Tổng quan nghiên cứu

Mạng Ad hoc di động (MANET) là một hệ thống mạng không dây gồm các nút di động kết nối linh hoạt mà không cần hạ tầng cố định. Theo ước tính, mạng MANET ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, cứu hộ, giao thông thông minh và mạng cảm biến. Tuy nhiên, đặc điểm cấu trúc động, tài nguyên hạn chế và chất lượng liên kết không ổn định của MANET đặt ra nhiều thách thức trong việc duy trì hiệu năng mạng, đặc biệt là trong vấn đề định tuyến.

Phân cụm được xem là một giải pháp hiệu quả để nâng cao khả năng mở rộng và ổn định của mạng MANET. Việc phân chia mạng thành các cụm giúp giảm kích thước bảng định tuyến và chi phí bảo trì thông tin định tuyến, đồng thời cải thiện khả năng quản lý tài nguyên và đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS). Tuy nhiên, tính động cao của các nút trong mạng MANET phân cụm làm cho việc bảo trì thông tin định tuyến trở nên phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền dữ liệu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá các chiến lược bảo trì thông tin định tuyến trong mạng MANET phân cụm nhằm nâng cao hiệu năng định tuyến. Nghiên cứu tập trung vào ba chiến lược chính: bảo trì dựa trên nút đầu cụm (CWHO), bảo trì phân tán toàn phần không có nút đầu cụm (CWOHO) và bảo trì phân tán một phần với thông tin cụm lân cận (CNI). Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên mô hình mạng gồm 100 nút trong vùng 1000m × 1000m, sử dụng các mô hình di động Random Waypoint và Manhattan-Grid với tốc độ di chuyển từ 1 đến 20 m/s.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp các giải pháp bảo trì thông tin định tuyến hiệu quả, giúp cải thiện tỷ lệ truyền thành công, giảm chi phí điều khiển và cân bằng tải trong mạng MANET phân cụm, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ và khả năng ứng dụng thực tế của mạng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mạng Ad hoc di động (MANET): Mạng không dây tự tổ chức, không có hạ tầng cố định, trong đó các nút vừa là thiết bị đầu cuối vừa là bộ định tuyến.
  • Phân cụm trong MANET: Kỹ thuật chia mạng thành các cụm nhỏ nhằm giảm chi phí định tuyến và tăng khả năng mở rộng. Các thuật toán phân cụm dựa trên tập thống trị (IDS, CDS, WCDS), phân cụm phân tán (DDR), phân cụm dựa trên nút báo hiệu (LABAR, BEAD) và phân cụm vật lý dựa trên nhóm hoặc phân vùng địa lý.
  • Chiến lược bảo trì thông tin định tuyến: Bao gồm ba mô hình chính:
    • CWHO: Bảo trì dựa trên nút đầu cụm, nút đầu cụm chịu trách nhiệm thu thập và phân phối thông tin.
    • CWOHO: Bảo trì phân tán toàn phần, không có nút đầu cụm, mọi nút chia sẻ trách nhiệm.
    • CNI: Bảo trì phân tán một phần, các nút chỉ duy trì thông tin về cụm lân cận.
  • Mô hình lớp phủ (mesh) trên mạng phân cụm: Mỗi cụm được xem là một đỉnh, các kết nối giữa cụm là các cạnh, tạo thành lớp phủ để hỗ trợ định tuyến liên cụm.

Các khái niệm chính bao gồm: nút biên (gateway node), bảng định tuyến (routing table), nhãn thời gian (timestamp), số chặng (hop count), và các gói tin điều khiển như NghInfo, NbdClusterInfo, MeshInfo, HeadInfo.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được tạo ra bằng phần mềm GloMoSim, mô phỏng mạng MANET với 100 nút trong vùng 1000m × 1000m.
  • Phương pháp phân tích: So sánh hiệu năng ba chiến lược bảo trì CWHO, CWOHO và CNI qua các chỉ số: tỷ lệ truyền thành công, số chặng trung bình, chi phí điều khiển trung bình và độ lệch chuẩn của gói điều khiển (điểm nóng).
  • Timeline nghiên cứu: Mô phỏng được thực hiện với thời gian 1500 giây cho mỗi kịch bản, trong đó các nút di chuyển theo mô hình Random Waypoint và Manhattan-Grid với tốc độ từ 1 đến 20 m/s, thời gian tạm dừng thay đổi từ 0 đến 750 giây, số lượng cụm thay đổi từ 2 đến 25.
  • Chọn mẫu: Mạng giả lập với 100 nút, phân bố ngẫu nhiên, sử dụng các mô hình di động phổ biến để phản ánh tính đa dạng trong thực tế.
  • Phân tích số liệu: Sử dụng biểu đồ và bảng số liệu để đánh giá và so sánh hiệu năng các chiến lược bảo trì trong các điều kiện mạng khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ lệ truyền thành công:

    • Giao thức CNI đạt tỷ lệ truyền thành công cao nhất, dao động từ 60% đến 89% khi số lượng đường tối đa tăng từ 1 lên 3.
    • CWOHO có tỷ lệ truyền thành công từ 42% đến 85%, cải thiện rõ rệt khi tăng số đường tối đa.
    • CWHO có tỷ lệ thấp nhất, từ 30% đến 75%, không cải thiện nhiều khi tăng số đường.
    • Tỷ lệ truyền thành công giảm khi số lượng cụm tăng, do số chặng trung bình tăng và tính động mạng cao.

  2. Số chặng trung bình:

    • Số chặng trung bình tăng theo số lượng cụm, phản ánh sự phức tạp trong định tuyến liên cụm.
    • CNI có số chặng trung bình thấp nhất, do quyết định định tuyến được thực hiện tại mỗi cụm trung gian.
    • CWHO có số chặng trung bình cao nhất, do định tuyến qua nút đầu cụm.
    • Tăng số đường tối đa làm giảm số chặng trung bình trong CWOHO, không ảnh hưởng nhiều đến CNI và CWHO.

  3. Chi phí điều khiển:

    • Chi phí điều khiển trung bình tăng theo số lượng cụm.
    • CWOHO có chi phí điều khiển cao nhất do quảng bá thông tin mesh toàn mạng.
    • CWHO có chi phí điều khiển cao hơn CNI, do các thông điệp HeadInfo và RouteToHead.
    • Chi phí điều khiển gần như không đổi khi thay đổi thời gian tạm dừng, do các gói điều khiển được kích hoạt định kỳ.

  4. Độ lệch chuẩn của gói điều khiển (điểm nóng):

    • CWHO có độ lệch chuẩn cao nhất, cho thấy sự không đồng đều trong tải xử lý gói điều khiển giữa các nút, gây ra điểm nóng.
    • CWOHO và CNI có độ lệch chuẩn thấp hơn, phân phối tải điều khiển đồng đều hơn.
    • Độ lệch chuẩn giảm khi số lượng cụm tăng, do số lượng nút quản lý gói điều khiển tăng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy chiến lược bảo trì phân tán một phần (CNI) vượt trội về tỷ lệ truyền thành công và chi phí điều khiển thấp hơn so với hai chiến lược còn lại. Điều này xuất phát từ việc CNI chỉ duy trì thông tin về các cụm lân cận, giảm thiểu chi phí quảng bá và tăng tính linh hoạt trong định tuyến.

Chiến lược CWOHO, mặc dù có chi phí điều khiển cao hơn, nhưng khả năng cải thiện tỷ lệ truyền thành công khi tăng số đường tối đa cho thấy lợi thế trong môi trường mạng có tính động cao. CWOHO tận dụng cấu trúc mesh toàn mạng để định tuyến hiệu quả hơn, phù hợp với các mạng có tính di động mạnh.

Ngược lại, CWHO gặp hạn chế do phụ thuộc vào nút đầu cụm, dễ bị mất cân bằng tải và điểm nóng, ảnh hưởng đến hiệu năng tổng thể. Việc bảo trì nút đầu cụm trong môi trường di động cao cũng là thách thức lớn.

Các biểu đồ tỷ lệ truyền thành công, số chặng trung bình và chi phí điều khiển minh họa rõ sự khác biệt hiệu năng giữa các chiến lược. Bảng số liệu chi tiết hỗ trợ phân tích sâu về tác động của số lượng cụm, tốc độ di chuyển và thời gian tạm dừng đến hiệu quả bảo trì thông tin định tuyến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ưu tiên áp dụng chiến lược CNI trong môi trường mạng MANET có tính động vừa phải: Giải pháp này giúp cân bằng giữa chi phí điều khiển và hiệu năng truyền dữ liệu, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ ổn định cao và tiết kiệm năng lượng.

  2. Sử dụng chiến lược CWOHO cho mạng có tính di động cao và yêu cầu độ tin cậy truyền dữ liệu: Tăng số lượng đường tối đa trong cấu trúc mesh để cải thiện tỷ lệ truyền thành công, đồng thời áp dụng các kỹ thuật giảm thiểu chi phí quảng bá để kiểm soát chi phí điều khiển.

  3. Hạn chế sử dụng chiến lược CWHO trong các mạng có quy mô lớn hoặc tính động cao: Do nguy cơ mất cân bằng tải và điểm nóng, cần cải tiến hoặc kết hợp với các cơ chế phân phối tải để nâng cao hiệu quả.

  4. Phát triển các thuật toán phân cụm thích ứng: Tự động điều chỉnh kích thước và số lượng cụm dựa trên điều kiện mạng thực tế nhằm tối ưu hóa hiệu năng bảo trì thông tin định tuyến.

  5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp nên được triển khai và đánh giá trong vòng 6-12 tháng, bắt đầu bằng mô phỏng chi tiết và tiếp tục với thử nghiệm thực tế trên mạng thử nghiệm.

  6. Chủ thể thực hiện: Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật viễn thông, các tổ chức phát triển công nghệ mạng không dây và các doanh nghiệp cung cấp giải pháp mạng MANET.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về các chiến lược bảo trì thông tin định tuyến trong mạng MANET phân cụm, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Kỹ sư phát triển mạng không dây và IoT: Các giải pháp và phân tích trong luận văn giúp thiết kế và tối ưu hóa mạng không dây động, đặc biệt trong các ứng dụng cảm biến và mạng di động.

  3. Doanh nghiệp công nghệ và viễn thông: Tham khảo để áp dụng các chiến lược bảo trì hiệu quả, nâng cao chất lượng dịch vụ và giảm chi phí vận hành mạng MANET trong các sản phẩm và dịch vụ.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Hiểu rõ các thách thức và giải pháp kỹ thuật trong mạng MANET để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định phù hợp cho phát triển hạ tầng mạng không dây.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phân cụm lại quan trọng trong mạng MANET?
    Phân cụm giúp giảm kích thước bảng định tuyến và chi phí bảo trì thông tin, tăng khả năng mở rộng và ổn định mạng trong môi trường có tính động cao.

  2. Chiến lược bảo trì nào phù hợp nhất cho mạng có tính di động cao?
    Chiến lược CWOHO với bảo trì phân tán toàn phần và sử dụng cấu trúc mesh toàn mạng được đánh giá hiệu quả hơn trong môi trường mạng có tính di động mạnh.

  3. Chi phí điều khiển ảnh hưởng thế nào đến hiệu năng mạng?
    Chi phí điều khiển cao làm tăng tải mạng và tiêu thụ năng lượng, ảnh hưởng đến tuổi thọ nút và khả năng truyền dữ liệu, do đó cần tối ưu để cân bằng hiệu năng.

  4. Làm thế nào để giảm điểm nóng trong mạng MANET phân cụm?
    Phân phối đều tải điều khiển giữa các nút, tránh phụ thuộc quá nhiều vào nút đầu cụm như trong chiến lược CWHO, hoặc sử dụng chiến lược phân tán như CWOHO và CNI.

  5. Mô hình di động nào được sử dụng để đánh giá các chiến lược bảo trì?
    Mô hình Random Waypoint và Manhattan-Grid được sử dụng để mô phỏng các kịch bản di động ngẫu nhiên và di chuyển theo lưới đường phố, phản ánh đa dạng điều kiện thực tế.

Kết luận

  • Mạng MANET phân cụm là giải pháp hiệu quả để nâng cao khả năng mở rộng và ổn định mạng trong môi trường di động cao.
  • Ba chiến lược bảo trì thông tin định tuyến CWHO, CWOHO và CNI có ưu nhược điểm khác nhau, phù hợp với các điều kiện mạng và yêu cầu ứng dụng khác nhau.
  • Chiến lược CNI đạt hiệu năng cao về tỷ lệ truyền thành công và chi phí điều khiển thấp, thích hợp cho mạng có tính động vừa phải.
  • CWOHO phù hợp với mạng có tính di động cao, tận dụng cấu trúc mesh toàn mạng để cải thiện hiệu năng truyền dữ liệu.
  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp tối ưu và hướng phát triển tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả bảo trì thông tin định tuyến trong mạng MANET phân cụm.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai thử nghiệm thực tế và mở rộng nghiên cứu về các thuật toán phân cụm thích ứng, đồng thời tích hợp các cơ chế bảo mật và tiết kiệm năng lượng. Hãy áp dụng các chiến lược bảo trì phù hợp để nâng cao hiệu năng mạng MANET trong các ứng dụng thực tiễn.