Nghiên Cứu Và Đánh Giá Hiệu Quả Của Kỹ Thuật Duy Trì Trạng Thái Đường Truyền Trong Mạng Không Dây Phi Cấu Trúc

Mạng không dây phi cấu trúc (MANET) là mạng không dây di động không cần cơ sở hạ tầng cố định. Các nút linh động trao đổi dữ liệu. Mỗi nút có phạm vi truyền giới hạn, cần đến các nút láng giềng để chuyển tiếp gói dữ liệu. Các nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp. Khái niệm 'Ad hoc' được mở rộng, các nút có thể định tuyến và chuyển tiếp gói tin. Con đường chuyển tiếp đi qua các nút trung gian. Các nút mạng thường kết nối để trao đổi thông tin trong một khoảng thời gian nhất định, và có thể di chuyển, vì vậy mạng phải đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu khi hình trạng mạng thay đổi. Các nút mạng phải tự tổ chức, thiết lập các đường truyền dữ liệu, mỗi nút vừa là thiết bị đầu cuối, vừa là bộ định tuyến.

Mạng không dây phi cấu trúc có nhiều ứng dụng. Trong quân sự, chúng được sử dụng rộng rãi để thiết lập kết nối mạng trên chiến trường. Trong cứu hộ và cứu nạn, chúng có thể kết nối các đội cứu hộ trong tình huống khẩn cấp. Chúng cũng được dùng trong các ứng dụng tương tác nhiều người dùng, như họp trực tuyến hoặc sự kiện thể thao. Ứng dụng IoT kết nối các thiết bị không dây trong môi trường di động. Các dịch vụ định vị cung cấp tìm đường hoặc theo dõi vị trí. Trong y tế, chúng theo dõi sức khỏe bệnh nhân hoặc giám sát thiết bị y tế.

Độ tin cậy của đường truyền trong mạng không dây phi cấu trúc chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Tính di động của các nút là một yếu tố quan trọng, làm thay đổi liên tục cấu trúc mạng và gây gián đoạn kết nối. Nhiễu sóng từ các thiết bị khác cũng có thể làm giảm chất lượng tín hiệu. Công suất phát của các nút ảnh hưởng đến phạm vi kết nối và độ mạnh tín hiệu. Môi trường truyền dẫn, bao gồm vật cản và địa hình, cũng có thể gây suy hao tín hiệu.

Quản lý năng lượng là yếu tố sống còn trong mạng không dây phi cấu trúc, vì các nút thường hoạt động bằng pin. Các giao thức định tuyến và bảo trì đường truyền cần được thiết kế để tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng. Các kỹ thuật như điều chỉnh công suất phát, ngủ đông, và định tuyến tối ưu hóa năng lượng có thể được sử dụng. Việc cân bằng tải năng lượng giữa các nút cũng quan trọng để tránh tình trạng một số nút cạn kiệt năng lượng sớm hơn các nút khác.

Trong mạng không dây phi cấu trúc phân vùng, một cách tiếp cận là giao trách nhiệm cho nút đầu vùng. Nút đầu vùng có trách nhiệm thu thập và phân phối thông tin về trạng thái của các vùng lân cận và cũng chia sẻ thông tin này với các nút đầu vùng khác. Điều này giúp cho các nút trong vùng chỉ cần duy trì một con đường đến nút đầu vùng của chúng và không cần thực hiện việc thu thập hoặc phân phối thông tin trạng thái. Các nút đầu vùng thường chịu trách nhiệm quản lý và xử lý các yêu cầu định tuyến liên vùng cho các nút cùng vùng với chúng. Vì vậy, việc sử dụng kỹ thuật bảo trì CWHO (Cluster-Based With Head Overlay) được đề xuất.

Khi thiết kế các kỹ thuật bảo trì thông tin trong mạng không dây phi cấu trúc phân vùng, có nhiều cách tiếp cận khác nhau. Trong khi kỹ thuật CWHO tập trung vào việc giao trách nhiệm bảo trì cho các nút đầu vùng, kỹ thuật phân phối đầy đủ lại không dựa vào các nút đứng đầu mà cho phép mọi nút đều chia sẻ trách nhiệm trong việc thu thập và phân phối thông tin về các vùng lân cận của chúng. Theo cách tiếp cận này, mọi nút trong mạng có thể xử lý các hoạt động định tuyến liên vùng, bởi vì chúng chia sẻ thông tin trạng thái của tất cả các vùng trong mạng.

Các độ đo đánh giá hiệu năng mạng không dây phi cấu trúc bao gồm: Tỉ lệ truyền thành công (Packet Delivery Ratio - PDR), đo lường tỉ lệ gói tin được gửi thành công đến đích. Độ trễ (Delay), đo lường thời gian trung bình mà một gói tin cần để đến đích. Chi phí điều khiển (Overhead), đo lường số lượng gói tin điều khiển được gửi để duy trì mạng. Thời gian sống của mạng (Network Lifetime), đo lường thời gian mà mạng có thể hoạt động trước khi một số lượng lớn các nút cạn kiệt năng lượng.

Việc so sánh hiệu năng giữa kỹ thuật CWHO (Cluster-Based With Head Overlay) và kỹ thuật Full Distribution cần được thực hiện trong các kịch bản mô phỏng khác nhau. CWHO có thể có chi phí điều khiển thấp hơn trong các mạng lớn, vì chỉ các nút đầu vùng cần trao đổi thông tin. Tuy nhiên, Full Distribution có thể có độ trễ thấp hơn và khả năng thích ứng tốt hơn với các thay đổi cấu trúc mạng nhanh chóng. Kết quả so sánh phụ thuộc vào các tham số mạng, như kích thước mạng, mật độ nút và mô hình di động.

Mô hình di động ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng mạng không dây phi cấu trúc. Mô hình nút di động ngẫu nhiên (Random Waypoint) thường dẫn đến các thay đổi cấu trúc mạng nhanh chóng, đòi hỏi các kỹ thuật duy trì đường truyền có khả năng thích ứng cao. Mô hình nút di động dạng lưới (Grid-Based) tạo ra các kết nối ổn định hơn, cho phép các kỹ thuật duy trì đường truyền có thể hoạt động hiệu quả hơn với chi phí điều khiển thấp hơn.

Phân tích chi phí điều khiển và độ trễ trong mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật duy trì đường truyền. Chi phí điều khiển cao có thể làm giảm băng thông khả dụng và tăng mức tiêu thụ năng lượng. Độ trễ cao có thể ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ (QoS) của các ứng dụng thời gian thực. Các kết quả mô phỏng cần được phân tích kỹ lưỡng để xác định sự cân bằng tối ưu giữa chi phí điều khiển và độ trễ.

Tích hợp bảo mật vào kỹ thuật duy trì đường truyền là một hướng phát triển quan trọng. Các giải pháp bảo mật cần được thiết kế để bảo vệ thông tin định tuyến và ngăn chặn các cuộc tấn công từ bên ngoài và bên trong mạng. Các kỹ thuật như mã hóa, xác thực và kiểm soát truy cập có thể được tích hợp vào các giao thức duy trì đường truyền.

Mạng không dây phi cấu trúc có tiềm năng ứng dụng lớn trong các hệ thống IoT và công nghiệp 4.0. Chúng có thể được sử dụng để kết nối các thiết bị cảm biến, máy móc và thiết bị di động trong môi trường công nghiệp và dân dụng. Việc đảm bảo độ tin cậy, bảo mật và QoS là rất quan trọng để triển khai thành công các ứng dụng này.