Mạng ad hoc di động là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa mạng ad hoc di động (MANET)

Mạng ad hoc di động (Mobile Ad Hoc Network – MANET) là một loại mạng không dây tự lập, trong đó các thiết bị đầu cuối có thể giao tiếp trực tiếp với nhau mà không cần đến cơ sở hạ tầng mạng cố định như bộ định tuyến trung tâm, trạm phát sóng hay điểm truy cập. Mỗi thiết bị (node) trong mạng vừa đóng vai trò là điểm gửi/nhận dữ liệu, vừa là bộ định tuyến chuyển tiếp gói tin đến các thiết bị khác.

MANET có thể tự động cấu hình khi các thiết bị tham gia hoặc rời khỏi mạng, đồng thời cập nhật bảng định tuyến phù hợp với sự thay đổi liên tục của topology mạng. Mạng thường hoạt động trong môi trường phân tán, không có quản trị tập trung và phải thích ứng linh hoạt với sự di chuyển ngẫu nhiên của các node.

Một số tình huống ứng dụng tiêu biểu của MANET bao gồm:

• Thiết lập liên lạc nhanh trong môi trường chiến trường hoặc cứu hộ
• Truyền thông khẩn cấp tại khu vực thiên tai, không có hạ tầng
• Giao tiếp giữa các phương tiện trong mạng giao thông thông minh (VANET)
• Kết nối thiết bị IoT trong khu vực xa trung tâm

Đặc điểm kỹ thuật chính của MANET

MANET sở hữu nhiều đặc điểm phân biệt so với các mô hình mạng truyền thống. Các node có khả năng di chuyển tự do, khiến cấu trúc mạng thay đổi không ngừng. Không có node trung tâm kiểm soát, toàn bộ mạng vận hành theo cách phân tán và cộng tác. Các node phải chủ động phát hiện lân cận, thiết lập đường đi và truyền dữ liệu khi cần thiết.

Tính năng tự tổ chức giúp MANET nhanh chóng thiết lập mạng trong môi trường thiếu hạ tầng. Tuy nhiên, điều này đi kèm với các thách thức kỹ thuật như:

• Độ ổn định mạng kém do topology thay đổi nhanh
• Khả năng mở rộng hạn chế khi số lượng node tăng
• Yêu cầu cao về thuật toán định tuyến thích ứng

Bảng tóm tắt một số đặc điểm chính:

Tiêu chí	Đặc điểm trong MANET
Cấu trúc	Phi tập trung, tự cấu hình
Di chuyển	Liên tục, không dự đoán được
Định tuyến	Phân tán, động, không cố định
Khả năng mở rộng	Giới hạn, hiệu suất giảm khi tăng node

Kiến trúc mạng MANET

Kiến trúc mạng MANET không cố định và có thể thay đổi theo mục tiêu triển khai. Trong kiến trúc phẳng (flat), tất cả các node có vai trò ngang nhau. Trong kiến trúc phân cụm (cluster-based), một số node được chọn làm cluster head để điều phối nhóm, tăng hiệu quả định tuyến. Trong kiến trúc lai (hybrid), các node được phân tầng chức năng theo quy tắc định sẵn hoặc động.

Tùy thuộc vào cách tổ chức, mạng MANET có thể tối ưu hiệu suất định tuyến hoặc cân bằng tải giữa các node. Việc lựa chọn kiến trúc phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến:

• Chi phí truyền thông trong mạng
• Thời gian thiết lập đường đi
• Khả năng quản lý và phát hiện lỗi

So sánh các mô hình kiến trúc MANET:

Loại kiến trúc	Đặc điểm	Ưu điểm	Nhược điểm
Phẳng	Mọi node ngang hàng	Đơn giản, dễ triển khai	Khó quản lý khi mạng lớn
Phân cụm	Có node điều phối cụm	Giảm chi phí định tuyến	Phụ thuộc cluster head
Lai	Kết hợp flat và cluster	Hiệu suất linh hoạt	Phức tạp trong thiết kế

Giao thức định tuyến trong MANET

Việc định tuyến trong MANET là bài toán cốt lõi do topology thay đổi liên tục. Các node cần duy trì hoặc thiết lập động các tuyến đường để đảm bảo dữ liệu đến đúng đích. Có ba nhóm chính:

• Chủ động (Proactive): Duy trì bảng định tuyến thường xuyên, ví dụ: DSDV, OLSR.
• Phản ứng (Reactive): Chỉ tìm đường khi có dữ liệu cần gửi, ví dụ: AODV, DSR.
• Lai (Hybrid): Kết hợp hai phương pháp trên, ví dụ: ZRP.

Mỗi loại giao thức có ưu nhược điểm riêng:

Giao thức	Loại	Ưu điểm	Hạn chế
DSDV	Chủ động	Thời gian truyền thấp	Lưu lượng kiểm soát lớn
AODV	Phản ứng	Hiệu quả khi mạng thay đổi nhanh	Thời gian trễ khi thiết lập đường đi
ZRP	Lai	Cân bằng hiệu suất	Thiết kế phức tạp hơn

Việc lựa chọn giao thức phù hợp phụ thuộc vào mục tiêu ứng dụng, mật độ node và mức độ ổn định topology. Các giao thức định tuyến cần tối ưu giữa chi phí điều khiển, độ trễ và tỷ lệ chuyển giao thành công.

Thách thức trong thiết kế và triển khai MANET

Việc thiết kế và triển khai mạng MANET đi kèm với hàng loạt thách thức kỹ thuật do bản chất phi tập trung, không ổn định và phụ thuộc vào hành vi của các node di động. Một trong những vấn đề lớn nhất là khả năng duy trì kết nối mạng ổn định trong điều kiện các node liên tục thay đổi vị trí và trạng thái kết nối.

Các thách thức cụ thể bao gồm:

• Quản lý năng lượng: Các thiết bị đầu cuối thường sử dụng pin, do đó mọi thuật toán định tuyến và truyền thông phải tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng.
• Độ trễ và thông lượng: Việc thay đổi topology làm tăng độ trễ truyền gói tin và giảm thông lượng, đặc biệt trong các mạng có mật độ cao.
• Bảo mật mạng: Do không có kiểm soát tập trung, MANET dễ bị tấn công giả mạo, nghe lén, từ chối dịch vụ hoặc phát tán thông tin sai lệch.
• Khả năng mở rộng: Khi số lượng node tăng, độ phức tạp định tuyến và lưu lượng điều khiển tăng theo cấp số nhân, gây tắc nghẽn mạng.

Ngoài ra, việc đồng bộ thời gian, hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện (video, thoại), và tích hợp với hạ tầng mạng truyền thống cũng là những vấn đề cần được giải quyết để MANET có thể ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế.

Ứng dụng thực tế của MANET

MANET đã được triển khai thành công trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng thiết lập mạng nhanh và linh hoạt. Trong quân sự, MANET cho phép các đơn vị chiến đấu duy trì liên lạc mà không cần hạ tầng trung gian. Hệ thống thông tin chiến thuật sử dụng MANET để trao đổi vị trí, tình trạng và chỉ thị tác chiến.

Trong dân sự, MANET hỗ trợ cứu hộ và ứng cứu khẩn cấp trong khu vực bị thiên tai, nơi mà hạ tầng mạng truyền thống bị phá hủy. Ngoài ra, MANET còn được dùng trong:

• Y tế di động: Truyền dữ liệu sức khỏe trong xe cấp cứu hoặc giữa các trạm y tế dã chiến.
• Giao thông thông minh (VANET): Cho phép xe trao đổi thông tin tốc độ, vị trí, cảnh báo tai nạn theo thời gian thực.
• Internet of Things (IoT): Mạng cảm biến môi trường, nông nghiệp thông minh, hoặc giám sát công nghiệp.

Nhiều tiêu chuẩn và dự án quốc tế đang được phát triển để mở rộng ứng dụng MANET như ETSI MANET tại châu Âu, hay các nghiên cứu về mạng chiến thuật tại NIST (Hoa Kỳ).

So sánh MANET với các mô hình mạng không dây khác

MANET có nhiều điểm tương đồng và khác biệt với các mô hình mạng không dây như mạng cảm biến không dây (WSN), mạng WLAN truyền thống hoặc mạng mesh. Việc phân biệt rõ ràng giúp lựa chọn giải pháp phù hợp cho từng bài toán cụ thể.

Bảng so sánh dưới đây thể hiện các khác biệt chính:

Tiêu chí	MANET	WSN	WLAN
Cấu trúc mạng	Không hạ tầng, phân tán	Có nút sink thu thập dữ liệu	Cần điểm truy cập
Khả năng di chuyển	Cao	Rất thấp	Trung bình
Vai trò thiết bị	Đồng đẳng	Chủ yếu là cảm biến	Thiết bị truy cập mạng
Tự định tuyến	Có	Giới hạn	Không

Mô hình toán học và hiệu năng MANET

Hiệu năng của MANET thường được đánh giá qua một số chỉ số định lượng như:

• Thông lượng (Throughput)
• Độ trễ đầu cuối (End-to-End Delay)
• Tỷ lệ chuyển giao thành công (Packet Delivery Ratio - PDR)
• Chi phí định tuyến (Routing Overhead)

Một số mô hình toán học đơn giản được sử dụng để tính các chỉ số hiệu năng như:
$PDR = \frac{N_{recv}}{N_{sent}}$
$Delay_{avg} = \frac{\sum_{i=1}^{n}(t_{recv}^i - t_{send}^i)}{n}$

Trong đó:

• $N_{recv}$: Số gói nhận thành công
• $N_{sent}$: Tổng số gói gửi
• $t_{send}^i$, $t_{recv}^i$: Thời gian gửi và nhận của gói thứ i
• n: Tổng số gói nhận thành công

Các công cụ mô phỏng như NS-2, NS-3, OMNeT++ hoặc GloMoSim thường được sử dụng để đánh giá hiệu năng mạng dưới nhiều kịch bản khác nhau, từ di chuyển tuyến tính đến di chuyển ngẫu nhiên.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển MANET

Trong bối cảnh công nghệ số phát triển mạnh, mạng MANET đang được tích hợp với các công nghệ tiên tiến như:

• Học máy và AI: Tối ưu định tuyến theo thời gian thực dựa trên dữ liệu mạng.
• Blockchain: Đảm bảo tính toàn vẹn và xác thực trong môi trường phi tập trung.
• Edge computing: Giảm độ trễ xử lý và phân phối tài nguyên cục bộ.
• Tích hợp 5G/6G: Hỗ trợ mạng di động tốc độ cao và siêu linh hoạt.

Các nghiên cứu tại Ad Hoc Networks Journal và IEEE Xplore đang tập trung giải quyết các bài toán liên quan đến định tuyến thông minh, phân bổ tài nguyên và bảo mật phân tán cho MANET trong môi trường thành phố thông minh, giao thông kết nối (C-V2X), và hạ tầng ảo hóa.

Tài liệu tham khảo

1. Perkins, C. E., & Royer, E. M. (1999). Ad-hoc on-demand distance vector routing. In Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications.
2. Chlamtac, I., Conti, M., & Liu, J. J. (2003). Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges. Ad Hoc Networks, 1(1), 13–64. https://doi.org/10.1016/S1570-8705(03)00013-1
3. ETSI. Mobile Ad Hoc Networks. https://www.etsi.org/technologies/mobile-adhoc-networks
4. NIST. Ad Hoc Networks Program. https://www.nist.gov/programs-projects/ad-hoc-networks
5. IEEE Xplore. Mobile Ad Hoc Networks Publications. https://ieeexplore.ieee.org/Xplore/home.jsp
6. Elsevier. Ad Hoc Networks Journal. https://www.sciencedirect.com/journal/ad-hoc-networks