Tổng quan nghiên cứu

Mạng ad hoc di động (MANET) là một loại mạng không dây hoạt động không cần hạ tầng cố định, trong đó các nút mạng tự tổ chức và định tuyến dữ liệu một cách linh hoạt. Theo ước tính, mạng MANET ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, cứu hộ khẩn cấp, 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 tối ưu hóa hiệu năng định tuyến.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là cơ chế chọn đường tối ưu trong thuật toán định tuyến Enhanced-ANT-AODV, nhằm nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu trong mạng MANET. Mục tiêu cụ thể là phát triển và đánh giá một thuật toán định tuyến sử dụng bốn tham số chất lượng dịch vụ (QoS) gồm: cường độ tín hiệu nhận (RSSM), năng lượng còn lại (REM), độ tắc nghẽn (CM) và số chặng (HCM) để lựa chọn đường đi tối ưu từ nguồn đến đích. Nghiên cứu được thực hiện trong môi trường mô phỏng NS2 với phạm vi thời gian 200 giây và khu vực mô phỏng 1800m x 840m, tập trung vào mạng MANET có số lượng nút từ 10 đến 100.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện các chỉ số hiệu năng mạng như thông lượng, tỷ lệ truyền gói thành công, độ trễ đầu cuối và tỷ lệ nút sống sót, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và kéo dài tuổi thọ mạng trong các ứng dụng thực tế.

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 MANET và đặc điểm cấu trúc động: Mạng MANET gồm các nút di động tự tổ chức, không cần hạ tầng cố định, với đặc điểm cấu trúc thay đổi liên tục, tài nguyên hạn chế và chất lượng liên kết không ổn định.
  • Thuật toán định tuyến AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector): Là giao thức định tuyến theo yêu cầu, sử dụng định tuyến từng chặng, ưu tiên tìm đường ngắn nhất dựa trên số chặng.
  • Thuật toán tối ưu dựa trên hành vi bầy đàn (Ant Colony Optimization - ACO): Mô phỏng quá trình tìm đường của loài kiến thông qua tín hiệu sinh học (pheromone), giúp cải tiến quá trình lan truyền thông tin định tuyến.
  • Các tham số QoS trong định tuyến: Bao gồm cường độ tín hiệu nhận (RSSM), năng lượng còn lại (REM), độ tắc nghẽn (CM) và số chặng (HCM), được tích hợp để đánh giá và lựa chọn đường đi tối ưu.

Ba khái niệm chính được sử dụng là: tín hiệu sinh học (pheromone), độ đo chất lượng liên kết (RSSM), và các tham số QoS (REM, CM, HCM).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả mô phỏng trên phần mềm NS2, mô phỏng mạng MANET với các tham số:

  • Số lượng nút: từ 10 đến 100
  • Khu vực mô phỏng: 1800m x 840m
  • Thời gian mô phỏng: 200 giây
  • Mô hình di chuyển: Random Way Point
  • Giao thức truyền vận tải: UDP với ứng dụng CBR
  • Giao thức MAC: IEEE 802.11
  • Năng lượng nút ban đầu: 100J

Phương pháp phân tích bao gồm so sánh hiệu năng của giao thức Enhanced-ANT-AODV với các giao thức tiêu biểu khác như AODV, DSR và Enhanced-ANT-DSR dựa trên các chỉ số: thông lượng, tỷ lệ truyền gói thành công, độ trễ đầu cuối trung bình và tỷ lệ nút sống sót. Mỗi kịch bản mô phỏng thay đổi một tham số (số lượng nút, tốc độ nút, lưu lượng dữ liệu) trong khi giữ nguyên các tham số còn lại để đánh giá tác động riêng biệt.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm giai đoạn thiết kế thuật toán, cài đặt mô phỏng, thu thập và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của số lượng nút đến hiệu năng: Khi số lượng nút tăng từ 10 đến 90, giao thức Enhanced-ANT-AODV duy trì thông lượng trung bình cao hơn khoảng 15-20% so với AODV và DSR. Tỷ lệ truyền gói thành công của Enhanced-ANT-AODV đạt trên 90% trong khi các giao thức khác dao động từ 75-85%. Độ trễ đầu cuối trung bình của Enhanced-ANT-AODV thấp hơn khoảng 10-15% so với các giao thức so sánh. Tỷ lệ nút sống sót cũng cao hơn, đạt khoảng 85% so với 70-75% của các giao thức khác.

  2. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển nút: Khi tốc độ nút tăng từ 0 đến 10 m/s, Enhanced-ANT-AODV thể hiện sự ổn định tốt hơn với tỷ lệ truyền gói thành công giảm nhẹ chỉ khoảng 5%, trong khi các giao thức khác giảm từ 10-20%. Độ trễ đầu cuối tăng chậm hơn, cho thấy khả năng thích ứng với thay đổi topo mạng hiệu quả.

  3. Ảnh hưởng của lưu lượng dữ liệu: Khi lưu lượng dữ liệu tăng từ 1 đến 6 gói/giây, thông lượng của Enhanced-ANT-AODV tăng ổn định và duy trì tỷ lệ truyền gói thành công trên 85%, trong khi các giao thức khác giảm mạnh khi lưu lượng vượt quá 4 gói/giây. Độ trễ đầu cuối của Enhanced-ANT-AODV tăng chậm hơn, thể hiện khả năng xử lý tắc nghẽn tốt hơn.

  4. Tác động tổng hợp của các tham số QoS: Việc tích hợp bốn tham số QoS trong thuật toán định tuyến giúp Enhanced-ANT-AODV lựa chọn đường đi có độ tin cậy cao, ít tắc nghẽn, năng lượng nút còn lại đủ và số chặng tối ưu, từ đó cải thiện hiệu năng mạng tổng thể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu năng là do cơ chế chọn đường tối ưu dựa trên tín hiệu sinh học tổng hợp từ bốn tham số QoS, giúp giao thức tránh các liên kết yếu, tắc nghẽn hoặc các nút có năng lượng thấp. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng một hoặc hai tham số, việc kết hợp đồng thời bốn tham số giúp nâng cao độ chính xác trong việc lựa chọn đường đi.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự biến đổi thông lượng, tỷ lệ truyền thành công, độ trễ đầu cuối và tỷ lệ nút sống sót theo từng tham số thay đổi (số lượng nút, tốc độ, lưu lượng). Bảng so sánh chi tiết giữa các giao thức cũng minh họa rõ ràng ưu thế của Enhanced-ANT-AODV.

Ý nghĩa của kết quả là giao thức Enhanced-ANT-AODV phù hợp cho các ứng dụng MANET đòi hỏi chất lượng dịch vụ cao, đặc biệt trong môi trường mạng có tính động cao và tài nguyên hạn chế như mạng MANET chiến thuật, mạng cứu hộ khẩn cấp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giao thức Enhanced-ANT-AODV trong các hệ thống MANET thực tế: Đề xuất các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ mạng không dây áp dụng giao thức này để nâng cao hiệu năng truyền dữ liệu, đặc biệt trong các ứng dụng quân sự và cứu hộ. Thời gian thực hiện trong vòng 12-18 tháng.

  2. Tối ưu hóa thuật toán để giảm chi phí tính toán và tiêu thụ năng lượng: Khuyến nghị các nhà phát triển tiếp tục nghiên cứu cải tiến thuật toán nhằm giảm kích thước gói tin điều khiển và tối ưu hóa quá trình tính toán tín hiệu sinh học, hướng tới tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ mạng. Thời gian nghiên cứu 6-12 tháng.

  3. Mở rộng nghiên cứu tích hợp thêm các tham số QoS khác: Đề xuất bổ sung các tham số như độ trễ jitter, độ tin cậy liên kết để nâng cao khả năng đáp ứng các yêu cầu đa dạng của ứng dụng. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực mạng không dây, thời gian 12 tháng.

  4. Phát triển mô hình mô phỏng và thử nghiệm thực tế đa kịch bản: Khuyến nghị xây dựng các mô hình mô phỏng phức tạp hơn và triển khai thử nghiệm thực tế trong các môi trường mạng MANET đa dạng để đánh giá toàn diện hiệu năng giao thức. Thời gian thực hiện 18-24 tháng, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học máy tính, Mạng máy tính: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thuật toán định tuyến trong mạng MANET, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến tối ưu hóa mạng không dây.

  2. Kỹ sư phát triển phần mềm và hệ thống mạng không dây: Các kỹ sư có thể áp dụng thuật toán Enhanced-ANT-AODV để thiết kế và triển khai các giải pháp mạng MANET hiệu quả, đặc biệt trong các ứng dụng quân sự, cứu hộ và IoT.

  3. Các tổ chức quân sự và cứu hộ khẩn cấp: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn và phát triển các giao thức định tuyến phù hợp với môi trường mạng động, tài nguyên hạn chế, đảm bảo chất lượng dịch vụ trong các tình huống khẩn cấp.

  4. Doanh nghiệp công nghệ và nhà cung cấp thiết bị mạng: Tham khảo để phát triển sản phẩm mạng không dây tiên tiến, tích hợp các thuật toán định tuyến tối ưu nhằm nâng cao hiệu năng và độ tin cậy của sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Enhanced-ANT-AODV khác gì so với AODV truyền thống?
    Enhanced-ANT-AODV tích hợp bốn tham số QoS (cường độ tín hiệu nhận, năng lượng còn lại, độ tắc nghẽn, số chặng) trong thuật toán chọn đường, trong khi AODV chỉ dựa vào số chặng. Điều này giúp nâng cao hiệu năng và độ tin cậy trong mạng MANET.

  2. Làm thế nào để giao thức xử lý khi năng lượng nút thấp?
    Giao thức sử dụng ngưỡng năng lượng RE_THR; nếu năng lượng còn lại của nút thấp hơn ngưỡng này, nút sẽ không được chọn làm chặng trung gian, giúp tránh các liên kết không ổn định do hết năng lượng.

  3. Giao thức có phù hợp với mạng có tốc độ di chuyển cao không?
    Kết quả mô phỏng cho thấy Enhanced-ANT-AODV duy trì hiệu năng ổn định khi tốc độ nút tăng đến 10 m/s, nhờ cơ chế chọn đường dựa trên tín hiệu sinh học giúp thích ứng nhanh với thay đổi topo mạng.

  4. Có thể áp dụng giao thức này cho các mạng IoT không?
    Có, vì giao thức tối ưu hóa năng lượng và chất lượng liên kết, phù hợp với các mạng IoT có tài nguyên hạn chế và yêu cầu truyền dữ liệu ổn định.

  5. Phần mềm mô phỏng nào được sử dụng để đánh giá giao thức?
    Nghiên cứu sử dụng phần mềm NS2 với các mô hình di chuyển và truyền thông phù hợp để mô phỏng và đánh giá hiệu năng của giao thức trong nhiều kịch bản khác nhau.

Kết luận

  • Giao thức Enhanced-ANT-AODV sử dụng cơ chế chọn đường tối ưu dựa trên bốn tham số QoS, nâng cao hiệu năng định tuyến trong mạng MANET.
  • Kết quả mô phỏng trên NS2 cho thấy giao thức vượt trội hơn các giao thức AODV, DSR và Enhanced-ANT-DSR về thông lượng, tỷ lệ truyền gói thành công, độ trễ và tỷ lệ nút sống sót.
  • Thuật toán mô phỏng hành vi bầy đàn của loài kiến giúp cải thiện khả năng thích ứng với thay đổi cấu trúc mạng và tiết kiệm năng lượng.
  • Nghiên cứu đề xuất các hướng phát triển tiếp theo nhằm tối ưu hóa thuật toán và mở rộng ứng dụng trong các môi trường mạng đa dạng.
  • Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ áp dụng và phát triển giao thức để nâng cao hiệu quả mạng MANET trong thực tế.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm thực tế giao thức Enhanced-ANT-AODV trong các môi trường mạng MANET đa dạng và phát triển các phiên bản tối ưu hơn để đáp ứng nhu cầu ứng dụng ngày càng cao.