Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng mạng manet

Mạng MANET hoạt động dựa trên cơ chế đa chặng phi tập trung. Các nút truyền dữ liệu qua nhiều nút trung gian để đến đích. Môi trường vô tuyến dễ bị can nhiễu tín hiệu và suy hao đường truyền. Cấu hình mạng biến đổi nhanh do chuyển động ngẫu nhiên của các thiết bị. Liên kết vô tuyến thường xuyên bị đứt gãy bất ngờ. Hiện tượng mất gói tin xảy ra phổ biến khi mật độ nút thay đổi. Băng thông chia sẻ giữa các nút lân cận gây ra hiện tượng nghẽn mạng cục bộ. Nguồn năng lượng pin của từng nút là hữu hạn và khó thay thế. Thiết kế giao thức định tuyến MANET cần thích ứng tốt với mọi biến động cấu trúc. Giao thức phải vừa bảo toàn năng lượng vừa duy trì tính toàn vẹn của tuyến truyền.

Đánh giá hiệu năng mạng không dây đòi hỏi bộ chỉ số định lượng chuẩn xác. Thông lượng mạng ad-hoc phản ánh lượng dữ liệu truyền thành công trong một đơn vị thời gian. Tỷ lệ chuyển phát gói tin PDR là thước đo độ tin cậy của tuyến truyền. Tỷ lệ PDR càng cao chứng tỏ giao thức định tuyến hoạt động càng hiệu quả. Độ trễ đầu cuối end-to-end delay đo thời gian gói tin đi từ nguồn đến đích. Trễ thấp là điều kiện tiên quyết cho các ứng dụng thời gian thực. Chi phí định tuyến routing overhead phản ánh mức tiêu hao tài nguyên điều khiển. Năng lượng tiêu thụ trung bình trên mỗi gói tin xác định tuổi thọ của mạng. Sự cân bằng giữa các tiêu chí này quyết định chất lượng toàn mạng.

Nhiều yếu tố động tác động trực tiếp đến chất lượng dịch vụ QoS mạng MANET. Vận tốc di chuyển của nút làm thay đổi tần suất đứt gãy liên kết truyền thông. Mật độ nút mạng cao dễ gây xung đột truy nhập kênh truyền vô tuyến. Tải lưu lượng tăng đột biến tạo ra các điểm nghẽn tại nút trung gian. Nhiễu môi trường làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR. Bài toán cải thiện hiệu năng đòi hỏi thuật toán định tuyến nhận biết trạng thái kênh truyền. Thuật toán cần kết hợp thông tin mức mạng và mức vật lý. Việc chọn đường truyền tối ưu phải dựa trên nhiều tham số kết hợp. Giải pháp định tuyến chất lượng cao giúp ổn định luồng dữ liệu truyền tải.

Định tuyến AODV và DSR là hai giao thức phản ứng tiêu biểu nhất. Giao thức AODV lưu trữ thông tin bảng định tuyến tại các nút trung gian. AODV sử dụng số thứ tự đích để đảm bảo đường truyền không bị lặp vòng. Giao thức DSR lưu toàn bộ danh sách nút của tuyến truyền ngay trong tiêu đề gói tin. DSR tận dụng bộ nhớ đệm cache để giảm số lượng gói tin tìm đường RREQ. Tuy nhiên, tiêu đề gói tin DSR phình to khi số chặng truyền tăng lên. AODV giảm bớt chi phí tiêu đề nhưng tốn thời gian thiết lập lại tuyến khi liên kết đứt. Cả hai giao thức đều đối mặt với vấn đề độ trễ cao khi mở đầu phiên truyền.

Giao thức OLSR và DSDV thuộc nhóm định tuyến chủ động theo bảng trạng thái. DSDV sử dụng thuật toán Bellman-Ford cải tiến với số thứ tự nút để tránh lặp tuyến. DSDV liên tục phát quảng bá cập nhật bảng định tuyến định kỳ. Chi phí gói tin điều khiển của DSDV tăng nhanh khi kích thước mạng mở rộng. Giao thức OLSR tối ưu hóa việc phát quảng bá nhờ cơ chế nút chuyển tiếp đa điểm MPR. Chỉ các nút MPR mới thực hiện chuyển tiếp thông tin trạng thái liên kết. OLSR giảm đáng kể lưu lượng điều khiển dư thừa so với DSDV truyền thống. Mặc dù vậy, OLSR vẫn tiêu hao năng lượng liên tục để duy trì các bảng định tuyến.

Định tuyến đơn đường truyền thống rất dễ bị gián đoạn khi nút di chuyển. Định tuyến đa đường AOMDV được phát triển nhằm cung cấp các tuyến dự phòng không giao nhau. AOMDV phát hiện nhiều đường đi độc lập từ nguồn đến đích trong một lần tìm kiếm. Khi tuyến chính bị đứt, dữ liệu lập tức chuyển sang tuyến phụ mà không cần tìm đường lại. Tuy vậy, AOMDV chưa tính toán đầy đủ đến hiện tượng nghẽn kênh truyền cục bộ. Việc kiểm soát tắc nghẽn mạng không dây chưa được tích hợp chặt chẽ trong khâu chọn tuyến. Tình trạng quá tải tại các nút giao thoa làm tăng độ trễ và giảm tỷ lệ PDR. Do đó, việc bổ sung cơ chế nhận biết tải là rất cần thiết.

Giao thức A-WCETT đề xuất tham số định tuyến mới dựa trên chất lượng kênh vô tuyến. Tham số WCETT truyền thống được điều chỉnh để phù hợp với môi trường di động đa tốc độ. Giao thức tính toán tỷ lệ truyền thành công ETX và thời gian truyền ETT trên từng chặng. A-WCETT gán trọng số thích ứng cho mức độ can nhiễu giữa các kênh truyền lân cận. Tuyến đường được chọn có băng thông khả dụng cao nhất và mức can nhiễu thấp nhất. Nhờ vậy, thông lượng mạng ad-hoc tăng lên rõ rệt trong các kịch bản lưu lượng nặng. Tỷ lệ chuyển phát gói tin PDR được cải thiện đáng kể so với giao thức AODV gốc. Độ trễ trung bình của toàn mạng cũng giảm xuống mức tối ưu.

Giao thức MM-AODV tích hợp thông tin về tính di động của các nút mạng. Thuật toán ước lượng thời gian sống của liên kết dựa trên vận tốc và vị trí tương đối. Mô hình di chuyển mobility model ngẫu nhiên được sử dụng để đánh giá sự ổn định của đường truyền. MM-AODV ưu tiên chọn các nút trung gian có tốc độ di chuyển chậm và hướng đi ổn định. Các liên kết có nguy cơ đứt gãy sớm sẽ bị loại bỏ khỏi danh sách định tuyến. Cơ chế tìm tuyến thích ứng giúp giảm thiểu số lần thiết lập lại đường đi. Nhờ đó, độ trễ đầu cuối end-to-end delay giảm mạnh trong điều kiện mạng biến động cao. Hệ thống duy trì kết nối liên tục và nâng cao độ tin cậy truyền tin.

Giao thức Q-AODV hướng đến mục tiêu kiểm soát tắc nghẽn mạng không dây chủ động. Q-AODV theo dõi chiều dài hàng đợi gói tin tại lớp giao tiếp mạng của từng nút. Khi hàng đợi vượt quá ngưỡng an toàn, nút sẽ thông báo trạng thái cảnh báo nghẽn. Thuật toán định tuyến chuyển hướng luồng dữ liệu sang các tuyến đường vòng ít tải hơn. Quá trình cân bằng tải diễn ra tự động giúp giải tỏa áp lực cho các nút trung tâm. Hiện tượng tràn bộ đệm và rớt gói tin được hạn chế tối đa. Giao thức Q-AODV bảo đảm thông lượng mạng ad-hoc duy trì ổn định ngay cả khi lưu lượng tăng đột biến. Đây là giải pháp hữu hiệu để nâng cao chất lượng dịch vụ QoS toàn mạng.

Giao thức AERP và HPLR tập trung tối ưu hóa năng lượng mạng MANET một cách toàn diện. Giao thức AERP tính toán mức năng lượng dư thừa của từng nút để lựa chọn tuyến truyền cân bằng. Tuyến đường được chọn tránh các nút có mức năng lượng thấp dưới ngưỡng cho phép. Giao thức HPLR áp dụng cơ chế điều khiển công suất phát linh hoạt theo khoảng cách giữa các nút. Việc giảm công suất phát vừa tiết kiệm pin vừa giảm can nhiễu lên các nút lân cận. Thuật toán ngăn chặn hiện tượng một số nút trung tâm bị cạn kiệt pin quá sớm. Kết quả là toàn bộ hệ thống kéo dài được tuổi thọ mạng thêm từ 20% đến 35%.

Mô hình lai kết hợp mạng MANET và máy chủ đám mây mang lại bước đột phá mới. Các máy chủ đám mây tiếp nhận thông tin vị trí và trạng thái tài nguyên của mạng di động. Điện toán đám mây xử lý các thuật toán tối ưu hóa định tuyến phức tạp thay cho nút mạng. Các nút MANET chỉ cần thực hiện theo chỉ dẫn tuyến đường từ máy chủ quản lý. Giải pháp này giúp cắt giảm tối đa chi phí gói tin điều khiển trên kênh vô tuyến. Mức tiêu hao năng lượng xử lý tại các thiết bị đầu cuối giảm đi rõ rệt. Dung lượng lưu trữ và khả năng phục vụ của toàn mạng được mở rộng đáng kể. Cơ chế phối hợp nâng cao tuổi thọ mạng và đảm bảo thông suốt liên lạc.

Công cụ mô phỏng NS-3 mạng MANET được sử dụng để kiểm chứng toàn bộ các giải pháp đề xuất. Kịch bản mô phỏng thiết lập đa dạng về số lượng nút, vận tốc di chuyển và mô hình lưu lượng. Các chỉ số định lượng bao gồm tỷ lệ chuyển phát gói tin PDR, thông lượng và độ trễ. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy các giao thức A-WCETT, MM-AODV và Q-AODV vượt trội hơn hẳn AODV chuẩn. Tỷ lệ PDR tăng từ 15% đến 25% trong các điều kiện mạng di động tốc độ cao. Độ trễ đầu cuối end-to-end delay giảm rõ rệt nhờ cơ chế kiểm soát tắc nghẽn và chọn tuyến thông minh. Dữ liệu thực nghiệm khẳng định tính đúng đắn và khả thi của luận án.