Mạng lưới wireless mesh network

Mạng lưới wireless mesh network Mạng lưới wireless mesh network Mạng lưới wireless mesh network luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

-

Họ và tên tác giả luận văn NGUYỄN ĐỨC TOÀN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

MẠNG LƯỚI WIRELESS MESH NETWORK

Chuyên ngành: Điện tử tin học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỆN TỬ TIN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN CHẤN HÙNG

Hà Nội – Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Lời cam đoan của học viên:

Tên tôi là Nguyễn Đức Toàn, cam kết luận văn tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Chấn Hùng giảng

viên Viện Điện tử viễn thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Các kết quả nêu trong luận văn tốt nghiệp là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2011

Học viên

Nguyễn Đức Toàn

LỜI NÓI ĐẦU

Trước hết, em xin được chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Bách Khoa Hà đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu trong thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Để hoàn thành đồ án này em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Chấn Hùng, giảng viên Viện Điện tử viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã chỉ bảo tận tình và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án

Trong quá trình làm do điều kiện thời gian và trình độ có hạn không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy em rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo quý báu của các thầy cô, các ý kiến đóng góp của bạn bè để em có thể kịp thời bổ sung, sửa chữa những thiếu sót của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2011

Học viên: Nguyễn Đức Toàn Lớp: Cao học Điện tử Tin học 2009

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CSMA/CA 2Carrier sense multiple access

with collision avoidance

MPR 2Multi-Point Relays

2

CSMA/CD 2Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Hiện nay mạng truy nhập băng rộng không dây đang ngày càng phổ biến trên nhiều công nghệ khác nhau như 3G, WiMax, WiFi, etc trong đó mạng WiFi có nhiều triển vọng nhất là trong các khu dân cư mật độ cao, với ưu điểm nổi trội là giá thành thấp Một trong những hướng phát triển của mạng WiFi là mạng lưới không dây hay Wireless Mesh Network có khả năng tự cấu hình động với khả năng tự hồi phục, định tuyến thông minh, etc Hệ thống mạng Wi-Fi phổ thông thường không được chọn làm phương tiện kết nối chính trong quy trình hoạt động của cơ quan hay doanh nghiệp do một số nguyên nhân về chi phí, vùng phủ sóng Lời giải cho bài toán không dây này là công nghệ mạng lưới không dây (Wireless Mesh Network)

Đối với một số nhóm ngành dịch vụ đặc biệt như giáo dục, y tế hay du lịch… việc thiết lập một hệ thống mạng hữu tuyến cho toàn bộ người dùng là hầu như không thể thực hiện được Đối tượng sử dụng của các loại hình dịch vụ này thường có yêu cầu kết nối linh động về số lượng và vị trí ở mức cao Lời giải cho bài toán này là hệ thống mạng lưới không dây Wireless Mesh Network, kết hợp công nghệ định hướng tại từng AP Việc "định hướng" có thể sử dụng an-ten phát sóng có định hướng đến người sử dụng trong từng AP và đồng thời sử dụng giao thức định tuyến trong mạng Mục đích chính của việc sử dụng giao thức định tuyến nhằm tối ưu hóa khả năng kết nối giữa AP và người sử dụng, cũng như thiết lập kết nối không dây tối ưu giữa các AP với nhau, từ đó giảm số lượng AP cần thiết và tiết kiệm chi phí cho cơ quan hay doanh nghiệp

Với các lý do nêu trên tác giả đã chọn luận văn của mình là “Mạng lưới Wireless Mesh Network” và nghiên cứu sâu về đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến OLSR

Mục đích nghiên cứu của luận văn

Tìm hiểu lý thuyết về mạng không dây

Nghiên cứu kiến trúc, các công nghệ của mạng lưới không dây Wireless Mesh Network

Tìm hiểu lý thuyết về giao thức định tuyến OLSR

Đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến OLSR thông qua mô phỏng

Các kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở để triển khai mạng WMN có hiệu quả và là cơ sở để nghiên cứu các giao thức định tuyến khác cũng như các khía cạnh khác của giao thức OLSR

Nội dung của luận văn bao gồm các phần sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng không dây

Chương 2: Wireless Mesh Network

Chương 3: Giao thức OLSR

Chương 4: Đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến OLSR

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY

1.1 Sự ra đời và phát triển của các mạng không dây

Mạng không dây được đánh dấu mốc hình thành từ những năm 1887 khi Heinrich Rudolf Hertz chứng minh được thuyết điện từ Maxwell thông qua thực nghiệm Từ đó đến nay các nhà nghiên cứu đã cho ra đời hàng loạt phát minh sáng chế góp phần đưa công nghệ mạng không dây không ngừng cải tiến vượt trội về tốc độ truyền nhận dữ liệu Những năm gần đây nền công nghiệp không dây và di động tăng trưởng mạnh mẽ cả về mặt công nghệ lẫn sự bùng nổ ngày càng nhiều các thiết bị di động, hứa hẹn một kỷ nguyên truyền thông số nở rộ

trên nền các mạng không dây và di động

1.2 Các mốc hình thành và phát triển của mạng không dây

Năm 1887: Heinrich Rudolf Hertz đã tạo ra được sóng điện từ Ông đã chứng minh được thuyết Maxwell thông qua thực nghiệm

Năm 1893: Nikola Tesla truyền thành công sóng radio

Năm 1895:

2

Guglielmo Marconi: 2Lần đầu tiên trong lịch sử 3 dấu chấm (tức chữ S trong bảng

ký tự Morse) đã được truyền qua không gian với khoảng cách 3km bằng sóng điện từ

Năm 1915: Truyền thành công sóng vô tuyến vượt Đại Tây Dương từ Arlington Virginia tới Pháp Tháp Eiffel đã được sử dụng để đặt anten thu tín hiệu

Năm 1931: Sóng FM đã được phát triển bởi Edwin H Armstrong và được sử dụng rộng rãi để truyền thông tin qua sóng vô tuyến

Năm 1982: Hội nghị CEPT đã thống nhất chọn GSM để phát triển thành 2tiêu chuẩn cho hệ thống điện thoại di động có thể được sử dụng trên khắp châu Âu Năm 11991: 1Các mạng GSM đầu tiên đã được đưa ra bởi1 1Radiolinja1 1ở1 1Phần Lan1 1với kỹ thuật bảo dưỡng cơ sở hạ tầng chung từ1 1Ericsson.1

Năm 11997: 1Chuẩn IEEE 802.11 (WiFi) đã được tạo ra, với tốc độ tối đa là 2Mb/s

Năm 21998: Công nghệ Bluetooth đầu tiên được phát triển bởi Ericsson, sau đó

được chuẩn hoá bởi Bluetooth Special Interest Group (SIG)

Năm 21999:

- Chuẩn 802.11g được phát hành với tốc độ tối đa lên tới 54 Mb/s

- Bluetooth 1.2 được công bố

CHƯƠNG 2: WIRELESS MESH NETWORK 2.1 Tổng quan về wireless mesh network

2.1.1 Giới thiệu

WLAN là một loại mạng máy tính nhưng việc kết nối giữa các thành phần trong mạng không sử dụng các loại cáp như mạng thông thường, môi trường truyền thông của các thành phần trong mạng là không khí Các thành phần trong mạng

sử dụng sóng điện từ để truyền thông với nhau

Năm 1997: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) đã phê chuẩn

sự ra đời của chuẩn 802.11, và cũng được biết với tên gọi Wi-Fi (Wireless Fidelity) cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz

Năm 1999: IEEE thông qua hai sự bổ sung cho chuẩn 802.11 là các chuẩn 802.11a và 802.11b (định nghĩa ra những phương pháp truyền tín hiệu) Những thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b đã nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội Các thiết bị WLAN 802.11b truyền phát ở tần số 2.4Ghz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tới 11Mbps IEEE 802.11b được tạo ra nhằm cung cấp những đặc điểm về tính hiệu dụng, thông lượng (throughput) và bảo mật để cạnh tranh với mạng có dây

Năm 2003, IEEE công bố thêm một sự cải tiến là chuẩn 802.11g mà có thể truyền nhận thông tin ở cả hai dãy tần 2.4Ghz và 5Ghz và có thể nâng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54Mbps Thêm vào đó, những sản phẩm áp dụng 802.11g cũng có thể tương thích ngược với các thiết bị chuẩn 802.11b Hiện nay chuẩn 802.11g đã đạt đến tốc độ 108Mbps-300Mbps

Khái niệm mạng hình lưới (Mesh Network) nói chung được sử dụng trong một số lĩnh vực của ngành công nghệ thông tin Kỹ thuật mạng hình lưới là cách thức truyền tải dữ liệu, âm thanh và câu lệnh giữa các nút xử lý, cho phép truyền thông liên tục và tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách “nhảy” từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối Mạng lưới có khả năng tự hàn gắn và tạo ra mạng có độ tin cậy cao; có thể hoạt động khi có một nút bị lỗi hoặc chất lượng kết nối mạng kém Trong lĩnh vực mạng không dây, mạng lưới được áp dụng để nới rộng phạm vi phủ sóng của mạng

không dây truyền thống Các nút trong mạng truyền thông trực tiếp với các nút khác và tham gia trong mạng lưới Nếu một nút có thể kết nối với một nút lận cận khác thì sẽ có kết nối với toàn mạng

Hình 1 Một mô hình mạng lưới không dây

WMN (Wireless Mesh Network) là mạng không dây ad-hoc kết nối với nhau bằng sóng vô tuyến mà không sử dụng điều khiển tập trung WMN có khả năng thiết lập nhanh, phủ sóng trong những khu vực khó thực hiện việc đi dây, có khả năng mở rộng và tự cấu hình để đảm bảo hiệu suất Ngoài ra WMN còn có khả năng tăng tầm phủ sóng nhờ dùng nhiều nút để chuyển tiếp dữ liệu, giảm năng lượng sử dụng nhờ truyền với năng lượng thấp và tăng tải nhờ dùng đường đi ngắn Mỗi một nút trong mạng WMN sẽ thực hiện chuyển tiếp dữ liệu cho các nút khác Việc xác định nút nào sẽ chuyển tiếp dữ liệu được xác định động dựa vào cấu trúc mạng lúc đó Mỗi nút trong mạng WMN cũng đóng vai trò của một router và việc định tuyến cho nó đóng một vai trò rất quan trọng

2.1.2 Kiến trúc mạng WMN

WMN có hai loại nút: mesh router và mesh client Ngoài khả năng định tuyến nhờ chức năng gateway/repeater như ở các router không dây thông thường, một mesh router không dây có thêm chức năng định tuyến hỗ trợ tạo mạng lưới Để cải thiện độ linh động của mạng lưới, một mesh router thường được trang bị nhiều giao diện không dây được xây dựng trên cùng công nghệ truy cập mạng không dây hoặc trên một công nghệ truy cập mạng không dây khác So với một router không dây thông thường, một mesh router không dây có thể đạt được cùng một độ bao phủ với công suất truyền thấp hơn thông qua giao tiếp đa bước nhảy Giao thức điều khiển truy nhập môi trường trong mesh router được nâng cấp với

độ ổn định hơn trong môi trường đa bước nhảy

Hình 2 Ví dụ về mesh router

Mesh client cũng phải có những chức năng cần thiết cho mạng lưới, vì vậy, có thể làm việc như một router Tuy nhiên, ở những nút này không có chức năng gateway hay bridge Thêm vào đó, mesh client thường chỉ có một giao diện không dây Vì vậy, nền phần cứng và phần mềm của mesh client đơn giản hơn nhiều so với mesh router Mesh client có nhiều thiết bị hơn mesh router Chúng

có thể là laptop/desktop PC, PDA, điện thoại IP, đầu đọc RFID, BACnet và nhiều thiết bị khác như hình 3

Ví dụ về mesh client: Laptop và điện thoại di động

Kiến trúc của WMN có thể chia thành 3 nhóm chính dựa trên chức năng của các nút:

thông thường với giao diện Ethernet có thể kết nối với mesh router theo các liên kết Ethernet Các client thông thường có cùng công nghệ sóng vô tuyến với mesh router có thể giao tiếp trực tiếp với mesh router Nếu sử dụng công nghệ sóng vô tuyến khác, client phải giao tiếp với trạm cơ sở vì trạm cơ sở có kết nối Ethernet với mesh router

Infrastructure/ Backbone WMN là loại được sử dụng phổ biến nhất Có hai loại sóng vô tuyến được sử dụng trong các router, cho giao tiếp với mạng trục chính

và cho giao tiếp với người dùng Giao tiếp trục chính mạng có thể được thiết lập

sử dụng kĩ thuật giao tiếp khoảng cách lớn bao gồm các angten định hướng

 Client WMN

Lưới client cung cấp mạng peer-to-peer giữa các thiết bị client Trong loại kiến trúc này, các nút client thiết lập mạng thực hiện các chức năng định tuyến và cấu hình cũng như cung cấp các ứng dụng cuối cho khách hàng Do đó, loại hình mạng này không cần mesh router Kiến trúc cơ bản của nó được minh họa ở hình

5

Hình 5 Client WMN

Trong client WMN, một gói tin thông qua nhiều nút để tới đích Các thiết bị trong client WMN thường sử dụng một loại sóng vô tuyến Hơn nữa, những yêu cầu với thiết bị người dùng cuối được gia tăng khi so sánh với mạng lưới hạ tầng bởi vì trong Client WMN, người dùng cuối phải thực hiện thêm chức năng như định tuyến và tự cấu hình

 Hybrid WMN

Kiến trúc này là sự kết hợp của lưới hạ tầng và lưới client được minh họa như hình 6

Hình 6 Hybrid WMNs

Mesh client có thể truy cập vào mạng thông qua các mesh router cũng như tạo lưới trực tiếp với các mesh client khác Trong khi cấu trúc hạ tầng cung cấp kết nối với các mạng khác như Internet, Wi-Fi, WiMAX, mạng tế bào, mạng cảm biến, khả năng định tuyến của các client cung cấp kết nối được cải thiện và độ bao phủ bên trong WMN

 Mạng không dây đa bước nhảy

Một mục đích để phát triển WMN là mở rộng độ bao phủ của các mạng không dây hiện tại mà không mất khả năng thu nhận kênh Một mục đích khác là cung cấp kết nối non-line-of-sight (NLOS) giữa những người sử dụng mà không cần

liên kết trực tiếp line-of-sight (LOS) Để đáp ứng những yêu cầu này, WMN bắt buộc phải là mạng đa bước nhảy vì như thế sẽ thu được lưu lượng cao hơn mà không phải lãng phí dải tần, giữa các nút ít giao thoa hơn và có thể tái sử dụng tần số được nhiều hơn

 Hỗ trợ mạng ad hoc, khả năng tự cấu hình, tự tổ chức, tự khắc phục

Hiệu năng của WMN được nâng cao vì WMN có kiến trúc linh hoạt, cấu hình và triển khai dễ dàng, kết nối lưới, … giao tiếp multipoint-to-multipoint Do những đặc trưng này, WMN cần đầu tư không nhiều và mạng có thể mở rộng khi cần thiết

 Tính di động phụ thuộc vào loại của nút

Các mesh router thường có tính di động thấp trong khi các mesh client có thể giữ nguyên vị trí hoặc di động

 Nhiều loại truy cập mạng

Các mạng WMN hỗ trợ cả truy cập của backhaul vào Internet và giao tiếp to-peer Thêm vào đó, WMN có thể giao tiếp với các mạng không dây khác và việc cung cấp dịch vụ cho người dùng cuối của những mạng này có thể được thực hiện qua WMN

peer- Sự phụ thuộc vào công suất tiêu thụ hạn chế loại nút lưới

Các mesh router thường không bị hạn chế về công suất tiêu thụ trong khi các mesh client cần những giao thức hiệu quả để tiết kiệm năng lượng

 Tính cạnh tranh và tính tương kết với các mạng không dây khác

Ví dụ, WMN xây dựng trên nền tảng công nghệ IEEE 802.11 nhưng phải có tính cạnh tranh so với chuẩn IEEE 802.11 để hỗ trợ cả những khách hàng có khả năng tạo nút lưới và những khách hàng Wi-Fi thông thường WMN cũng có thể tương tác với những mạng khác như WiMAX, Zig-Bee, và các mạng tế bào

Dựa trên những đặc điểm đó, WMN thường được xem như một loại của mạng ad hoc Trong khi WMN yêu cầu kĩ thuật mạng ad hoc, việc thêm những khả năng khác cần những thuật toán phức tạp hơn, nguyên tắc thiết kế mạng cũng phức tạp

hơn Cụ thể hơn, thay cho một loại của mạng ad hoc, WMN đa dạng hóa các khả năng của mạng ad hoc Vì vậy, mạng ad hoc thực chất có thể xem như tập con của WMN

 Wireless infrastructure/backbone

WMN bao gồm một đường truyền chính không dây với các mesh router Đường truyền không dây này cung cấp độ bao phủ, khả năng kết nối lớn và sự vững chắc trong một miền không dây Tuy nhiên, sự kết nối trong mạng phụ thuộc vào những sự kết hợp cá nhân của những người dùng cuối mà cái này thì có thể không đáng tin cậy

 Sự tích hợp

WMN hỗ trợ những client thông thường sử dụng cùng công nghệ sóng vô tuyến như hỗ trợ cho một mesh router Điều này được thực hiện thông qua chức năng host-routing có trong mesh router WMN cũng có khả năng tích hợp với nhiều mạng khác nhau như Wi-Fi, Internet, mạng cảm biến và mạng tế bào thông qua chức năng gateway/bridge trong các mesh router Vì vậy, người dùng trong một mạng có thể sử dụng các dịch vụ của các mạng khác thông qua hạ tầng mạng không dây Những mạng không dây được tích hợp qua WMN giống như trục chính Internet, vì vị trí vật lý của các nút mạng trở nên ít quan trọng hơn khả năng và mô hình mạng

 Chuyên cấu hình và định tuyến

Trong các mạng ad hoc, những thiết bị người dùng cuối có chức năng định tuyến

và cấu hình ở tất cả các nút Tuy nhiên, WMN có các mesh router cho chức năng này Vì vậy, gánh nặng lên thiết bị người dùng cuối được giảm đi đáng kể, tiêu thụ năng lượng ít hơn và những khả năng ứng dụng cuối cao để có thể di động Hơn nữa, khi những yêu cầu với thiết bị dùng cuối giảm đi, giá thành thiết bị sẽ giảm

 Nhiều sóng vô tuyến

Mesh router có thể được trang bi nhiều sóng vô tuyến để có thực hiện chức năng định tuyến và truy nhập Sóng vô tuyến được chia làm hai loại Trong khi việc định tuyến và cấu hình được thực hiện giữa các mesh router, việc truy cập vào

mạng bởi người dùng cuối có thể dùng một sóng vô tuyến khác Mặt khác, trong mạng ad hoc, những chức năng ngày được thực hiện trên cùng một kênh, và như vậy, hiệu năng sẽ giảm đi

 Khả năng di động

Các thiết bị người dùng cuối có khả năng định tuyến, khả năng kết nối phụ thuộc vào sự chuyển động của người dùng Điều này gây ra những khó khăn trong giao thức định tuyến cũng như việc cấu hình và triển khai mạng

Một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu khi thiết kế, triển khai và đưa mạng vào hoạt động là khảo sát được các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng

 Kỹ thuật vô tuyến

Tham số ảnh hưởng lớn đến hiệu suất mạng là công nghệ vô tuyến Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, công nghệ tần số vô tuyến và lý thuyết truyền thông là các yếu tố góp phần thúc đẩy công nghệ mạng không dây phát triển Có nhiều phương pháp được đề xuất để tăng dung lượng và khả năng mềm dẻo của các hệ thống vô tuyến như: anten có hướng, hệ thống MIMO Tuy nhiên, để có thể nâng cao hơn nữa hiệu suất của hệ thống không dây cần phải có sự cải tiến trong các giao thức lớp cao hơn, đặc biệt là lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) và giao thức định tuyến

số không gian rất thấp, giảm khả năng mở rộng của mạng nên kỹ thuật này cũng không phải là tối ưu Vì vậy, việc tạo ra kỹ thuật lai ghép giữa CSMA/CA với

TDMA hoặc CDMA có thể là một hướng tiếp cận mới để nâng cao tính năng của mạng

 Băng thông và chất lượng dịch vụ

Khác với các loại mạng ad-hoc khác, hầu hết các ứng dụng mạng lưới không dây là các dịch vụ băng rộng với nhiều yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) Do vậy còn có nhiều vấn đề khác cần quan tâm khi thiết kế giao thức truyền thông:

độ trễ truyền, tỉ lệ mất mát dữ liệu, băng thông tại từng nút,

 Bảo mật mạng

Qua thực tế sử dụng, công nghệ WLAN đã bộc lộ nhiều yếu điểm trong bảo mật nên bài toán bảo mật cho mạng lưới không dây vẫn chưa thực sự có lời giải thỏa đáng Có rất nhiều các kỹ thuật bảo mật được đề xuất cho WLAN, tuy nhiên chưa có cơ chế hoàn chỉnh nào được đề xuất cho mạng lưới Do kiến trúc phân tán của hệ thống nên chưa có cơ chế phân phối khóa công khai trong WMN Hầu hết các giải pháp bảo mật cho mạng ad hoc không đủ tin cậy để cài đặt do

cơ chế bảo mật của mạng khác với các mạng ad hoc Vì vậy, bảo mật mạng vẫn còn là vấn đề bỏ ngỏ, các cơ chế bảo mật như các thuật toán mật mã, phân phối khóa bảo mật, bảo mật tầng MAC, phát hiện xâm nhập và quan sát mạng cần được tiếp tục phát triển

 Tính dễ sử dụng

Giao thức cần được thiết kế sao cho đạt được tính tự trị nhiều nhất, có thể để tăng cường khả năng quản lý năng lượng, tự tổ chức, kiểm soát thay đổi cấu hình động, khắc phục các sự cố kết nối, xác thực người sử dụng nhanh Ngoài

ra, các công cụ quản lý mạng như theo dõi hiệu suất mạng, định cấu hình các tham số của WMN cũng cần được phát triển tương ứng Các công cụ này cùng với cơ chế tự trị của giao thức sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của WMN

Hơn nữa WMN còn có một sự hỗ trợ lớn từ các nhóm chuẩn như IEEE 802.11, IEEE 802.15 và IEEE 802.16

Hình 7 WMN đối với tập đoàn lớn

WMN và mạng ad hoc di động sử dụng cùng một khái niệm khóa, đó là giao tiếp giữa các nút thông qua nhiều bước nhảy trên một đồ thị mạng lưới Tuy nhiên, chúng tập trung vào các khía cạnh khác nhau Mạng ad hoc di động (Mobile ad hoc networks MANETs) mang tính chất nghiên cứu, tập trung vào các thiết bị người dùng cuối, tính di động và các khả năng tùy biến WMN mang tính chất kinh tế, chủ yếu tập trung vào các thiết bị tĩnh, hiệu năng và độ tin cậy cao, có thể triển khai thực tế

Chức năng chính của mạng ad hoc đa bước nhảy cũng như WMN là khả năng định tuyến Các giao thức định tuyến cung cấp những đường dẫn cần thiết trong một mạng lưới, vì vậy các nút có thể truyền thông trên những đường dẫn tốt, tối

ưu thông qua các bước nhảy không dây Các giao thức định tuyến phải hoạt động tốt trong môi trường sóng vô tuyến thường xuyên có sự thay đổi, hỗ trợ giao tiếp hiệu quả và tin cây trên cả mạng lưới Vì WMN có một số đặc điểm giống với MANET, các giao thức định tuyến phát triển cho MANET có thể áp dụng được

cho WMN Đôi khi, những khái niệm quan trọng của các giao thức định tuyến hiện đang được sử dụng được mở rộng để đáp ứng những yêu cầu đặc biệt của WMN, ví dụ như các chuẩn định tuyến nhận biết sóng vô tuyến trong IEEE 802.11s WLAN

Mặc dù các giao thức định tuyến trong MANET có thể sử dụng trong WMN, việc thiết kế các giao thức định tuyến cho WMN vẫn cần được tiến hành nghiên cứu

vì một số lý do sau:

- Trong hầu hết các WMN, các nút là tĩnh hoặc có độ di động rất nhỏ và không cần dựa vào pin để chạy Vì vậy, điểm trọng tâm của các thuật toán định tuyến là cải thiện thông lượng mạng hoặc hiệu năng của những sự truyền đơn lẻ thay vì cải thiện tính di động hay giảm thiểu sử dụng năng lượng

- Khoảng cách giữa các nút có thể được rút ngắn trong WMN Điều này sẽ giúp tăng chất lượng liên kết và tốc độ truyền dẫn Tuy nhiên, khoảng cách ngắn cũng tăng nhiễu giao thoa giữa các bước nhảy dẫn đến giảm băng thông trên mỗi liên kết Vì vậy, chuẩn định tuyến mới cần được nghiên cứu để cải thiện hiệu năng của các giao thức định tuyến trong mạng lưới không dây đa bước nhảy dùng nhiều sóng vô tuyến

- Trong một mạng WMN đa sóng vô tuyến/ đa kênh, giao thức định tuyến không chỉ cần chọn một đường dẫn giữa các nút khác nhau mà còn cần chọn kênh hoặc sóng vô tuyến phù hợp nhất trên đường dẫn cho mỗi nút lưới Do đó, chuẩn định tuyến cần được xem xét để tận dụng ưu điểm của việc dùng nhiều sóng vô tuyến trong một mạng lưới không dây

- Trong WMN, việc thiết kế xuyên lớp trở nên cần thiết vì sự thay đổi của một đường dẫn định tuyến liên quan tới việc chuyển kênh hoặc sóng vô tuyến trong một nút lưới đa kênh đa sóng

Phần này tập trung vào vấn đề định tuyến trong WMN, vấn đề cốt yếu liên quan đến độ tin cậy trong môi trường không dây cũng như việc cải thiện hiệu năng của

mạng

2.2.1 Các đặc trưng của routing trên WMN

WMN chuyển tiếp các gói dữ liệu thông qua nhiều bước nhảy Mỗi nút lưới hoạt động như một điểm chuyển tiếp/một thiết bị định tuyến cho các nút lưới khác WMN có thể được sử dụng trong bối cảnh thương mại với các nhà cung cấp các giải pháp WMN, nổi bật nhất là các mạng truy nhập công cộng và các mạng không dây đô thị, ở đó các access point là các nút lưới

Độ tin cậy và hiệu năng của mạng là mục đích quan trọng của WMN, đăc biệt là trong môi trường không dây Tính di động của các nút thường không được xem xét (coi như v = 0) Các nút tĩnh có thể được đặt trên các cột đèn, gắn vào các ngôi nhà, những nơi thuận tiện để nạp điện Với bối cảnh sử dụng này, các giao thức định tuyến trong MANET có thể được tối ưu để cải thiện độ tin cậy và hiệu năng mạng Chúng có thể được mở rộng để sử dụng các chuẩn định tuyến đặc biệt và thậm chí có thể đặt ở lớp 2 để truy nhập tốt hơn thông tin của lớp MAC

và lớp vât lý

Các nút lưới có thể có nhiều giao diện không dây để tăng khả năng cho mạng Nhiều giao diện sẽ hạn chế sự giảm thông lượng do việc nhận và gửi liên tiếp các gói tin trong các nút lưới với chỉ một giao diện Bên cạnh đó cũng có thể sử dụng nhiều kênh truyền Khả năng ad hoc của WMN bị hạn chế nhưng việc cài đặt đơn giản và tính linh động vẫn là một lợi thế của WMN

Hiện tại, ngày càng nhiều các thiết bị client trở thành nút lưới khiến WMN tiến dần tới lĩnh vực của mạng ad hoc di động Điều này không phải là khó hiểu vì

các khái niệm chung giữa MANET và WMN là giống nhau Chúng chỉ sử dụng những “giá trị” khác nhau cho các tham số mạng: các nút với khả năng di động từ tĩnh tới chuyển động với vận tốc v, sử dụng truyền thông không dây thông qua một hoặc nhiều giao diện trên nhiều bước nhảy, nơi các đường dẫn được xác định với việc tự tổ chức các giao thức định tuyến làm việc với các chuẩn định tuyến khác nhau

2.2.2 Khái niệm chung về định tuyến

2.2.2.1 Phân loại

Nhiệm vụ chính của các giao thức định tuyến là chọn đường dẫn giữa nút nguồn

và nút đích Điều này phải được thực hiện nhanh chóng, tin cậy và với phí tổn nhỏ nhất Đặc biệt, đó phải là đường dẫn được tính toán nếu nó tồn tại

Nhìn chung các giao thức định tuyến có thể được phân loại thành 2 loại: các giao thức định tuyến dựa trên mô hình liên kết và các giao thức định tuyến dựa trên vị trí

Hình 8 Phân loại các giao thức định tuyến

Các giao thức định tuyến dựa trên mô hình liên kết chọn đường dẫn thông qua các thông tin về cấu trúc liên kết như liên kết giữa các nút Các giao thức định tuyến dựa trên vị trí chọn đường dẫn thông qua các thông tin địa lý với các thuật toán hình học Cũng có những giao thức định tuyến kết hợp cả hai khái niệm trên

Giao thức định tuyến dựa trên mô hình liên kết được phân chia thành các giao

thức định tuyến: reactive, proactive và loại cuối cùng là kết hợp cả reactive và proactive (hybrid) Các giao thức reactive tính toán một lộ trình chỉ khi nào cần

thiết Điều này giảm phí tổn điều khiển nhưng gây ra độ trễ cho gói tin đầu tiên được gửi do mất thời gian cần thiết để thiết lập lộ trình yêu cầu Trong các giao

thức định tuyến proactive, mỗi nút đều biết một lộ trình tới tất cả các nút khác ở

mọi thời gian Vì thế sẽ không có trễ nhưng việc duy trì lâu dài các lộ trình không

được sử dụng sẽ tăng phí tổn điều khiển Các giao thức định tuyến hybrid có

gắng kết hợp ưu điểm của cả hai hình thái: proactive được sử dụng cho các nút gần hoặc các đường dẫn thường xuyên được sử dụng trong khi định tuyến

reactive được sử dụng cho các nút xa hơn hoặc cho những đường dẫn ít được sử dụng thường xuyên

Những cách khác để phân loại các giao thức định tuyến là flat và hierarchical, distance vector và link state, source routing và hop-by-hop routing, single-path

và multipath, hoặc dựa trên bối cảnh sử dụng

Nhìn chung, các mạng lưới có thể triển khai bất kì giao thức định tuyến nào từ các lớp được miêu tả ở trên Tuy nhiên, không phải mọi giao thức đều làm việc tốt Việc lựa chọn một giao thức định tuyến phù hợp phụ thuộc vào bối cảnh sử dụng và những yêu cầu về hiệu năng

2.2.2.2 Định tuyến ở lớp 2

Theo mô hình tầng OSI và mô hình TCP/IP, chức năng định tuyến được đặt ở lớp

3, lớp mạng, là lớp thường sử dụng giao thức Internet (IP) Sau này, đã có những

nỗ lực để phát triển các giao thức định tuyến cho mạng lưới ad hoc ở lớp 2 Mặc

dù điều này “xâm phạm” đến khái niệm lớp mạng hiện tại, nhưng nó mang lại một số hiệu quả nhất định: truy nhập nhanh hơn tới nhiều thông tin trạng thái của lớp 2 và lớp vật lý, chuyển tiếp nhanh hơn, cải thiện truy nhập môi trường đối với truyền thông không dây đa bước nhảy, và tính đồng vận giữa các cơ chế (sự quảng bá định kì không phải tiến hành ở cả hai tầng) Định tuyến ở lớp 2 khó thực thi hơn, những thông tin bổ sung vào kiến trúc mạng như đã biết từ địa chỉ

IP không hiện thị ở địa chỉ MAC và cũng khó hơn để làm “Internet” giữa các mạng không đồng nhất Tuy nhiên, những ưu điểm của việc truy nhập tốt hơn tới các lớp thấp hơn (tăng độ tinh cậy của mạng lưới không dây ad hoc do những phản ứng nhanh hơn và thích hợp hơn với sự thay đổi của môi trường sóng vô tuyến và của các liên kết không dây) là một động lực lớn cho các giao thức định tuyến ở lớp 2

Những khái niệm về chọn đường dẫn ở lớp 3 và lớp 2 là giống nhau Lớp 2 chỉ

sử dụng địa chỉ MAC Điều đó cũng có nghĩa là một vài cơ chế trước giờ không

được biết ở lớp 2 phải được dẫn ra: time to live (TTL), địa chỉ nguồn và địa chỉ

đích như là các điểm cuối của một đường dẫn đa bước nhảy, thiết kế máy móc từ đơn bước nhảy sang đa bước nhảy

2.2.2.3 Những yêu cầu về định tuyến trong WMN

Dựa trên hiệu năng của các giao thức định tuyến hiện có cho mạng ad-hoc và những yêu cầu đặc biệt của WMN, một giao thức định tuyến tối ưu cho WMN phải tính đến các đặc trưng dưới đây:

- Fault Tolerance: một vấn đề quan trọng trong mạng là khả năng duy trì mạng Khả năng duy trì mạng là khả năng hoạt động của mạng trong điều kiện nút hoặc liên kết bị hỏng WMN có thể đảm bảo độ chắc chắn để chống lại việc mất liên kết do tự nhiên Do đó, giao thức định tuyến cũng nên hỗ trợ việc chọn lại đường dẫn khi bị đứt kết nối

- Load Balancing: các mesh router cân bằng tải tốt vì chúng có thể chọn đường dẫn hiệu quả nhất cho dữ liệu

- Giảm phí tổn định tuyến: việc bảo toàn băng thông là bắt buộc cho sự thành

công của bất kì một mạng không dây nào Vì vậy việc giảm phí tổn định tuyến rất quan trọng đặc biệt khi nó bị gây ra bởi những lần quảng bá lại

- Sự ổn định: một mạng lưới ổn định và có thể điểu khiển hàng trăm hay hàng

nghìn nút Bởi vì hoạt động của mạng không phụ thuộc vào một điểm điều khiển trung tâm nên khi bổ sung thêm nhiều gateway sẽ rất thuận lợi Với hàng nghìn nút trong một WMN, việc hỗ trợ độ ổn định trong các giao thức định tuyến thật

sự quan trọng

- Hỗ trợ QoS: do khả năng kênh truyền bị giới hạn, ảnh hưởng của giao thoa, một

số lượng lớn người dùng và các ứng dụng tình trạng khẩn cấp thời gian thực, hỗ trợ chất lượng dịch vụ trở thành yêu cầu có tính chất quyết định trong mạng

làm việc với nhiều giao diện không dây tại một nút lưới Điều này cũng đúng cho các số đo định tuyến

2.2.3.1 Ad hoc On-demand Distance Vector Routing Protocol (AODV)

AODV là một giao thức định tuyến rất phổ biến dùng cho MANET Đó là một

giao thức định tuyến reactive Các lộ trình được thiết lập theo yêu cầu, và chỉ

những lộ trình đang hoạt động được duy trì Điều này làm giảm phí tổn định tuyến nhưng gây ra một vài độ trễ ban đầu do thiết lập lộ trình theo yêu cầu AODV được chuẩn hóa trong IETF như là RFC 3561

AODV sử dụng một cơ chế yêu cầu-đáp ứng đơn giản cho việc khám phá các lộ

trình Nó có thể sử dụng các thông điệp hello cho các thông tin kết nối và các

thông điệp lỗi khi kết nối các tín hiệu bị hỏng trên những lộ trình hoạt động Mọi

thông tin định tuyến có một timeout tương ứng với nó cũng như một số sequence Việc dùng các số sequence cho phép xác định dữ liệu quá hạn, vì vậy chỉ những

thông tin định tuyến gần đây nhất mới được sử dụng Điều này đảm bảo sự tự do cho các vòng định tuyến và chống lại các vấn đề gặp phải trong giao thức

distance vector cổ điển, như là “tính đến vô tận”

Khi một nút nguồn S muốn gửi các gói dữ liệu đến một nút đích D nhưng không

có một lộ trình tới D trong bảng định tuyến của nó, khi đó một việc khám phá lộ trình sẽ được thực hiện bởi S Các gói dữ liệu được làm vật đệm trong suốt quá trình khám phá lộ trình Hình dưới đây là một ví dụ minh họa việc khám phá lộ trình

Hình 9 Khám phá lộ trình

Nút nguồn S gửi quảng bá một yêu cầu lộ trình (RREQ) thông qua mạng Cùng

với một vài cờ, một gói tin RREQ có chứa hopcount, một nhãn RREQ, địa chỉ

đích và số sequence đích, địa chỉ người khởi đầu và số sequence người khởi đầu Trường hopcount có chứa khoảng cách tới người khởi đầu của RREQ, nút nguồn

S Đây là số bước nhảy mà RREQ đi qua RREQ ID kết hợp với địa chỉ khởi tạo xác định duy nhất một yêu cầu định tuyến Điều này được sử dụng để đảm bảo rằng một nút quảng bá lại một môt yêu cầu định tuyến chỉ khi để ngăn ngừa các cơn bão quảng bá, thậm chí khi một nút nhật được RREQ vài lần từ những nút hàng xóm của nó

Khi một nút nhận được một gói RREQ, nó xử lý như sau:

- Lộ trình tới bước nhảy trước đó kể từ khi gói tin RREQ được nhận được tạo ra hoặc được nâng cấp

- RREQ ID và địa chỉ bên khởi tạo được kiểm tra để xem RREQ này đã sẵn sàng nhận chưa Nếu rồi, gói tin bị loại bỏ

- Hopcount được gia tăng lên 1

- Lộ trình ngược lại tới điểm khởi tạo, nút S, được tạo ra hoặc được nâng cấp

- Nếu nút là nút đích được yêu cầu, nó tạo ra một đáp ứng lộ trình (route reply RREP) và gửi lại gói tin RREP cho bên khởi tạo dọc theo đường dẫn ngược được tạo ra để tới nút nguồn S

- Nếu nút không phải là đích có giá trị phù hợp với D, nó phát ra một RREP tới nguồn phụ thuộc vào cờ chỉ đích

Nếu những nút trung gian trả lời RREQ, có thể là trường hợp phía đích không nghe thấy một RREQ nào, vì vậy nó không có một lộ trình ngược tới nguồn Nếu

cờ RREP vô cớ được thiết lập trong RREQ, nút trung gian sẽ gửi một RREP tới đích Điều này sẽ thiết lập đường dẫn tới điểm khởi tạo của RREQ trong đích

- Nếu nút không tạo ra một RREP, RREQ được nâng cấp và quảng bá lại nếu TTL ≥ 1

Dựa vào sự thu nhận thông điệp RREP, một nút sẽ tạo ra hoặc nâng cấp lộ trình của nó tới đích D Hopcount được tăng lên 1 và RREP được nâng cấp sẽ được chuyển tiếp tới điểm khởi tạo của RREQ tương ứng Cuối cùng, nút nguồn S sẽ

nhận một RREP nếu tồn tại một đường dẫn tới đích Các gói dữ liệu bây giờ có thể được gửi tới đích D trên đường dẫn mới được khám phá

Thông tin kết nối được cung cấp và duy trì bằng cách định kỳ quảng bá các thông điệp giao thức định tuyến Nếu một nút không gửi một thông điệp quảng bá, một

thông điệp RREQ, nó có thể gửi một thông điệp hello Một hello thực chất là một

RREP với TTL = 1 và nút đó tự nó đã là nút đích Nếu một nút không nhận bất kì gói tin nào từ một nút hàng xóm trong một khoảng thời gian xác đinh, có thể xem như kết nối giữa nút đó với nút hàng xóm đã bị đứt

Khi việc đứt kết nối xảy ra, một nút trước khi kết nối bị đứt đầu tiên kiểm tra xem có lộ trình nào đang hoạt động sử dụng kết nối đó hay không Nếu không có

lộ trình nào sử dụng kết nối này, sẽ không có gì thay đổi Mặt khác, nếu có những đường dẫn đang hoạt động sử dụng kết nối này, nút có thể thử sửa chữa cục bộ Nó gửi đi một RREQ để thiết lập một nửa đường dẫn còn lại tới đích Việc nút thực hiện sửa chữa cục bộ là gửi các gói dữ liệu trong khi đợi bất kì một đáp ứng định tuyến nào

Nếu việc sửa chữa cục bộ thất bại hoặc không được thử, nút tạo ra một thông

điệp báo lỗi lộ trình (RERR) Nó có chứa địa chỉ và số sequence đích tương ứng

cả tất cả các đích đang hoạt động, là những nút không thể liên kết được khi hỏng kết nối Thông điệp RERR được gửi tới tất cả các hàng xóm để báo trước những đích không thể đạt được của nút này Một nút nhận một RERR sẽ làm mất hiệu lực các lối vào tương ứng trong bảng định tuyến của nó Nó bỏ đi tất cả các đích, những cái không truyền RERR khi một bước nhảy kế tiếp từ danh sách các điểm đích không thể kết nối được Nếu như cớ những báo trước cho các đích trong danh sách lược bớt này, thông điệp RERR được nâng cấp sẽ được gửi tới chúng

2.2.3.2 Dynamic Source Routing Protocol (DSR)

DSR là một trong những giao thức định tuyến tiên phong cho MANET DSR được chuẩn hóa trong nhóm IETF MANET

DSR được biết đến là một giao thức định tuyến reactive Nó tính toán đường đi

chỉ khi nào cần thiết Việc khám phá đường đi bao gồm yêu cầu lộ trình và đáp ứng lộ trình Yêu cầu lộ trình được quảng bá trong mạng không dây Tuy nhiên, thay vì thiết lập các đường dẫn ngược lại trong các bảng định tuyến của các nút,

yêu cầu lộ trình thu thập các địa chỉ của các nút trên đường dẫn tới đích Đáp ứng lộ trình gửi đường dẫn này trở lại nguồn nơi tất cả các đường dẫn được lưu trong một vùng nhớ lộ trình Đường dẫn, danh sách các địa chỉ từ nguồn tới đích,

được đặt trong header của mỗi gói tin bởi nút nguồn Mỗi nút chuyển tiếp một

gói tin nhận được tới bước nhảy tiếp theo dựa trên danh sách các địa chỉ ở

header DSR sử dụng thông điệp RERR để thông báo về việc đường đi bị đứt

2.2.3.3 Optimized Link State Routing Protocol (OLSR)

OLSR là một giao thức proactive phổ biến cho MANET Nó được phát triển tại

INRIA và được chuẩn hóa trong IETF Experimental RFC 3626

OLSR sử dụng thuật toán đường dẫn ngắn nhất cổ điển dựa trên số đo hopcount

để tính toán các lộ trình trong mạng Chi tiết về giao thức này tham khảo trong chương 3

2.2.3.4 Tiếp cận định tuyến xuyên lớp

Hiện tượng giao thoa trong các mạng không dây làm giảm hiệu năng của mạng một cách đột ngột Nhiễu giao thoa liên quan trực tiếp tới công suất truyền dẫn Công suất truyền dẫn lớn hơn đồng nghĩa với các kết nối đáng tin cậy hơn với năng lực cao hơn Mặt khác, công suất truyền dẫn lớn cũng đồng nghĩa với nhiều giao thoa hơn, vì vậy, thông lượng mạng thấp hơn Do đó, việc tạo ra một lớp định tuyến với thông tin của các lớp thấp hơn có thể giúp tìm ra các đường dẫn

có năng lực cao hơn và đáng tin cậy hơn

Một thuật toán định tuyến xuyên lớp, được gọi là chiến thuật định tuyến lưới (Mesh routing Strategy MRS), được đưa ra để tìm những đường dẫn có thông lượng cao với giao thoa đã được hạn chế và độ tin cậy được nâng cao bằng cách điều khiển tối ưu công suất truyền dẫn Khi công suất được sử dụng càng tăng, tỷ

lệ lỗi gói tin càng giảm nhưng nhiễu giao thoa lại tăng Ngược lại, khi công suất giảm, tỷ lệ lỗi gói tin sẽ tăng và nhiễu giao thoa sẽ giảm MRS nghiên cứu sự cân bằng tối ưu bằng cách thiết lập mức công suất truyền dẫn tối ưu gần đạt tới điều kiện lý tưởng MRS xử lý việc tối ưu hóa công suất cục bộ và định tuyến một cách riêng rẽ Một chiến thuật 2 bước làm việc như sau:

- Đầu tiên, thông qua giao thức khám phá hàng xóm, mỗi nút tìm ra các hàng

xóm của nó, tính toán các metric như tốc độ truyền dẫn, nhiễu giao thoa, PER và

xác định sự truyền dẫn cục bộ Sau đó, các kết nối cục bộ được thông báo

- Bất cứ khi nào một sự kiện gây ra một sự thay đổi trong các metric định tuyến

của một hoặc nhiều kết nối, việc tối ưu công suất được thực thi trên các kết nối liên quan và quá trình nâng cấp lộ trình được khởi động

- Một khi metric tốt nhất được xác định (metric có điều kiện tương đối ổn định),

kết nối được thông báo Giao thức định tuyến MRS chọn các đường dẫn tối ưu để đến được bất kì thiết bị định tuyến lưới không dây khác của mạng bằng một cách

tiếp cận vecto khoảng cách

2.2.3.5 Giao thức định tuyến dựa trên vị trí

Theo cách phân chia các thuật toán định tuyến kiểu này, các gói tin được chuyển tiếp dựa trên vị trí địa lý của nút chuyển tiếp, các nút hàng xóm của nó, và nút đích Điều này yêu cầu mỗi nút phải biết được vị trí địa lý của mình Vị trí của nút đích phải được cung cấp bởi một dịch vụ định vị Một thuật toán chuyển tiếp

đơn giản như greedy forwarding có thể được dùng để có thông tin vị trí này Gói

tin được gửi tới hàng xóm gần nhất để tới đích Tuy nhiên, thuật toán chuyển tiếp đơn giản này có thể bị sa lầy trong một vùng cục bộ và không thể tới đích mặc dù tồn tại một đường dẫn tới đích như mình họa ở hình vẽ

Hình 10 Chuyển tiếp dựa trên vị trí

Face routing thường được sử dụng như là một chiến lược dự trữ trong trường hợp này Đồ thị mạng được phân mảnh một cách logic Các mảnh này gọi là các mặt, ở đó các kết nối được xem xét không xuyên qua các mặt khác Việc phân chia mạng này có thể được làm một cách cục bộ với các thuật toán phân tán Các gói tin có thể đi ra ngoài vùng cục bộ bằng cách được chuyển tiếp xung quanh

các mặt này để tới đích Face routing được chứng minh là đạt tới đích nếu tồn tại

một đường dẫn nhưng nó có thể không phải là đường dẫn ngắn nhất do có thể là đường vòng tới các vùng cục bộ Một trong những giao thức định tuyến dựa trên

vị trí được đưa vào thực tế đầu tiên là Greedy Perimeter Stateless Routing

(GPSR) Nó kết hợp greedy forwarding với face routing

2.3 Điều khiển truy nhập môi trường trong WMN

Mạng lưới không dây là một công nghệ lý tưởng cung cấp khả năng truy nhập mạng nhanh chóng và dễ dàng WMN thường phù hợp với những dự án mở rộng vùng truy nhập mạng ở một khu rộng vực rộng lớn với giá thành thấp Bối cảnh triển khai chính bao gồm những mạng công cộng an toàn, mạng công sở và những mạng truy nhập cộng đồng Ví dụ, trong các mạng truy nhập công cộng, WMN sử dụng các thiết bị định tuyến không dây được gọi là các điểm lưới không dây (mesh point viết tắt là MP) trên các cột đèn dọc theo những con đường để tạo thành một trục chính không dây nhiều bước nhảy với hiệu năng và

sự kết nối chấp nhận được

Với mạng lưới không dây, giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC đóng một vai trò quan trọng trong việc điều phối truy nhập kênh truyền giữa các nút lưới Hầu hết các giao thức MAC truyền thống được thiết kế cho các nút có anten đẳng hướng và để chia sẻ một kênh đơn lẻ, ví dụ như Aloha, Slotted Aloha, CSMA, CSMA/CA Hai giao thức MAC được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 (giao thức MAC IEEE 802.11 và giao thức MAC nâng cao chất lượng dịch vụ QoS IEEE 802.11e) là những giao thức MAC đơn kênh được thiết kế cho các nút có anten đẳng hướng Dù cho những giao thức MAC đơn kênh có chắc chắn và dễ triển khai, WMN dựa trên các MAC thô sơ có thể phải chịu thông lượng thấp do xung đột và giao thoa gây ra bởi định tuyến nhiều bước nhảy Hậu quả tiếp theo là nghẽn mạng xảy ra thường xuyên Việc triển khai các ứng dụng băng thông rộng (ví dụ như truyền thông hình ảnh) sẽ gặp khó khăn

Để nhằm vào vấn đề thông lượng thấp trong mạng lưới nhiều bước nhảy, các giao thức MAC sử dụng những công nghệ lớp vật lý xen nhau như anten định

hướng (bao gồm anten thông minh) Ý tưởng cơ bản là để giảm khoảng giao thoa của máy phát và để tận dụng việc dùng lại phổ kênh truyền Các giải pháp hiệu quả khác với vấn đề thông lượng thấp là sử dụng nhiều kênh tại các nút lưới, cho phép truyền dẫn đồng thời trên các kênh này Trong thực tế, nhiều tiêu chuẩn lớp vật lý hiện tại cung cấp nhiều kênh tại lớp vật lý Ví dụ, chuẩn PHY IEEE 802.11b cho mạng không dây khu vực cục bộ (WLAN) cung cấp 3 kênh trực giao (kênh 1, 6 và 11) khi sử dụng ở Mĩ, trong khi IEEE 802.11a có 12 kênh không phủ nhau Những kênh trực giao có thể được dùng đồng thời với một vùng lân cận mà không xảy ra giao thoa Do đó đã có những nỗ lực để phát triển các giao thức MAC đa kênh truyền là những giao thức có thể ấn định kênh truyền hiệu quả tới các nút lưới và điều phối việc chia sẻ những kênh này.

Ngày nay, các hệ thống không dây thế hệ mới có thể cung cấp tốc độ truyền dữ liệu lên đến 1 Gbps Nhờ khả năng mở rộng vùng phủ sóng và hạ thấp công suất phát, WMN đóng một vai trò quan trọng trong việc truy nhập băng thông rộng ở khắp mọi nơi Nhìn chung, những ưu điểm của công nghệ lưới không dây có thể tóm gọn thành 4 ý chính Trước hết, công nghệ mạng lưới không dây có thể chống lại hiệu ứng màn chắn và giải quyết vấn đề mất đường dẫn để mở rộng vùng phủ sóng Thứ hai, WMN có thể được triển khai một cách nhanh chóng trong một khu vực rộng lớn trong khi hạn chế tối đa những công việc kĩ thuật triển khai lắp đặt dây cáp nên giá thành lắp đặt cơ sở hạ tầng và triển khai sẽ được giảm đi đáng kể Thứ ba, WMN đồng thời hỗ trợ nhiều công nghệ truy nhập và sóng vô tuyến như 802.16 (WiMAX), 802.11 (WiFi) và 802.15 (Bluetooth và Zigbee), vì vậy có thể tích hợp nhiều mạng truy nhập sóng vô tuyến khác nhau Thứ tư, một mạng WMN có khả năng tự cấu hình cũng như tự thích ứng Vì vậy, nếu có một vài nút bị đứt, sự lưu thông mạng có thể được tiến hành theo các nút lân cận khác Với những ưu điểm này, WMN được tin tưởng

có thể là chìa khóa cho một công nghệ mới trong các hệ thống không dây 4G

Tuy nhiên, mạng nhiều bước nhảy gặp phải một số khó khăn trong vấn để mở rộng, đặc biệt là khi tăng vùng phủ sóng hoặc tăng số lượng người dùng Vấn đề

mở rộng WMN nằm trong một thực tế là việc nâng cao thông lượng và mở rộng vùng phủ sóng là hai mục đích xung đột nhau Một mặt, truyền thông đa bước nhảy có thể mở rộng vùng phủ sóng để hạ thấp giá thành xây dựng cơ sở hạ tầng

và triển khai Mặt khác, khi số lượng các hop tăng, lưu thông mạng sẽ chiếm hết

tài nguyên sóng vô tuyến Trong lúc đó, thông lượng cũng sẽ giảm đột ngột do việc tăng xung đột từ một lượng lớn người dùng Vì vậy, duy trì thông lượng trong khi mở rộng vùng phủ sóng là một thách thức lớn và khó khăn khi thiết kế kết một WMN ổn định

Trong khuôn khổ của luận án, WMN được xem xét triển khai ở những khu vực đông dân cư như hình vẽ dưới đây:

Hình 11 Mô hình WMN triển khai ở khu vực đông dân cư

Với mô hình này, một số AP được lắp đặt dọc theo các con đường Nếu dùng dây cáp để kết nối các AP với nhau thì sẽ gặp khó khăn khi triển khai và giá thành cũng cao Do đó, phương án kết nối không dây các AP sẽ khả thi hơn Với một WMN trong hình vẽ trên, những AP lân cận nhau hình thành một cluster và được kết nối với trục chính mạng thông qua cùng một switch/router Trong mỗi cluster, chỉ access point trung tâm APR 0 R mới kết nối với trục chính mạng thông qua dây Những AP khác kết nối với các AP lân cận của nó bằng các kết nối không dây Làm như vậy, việc triển khai mạng trong khu vực thành thị sẽ dễ dàng hơn vì giảm thiểu công việc thiết kế, xây dựng dây cáp Chúng ta cũng có

thể đưa ra một mô hình WMN đa kênh ổn định theo kiểu hình tròn để có một vùng phủ sóng rộng lớn như hình vẽ dưới đây:

Hình 12 Mô hình WMN đa kênh ổn định theo kiểu hình tròn

Theo hình vẽ, gateway trung tâm và các nút lưới trong một cell hình thành một

WMN nhiều bước nhảy Mesh cell được chia thành các hình tròn với các kênh

khác nhau Trong cùng một vòng tròn, các nút lưới dùng giao thức MAC theo chuẩn IEEE 802.11 để chia sẻ môi trường sóng vô tuyến Thêm nữa, các nút lưới

ở những vòng tròn bên trong sẽ chuyển tiếp dữ liệu cho các nút ở những vòng

tròn bên ngoài để tới gateway trung tâm Với kiến trúc mesh cell này, vùng phủ

sóng có thể được mở rộng đáng kể mà giá thành lại thấp

Trên đây là những mô hình khả thi của WMN Tuy nhiên, vấn đề cơ bản cần giải quyết là với việc tăng vùng phủ sóng của WMN cần đồng thời đảm bảo thông lượng của mạng đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng dịch vụ trong mạng

2.4.1 Kiến trúc và giả định

Chúng ta xem xét một WMN cho khu vực đông dân cư, ở đó chuẩn WLAN IEEE 802.11a được dùng chủ yếu để chuyển tiếp dữ liệu giữa các AP, trong khi IEEE 802.11b/g là để truy nhập dữ liệu giữa các AP với những người dùng cuối IEEE 802.11a WLAN được ấn định với 8 kênh không phủ nhau cho những ứng dụng môi trường ngoài ở các dải từ 5.25 tới 5.35 GHz và từ 5.725 tới 5.825 GHz trong khi IEEE 802.11b/g WLAN có 3 kênh không phủ nhau trong dải phổ từ 2.4 tới 2.4835 GHz Để tránh hiện tượng giao thoa cùng kênh, việc qui hoạch tần số

được áp dụng để đảm bảo hai ô đệm giữa 2 AP cùng kênh

2.4.2 Sự sắp đặt access point tối ưu

2.4.2.1 Xác lập vấn đề

Thông lượng kết nối vô tuyến và vùng bao phủ là hai yếu tố cần thiết trong khi xem xét đặt các AP trong một WMN cho vùng đông dân Từ cái nhìn về vùng

phủ sóng, một cell lớn hơn sẽ lợi thế hơn vì cần ít AP hơn Tuy nhiên, trên quan

điểm thông lượng, một cell nhỏ sẽ tốt hơn vì nó có thể đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn trong kết nối không dây Vì vậy, cần thiết phải xác định khoảng cách tối

ưu giữa các AP để có thể hài hòa hai hai yếu tố này

Hình 13 Một cluster trong môi trường thành thị

(đây là một ví dụ về chiến lược cài đặt theo khoảng cách tăng dần, với d1 ≤ d2 ≤

… ≤ dn.)

Hình vẽ trên là một bối cảnh ở đó các AP được cài đặt trên các cột đèn Vì các

AP sẽ được triển khai đối xứng với APR0R trung tâm trong một cluster, chỉ một bên của cluster cần được xem xét Các kí hiệu trong hình vẽ trên được diễn giải như

sau:

n : số AP ở một bên của cluster;

dRiR: khoảng cách giữa APRi-1R và APRiR,

H(dRiR): thông lượng kết nối vô tuyến giữa APRi-1R và APRiR tại khoảng cách dRiR, theo đặc tả WLAN IEEE 802.11a;

rRiR: bán kính cell của APRiR;

R(rRiR): tổng tải qua lại từ tất cả người dùng tương ứng với APRiR, ở đó R(rRiR) = 2rRiRDRMRRRDR và RRDRlà tải qua lại trung bình của 1 người dùng

Rõ ràng, khoảng cách có thể viết là: dRiR = rRiR + rRi-1R, i = 1, 2, …, n

và tổng tải trong một cell nên ràng buộc bởi thông lượng bão hòa của cell đó:

thường, phí tổn ρ được xem như chi phí của một AP

Vấn đề xác định vị trí lắp đặt các AP sẽ được xem xét dưới dạng công thức như

một vấn đề MINLP với các biến: n và rR0R, rR1R,…, rRn RMục đích của hàm là cực đại

hóa tỉ số của tổng tải trên chi phí cho một cluster Phần tiếp theo của đồ án sẽ

trình bày về hai chiến lược đặt AP: chiến lược đặt AP theo khoảng cách tăng dần

và chiến lược đặt AP với khoảng cách không đổi