Đề tài Tối ưu hóa topology trong mạng ad-hoc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đức Hải TỐI ƯU HÓA TOPOLOGY TRONG MẠNG AD-HOC KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Đức Hải TỐI ƯU HÓA TOPOLOGY TRONG MẠNG AD-HOC KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Hồng Quân HÀ NỘI - 2009 Lời cảm ơn Để hoàn thành được khóa luận này trước hết em xin gửi cảm ơn tất cả các thầy cô trong trường Đại Học Công Nghệ đã truyền thụ cho em những kiến thức để có thể nghiên cứu những vấn đề của khóa luận, sự cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Hồng Quân, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình làm khóa luận, đến anh Vũ Anh Hải ban BCCS VNPT, người đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình xây dựng chương trình mô phỏng. Và cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ, tạo điều kiện, động viên em trong suốt quá trình làm khóa luận. Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Sinh viên Nguyễn Đức Hải Tóm tắt nội dung Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng và đa dạng của các thiết bị di dộng, nhu cầu kết nối giữa các thiết bị mọi lúc mọi nơi ngày càng trở nên cấp thiết. Một trong những giải pháp cho yêu cầu này đó là xây dựng nên một mạng ad-hoc. Về cơ bản, mạng ad-hoc có thể kết nối tất cả các thiết bị truyền thông không dây mà không sử dụng bất cứ các cơ sở hạ tầng cố định nào. Rất nhiều vấn đề đã được đặt ra đó là làm sao tạo ra được một mạng ahoc là tối ưu nhất. Một trong những vấn đề cần giải quyết đó là làm thế nào để duy trì được mạng ad-hoc với thời gian là dài nhất trong điều kiện bị giới hạn về nguồn năng lượng. Trong khóa luận này chúng ta sẽ giải quyết vấn đề này theo một phương pháp tiếp cận là tối ưu hóa topology của mang ad-hoc sao cho các node trong mạng có thể truyền được số lượng các gói tin là lớn nhất và sử dụng nguồn năng lượng là nhỏ nhất. MỤC LỤC Mở đầu.................................................................................................................................1 Chương 1. Giới thiệu về mạng Ad-hoc .............................................................................2 1.1. Mạng Ad-Hoc............................................................................................................2 1.2. Những sự thách thức .................................................................................................4 Chương 2. Mô hình hóa mạng ad-hoc ..............................................................................6 2.1. Kênh truyền không dây .............................................................................................6 2.2. Đồ thị truyền thông .................................................................................................10 2.3. Mô hình hóa sự tiêu thụ năng lượng .......................................................................13 2.4. Mô hình hóa tính di động ........................................................................................16 Chương 3. Tối ưu hóa Topology......................................................................................20 3.1. Vấn đề về vùng ảnh hưởng......................................................................................20 3.1.1. Định nghĩa vấn đề ............................................................................................20 3.1.2. Vấn đề RA trong những mạng một chiều (One-Dimensional Networks). ......21 3.1.3. Vấn đề RA trong mạng 2 và 3 chiều................................................................23 3.1.4. Vấn đề về tính đối xứng...................................................................................25 3.2.Chi phí năng lượng của Range Assignment tối ưu. .................................................33 Chương 4. Hiệu quả năng lượng của sự kết nối các topology ......................................34 4.1. Hiêu quả năng lượng Unicast..................................................................................34 4.2. Hiệu quả năng lượng broadcast...............................................................................39 Chương 5. Mô phỏng và kết quả thực nghiệm ..............................................................43 5.1. Ý tưởng xây dựng một chương trình mô phỏng......................................................43 5.2. Xây dựng chương trình mô phỏng ..........................................................................43 5.3. Kết quả mô phỏng ...................................................................................................44 5.4. Nhận xét ..................................................................................................................44 Chương 6. Kết luận ..........................................................................................................46 6.1. Những kết quả đạt được và mặt hạn chế của khóa luận..........................................46 6.2. Phương hướng phát triển.........................................................................................47 Tài liệu tham khảo............................................................................................................48 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Mô hình two-ray group............................................................................................8 Hình 2: Chiều của mạng và phạm vi vùng ảnh hưởng của node........................................11 Hình 3: Đồ thị điểm 2 chiều ...............................................................................................12 Hình 4: Các cạnh backward................................................................................................21 Hình 5: Minimum Spanning Tree.......................................................................................24 Hình 6: SRA và WSRA......................................................................................................26 Hình 7: Gadget cho cạnh (a, b)...........................................................................................29 Hình 8: Sự sắp xếp các node và khoảng cách giữa chúng..................................................33 Hình 9: Đồ thị maxpower G và đồ thị con G’ với các hệ số power stretch .......................35 Hình 10: Bảng các đồ thị định tuyến và các hệ số liên quan..............................................37 Hình 11: Một vùng bao phủ của 1 node trong đồ thị Gabriel ............................................38 Hình 12: Giao diện chính của chương trình .......................................................................43 1 Mở đầu Những thiết bị tính toán và truyền thông không dây đã trở nên phổ biến và đi kèm với đó là cơ sở hạ tầng truyền thông ngày càng lớn mạnh đã làm nên một sự phát triển nhanh chóng của mạng không dây. Hầu hết các nghiên cứu và sự phát triển dành cho mạng không dây đó là những sự ổn định, được sự quan tâm của cộng đồng khoa học và nghành công nghiệp truyền thông, lĩnh vực truyền thông đang được kích thích và đang hướng tới truyền thông giao tiếp mà không cần bất cứ một cơ sở hạ tầng nào. Với những yêu cầu cấp thiết này thì mạng ad-hoc là một giải pháp hữu hiệu. Vấn đề đặt ra đó là làm sao để thiết kế được mạng ad-hoc với một độ ổn định cao, hiệu năng trên đường truyền là lớn nhất, đồng thời tiết kiêm được năng lượng sử dụng cho mỗi node. Trong khóa luận này chúng ta sẽ tiếp cận và giải quyết vấn đề này theo một phương pháp là tối ưu hóa Topology để đạt tới hiệu năng sử dụng của mạng một cách cao nhất, đồng thời tiết kiệm năng lượng được sử dụng cho từng node. Một số nội dung chính của khóa luận khi nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa Topology được trình bày lần lượt theo các chương sau: Chương 1: Giới thiệu về mạng ad-hoc, tầm quan trọng, tính năng nổi bật cũng như những thách thức khi xây dựng một mạng ad-hoc. Chương 2: Mô hình hóa mạng ad-hoc, mô hình về các kênh truyền không dây, xây dựng topology của mạng ad-hoc dựa trên đồ thị truyền thông Chương 3: Tối ưu hóa Topology, đưa ra các thuật toán nhằm tính toán và tạo ra được topology cho mạng ad-hoc sao cho một cách tối ưu nhất Chương 4: Hiệu quả năng lượng từ việc tối ưu hóa Topology, chúng ta sẽ chứng minh rằng với Topology tối ưu thì năng lượng sử dụng cho mạng ad-hoc sẽ được giảm xuống. Chương 5: Mô tả về chương trình mô phỏng, đưa ra các ý tưởng xây dựng chương trình mô phỏng, các module chính, kết quả thực nghiệm và các đánh giá thực tế Chương 6: Kết luận, đưa ra những mặt đã đạt được của khóa luận, những mặt còn hạn chế và bước phát triển tiếp theo của khóa luận trong tương lai 2 Chương 1. Giới thiệu về mạng Ad-hoc 1.1. Mạng Ad-Hoc Mạng ad-hoc là lĩnh vực nền tảng trong truyền thông không dây.Công nghệ này cho phép những node mạng có thể truyền thông ngay lập tức với những node khác sử dụng những bộ phát không dây mà không cần sử dụng một cơ sở hạ tầng cố định. Điều này là một sự khác biệt rất lớn của mạng ad-hoc với nhiều mạng không dây cổ điển như mạng cellular hay wireless LAN, trong những mạng này, mỗi node sẽ phải truyền thông với một trạm cơ sở và những trạm cơ sở này thì sử dụng mạng có dây. Mạng ad-hoc đang được trông đợi sẽ là một cuộc cách mạng hóa của truyền thông không dây trong vài năm tới: bằng sự bổ sung những mô hình mạng cổ điển (Internet, mạng cellular, truyền thông vệ tinh), mạng ad-hoc sẽ trở nên vô cùng phổ biến, bằng cách khai thác công nghệ không dây ad-hoc, những thiết bị không dây vô cùng phổ biến (điện thoại , PDA, laptop …) và những thiết bị cố định (máy trạm, những điểm truy xuất Internet không dây …) có thể được kết nối cùng nhau sẽ tạo thành một mạng rộng khắp hay là một mạng toàn cầu. Những ứng dụng trong tương lai theo xu hướng công nghệ mạng ad-hoc sẽ chứng minh rằng nó rất hữu dụng.Ví dụ, hãy xem xét những tình huống sau đây. Một trận động đất đã phá hủy hầu hết mọi thứ, các cớ sở hạ tầng thông tin liên lac của một thành phố lớn(đường dây điện thoại, các máy trạm của mạng cellular …). Một vài đội cứu hộ (chữa cháy, cảnh sát, y tế …) đang làm việc trên thảm họa đó để cứu mọi người và giúp đỡ những người bị thương.Để mang lại một sự giúp đỡ tốt hơn cho người dân thì những đội cứu hộ phải được phối hợp với nhau.Rõ ràng, một hành động phối hợp chỉ có thể đạt được nếu những người cứu hộ có khả năng giao tiếp, với những người trong đội của mình vả cả những đội khác nữa (ví dụ như cảnh sát với cảnh sát hay cứu hỏa với y tế). Với công nghệ có sẵn, những nỗi nỗ lực phối hợp của những người cứu hộ trong hoàn cảnh cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc bị phá hủy nghiêm trọng là rất khó khăn: thậm chí nếu các thành viên trong nhóm được trang bị những bộ đàm hoặc là các thiết bị tương tự, khi không có quyền truy cập vào các cớ sở hạ tầng cố định có sẵn thì những người cứu hộ chỉ có thể liên lạc trong một phạm vi gần. Vì vậy một trong những ưu tiên ngày nay trong quản lý thiên tai đó là làm thế nào để khôi phục lại được hệ thống cơ sở thông tin liên lạc càng nhanh càng tốt, việc này thường được thực hiện bằng cách sửa chữa các cơ sở hạ tầng đã bị phá hủy và triển khai các thiết bị thông tin liên lạc tạm thời. 3 Tình hình có thể khác đi rất nhiều nếu công nghệ mạng ad-hoc đã sẵn sàng: bằng cách sử dụng đầy đủ các hình thức truyền thông không dây phân cấp hay truyền thông không dây đa chặng, những người cứu hộ sẽ có khả năng giao tiếp trong một khoảng cách tương đối xa. Đối với môt khu vực thiên tai có một mật độ dân cư đông hay là một thành phố thì công nghệ mạng ad-hoc có thể mang lại thành công trong những nỗ lực cứu hộ mà không cần sử dụng một cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc nào. Ví dụ trên phần nào mô tả được những tính năng nối bật của những ứng dụng sử dụng công nghệ mạng ad-hoc: Mạng không đồng nhất: Một mạng ad-hoc điển hình là một mạng lưới bao gồm nhiều thiết bị không đồng nhất. Ví dụ ở giả thiết phía trên đã mô tả, các nhóm cứu hộ làm việc trên vùng bị thiên tai sẽ được trang bị các thiết bị truyền thông giao tiếp khác nhau như: điện thoại di động, PDAs, bộ đàm hay máy tính xách tay … .Để cho việc thiết lập một mạng lưới thông tin liên lạc một cách thành công thì công nghệ mạng phải là nền tảng giúp cho phép các thiết bị khác nhau có thể giao tiếp được với nhau. Tính di động: trong một mạng ad-hoc điển hình, hầu hết các node trong mạng là di động, một ví dụ trong trường hợp này chính là những người làm việc trong vùng bị thiên tai mà ta đã nêu trong giả thiết phía trên. Mạng phân tán: việc xây dựng một mạng ad-hoc phân tán là khi các nút trong mạng là phân tán theo phương diện vật lý, trong thực tế khi các nút mạng là gần nhau thì truyền thông qua một chặng sẽ hữu dụng hơn rất nhiều và sự truyền thông qua nhiều chặng là không cần thiết. Tiềm năng của những ứng dụng trong mạng ad-hoc là rất nhiều , trong đó chúng ta đánh giá những điều sau đây: Phân phối nhanh chóng lưu lượng truy cập trên đường cao tốc và khu đô thị: .Những tuyến đường cao tốc và các khu đô thị có thể được trang bị những trạm phát vô tuyến cố định, gửi những thông tin quảng bá tới những xe hơi có gắn những thiết bị thu nhận GPS. Lần lượt các xe đang hoạt động có thể cập nhật được giao thông rất nhanh chóng.So với những công nghệ cũ thì công nghệ mới này sẽ cung cấp những chính xác và nhanh chóng hơn. Truy cập Internet khắp nơi: Trong một tương lai rất gần, những khu vực công cộng như, sân bay, nhà ga, khu mua sắm cao cấp, sẽ được trang bị những điểm truy cập Internet không dây, bằng cách sử dụng các thiết bị di động của những người dùng khác như là một cầu nối không dây việc truy cập internet sẽ được phủ rộng hầu hết mọi nơi. 4 Phân phối những điểm thu nhận thông tin: Bằng cách sử dụng những trạm truyền thông không dây những điểm thu nhận thông tin có thể phân phối hoặc thu thập thông tin từ những người sử dụng. Ví dụ về một điểm thu nhận thông tin đó là một thông tin về một chuyến du lịch, các sự kiện xung quanh, thông tin về các cửa hàng, nhà ăn trong khu một khu vực. … 1.2. Những sự thách thức Mặc dù công nghệ dành cho mạng ad-hoc là tương đối hoàn thiện nhưng những ứng dụng trên nó hầu như hoàn toàn không có.Một phần của thực tế này chính là một số vấn đề trong mạng ad-hoc còn chưa có hướng giải quyết.Trong phần này chúng ta sẽ mô tả những trạng thái của công nghệ mạng ad-hoc hiện thời và đối điện với thách thức trong việc thiết kế mạng ad-hoc. Mạng không dây ad-hoc đã thu hút được nhiều sự quan tâm của của các nhà ngiên cứu và các ngành công nghiệp trong một vài năm gần đây.Với tư cách là kết quả của một loạt các hoạt động ngiên cứu đáng kể, các cơ chế truyền thông không dây ad-hoc cơ bản đã được thiết kế và chuẩn hóa. Những ví dụ phổ biến nhất, chuẩn giao tiếp IEEE 802.11 và Bluetooth đã được thực thi trong hàng loạt các thiết bị không dây thương mại, và những chuẩn này cho phép các thiết bị không dây giao tiếp với nhau mà ít sử dụng các cơ sở hạ tầng. Vì vậy, giao tiểp không dây, multihop giữa các thiêt bị khác nhau như điện thoại di động, máy tính cách tay, PDA hay các thiết bị thông minh đều có thể trở thành hiện thực với công nghệ được cung cấp hiện thời. Mặc dù thực tế là công nghệ dành cho mạng ad-hoc đang tồn tại, nhưng những ứng dụng trên nền tảng mô hình mạng ad-hoc hầu như hoàn toàn không có.Nguyên nhân của điều này đó là thực tế khi triển khai các dịch vụ mạng ad-hoc gặp rất nhiều khó khăn.Những thách thức chính mà chúng ta sẽ gặp phải là: - Sự duy trì năng lượng: Những thiết bị trong mạng ad-hoc thường được sư dụng nguồn năng lượng thông qua pin được gắn cùng, một trong những mục tiêu chính đó là thiết kế mạng sao cho nguồn năng lượng được sử dụng một cách hiệu quả nhất. - Hình trạng mạng không cấu trúc và/hoặc thay đổi theo thời gian: Trong một mạng lưới các node, về nguyên tắc một thiết bị di động có thể ở bất kỳ nơi nào trong một khu vực rộng lớn và liên tục di động, như vậy một đồ thị của hình trạng mạng sẽ biểu 5 diễn cho sự liên kết giữa các node thường là không có cấu trúc.Hơn nữa hình trạng mạng sẽ thay đổi theo thời gian vì các nodes gần như liên tục di chuyển.Với nguyên nhân này việc tối ưu hóa các giao thức trong mạng ad-hoc là một công việc rất khó khăn. - Chất lượng thông tin liên lạc kém: Thông tin liên lạc trong trên một kênh truyền không dây nói chung là kém chất lượng hơn so với một kênh truyền có dây.Hơn nữa chất lượng thông tin liên lạc là bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường, (điều kiện thời tiết, các vật cản, chướng ngại vật, sự can thiệp của các mạng lưới không dây khác, …).Vì vậy các ứng dụng cho mạng ad-hoc nên có khả năng phục hồi nhanh chóng để đáp ứng lại sự ảnh hưởng từ bên ngoài này. - Tính toán sự giới hạn tài nguyên: Đặc trưng của mạng ad-hoc là những tài nguyên sẵn có rất ít.Đặc biệt năng lượng và lương băng thông được cung cấp trong mạng rất hạn chế so với những mô hình mạng trước đây.Những giao thức trong mạng ad-hoc phải mang lại mức độ thực thi cao trong điều kiện những tài nguyên có sẵn bị hạn chế. - Khả năng mở rộng: Trong tương lai không xa của mạng ad-hoc, mạng có thể gồm hàng trăm hay tới hàng nghìn những node, điều này có nghĩa là giao thức dành cho mạng ad-hoc phải có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường có một số lượng rất lớn các node tham gia. Trong trường hợp công nghệ mạng ad-hoc được sử dụng để tạo nên một mạng rộng khắp thì các vấn đề sau đây cũng nên được quan tâm: Phân chia mạng toàn cầu: Trong viễn cảnh của một mạng rộng khắp được mô tả trong phần 1.1.1 thì dữ liệu sẽ đi qua hầu hết các mô hình của các mạng: ad-hoc, cellular, vệ tinh, wireless LAN, Internet, vv.Một lý thuyết lý tưởng là người sử dụng có thể chuyển dữ liệu thông suốt từ một mạng này tới một mạng khác mà không cần những ứng dụng chuyển đổi hoặc ngắt chuyển đổi.Và để thực hiện được điều này thì quả thực là một nhiệm vụ rất khó khăn. Mô phỏng sự liên kết giữa các node: Khi thiết kế một giao thức mạng, việc thiết kế thường được giả định rằng tất cả các node đều tình nguyện tham gia thực thi mạng này. Trong tương lai của những ứng dụng mạng ad-hoc, những node mạng thường được sở hữu bởi các đối tượng khác nhau (người dùng cá nhân, các chuyên gia hay những tổ chức lợi nhuận hoặc phi lợi nhuận), và những node này sẽ tự động tham gia thực thi các giao thức trong mạng ad-hoc. Vì vậy những node trong mạng phải được mô phỏng theo một giao thức nào đó một cách chi tiết và đặc biệt 6 Chương 2. Mô hình hóa mạng ad-hoc Trong chương này, chúng ta sẽ giới thiệu một mô hình mạng ad-hoc không dây đơn giản nhưng đã được áp dụng rộng khắp.Mô hình này cũng được áp dụng cho những mạng có kiểu tương tự như mạng ad-hoc 2.1. Kênh truyền không dây Những node trong mạng ad-hoc truyền thông thông qua những bộ thu phát không dây. Vì lý do này, một điều quan trọng khi xây dựng một khối mô hình cho mạng ad-hoc là xây dựng kênh truyền không dây. Một kênh truyền không dây giữa một đơn vị truyền u và một đơn vị nhận v được thiết lập khi và chỉ khi cường độ của tín hiệu nhận được bởi node v (Pr) ở trên một ngưỡng, ngưỡng này được gọi là cảm ứng với ngưỡng (sensitivity threshold). Về mặt hình thức có một liên kết không dây trực tiếp giữa u và v nếu Pr β≥ ,β là giá trị cảm ứng với ngưỡng, giá trị chính xác của β phụ thuộc vào bộ truyền không dây và tốc độ truyền dữ liệu: cho một kênh truyền không dây, nếu tốc độ truyền dữ liệu là cao thì giá trị của β cũng cao hơn.Điều này cũng cho thấy rằng Pr cũng cần cao hơn. Để đơn giản hóa trong các ví dụ sau thì chúng ta giả thiết rằng β sẽ có giá trị 1. Cường độ của tín hiệu nhận được Pr sẽ phụ thuộc vào cường độ tín hiệu gửi Pt của u trên kênh truyền không dây và với sự mất mát trên đường truyền, tín hiệu trên mô hình n