổi thông tin và hợp tác cùng làm việc. Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, khó có thể có được một cơ sở hạ tầng về thông tin vững chắc. Hệ thống có trước đó rất có thể bị hỏng hoặc bị phá hủy hoàn toàn. Mỗi chiếc xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… đều được trang bị như một thiết bị đầu cuối di động – là một phần của mạng ad-hoc.

2.3. Mạng Cảm Biến Không Dây và Ứng Dụng MANET

Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ. Mạng cảm biến là mạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi trường (không khí, đất, nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội. Công nghệ mạng không dây kiểu không cấu trúc thường được áp dụng để triển khai mạng cảm biến.

III. Thiết Kế Xuyên Tầng Bí Quyết Tối Ưu Năng Lượng MANET

Thiết kế xuyên tầng là phương pháp tiếp cận để tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET. Phương pháp này cho phép các tầng khác nhau trong mô hình giao thức trao đổi thông tin và phối hợp hoạt động. Điều này giúp cải thiện hiệu suất năng lượng bằng cách tận dụng thông tin từ các tầng khác nhau để đưa ra quyết định tốt hơn. Ví dụ, thông tin về cường độ tín hiệu từ tầng vật lý có thể được sử dụng để điều chỉnh công suất truyền ở tầng mạng, giúp giảm tiêu thụ năng lượng. Thiết kế xuyên tầng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng của mạng MANET.

3.1. Kiến Trúc Xuyên Tầng Trong Giao Thức CLPC

Giao thức CLPC (Cross-Layer Power Control) là một ví dụ về thiết kế xuyên tầng trong mạng MANET. CLPC tích hợp thông tin từ tầng vật lý và tầng mạng để điều khiển công suất truyền. Giao thức này sử dụng thông tin về cường độ tín hiệu thu được (RSS) từ tầng vật lý để xây dựng cơ chế điều khiển năng lượng truyền động tích hợp vào giao thức AODV tại tầng định tuyến nhằm tối ưu việc sử dụng năng lượng tại các nút mạng và tăng độ tin cậy truyền thông.

3.2. Điều Khiển Động Năng Lượng Truyền Trong MANET

Điều khiển động năng lượng truyền là một kỹ thuật quan trọng trong thiết kế xuyên tầng. Kỹ thuật này cho phép các nút mạng điều chỉnh công suất truyền của chúng dựa trên điều kiện mạng hiện tại. Ví dụ, nếu một nút mạng ở gần nút đích, nó có thể giảm công suất truyền để tiết kiệm năng lượng. Ngược lại, nếu một nút mạng ở xa nút đích, nó có thể tăng công suất truyền để đảm bảo rằng gói tin đến được đích.

IV. Phương Pháp Tối Ưu Hóa Năng Lượng MANET Hiệu Quả Nhất

Có nhiều phương pháp tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET. Một phương pháp phổ biến là sử dụng các giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng. Các giao thức này cố gắng tìm đường đi ngắn nhất và tiêu thụ năng lượng ít nhất để truyền dữ liệu. Một phương pháp khác là sử dụng các kỹ thuật điều khiển công suất để điều chỉnh công suất truyền của các nút mạng. Các kỹ thuật này có thể giúp giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách giảm công suất truyền khi không cần thiết. Ngoài ra, các kỹ thuật quản lý năng lượng cũng có thể được sử dụng để tắt các nút mạng khi chúng không hoạt động.

4.1. Cơ Chế Hội Thoại Năng Lượng Trong Mạng MANET

Cơ chế hội thoại năng lượng là một phương pháp tối ưu hóa năng lượng bằng cách cho phép các nút mạng trao đổi thông tin về mức năng lượng còn lại của chúng. Thông tin này có thể được sử dụng để đưa ra quyết định định tuyến tốt hơn và tránh sử dụng các nút mạng có mức năng lượng thấp. Cơ chế hội thoại năng lượng có thể giúp kéo dài tuổi thọ mạng bằng cách phân phối năng lượng một cách đồng đều giữa các nút mạng.

4.2. Loại Bỏ Các Liên Kết Một Chiều Để Tiết Kiệm Năng Lượng

Các liên kết một chiều có thể gây ra lãng phí năng lượng trong mạng MANET. Khi một nút mạng cố gắng truyền dữ liệu qua một liên kết một chiều, nó có thể phải truyền lại dữ liệu nhiều lần trước khi thành công. Điều này có thể tiêu thụ một lượng lớn năng lượng. Bằng cách loại bỏ các liên kết một chiều, có thể giảm tiêu thụ năng lượng và cải thiện hiệu suất mạng.

V. Đánh Giá Hiệu Năng Giải Pháp Nào Tối Ưu Năng Lượng MANET

Đánh giá hiệu năng là bước quan trọng để xác định hiệu quả của các phương pháp tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET. Các phương pháp đánh giá hiệu năng có thể bao gồm mô phỏng, thử nghiệm thực tế và phân tích toán học. Các chỉ số hiệu năng quan trọng bao gồm tiêu thụ năng lượng, tuổi thọ mạng, độ trễ và thông lượng. Bằng cách đánh giá hiệu năng, có thể so sánh các phương pháp tối ưu hóa năng lượng khác nhau và chọn phương pháp phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể. Phân tích hiệu năng theo tốc độ di chuyển của nút mạng và kích cỡ mạng là rất quan trọng.

5.1. Phân Tích Hiệu Năng Theo Tốc Độ Di Chuyển Của Nút Mạng

Tốc độ di chuyển của nút mạng có thể ảnh hưởng đáng kể đến tiêu thụ năng lượng trong mạng MANET. Khi các nút mạng di chuyển nhanh, chúng có thể phải truyền lại dữ liệu nhiều lần do liên kết bị gián đoạn. Điều này có thể tiêu thụ một lượng lớn năng lượng. Do đó, các phương pháp tối ưu hóa năng lượng cần phải xem xét tốc độ di chuyển của nút mạng.

5.2. Phân Tích Hiệu Năng Theo Kích Cỡ Mạng MANET

Kích cỡ mạng cũng có thể ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng. Trong các mạng lớn, dữ liệu có thể phải truyền qua nhiều nút mạng trước khi đến được đích. Điều này có thể tiêu thụ một lượng lớn năng lượng. Do đó, các phương pháp tối ưu hóa năng lượng cần phải xem xét kích cỡ mạng.

VI. Tương Lai Nào Cho Tối Ưu Năng Lượng Mạng MANET

Nghiên cứu về tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET vẫn tiếp tục phát triển. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm sử dụng học máy để dự đoán và điều chỉnh tiêu thụ năng lượng, phát triển các giao thức định tuyến thích ứng với điều kiện mạng thay đổi và tích hợp năng lượng tái tạo vào các nút mạng. Các nghiên cứu này có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng của mạng MANET và mở ra các ứng dụng mới cho công nghệ này. Ứng dụng IoT và MANET năng lượng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

6.1. Ứng Dụng Học Máy Để Tối Ưu Hóa Năng Lượng MANET

Học máy có thể được sử dụng để dự đoán và điều chỉnh tiêu thụ năng lượng trong mạng MANET. Bằng cách phân tích dữ liệu về điều kiện mạng, lưu lượng truy cập và mức năng lượng của các nút mạng, các thuật toán học máy có thể học cách tối ưu hóa các tham số mạng để giảm tiêu thụ năng lượng. Ví dụ, học máy có thể được sử dụng để điều chỉnh công suất truyền của các nút mạng hoặc để chọn đường đi tốt nhất cho dữ liệu.

6.2. Năng Lượng Tái Tạo Trong Mạng MANET Hướng Đi Mới

Tích hợp năng lượng tái tạo vào các nút mạng là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn. Các nút mạng có thể được trang bị các tấm pin mặt trời hoặc các thiết bị thu năng lượng khác để thu thập năng lượng từ môi trường. Năng lượng này có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các nút mạng, giảm sự phụ thuộc vào pin và kéo dài tuổi thọ mạng.