ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT DMAC VÀ TONE-DMAC CHƯƠNG 1.1 GIỚI THIỆU Lời nói đầu Các giao thức điều khiển truy cập kênh truyền (Medium Access Control – MAC) đóng vai trò quan trọng việc xác định node chia sẻ vơi nguồn liệu tài nguyên hữu hạn cách hiệu Nguồn đích xa gói tin cần chuyển qua node khác trước tới đích Mơi trường dẫn lúc cần truy cập giao thức MAC điều khiển kênh truy cập Một thử thách hàng đầu mạng Adhoc làm để tăng hiệu cho mạng tiêu dùng lượng cho trình xử lý trao đổi gói tin Chính vậy, giao thức MAC nào, cần xét tới thông số hiệu sau:  Thông lượng độ trễ: Thông lượng tính phần trăm khung liệu truyền dẫn thành công đơn vị thời gian Trễ xác định khoảng cách thời gian điểm tới khung lớp MAC máy phát (tới lớp phát chuẩn bị chuyển đi) thời gian máy phát biết khung liệu nhận máy thu Tính cơng bằng: Để đảm bảo việc phân bổ kênh thực công  dòng liệu nút khác Đặc tính di động nút độ tin cậy kênh vô tuyến hai nhân tố chủ yếu ảnh hưởng tới công  Hiệu lượng: Hiệu lượng tính phần tiêu thụ lượng hữu ích (cho truyền dẫn khung liệu truyền thành công) tổng lượng tiêu dùng  Hỗ trợ đa phương tiện: Đây khả giao thức MAC để điều khiển lưu lượng với yêu cầu dịch vụ khác thông lượng, trễ, tỉ lệ khung liệu 1.2 Giới thiệu đề tài Trong mạng không dây Adhoc thông thường giao thức điều khiển truy cập kênh truyền (MAC) điều phối việc truy cập kênh truyền node với nhau, thơng lượng mạng bị giới hạn băng thơng kênh khai thác luc nhiều kênh giúp đạt thông lượng mạng cao cho phép node truyền đồng thời Trong đồ án nghiêm cứu chuẩn IEEE 802.11 tượng deafness trình dùng anten để truyền liệu cách giải Ý tưởng áp dụng giao thức Tone-DMAC để giải vấn đề không nghe truyền tải node với nhằm cải thiện hiệu suất mạng đáng kể thông lượng, thời gian trễ tỉ lệ gói tin truyền Phần lại đồ án phân bố tiếp tục sau: chương trình bày mạng Adhoc, tiêu chuẩn IEEE 802.11 trình bày chương 3, chương giới thiệu chi tiết giao thức DMAC TONE-DMAC Chương mô đánh giá hiệu suất giao thức DMAC TONE-MAC Kết luận báo cáo thực chương CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ MẠNG ADHOC Chương giới thiệu khái niệm, đặc điểm vấn đề tồn mạng Adhoc Đồng thời so sánh mạng Adhoc mạng di động đề cập 2.1 Mạng di động Adhoc Mạng di động Adhoc (MANET – Mobile Adhoc Network) tập hợp node tạo thành mạng tạm thời không sử dụng sở hạ tầng thiết bị hay hệ thống quản lý tập trung hình 2-1 Mạng hình thành vị trí hay thời điểm nào, miễn hai hay nhiều node liên lạc với thông qua di động trung gian, node tự đoi chuyển ngẫu nhiên mạng đảm bảo chúng kết nối với Hình 2-1: Adhoc Network [1] Multi-hop (đa hop), tính di động, kích thước mạng lớn kết hợp với không đồng thiết bị bang thông pin khiến cho việc thiết kế giao thức định tuyến đầy đủ cho mạng Adhoc thử thách không nhỏ 2.2 Sự khác mạng di động mạng Adhoc Sự khác mạng di động mạng Adhoc góc nhìn liên quan đến kiến trúc mạng, chất lượng kết nối, chế hoạt động chi phí thời gian, giá để xây dựng lắp đặt mạng thể bảng 2-1 Bảng 2-1: Sự khác mạng di động mạng Adhoc [1] Mạng di động Cơ sở hạ tầng cố định, topo mạng Mạng Adhoc Cơ sở hạ tầng mạng không cố định, không backbone cố định, trạm gốc cố định có trạm gốc, triển khai nhanh chóng Tương đối quan tâm đến môi trường, Ảnh hưởng môi trường (nhiễu, ), kết kết nối mạng ổn định Phải có kế hoạch chi tiết trước nối không ổn định Mạng Adhoc tự hình thành thích nghi trạm gốc lắp đặt Chỉ phí lắp đặt lớn Tốn nhiều thời gian thiết lập với thay đổi Chi phí hiệu Thời gian thiết lập thấp 2.3 Ứng dụng mạng Adhoc Các lĩnh vực không dây lên từ tích hợp máy tính cá nhân với công nghệ di động Internet Mạng Adhoc chủ yếu đáp ứng nhu cầu truyền thơng mang tính chất tạm thời lớp học, hội nghị, họp diễn tạm thời đặc biệt hỗ trợ cho tình thiên tai, hỏa hạn Trong trường hợp mạng Adhoc giải pháp lý tưởng hệ thống mạng sở hạ tầng bị thê liệt hay bị phá hỏng Đặc biệt mạng Adhoc ứng dụng tốt vùng sâu vùng xa Mạng Adhoc có tính hiệu cao, tiết kiệm thời gian bang thông mạng node mạng truyền trực tiếp với không cần thông qua trạm gốc 2.4 Các vấn đề mạng Adhoc  Vấn đề lượng: Hầu hết node mạng tham gia vào mạng Adhoc thiết bị di động, nguồn lượng sử dụng cho thiết bị chủ yếu pin nên trình trao đổi liệu mạng Adhoc tiêu tốn lượng đáng kể dẫn đến vấn đề tiết kiêm lượng quan tâm hàng đầu trình thiết kế giao thức MAC  Vấn đề tránh xung đột: Do mạng Adhoc khơng cần có điều khiển tập trung trạm gốc nên vấn đề truy cập phưc tạp, môi trường kết nối nhiều nút mạng di động ngẫu nhiên nên việc tru cập vào kênh truyền chung thực theo kiểu phân tán thông qua giao thức MAC Vấn đề thật đáng quan tâm giao thức vấn đề tránh xung đột  Vấn đề bảo mật: Vì chế hoạt động mạng không dây nên mạng Adhoc hư mạng không dây khác việc bảo mật khơng cao bị công lúc CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN IEEE 802.11 Trong chương giới thiệu chuẩn IEEE 802.11 cách thức hoạt động IEEE 802.11 MAC chế độ khác 3.1 Giới thiệu chung Năm 1997, tổ chức Institute of Electrical and Electronics Engineers gọi tắt IEEE giới thiệu đến chuẩn mạng không dây gọi 802.11 Tuy nhiên chuẩn 802.11 hỗ trợ tốc độ mạng tối đa Mbps với bang tần 2.4 GHz, chậm so với ngày khơng áp dụng rộng rãi thị trường Về sau nhiều chuẩn 802.11 cải tiến đời Các chuẩn 802.11 phổ biến là: b/a/g/n/ac  Chuẩn 802.11b: Hoạt động dải tần 2.4 GHz & tốc độ truyền liệu 11 Mbps, chuẩn chủ yếu dành cho ngành công nghiệp, khoa học y tế, phạm vi hoạt động 70-150m  Chuẩn 802.11a: Hoạt động dải tần từ - GHz tốc độ truyền liệu 54 Mbps, chuẩn nghiên cứu để thay cho chuẩn 802.11b Tuy có tốc độ truyền liệu cao so với 802.11b chuẩn lại có vùng phủ sóng hẹp  Chuẩn 802.11g: Hoạt động dải tần 2.4 GHz tốc độ truyền liệu 54 Mbps (hoạt động băng tần) Chuẩn chủ yếu nâng cấp lên từ chuẩn 802.11b, nhiên hoạt động cho đối tượng khoảng cách ngắn với  Chuẩn 802.11n: Được sử dụng phổ biến Với công nghệ MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), tốc độ tối đa lên đến 600 Mpbs, hoạt động hai băng tần 2,4 GHz GHz Phạm vi tín hiệu hoạt động chuẩn tốt ( từ 100 - 250m )  Chuẩn 802.11ac: Chính chuẩn IEEE Chuẩn 802.11ac sử dụng băng tần GHz với tốc độ tối đa lên đến 1730 Mbps Hình 3-2: Phạm vi chuẩn 802.11 [3] Trong tầng vật lý, chuẩn IEEE 802.11 sử dụng kỹ thuật sóng hồng ngoại (Infrared IR) hai kỹ thuật cơng nghệ sóng vơ tuyến (2.4 GHz) kỹ thuật trải phổ nhảy tầng (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) kỹ thuật trãi phổ dãy trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) 3.2 Giao thức MAC IEEE 802.11 Giao thức MAC 802.11 có chế độ hoạt động phối hợp phân phối (DCF - Distributed Coordination Function) [1] phối hợp điểm (PCF - Point Coordination Function) [1] Ở chế độ DCF sử dụng đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) [1] CSMA giao thức dựa cạnh tranh, CSMA node cảm nhận kênh truyền trước truyền gói Nếu kênh truyền truyền bận, node trì hỗn thời gian kênh truyền rỗi Các khoảng thời gian sử dụng giao thức MAC IEEE 802.11  Slot time: Khoảng thời gian time slot  SIFS (Short Inter-Frame Space): Khoảng thời gian ngắn khung, khoảng ngắn định nghĩa lớp vật lý  DIFS (Distributed Inter-Frame Space): Khoảng thời gian khung phân phối DIFS = SIFS + time slot Bảng 2-2: Khoảng cách khung IEEE 802.11 [2] Slot Time SIFS DIFS 802.11b 20 us 10 us 50 us 802.11a us 16 us 34 us 802.11g 9us;20 us 10 us 28 us; 50 us Vùng cảm nhận node phân bố hình 3-2 Hình 3-2: Phạm vi vùng truyền [2]  Transmission Range: Tại node nhận cảm nhận giải mã xác gói tin từ node gửi Phạm vi hoạt động 250 m, node mạng nằm phạm vi 250 m quy định Onehop  Carrier Sensing Range: Node mạng vùng cảm nhận gói tin từ vùng Transmission Range Phạm vi hoạt động 500 m  Carrier Sensing Zone: Nút mạng nằm vùng cảm nhận khơng giải mã xác gói tin Các nút mạng nằm phạm vi 250 500 m quy định Twohop 3.3 IEEE 802.11 MAC chế độ DCF 3.3.1 Giao thức CSMA/CA Giao thức CSMA/CA sử dụng hai loại cảm biến sóng mang Loại gọi cảm biến sóng mang vật lý thực cách lắng nghe lượng cao kênh truyền Loại thứ hai cảm biến sóng mang ảo thực cách thiết lập khoảng vector phân bố mạng (NAV - Network Allocation Vector) node nhận gói liệu khơng định địa đến Bất kỳ node có gói liệu muốn truyền, cảm nhận kênh truyền để xác định trạng thái Nếu kênh truyền rỗi sau khoảng thời gian DIFS node tiến hành backoff ngẫu nhiên Giá trị đếm backoff chọn ngẫu nhiên khoảng thời gian gọi cửa sổ tranh chấp CW Kích thước CW đóng vai trò quan trọng Nếu kích thước CW nhỏ, giá trị chọn cho thời gian backoff gần dẫn đến tăng khả xung đột Mặt khác, kích thước CW lớn gây lãng phí thời gian 3.3.2 Vấn đề đầu cuối ẩn vấn đề đầu cuối IEEE 802.11 DCF dùng phương pháp CSMA/CA liên quan đến việc cảm nhận kênh truyền vùng lân cận của phía phát Điều giúp tránh xung đột phía phát Tuy nhiên, khơng đảm bảo tránh xung đột phía thu Điều dẫn đến vấn đề gọi đầu cuối ẩn (Hidden Terminal Problem) Vấn đề gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hệ thống Hình 3-3: Vấn đề đầu cuối ẩn [3] Trong hình 3-3, ta thấy node A node B nằm phạm vi truyền nhau, tương tự node B node C Xét trường hợp node A muốn gửi liệu gửi qua node B Đầu tiên, node A kiểm tra trạng thái kênh truyền cách cảm nhận Nếu kênh truyền rỗi, node A gửi gói liệu qua node B Vì nằm ngồi phạm vi truyền node A nên node C việc node A gửi liệu sang node B Cùng lúc đó, node C có gói liệu cần gửi cho node B dẫn đến xung đột gói tin node B Ở đây, node A thiết bị đầu cuối ẩn node C ngược lại Hai gói điều khiển RTS (Request to Send) CTS (Clear to Send) đưa để khắc phục vấn đề đầu cuối ẩn RTS/CTS giúp thực việc cảm nhận sóng mang ảo Sau cảm nhận phát kênh truyền rỗi, phía phát gửi gói RTS đến phía thu Tất node nằm phạm vi truyền phía phát khơng phải phía thu định sẵn thiết lập khoảng NAV chúng theo khoảng thời gian Tương tự phía thu với CTS 80 6.0512 6.4367 6.5   Throughtput (Mbps) 5.5 4.5 4  10 dmac tonedmac 20 30 40 50 Number Node 60 70 80 Hình 6-1: Kết mơ thơng lượng thay đổi theo số node Theo hình 6-1 ta thấy thông lượng giao thức tăng tăng số node tốc độ gói tin DMAC Tone-DMAC tương tự, sử dụng truyền tải Tone trình backoff giúp cho nhiều node cạnh tranh truyền tải liệu nên thông lượng Tone-DMAC cao DMAC trường hợp 6% Bảng 6-3: Kết mô tỉ số PDR thay đổi theo số node Giao thức DMAC TONE-DMAC Tỉ số PDR (%) Tỉ số PDR (%) 10 0.9421 0.9013 20 0.8958 0.8895 30 0.6582 0.6841 40 0.5265 0.5105 50 0.4553 0.4601 60 0.4074 0.3984 70 0.3751 0.3261 80 0.3491 0.3113 Số node 100 dmac tonedmac   Packer Delivery Ratio (%) 90 80 70 60 50 40 30   10 20 30 40 50 Number Node 60 70 80 Hình 6-2: Kết mơ tỉ số PDR thay đổi theo số node Hình 6-2 cho thấy tỉ số PDR giao thức giảm tăng số node tốc độ gói tin nhiều node cạnh tranh truyền tải liệu tức vấn đề xung đột gửi gói tin tăng lên, có nghĩa số gói tin bị Drop tăng lên làm cho tỉ số PDR hai giao thưc DMAC Tone-DMAC giảm 6.2.2 Kết mơ thay đổi theo tốc độ gói tin Thông số mô DMAC Tone-DMAC với số node 50, kênh liệu, kích thước gói tin 512 byte, tốc độ gói tin thay đổi tương ứng 10 30 60 100 200 400 700 1000 Bảng 6-3: Kết mô thông lượng thay đổi theo tốc độ gói tin Giao thức DMAC TONE-DMAC Thông lượng (Mbps) Thông lượng (Mbps) 10 2.0661 2.0788 30 5.5459 5.6643 60 5.6651 5.7374 100 5.6945 5.8805 200 5.7164 6.0041 400 5.9268 6.0343 700 6.1203 6.1375 1000 6.2253 6.4318 Tốc độ gói tin 6.5   Throughtput (Mbps) 5.5 4.5 3.5 2.5 2  dmac tonedmac 100 200 300 400 500 600 PktRate (goi/giây) 700 800 900 1000 Hình 6-3: Kết mơ thơng lượng thay đổi theo tốc độ gói tin Theo hình 6-3 ta thấy thông lượng giao thức tăng tốc độ gói tin tăng lên giữ nguyên số node Khi tốc độ gói tin tăng lên số gói tin gửi nhận tăng lên có nghĩa số node truyền thành công tăng giúp cho thông lượng mạng tăng Tương tự Tone-DMAC có thơng lượng cao so với DMAC trường hợp Tone-DMAC cao DMAC 3% Bảng 6-4: Kết mô PDR thay đổi theo tốc độ gói tin Giao thức DMAC TONE-DMAC Tỉ số PDR (%) Tỉ số PDR (%) 10 0.9431 0.9953 30 0.9103 0.9864 60 0.7028 0.7564 100 0.4264 0.4724 200 0.2309 0.2443 400 0.1291 0.1326 700 0.0688 0.0684 1000 0.0441 0.0583 Tốc độ gói tin 100   dmac tonedmac 90 Packer Delivery Ratio (% ) 80 70 60 50 40 30 20 10 0  100 200 300 400 500 600 PktRate (goi/giay) 700 800 900 1000 Hình 6-4: Kết mơ tỉ số PDR thay đổi tốc độ gói tin Hình 6-4 cho thấy tỉ số PDR giao thức giảm số node giữ nguyên tốc độ gói tin tăng lên Điều có nghĩa tốc độc gói tin tăng lên số gói tin đươc truyền thành cơng đến node nhận tăng làm tỉ số PDR hai giao thức bị giảm CHƯƠNG KẾT LUẬN  Theo kết mơ hiệu suất Tone-DMAC cao DMAC sử dụng tín hiệu Tone để truyền tải thơng báo cho node lân cận  Chi phí cho phần cứng đơn giản, thấp node cần thu phát bán song công  Tốc độ truyền gói tin số lượng node mạng có ảnh hưởng lớn đến thơng lượng mạng  Thông lượng DMAC Tone-DMAC tăng tốc độ truyền gói tin số lượng node tăng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hồ Tiến, “Các Chuẩn Kết Nối Wifi Phổ Biến Trên Laptop.” FPTshop.com.vn, fptshop.com.vn/tin-tuc/danh-gia/cac-chuan-cong-nghe-ket-noi-wifi-tren-laptop-56451 Tiếng Anh [2] Subir Kumar Sarkar, T G Basavaraju, C Puttamadappa (2008 ) ” Adhoc Mobile Wireless Network” , Auerbach Publication – Taylor & Fran cis Group [3] So Jungmin and Nitin H Vaidya (2004), "Multi-channel mac for Adhoc networks: handling multi-channel hidden terminals using a single transceiver", In Proceedings of the 5th ACM symposium international on Mobile Adhoc networking and computing [4] Đặng Ngọc Minh Đức, Choong Seon Hong (2014), "H-MMAC: A Hybrid Multichannel MAC Protocol for Wireless Adhoc Networks", IEEE International Conference on Communications [5] Parekh, Shyam (2012) “IEEE 802.11 Wireless LANs Part 11.” IEEE 802.11 Wireless LANs, inst.eecs.berkeley.edu/~ee122/sp07/80211.pdf [6] IEEE 802.11 Working Group (1999), “Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications”, IEEE Std 802.11 Group Part 11 PHỤ LỤC A NodeStatus=zeros(NumberNode,11) %[1-Status-NAV | 2-CW | 3-Backoff | 4-No_Pkt to send | 5-Dest | 6-Retry | 7-Pkt_Send | 8-PktUpdate | - Drop | 10- goc | 11 goc 2]; NodeStatus(:,2) = CWmin-1 NodeStatus(:,7) = for i=1:NumberNode NodeStatus(i,5) = NumberNode-i+1% Create destination NodeStatus(i,3)=ceil(rand(1)*NodeStatus(i,2)) end for i=1:NumberNode transe = randi(8,1,1) NodeStatus(i,10) = transe if transe Pkt(node,packet_ID,time) load constant.mat interval=1e6/PktRate ArrvPkt = []; MAX_PKT = round(max(1,SimTime/interval))+1 %co bao nhieu goi packet den for i=1:NumberNode ArrvPkt(i,1,1) = round((rand(1)*interval)) for j=2:MAX_PKT ArrvPkt(i,j,1) = ArrvPkt(i,1,1) + (j-1)*interval; end end ArrvPkt(:,:,1)=sortrows(ArrvPkt(:,:,1),1); % sap xep tu nho den lon Time_line =ArrvPkt(:,1,1)' for j =2:MAX_PKT Time_line = [Time_line ArrvPkt(:,j,1)'] end ArrvPkt(:,:,2) = 0; pkt_gen = ArrvPkt; save pkt.mat ArrvPkt; save time.mat Time_line; xlswrite('pkt.xlsx',ArrvPkt(:,:,1)); pkt_gen=ArrvPkt; function pkt_update = pkt_update(time_end) load Status.mat load pkt.mat load time.mat N = size(NodeStatus,1); %co bao nhieu node n = find(Time_line >= time_end,1); %tim gia tri Timeline lon hon thoi gian pkt update finish = 0; while for src = 1:N k = NodeStatus(src,8); % k la gia tri pktupdate pkt_no = NodeStatus(src,4); while k < size(ArrvPkt,2) && ArrvPkt(src,k+1,1) ~= && ArrvPkt(src,k+1,1)