NGHIÊN cứu ĐÁNH GIÁ mô PHỎNG GIAO THỨC MAC hợp tác TRONG MẠNG vô TUYẾN AD HOC

Đề tài: “Nghiên cứu đánh giá mô phỏng giao thức MAC hợp tác trong mạng vô tuyến adhoc“ giúp sinh viên hiểu về mạng vô tuyến Ad-hoc, mô hình các ứng dụng và vấn đề liên quan trong mạng Ad-hoc.Đồng thời giúp SV nắm được một số giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC và đánh giá được hiệu năng mạng Ad-hoc thông qua mô phỏng giao thức CoopMac…

1 MỤC LỤC

1 MỤC LỤC 1

DANH MUC HÌNH VẼ 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

7 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 5

8 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 6

9 MỞ ĐẦU 8

10 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ AD-HOC NETWORK 10

12 CHƯƠNG II: TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 19

13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG GIAO THỨC COOPMAC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN ADHOC 43

KẾT LUẬN 54

14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MUC HÌNH VẼ

HÌNH 1.1: MÔ HÌNH MÔ TẢ KHÁI NIỆM MẠNG AD HOC 11

HÌNH 1.2 ỨNG DỤNG CHO CÁC DỊCH VỤ KHẨN CẤP KHI CÓ THIÊN TAI 12

HÌNH 1.3 ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỘI NGHỊ 13

HÌNH 1.4 ỨNG DỤNG CHO HOME NETWORKING 13

HÌNH 1.5 ỨNG DỤNG CHO MẠNG CÁ NHÂN 14

14

HÌNH 1.6 ỨNG DỤNG CHO MẠNG XE CỘ 14

HÌNH 1.7.MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15

HÌNH 2.1: MÔ HÌNH MẠNG LƯỚI TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 19

HÌNH 2.2: MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA AF TẠI LỚP VẬT LÝ (PHY) 22

HÌNH 2.3: MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA DF TẠI LỚP VẬT LÝ (PHY) 22

HÌNH 2.4: MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MÃ HÓA HỢP TÁC TẠI LỚP VẬT LÝ (PHY) 23

HÌNH 2.5: QUÁ TRÌNH TRUYỀN CÁC FRAME TRONG MÃ HÓA HỢP TÁC 23

HÌNH 2.6: SƠ ĐỒ MÃ HÓA HỢP TÁC 24

HÌNH 2.7: DCF TRONG IEEE 802.11 MAC 25

HÌNH 2.8: PCF TRONG IEEE 802.11 MAC 25

HÌNH 2.9: HIỆN TƯỢNG TRẠM ẨN 27

HÌNH 2.10: LƯỢC ĐỒ GIAO THỨC CSMA/CA CÓ ACK 27

HÌNH 2.11: HIỆN TƯỢNG TRẠM BỊ LỘ (EXPOSED TERMINAL) 28

HÌNH 2.12: CSMA/CA SỬ DỤNG RTS/CTS VÀ ACK 28

HÌNH 2.13: SƠ ĐỒ TRUYỀN CÁC BẢN TIN COOPMAC 30

HÌNH 2.14: MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ĐƠN GIẢN 31

HÌNH 2.15: CHẾ ĐỘ RTS/CTS TRONG 802.11 33

HÌNH 2.16: CHẾ ĐỘ TRUYỀN CÁC BẢN TIN TRONG COOPMAC 33

HÌNH 2.17: ĐỊNH DẠNG KHUNG COOPRTS 34

HÌNH 2.18: ĐỊNH DẠNG MAC HEADER TRONG 802.11 34

HÌNH 2.19: ĐỊNH DẠNG FRAME CONTROL TRONG 802.11 34

HÌNH 2.20: LUỒNG THÔNG TIN TRAO ĐỔI KHUNG ĐIỀU KHIỂN TRONG COOPMAC .35

HÌNH2.21: THIẾT LẬP NAV TRONG COOPMAC CÓ HELPER 36

HÌNH 2.22: THIẾT LẬP NAV TRONG COOPMAC KHÔNG CÓ HELPER 36

HÌNH 2.23: LUỒNG THÔNG TIN TRAO ĐỔI KHUNG DỮ LIỆU TRONG COOPMAC 39

HÌNH 2.24: PHƯƠNG PHÁP PHÂN VÙNG KHU VỰC 39

HÌNH 2.25: MÔ HÌNH HỢP TÁC XUYÊN LỚP 41

HÌNH 3.1: QÚA TRÌNH GỬI BẢN TIN REQ 44

HÌNH 3.2: QÚA TRÌNH GỬI BẢN TIN REPLY 45

HÌNH 3.3: QÚA TRÌNH GỬI BẢN TIN ACK 46

HÌNH 3.4: QÚA TRÌNH GỬI KẾT NỐI VÀ GỬI GÓI TIN 47

HÌNH 3.5: QÚA TRÌNH GỬI BẢN TIN ACK 48

HÌNH 3.6 KẾT QUẢ CHẠY LẦN 1 HÌNH 3.7 KẾT QUẢ CHẠY LẦN 2 49

SAU MỖI LẦN MÔ PHỎNG TA THẤY RẰNG SỰ LỰA CHỌN CÁC NÚT TRUNG GÍAN ĐỂ HỢP TÁC TRUYỀN DỮ LIỆU LÀ KHÁC NHAU SỰ LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP TRUNG GIAN ĐƯỢC TRÌNH BÀY Ở MỤC 2.1 SAU ĐÂY LÀ CÁC KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG: 49

Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

AF Amplify-and-Forward Khuếch đại-và- chuyển tiếp

BSS Basic service sets Bộ dịch vụ cơ sở

BER Bit error rate Tốc độ lỗi bit

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access

Collision Avoidance

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang phòng tránh xung độtCDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mãCSMA/CD Carrier Sense Multiple Access

Collision Detect

Đa truy nhập cảm nhận song mang phát hiện xung độtCTS Clear -To-Send Chấp nhận yêu cầu gửi tinCRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dự phòng

CC Coded cooperation Mã hóa hợp tác

CoopMAC Cooperative Media Access

Control

Giao thức MAC hợp tác

DCF Distributed Coordination

Function

Chức năng điều phối phân tán

DF Decode-and-Forward Giải mã-và-chuyển tiếp

Electronics Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

IFS Interframe Space Khoảng trống liên khungPIFS PCF InterFrame Space Khoảng trống liên khung PCF

PCF Point Coordination Function Chức năng điều phối tập trungHTS Helper-ready to send Sẵn sàng trợ giúp

ETSI European Telecommunications

Trải phổ chuỗi trực tiếp

LAN Local Area Network Mạng nội hạt

WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội hạt

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

GSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói vô tuyến tổng hợpMAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi

trườngMIMO Multiple Input – Multiple

Output

Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2

3 4 5 6

7 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG GIAO THỨC MAC HỢP

TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD-HOC.

2 Mục tiêu đề tài:

Nghiên cứu các kỹ thuật truyền thông hợp tác ứng dụng trong thông tin vô tuyến và định hướng phát triển tương lai Trong đó đề tài tập trung vào cơ chế hợp tác tại lớp MAC và

sử dụng công cụ mô phỏng Omnet++ để xây dựng mạng vô tuyến hợp tác thực nghiệm Trên

cơ sở đó đưa ra kết quả so sánh, đánh giá về phẩm chất theo tham số thông lượng và độ trễ trung bình

3 Tính mới và sáng tạo:

Đề tài thực hiện nghiên cứu giao thức mới-giao thức hợp tác lớp MAC (viết tắt là CoopMac) trong mạng vô tuyến adhoc, qua đó đánh giá phẩm chất của mạng về độ trễ

và thông lượng của mạng

4 Kết quả nghiên cứu:

- Chương trình mô phỏng máy tính đánh giá phẩm chất giao thức hợp tác lớp MAC

mạng thông tin vô tuyến, tạo cơ hội nghề nghiệp và khả năng phát triển lĩnh vực chuyên môn sâu.Đề tài cũng giúp định hướng xây dựng các giao thức ứng dụng khi triển khai áp dụng mạng ad hoc có hiệu quả và tiết kiệm năng lượng nguồn phát.

a wireless network to cooperate experiments On that basis, we compare the results and evaluate the quality and quantity according to the parameter average latency

3 New and creative contents:

Conducting research topics new protocol - layer cooperative MAC protocol (abbreviated as CoopMac) in ad hoc wireless networks, thereby assessing the quality of network latency and throughput of the network

The study MAC cooperation protocol in radio network is one of the solutions is evaluated as effective and promising for the future development of the network to ensure the required throughput and latency services The study operation of wireless networks based

on new protocols and network building models of experimental work is needed to form the basis, training tools students in Electrical Engineering Technology - Communications.Through the implementation of the subject, students will be equipped with the integrated skills of analysis, design a network system of radio communication, career opportunities and the ability to develop expertise in the field

9 MỞ ĐẦU

1 SƠ QUA TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Mạng vô tuyến ngay nay đang được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực bởi tính di động và linh hoạt Trong một số năm gần đây đã có khá nhiều giải pháp mới cho lĩnh vực này như: mạng WiFi, mạng di động 3G, WiMAX, LTE và trong tương lai là mạng 4G Giải pháp truyền thông hợp tác sẽ là một trong những kỹ thuật then chốt đóng góp cho sự cải thiện, nâng cao phẩm chất mạng vô tuyến nói chung và tạo ra các khả năng ứng dụng trong các mạng vô tuyến hiện đại như: Mạng cảm biến (WSN), mạng WiMAX, LTE và mạng 4G Hiện nay ở Việt Nam

có một số ít người đang bắt đầu nghiên cứu về lĩnh vực này tuy nhiên chưa có kết quả mới Trong khi trên thể giới đã có một số tác giả đưa ra được mô hình thực nghiệm Vì vậy, hiểu rõ vấn đề công nghệ để đi trước đón đầu, làm chủ các giải pháp kỹ thuật là yêu cầu quan trong cho

Kỹ sư Công nghệ điện tử - Truyền thông

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.

Truyền thông giữa các node mạng luôn cần thiết có một cơ chế hoạt động hiệu quả.Đặc biệt để đáp ứng được khả năng cung cấp cho nhiều loại hình dịch vụ đa dạng,yêu cầu thiết kế giao thức cần phải được tính toán cẩn thận.Giao thức MAC hợp tác là một trong những giải pháp được đánh giá là hiệu quả và có triển vọng cho sự phát triển của các mạng tương lai, đảm bảo cho yêu cầu về thông lượng và độ trễ dịch vụ.Việc nghiên cứu hoạt động của mạng hợp tác dựa trên giao thức mới và xây dựng mô hình mạng thực nghiệm là công việc cần thiết để hình thành cơ sở, công cụ đào tạo sinh viên nghành công nghệ kĩ thuật điện tử-truyền thông.Thông qua việc thực hiện đề tài, sinh viên sẽ được trang bị các kĩ năng tổng hợp về phân tích, thiết kế một hệ thống mạng thông tin vô tuyến, tạo cơ hội nghề nghiệp và khả năng phát triển lĩnh vực chuyên môn chuyên sâu

3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Phát triển tri thức khoa học:

Hiện nay, lĩnh vực viễn thông đang được toàn thế giới nghiên cứu chủ yếu là các vấn đề

về chuyển tiếp và hợp tác , điều này chứng tỏ lĩnh vực này thực sự cần thiết đáp ứng nhu cầu về giao tiếp cũng như giám sát của con người.Với những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của đề tài, các nhà quy hoạch mạng, các nhà quản lý, các nhà sản xuất thiết bị viễn

thông có thể tham khảo và ứng dụng vào thực tế Và kết quả thu được đây chính là cơ sở, nền tảng, cũng là động lực để phát triển nền tri thức khoa học tiên tiến hơn, hiện đại hơn.

- Tiếp cận giải pháp kỹ thuật mới, có khả năng ứng dụng vào thực tiễn trong tương lai gần Giải pháp kĩ thuật mới nghiên cứu trong đề tài này chính là nghiên cứu giao thức MAC hợp tác nhằm cải thiện hiệu suất mạng ad-hoc, nâng cao tốc độ truyền dẫn, giảm ảnh hưởng của nhiễu

và trễ truyền

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Phương pháp: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính

- Phạm vi nghiên cứu: Phân tích hoạt động của giao thức hợp tác lớp MAC, sử dụng công cụ Omnet++ để mô phỏng đánh giá phẩm chất của giao thức hợp tác lớp MAC so với giao thức MAC truyền thống trong mạng Ad-hoc

10 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ AD-HOC NETWORK

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Trong những thập kỉ vừa qua, hệ thống thông tin đã từng bước tăng trưởng vượt bậc, đặc biệt là lĩnh vực không dây và di động ngày càng phát triển và phổ biến rộng rãi Mọi người có thể dùng điện thoại di động để truy cập internet và kiểm tra thư điện tử Việc truy cập internet băng rộng với sự trợ giúp của hệ thống mạng LAN không dây trong nhà cho phép sự chia sẻ truy cập giữa các máy tính Tuy nhiên, các tiến bộ này đòi hỏi một cơ sở hạ tầng mạng cố định với sự quản lí tập trung gây lãng phí trong lắp đặt

và duy trì hệ thống mạng Hơn nữa các thiết bị di động như: laptop, máy tính bảng, điện thoại di động thông minh được hỗ trợ bởi giao tiếp không dây sóng ngắn cần phải có một phương thức trao đổi thông tin tiện lợi hơn.Trên cơ sở đó một phương thức truyền tin di động mới ra đời, trong đó các thiết bị di động kết nối trực tiếp với nhau hình thành nên một mạng không dây tự quản trị và tự tổ chức, gọi là mạng vô tuyến adhoc

Vì có những ưu thế vượt trội và những thách thức cần giải quyết, ngày nay mạng adhoc đã và đang được nghiên cứu triển khai thành công ở một số nước mà phổ biến là

ở Mĩ.Và mạng adhoc có xu hướng ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới bởi sự hữu ích của nó mà những hệ thống mạng phổ biến trước đây chưa đáp ứng được như: khắc phục thảm họa thiên nhiên, quốc phòng, y tế Để hiểu rõ hơn về mạng adhoc ta tiếp tục tìm hiểu các phần tiếp theo

1.2 KHÁI NIỆM

Mạng ad-hoc vô tuyến là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, được triển khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện như để tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp

Mạng adhoc không cần các cơ sở hạ tầng như tổng đài, trạm thu phát gốc hay bất

kì một trung tâm điều khiển nào.Tất cả các nút di động trong mạng được liên kêt động với nhau một cách tùy ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài.Tất cả các nút này đêu có thể hoạt động như một bộ định tuyến nhờ khả năng tìm và duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng

Hình 1.1: Mô hình mô tả khái niệm mạng Ad hoc.

Ad hoc cũng có khả năng thực hiện thay đổi về cấu hình mạng và khắc phục sự

cố của nút mạng thông qua thủ tục cấu hình lại mạng Ví dụ: Nếu nút mạng rời khỏi mạng sẽ gây ra sự cố liên kết, nút mạng bị ảnh hưởng có thể yêu cầu đường định tuyến mới và vấn đề sẽ được giải quyết Điều này sẽ gây ra trễ trên mạng, tuy nhiên với người

sử dụng Ad hoc vẫn hoạt động bình thường

Ad hoc có nhiều ưu điểm của mạng truyền thông vô tuyến thông thường, liên kết giữa các nút mạng được hình thành ngay khi chúng nằm trong khoảng truyền dẫn của nhau

1.3 ĐẶC ĐIỂM

Ad hoc thường được mô tả có cấu trúc mạng thay đổi do sự thay đổi vị trí của các nút mạng Một đăc điểm khác của các nút mạng trong mạng Ad hoc: bị giới hạn về khả năng của CPU, bộ nhớ, dung lượng pin và băng thông Khi năng lượng sử dụng bị giới hạn kéo theo giới hạn về khả năng truyền dẫn.Thiết bị truy nhập, môi trường vô tuyến cũng có các đặc điểm đặc biệt mà người thiết kế cần lưu tâm khi đưa ra các giao thức điều khiển truy nhập môi trường cho Ad hoc Ví dụ: các liên kết một chiều, nó xuất hiện trong trường hợp 2 nút mạng có công suất phát khác nhau nên có khoảng truyền dẫn khác nhau, chỉ cho phép một nút mạng nghe nút mạng kia.Liên kết một chiều chỉ có trong Ad hoc, không tồn tại trong mạng tế bào.Sử dụng phương pháp coopMac thì các nút mạng có thể tiết kiệm được năng lượng phát ra

1.4 ỨNG DỤNG

Ad hoc được ứng dụng cho hội thảo, ứng dụng trong quân sự Nó cũng được sử dụng cho trường hợp triển khai cơ sở hạ tầng mạng là khó khăn Ví dụ: khách hàng có thể chia sẻ tệp tin dữ liệu ở sân bay, sinh viên trao đổi thông tin với nhau trong tiết học… Khi máy tính di động giao tiếp thông qua giao diện mạng LAN vô tuyến, thì nhóm các máy tính đó hình thành mạng Ad hoc, khi đó máy tính có thể truy nhập Internet, tài nguyên trên mạng như máy in, máy scan

1.4.1 Dịch vụ khẩn cấp

Bất kỳ đâu khi có trường hợp khẩn cẩp xảy ra đều cần có sự kết hợp của các nhân viên cứu hộ Giải pháp thông thường là dùng thiết bị vô tuyến Tuy nhiên, khi cơ sở hạ tầng bị hỏng hoặc không còn hoạt động thì giải pháp là gì? Ad hoc chính là câu trả lời nhanh nhất và phù hợp nhất Điều này có thể không có ý nghĩa với khu vực tổn thất nhỏ, tuy nhiên với thảm họa thiên nhiên có khu vực ảnh hưởng tàn phá rộng lớn, việc liên lạc rất quan trọng nên Ad hoc trở thành giải pháp hữu ích

Hình 1.2 Ứng dụng cho các dịch vụ khẩn cấp khi có thiên tai

1.4.2 Hội nghị

Trong hội nghị, hội thảo cần trao đổi thông tin giữa các đại biểu hoặc với hội nghị khác Đây là một nhu cầu lớn trong thời đại phát triển nhanh về thông tin như hiện nay, khi mà giải pháp homenetwork chưa thật sự sẵn sàng Giải pháp hiện tại là sử dụng các mạng có sẵn cho các đại biểu tham dự tuy nhiên nó có độ trễ lớn, ví dụ giải pháp Mobile IP Và Ad hoc là giải pháp chiếm ưu thế

Hình 1.3 Ứng dụng trong các hội nghị

1.4.3 Home Networking

Rõ ràng sự hiện diện của máy tính xách tay và ứng dụng không dây làm nhu cầu về home network tăng cao.Việc sử dụng kỹ thuật của Ad hoc cho phép chúng tự cấu hình và hình thành mạng, điều này tiện lợi cho cả người không thật sự am hiểu về mạng cũng như giảm được chi phí cho xây dựng thiết kế mạng Hơn nữa, nếu ta có nhu cầu sử dụng máy tính ở công sở, trường học thì khối lượng thông tin quản lý mạng giảm xuống rõ rệt

Hình 1.4 Ứng dụng cho home networking

1.4.4 Mạng cá nhân (PAN)

Ở thời đại thông tin thì 1 người cần mang theo nhiều công cụ hỗ trợ cho công việc (điện thoại,Palm ) khi chúng được liên kết với nhau hình thành mạng cá nhân PAN thì rõ ràng mang lại nhiều tiện ích hơn cho người sử dụng PAN là mạng di động do con người không thể ngồi yên một chỗ, tuy nhiên khi kết nối với mạng PAN khác cần trợ giúp của Ad hoc

Hình 1.5 Ứng dụng cho mạng cá nhân

1.4.5 Hệ thống nhúng (embeded system)

Ngày càng có nhiều máy móc cần kết nối với những vật xung quanh kéo theo nhu cầu của Ad hoc Nó có thể là đồ chơi có khả năng kết nối mạng, tương tác được với home network để tìm kiếm dữ liệu trên internet hoặc có thể kết nối với điện thoại, có thể điều chỉnh volume của TV khi có cuộc gọi đến đáp ứng nhiều nhu cầu của người sử dụng

1.4.6 Mạng xe cộ (vehicular network)

VANET (Vehicular Ad Hoc Network) gọi là mạng xe cộ Ad hoc, là hệ thống mạng không cần cơ sở hạ tầng, được tạo thành từ các phương tiện xe cộ lưu thông trên đường Chúng được trang bị thiết bị thu phát để có thể liên lạc, chia sẻ và trao đổi thông tin với nhau giống như một nút trong mạng Ad hoc Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tình trạng kẹt xe, tai nạn giao thông, nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụ thông thường như dịch vụ đa phương tiện, Internet

Hình 1.6 Ứng dụng cho mạng xe cộ

1.4.7 Mạng cảm biến (sensor network)

Mạng cảm biến không dây là một ứng dụng điển hình của Ad hoc Hiện nay đã có những quan tâm đáng kể cho sự phát triển kiểu mạng này,chủ yếu là trong quân sự, công an, tình báo, khảo cổ học, nghiên cứu địa lý Các bộ cảm biến có thể có kích thước nhỏ nhưng khả năng truyền thông và lưu trữ tương đối tốt Trong quân sự đã dùng những máy móc hiện đại nhưng kích cỡ gần như hạt bụi nên đối phương rất khó phát hiện và phá hủy chúng

Trong lĩnh vực y tế, các bộ cảm biến cho phép giám sát liên tục thông tin tiêu chuẩn về sự sống Trong công nghệ thực phẩm, kỹ thuật nhịp cảm biến được áp dụng để giám sát chất lượng có thể giúp ngăn ngừa các sản phẩm không đạt yêu cầu nên tăng mức thỏa mãn cho khách hàng Trong nông nghiệp, các bộ cảm biến có thể giúp xác định chất lượng đất trồng và độ ẩm, chúng cũng có thể phát hiện các hợp chất khác Ngoài ra, các bộ cảm biến cũng được sử dụng rộng rãi trong thông tin thời tiết và môi trường

Hình 1.7.Mô hình mạng cảm biến không dây

1.5 NHỮNG THÁCH THỨC ĐỐI VỚI MẠNG AD HOC

1.5.1 Chi phí cho việc sử dụng tần số

Hầu hết các mạng Ad hoc thử nghiệm hiện nay đều dựa trên băng tần ISM Để ngăn ngừa nhiễu, mạng Ad hoc phải hoạt động qua một số dải phổ cụ thể nào đó, được cấp phát.Phổ tần không chỉ được cấp phát và giám sát chặt chẽ mà còn cần phải được trả phí

1.5.2 Cơ chế truy nhập

Không giống như mạng tế bào, trong mạng Ad hoc không có sự điều khiển tập trung và đồng bộ toàn cục Do đó các phương pháp đa truy nhập truyền thông như TDMA và FDMA không còn thích hợp nữa Ngoài ra, nhiều giao thức điều khiển truy nhập phương tiện MAC (Media Access Control) cũng không giải quyết được sự di động của nút mạng Do vậy, các kỹ thuật lập lịch trình và định thời để hỗ trợ QoS gặp nhiều khó khăn

Trong mạng Ad hoc, do cùng một phương tiện truyền thông được chia sẻ bởi nhiều bên tham gia nên thủ tục truy nhập đến kênh chung phải được thực hiện theo kiểu phân bố nhờ sự hỗ trợ của giao thức MAC Giao thức MAC phải tính đến truy nhập kênh trong khi đồng thời phải tránh được sự xung đột với các nút lân cận Do vậy, khi tính toán thiết kế các giao thức MAC cho mạng Ad hoc phải tính đến khả năng di chuyển, vấn đề đầu cuối ẩn và các vấn đề liên quan khác

1.5.3 Điều khiển truy nhập môi trường và chuyển tiếp gói tin

Đặc tính động của mạng Ad hoc gây ra sự thay đổi thường xuyên và khó đoán trước của topo mạng, làm tăng độ khó và độ phức tạp để có thể trao đổi tin giữa các nút

di động Nhiều giao thức và thuật toán điều khiển truy nhập môi trường (MAC-media access control) đã được đề xuất cho mạng Ad hoc, tuy nhiên mỗi giao thức lại có một hạn chế riêng Do vậy, nghiên cứu về các giao thức MAC trong Ad hoc là một vấn đề rất quan trọng

1.5.4 Hiệu quả sử dụng nguồn nuôi.

Hầu hết các giao thức trong mạng hiện nay không quan tâm đến tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi vì các máy chủ và các bộ tính tuyến thường được giả định là tĩnh và được cấp nguồn từ nguồn điện chính Tuy nhiên, các thiết bị dị động hầu hết được cấp nguồn từ nguồn nuôi độc lập.Kỹ thuật nguồn nuôi vẫn thường đi chậm hơn so với kỹ thuật vi xử lý Thời gian cấp nguồn của pin loại tốt cũng chỉ tối đa từ 2 đến 3 giờ (hiện nay đã có một số laptop có thời gian sử dụng lên đến 8h, tuy nhiên giá thành vẫn còn khá cao) Sự giới hạn thời gian hoạt động như thế nói lên tính cần thiết phải bảo tồn tốt nguồn nuôi Đặc biệt, đối với mạng Ad hoc, do các thiết bị di động phải thực hiện vai trò của cả hệ thống đầu cuối (tương tác người dùng khi thực hiện các ứng dụng người dùng) lẫn vai trò của một hệ thống trung gian (chuyển tiếp gói tin) nên sẽ tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi một cách đáng kể, đặc biệt là các nút trung gian

1.5.5 Đặc tính TCP

TCP (Transmission Control Protocol) là một giao thức cuối-cuối được thiết kế phục vụ việc điều khiển nghẽn và điều khiển luồng trong mạng TCP là một giao thức hướng liên kết nên cần có một giai đoạn thiết lập kết nối ưu tiên cho việc truyền dữ liệu Kết nối bị loại bỏ khi việc truyền dữ liệu hoàn thành Với internet hiện nay, giao thức mạng IP là phi kết nối nên cần có một giao thức truyền dẫn hướng kết nối đáng tin cậy qua một giao thức mạng không tin cậy Tuy nhiên, TCP giả sử rằng các nút trong tuyến là tĩnh nên việc điều khiển nghẽn và điều khiển luồng chỉ được thực hiện ở các nút nguồn và đích

TCP dựa vào việc đo đạc thời gian toàn trình-RTT (Round Trip Time) và mức tổn thất gói để kết luận là có nghẽn mạch xảy ra trong mạng hay không TCP không thể phân biệt được sự có mặt của tính di động và sự nghẽn mạng Các nút chuyển động trong một kết nối có thể gây tổn thất gói và làm cho RTT dài hơn Do vậy, cần có một số cải tiến để bảo đảm rằng giao thức truyền dẫn thực hiện tốt mà không ảnh hưởng đến thông lượng truyền thông cuối-cuối

1.5.6 Chất lượng dịch vụ (QoS)

Khả năng cung cấp QoS của một mạng phụ thuộc vào các đặc tính bên trong của toàn bộ các thành phần mạng, từ các liên kết truyền phát đến tầng MAC và tầng mạng Các kết nối không dây có năng lực thấp và hay thay đổi, tỉ lệ lỗi cao Các topo mạng là động và có tỷ lệ mất gói cao Các giao thức MAC dựa trên truy nhập ngẫu nhiên không hỗ trợ QoS

Các giao thức MAC QoS giải quyết vấn đề về xung đột phương tiện, hỗ trợ truyền thông unicast tin cậy, và cung cấp việc dự trữ tài nguyên cho các lưu lượng thời gian thực trong môi trường không dây phân tán Rất nhiều các giao thức MAC và các cải tiến đã được đề xuất để cung cấp việc đảm bảo QoS cho lưu lượng thời gian thực trong môi trường không dây phân tán bao gồm giao thức GAMA/PR và cơ chế xung đột BB

1.5.7 Tính an toàn và bảo mật

Môi trường vô tuyến trong mạng Ad hoc là môi trường rất dễ bị các cuộc tấn công mạo danh do đặc tính quảng bá của nó Các giao thức điều khiển truy nhập môi trường trong mạng Ad hoc cần có hỗ trợ tính năng xác thực, mã hóa để nâng cao tính an toàn, hiệu năng của mạng

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG I

Chương này đã trình bày các khái niệm tổng quan nhất về mạng Ad hoc, các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cuộc sống của mạng Ad hoc Đồng thời, đề cập đến các thách thức mà mạng Ad hoc đang phải đối mặt như topo mạng thay đổi, vấn đề tiết kiệm năng lượng của các node, lựa chọn nút chuyển tiếp giao tiếp gói tin… Xét thấy vấn đề điều khiển truy nhập trong mạng Adhoc là vấn đề rất đáng quan tâm vì nó quyết định đến hiệu năng của mạng, vấn đề đó đã đã làm định hướng cho việc nghiên cứu các chương tiếp theo

11

12 CHƯƠNG II: TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 2.1 GIỚI THIỆU VỀ TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC

Truyền thông hợp tác là thực hiện truyền dẫn một bản tin từ nguồn đến đích nhờ

sự hợp tác chuyển tiếp của một hoặc nhiều nút trung gian.Dưới đây là một ví dụ về mô hình mạng lưới truyền thông hợp tác :

Hình 2.1: Mô hình mạng lưới truyền thông hợp tác

Kỹ thuật truyền thông hợp tác cho phép những thiết bị đi động MS với một anten đơn lẻ di chuyển trong môi trường đa người dùng có thể liên lạc với nhau và cùng nhau chia sẻ những anten này để tạo ra một hệ thống truyền dẫn đa anten ảo.Mô hình này có

ưu điểm là mở rộng vùng phủ sóng, tận dụng tốt công suất phát, giảm chi phí sản xuất

và nhu cầu năng lượng Như vậy, sử dụng một anten đơn lẻ vẫn có được độ lợi phân tập giống như trong các hệ thống MIMO.Vì vậy việc sử dụng truyền dẫn hợp tác trong thông tin vô tuyến hứa hẹn khả năng sử dụng phân tập phát cho các MS

Truyền thông hợp tác là một công nghệ mới có hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng vùng phủ sóng, là một giải pháp đạt được hiệu suất truy nhập vô tuyến băng rộng

ở các băng tần số cao.Nói chung, hệ thống thông tin hợp tác hỗ trợ những ưu điểm sau như một công nghệ mạng thế hệ mới:

- Sử dụng nhiều nút relay có thể sử dụng các khe thời gian tương tự và tần số cùng một lúc, giúp tiết kiệm tài nguyên vô tuyến điện

- Sự phân tập không gian và ghép kênh không gian có thể được sử dụng giữa chuyển tiếp relay để nâng cao năng lượng hệ thống truyền tải.

- Mô hình kiến trúc mạng mềm dẻo, linh hoạt, tiết kiệm chi phí cũng như kỹ thuật xây dựng

Nhiệm vụ của hệ thống truyền thông hợp tác là nâng cao chất lượng tín hiệu truyền từ nguồn đến đích Chất lượng tín hiệu được thể hiện qua cải thiện BER từ bậc phân tập thu được từ hệ thống Vì vậy, các kỹ thuật xử lý tín hiệu cần được lựa chọn sao cho hệ thống thu được bậc phân tập này Các kỹ thuật xử lý liên quan đến truyền thông hợp tác có thể được phân loại như sau:

- Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp: Trong trường hợp có nhiều nút trung gian trong phạm vi vùng phủ sóng của nút nguồn và đích, hệ thống cần lựa chọn ra nút trung gian tốt nhất làm nút chuyển tiếp Để lựa chọn nút trung gian tốt nhất để chuyển tiếp thì

ta dựa trên tiêu chuẩn max-min, tiêu chuẩn này được trình bày như sau: Các nút trung gian k tự tính bình phương biên độ của các kênh truyền giữa nút nguồn với nút k và giữa nút k với đích rồi chọn ra giá trị nhỏ nhất.Các nút trung gian sau đó sẽ thực hiện so sánh các giá trị biên độ cực tiểu (min) này với nhau và tìm ra giá trị cực đại max Nút được lựa chọn là nút có giá trị cự tiểu (min) đạt cực đại (max)

- Kỹ thuật xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp: Sau khi đã lựa chọn được một nút trung gian làm nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp cần phải sử dụng một phương pháp xử

lý tín hiệu phù hợp sao cho chất lượng tín hiệu thu được tại nút đích là tốt nhất

- Kỹ thuật kết hợp tín hiệu tại nút đích: Tại nút đích tín hiệu nhận được từ đường trực tiếp và đường chuyển tiếp sẽ được kết hợp với nhau.Việc sử dụng phương pháp kết hợp tối ưu để đem lại độ lợi phân tập cao nhất

Sau đây ta sẽ tìm hiểu cụ thể các kỹ thuật truyền dẫn hợp tác tại các lớp của mô hình mạng vô tuyến

2.2 HỢP TÁC TẠI LỚP VẬT LÝ

Các khái niệm cơ bản của truyền dẫn hợp tác là cho phép một số thiết bị đầu cuối đơn ăng-ten có thể thực hiện như một thiết bị đầu cuối đa ăng-ten ảo Trong trường hợp với một thiết bị chuyển tiếp tín hiệu, tín hiệu ban đầu và tín hiệu dự phòng không tương quan lần lượt được truyền bởi một thiết bị đầu cuối nguồn và thiết bị đầu cuối chuyển tiếp Kế hoạch hợp tác này tiêu thụ nguồn tài nguyên nhiều hơn so với một chương trình

không hợp tác Vì vậy, vấn đề chính trong truyền thông hợp tác bao gồm cả việc tối đa hóa sự phân tập không gian và giảm thiểu tài nguyên tiêu thụ

Các phương pháp có thể được sử dụng ở lớp vật lý để khai thác sự phân tập hợp tác như: Khuếch đại-chuyển tiếp (AF), giải mã-chuyển tiếp (DF) và mã hóa hợp tác (CC)

2.2.1 Khuếch đại – chuyển tiếp

Nút chuyển tiếp có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ nút nguồn, sau đó có thể xử lý trước khi chuyển tiếp tới nút đích Phương pháp đơn giản, hiệu quả là khuếch đại và chuyển tiếp Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm thời gian tính toán, đảm bảo công suất tín hiệu được nâng lên Giả sử nút nguồn phát đi tín hiệu x s, hệ số kênh giữa nút nguồn

và nút chuyển tiếp là hs r, , tín hiệu thu được tại nút đích là y r với thành phần tạp âm trên kênh z s r, Khi đó, công suất tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp từ nút nguồn chuyển đến là:

=

+

Hình 2.2: Mô tả hoạt động của AF tại lớp vật lý (PHY).

2.2.2 Giải mã – chuyển tiếp.

Phương pháp giải mã-chuyển tiếp (DF) được đề xuất nhằm loại bỏ hiện tượng khuếch đại tạp âm tại nút chuyển tiếp của giao thức khuếch đại chuyển tiếp AF Sử dụng phương pháp này, tín hiệu thu được tại nút chuyển tiếp sẽ được giải mã để thu được ước lượng của tín hiệu phát Tín hiệu này sau đó được chuyển tiếp như minh họa ở hình 2.2

Hình 2.3: Mô tả hoạt động của DF tại lớp vật lý (PHY)

Tín hiệu giải mã tại nút chuyển tiếp có thể chính xác hoặc không chính xác tùy theo trạng thái kênh truyền giữa nút nguồn-chuyển tiếp Nếu tín hiệu giải mã được không chính xác thì việc chuyển tiếp tín hiệu sẽ không có ý nghĩa Trong trường hợp này chất lượng của hệ thống bị giới hạn bởi liên kết yếu hơn trong hai liên kết từ nút nguồn tới nút chuyển tiếp và từ nút nguồn tới nút đích Lượng tin giữa nguồn và đích sẽ

bị giới hạn bởi hai yếu tố: Lượng tin của kênh kết hợp từ nguồn tới đích và chuyển tiếp tới đích

2.2.3 Mã hóa hợp tác.

Mã hóa hợp tác là một phương pháp hợp tác được tích hợp vào mã hóa kênh Mã hóa hợp tác hoạt động bằng cách gửi các phần khác nhau của từ mã của mỗi người dùng thông qua hai đường truyền dẫn độc lập Ý tưởng cơ bản là mỗi người dùng cố gắng để truyền dữ liệu theo đường dự phòng để tăng khả năng hợp tác của mình Nếu không người sử dụng tự động trở lại chế độ không hợp tác Nếu không có bất kỳ yêu cầu thông tin phản hồi từ người sử dụng, mã thiết kế tự động quản lý tình trạng này và tăng cường hiệu quả hợp tác mã hóa

Hình 2.4: Mô tả hoạt động của mã hóa hợp tác tại lớp vật lý (PHY).

Dữ liệu của người dùng được chia thành các khối được mã hóa với mã kiểm tra dự phòng (CRC) Trong phương pháp mã hóa hợp tác, dữ liệu của mỗi người dùng được mã hóa thành một từ mã, từ mã đó được phân chia làm hai phân đoạn chứa N1 bit và N2 bit tương ứng

Hình 2.5: Quá trình truyền các frame trong mã hóa hợp tác.

Tương tự như vậy, thời gian truyền dữ liệu cho mỗi người dùng được chia làm hai phân đoạn thời gian N1 và N2 khoảng bit tương ứng Những khoảng thời gian này được gọi là frame Ở frame đầu tiên, mỗi người dùng truyền một từ mã bao gồm N1 bit Mỗi người dùng cũng cố gắng để giải mã một phần đường truyền dẫn đó Nếu quá trình này thành công (được xác định bởi mã kiểm tra CRC), trong frame thứ hai người sử dụng tính toán và truyền phân vùng mã thứ hai của mình chứa N2 bit Nếu không, người

sử dụng truyền phân vùng thứ hai của riêng họ, có chứa các N2 bit Do đó, mỗi người dùng luôn luôn truyền một tổng N = N1 + N2 bit cho mỗi khối nguồn qua hai khung frame Chúng ta xác định mức độ hợp tác là N2 / N, tỷ lệ phần trăm của tổng số bit cho mỗi khối nguồn người sử dụng truyền cho đối tác của mình

Hình 2.6: Sơ đồ mã hóa hợp tác

Nhìn chung, các phương pháp mã hóa kênh khác nhau có thể được sử dụng trong khung hợp tác mã hóa này.Ví dụ, mã tổng thể có thể là một mã khối hoặc mã xoắn, hoặc kết hợp cả hai Để đạt được hiệu quả, chúng tôi sử dụng phương pháp thực hiện đơn giản nhưng rất hiệu quả là sử dụng mã RCPC.Trong việc sử dụng mã này, các frame đầu tiên thu được bằng cách làm thủng một từ mã có độ dài N bit để có được N1 bit mã Các bit mã bổ sung truyền trong frame thứ hai được hình thành từ frame từ mã đầu tiên

Người sử dụng hoạt động độc lập trong frame thứ hai, mà không cần biết frame

từ mã đầu tiên họ đã được giải mã một cách chính xác chưa Kết quả là, có bốn trường hợp hợp tác có thể cho việc truyền frame thứ hai: cả hai người dùng sử dụng hợp tác, người dùng không hợp tác, người dùng 1 hợp tác và người dùng 2 không, và ngược lại

2.3 HỢP TÁC TẠI LỚP MAC

2.3.1 Giao thức lớp MAC trong mạng 802.11

2.3.1.1 Chức năng DCF, PCF của IEEE 802.11

Giao thức MAC của IEEE 802.11 hỗ trợ hai chức năng, chức năng điều phối phân tán (DCF) và chức năng điều phối tập trung (PCF).Các chức năng này có thể được

sử dụng để định hướng khi có một trạm muốn truy nhập tới môi trường vô tuyến

• Mỗi trạm có thể cung cấp DCF một cách riêng lẻ để định hướng khi truy nhập tới môi trường, vì vậy, làm phân tán quá trình thiết lập quyết định giữa các trạm

• Chức năng PCF được sử dụng trong suốt khoảng thời gian không xảy ra tranh chấp để thăm dò các trạm Trạm được thăm dò có thể truy nhập môi trường vô tuyến dành riêng, mà không cần phải tranh chấp

Chức năng điều phối phân tán (DCF): là một chức năng thuộc lớp MAC của

IEEE 802.11 dựa trên cơ sở hoạt động tranh chấp Trong DCF, khi kênh truyền chuyển

từ trạng thái bận sang trạng thái rỗi, trạm cung cấp DCF thực hiện các công việc sau:

(1) Đợi một khoảng thời gian IFS

(2) Nếu sau đó kênh vẫn rỗi, thì nó tiếp tục chờ một khoảng thời gian ngừng hoạt động ngẫu nhiên (backoff).

(3) Sau đó, nếu kênh cũng vẫn rỗi (idle), thì nó mới thực hiện phát khung dữ liệu

Hình 2.7: DCF trong IEEE 802.11 MAC

Chức năng điều phối tập trung (PCF): dựa trên cơ chế không tranh chấp.

Hình 2.8: PCF trong IEEE 802.11 MAC

Điểm truy cập (AP) thăm dò các trạm để gửi các khung dữ liệu của nó bằng cách

sử dụng một khung thăm dò đặc biệt với khoảng trống liên khung PCF hay PIFS Khi nhận được một tín hiệu thăm dò, máy trạm gửi khung dữ liệu của nó ngay lập tức sau khoảng thời gian chuẩn (SIFS), còn gọi là khoảng trống liên khung ngắn nhất Vì (PIFS)

và (SIFS) là ngắn hơn (DIFS-Khoảng trống liên khung DCF), nên các máy trạm đang chờ để gửi các khung với (DIFS) không thể phát, vì vậy có một khoảng thời gian không xung đột trong PCF

2.3.1.2 Hoạt động của các giao thức MAC trong mạng adhoc

back-( )

Backoff =Random ∗Slot

Trong phương trình trên, Random( ) =[0,CW], (CWmin ≤CW ≤CWmax), và

time

Slot là giá trị đặc trưng của lớp vật lý (PHY) tương ứng Back-off time là khoảng thời gian bất kỳ mà bên phát phải đợi trước khi giành quyền sử dụng đường truyền nếu phát hiện đường truyền bận Do back-of time của các máy phát là ngẫu nhiên và khác nhau nên hạn chế tối đa khả năng xảy ra xung đột trên đường truyền ngay sau khi đường truyền chuyển sang trạng thái rỗi

Nếu là lần truyền dẫn đầu tiên của gói hiện tại, CW được đặt bằng CWmin Sau mỗi một xung đột của gói này, cơ chế tránh xung đột nhân đôi CW cho đến khi nó tiến tới CWmax

Hình 2.9: Hiện tượng trạm ẩn.

* Giao thức CSMA/CA +ACK.

Giao thức CSMA/CA có sử dụng ACK đã cải tiến CSMA/CA bằng cách thêm thông báo biên nhận ACK Tiến trình của giao thức này như sau:

- Bước 1: phía nhận sẽ gửi ACK ngay sau khi nhận được khung tin mà không cần thăm dò đường truyền Khung ACK được truyền sau khoảng thời gian SIFS (SIFS<DIFS)

- Bước 2: Nếu ACK bị mất, việc truyền lại sẽ được tiến hành

Hình 2.10: Lược đồ giao thức CSMA/CA có ACK

Cơ chế báo nhận ACK được thêm vào giao thức CSMA/CA sẽ đảm bảo cho gói tin đến đích mà không có lỗi Các trạm muốn phát đều phải nghe đường truyền để gói tin vào các khe thời gian không giao nhau nên không thể xảy ra xung đột Tuy nhiên vấn

đề trạm bị lộ (Exposed terminal) thì giao thức CSMA/CA +ACK vẫn chưa giải quyết được Ví dụ giả sử trạm B đang truyền dữ liệu cho trạm A, trạm C muốn truyền dữ liệu cho trạm D nên phải lắng nghe đường truyền rỗi bằng cách chờ đợi các khoảng thời gian SIFS (trong trường hợp A, B gửi ACK) hoặc DIFS (trong trường hợp A, B gửi gói tin

dữ liệu) , thời gian chờ này là không cần thiết vì C có thể gửi cho D bất cứ lúc nào (sau các nhịp thời gian SIFS hoặc DIFS) mà không sợ xung đột Hơn nữa, tuy B và C nằm trong cùng 1cell (kênh truyền) nhưng C và D lại khác kênh nên sự lãng phí thời gian chờ đợi (độ trễ) càng trở nên trầm trọng

Hình 2.11: Hiện tượng trạm bị lộ (Exposed terminal)

*Giao thức CSMA/CA +ACK + RTS/CTS

Giao thức CSMA/CA có sử dụng bản tin biên nhận (ACK) và xác lập đường truyền bằng bản tin điều khiển RTS/CTS để “giữ chỗ” đã khắc phục được hoàn toàn nhược điểm của giao thức trước đó Tiến trình của giao thức như sau:

- Sau đó dữ liệu được truyền

- Bên nhận sẽ gửi bản tin ACK sau khoảng thời gian SIFS

Với giao thức này, RTS/CTS được sử dụng cho việc “giữ chỗ” đường truyền vì vậy xung đột chỉ gây ra với các bản tin điều khiển thường là bản tin RTS, nhưng khoảng thời gian xảy ra xung đột này rất nhỏ nên có thể chấp nhận được

Như vậy giao thức CSMA/CA + ACK + RTS/CTS là phương thức truyền thông tin thông qua việc bắt tay 4 bước truyền RTS/CTS–DATA–ACK Tuy vẫn có trễ lan truyền trong quá trình bắt tay nhưng về cơ bản giao thức này giải quyết được vấn đề xung đột trên đường truyền Vấn đề trạm ẩn và trạm bị lộ cũng được giải quyết

2.3.2 Giao thức hợp tác lớp MAC (CoopMAC)