GIAO THỨC TRUY CẬP ĐA KÊNH KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG ADHOC (có code)

GIAO THỨC TRUY CẬP ĐA KÊNH
KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG CHO
MẠNG ADHOC


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................IX
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................X
CHƯƠNG 0. GIỚI THIỆU..................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC............................................................3
1.1

GIỚI THIỆU..................................................................................................................3

1.2

ỨNG DỤNG..................................................................................................................5

1.3

VẤN ĐỀ CHUNG TRONG MẠNG DI ĐỘNG ADHOC.........................................................6

CHƯƠNG 2. TIÊU CHUẨN TRONG GIAO THỨC 802.11..........................................8
2.1

TIÊU CHUẨN 802.11 DCF...........................................................................................8

2.1.1

Giới thiệu............................................................................................................8

2.1.2

Cảm nhận sóng mang 802.11............................................................................10

2.1.3

Vectơ phân bổ mạng (NAV) 802.11...................................................................11

2.1.4

Binary Exponnential Backoff (BEB).................................................................11

2.1.5

Vấn đề thiết bị đầu cuối 802.11........................................................................12

2.2

TIÊU CHUẨN 802.11 PSM.........................................................................................13

2.2.1

Giới thiệu..........................................................................................................13

2.2.2

Cơ chế thiết kiệm năng lượng...........................................................................14

2.2.3

Cơ chế tiết kiệm năng lượng bất đồng bộ.........................................................17

CHƯƠNG 3. GIAO THỨC MMAC POWER CONTROL..........................................20
3.1

GIỚI THIỆU................................................................................................................20

3.2

GIAO THỨC ĐỀ XUẤT MMAC-PC............................................................................22

3.2.1

Cửa sổ ATIM.....................................................................................................22

3.2.2

Điều khiển công suất.........................................................................................22

3.2.3

Danh sách sử dụng kênh và thông tin kênh lân cận.........................................24

3.2.4

Nguyên tắc tạo danh sách kênh ưu tiên............................................................25


3.2.5

Hoạt động của giao thức MMAC-PC...............................................................26

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.............................................................................28
4.1

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT.................................................................................................28

4.1.1

Chuẩn IEEE 802.11..........................................................................................28

4.1.2

Giao thức MMAC-PC.......................................................................................30

4.1.3

Quá trình chọn kênh tốt nhất............................................................................32

4.2

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG................................................................................................34

4.3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.................................................................................................35

4.3.1

Hệ số truyền gói tin PDR..................................................................................35

4.3.2

Thông lượng......................................................................................................38

4.3.3

Độ trễ trung bình..............................................................................................41

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN..................................................................................................44
5.1

KẾT LUẬN.................................................................................................................44

5.2

ỨNG DỤNG................................................................................................................44

5.3

HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................44

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................46
PHỤ LỤC

........................................................................................................................47


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

HÌNH 1-1: MẠNG ADHOC [1]...........................................................................................3
HÌNH 2-1: HOẠT ĐỘNG CỦA TIÊU CHUẨN DCF [2].................................................8
HÌNH 2-2: KHUNG THỜI GIAN IFS [2]..........................................................................9
HÌNH 2-3: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN [3]..........................................................................12
HÌNH 2-4: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI HIỆN [3].....................................................................13
HÌNH 2-5: CƠ CHẾ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG PSM [4].......................................15
HÌNH 2-6: THIẾT KẾ ĐÁNH THỨC NGẪU NHIÊN CỦA PSM [4].........................17
HÌNH 3-1: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN ĐA KÊNH [3]......................................................21
HÌNH 3-2: TÍNH CÔNG SUẤT TRUYỀN [5]................................................................23
HÌNH 3-3: BẢNG CUL VÀ NIL CỦA MỘT NODE [5]................................................24
HÌNH 3-4: THUẬT TOÁN TẠO DANH SÁCH PCL [5]..............................................25
HÌNH 3-5: THUẬT TOÁN CHỌN KÊNH TRUYỀN TỐT NHẤT [5].......................25
HÌNH 3-6: HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC MMAC – PC [5].................................26
HÌNH 4-1: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHUẨN IEEE 802.11...........................................28
HÌNH 4-2: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHUẨN MMAC-PC............................................30
HÌNH 4-3: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT QUÁ TRÌNH CHỌN KÊNH TỐT NHẤT........32
HÌNH 4-4: PDR KHI NODE THAY ĐỔI.........................................................................35
HÌNH 4-5: PDR 20 NODE KHI PACKET RATE THAY ĐỔI.....................................36
HÌNH 4-6: PDR 50 NODE KHI PACKET RATE THAY ĐỔI.....................................37
HÌNH 4-7: THÔNG LƯỢNG KHI NODE THAY ĐỔI.................................................38
HÌNH 4-8: THÔNG LƯỢNG 20 NODE KHI PACKET RATE THAY ĐỔI..............39
HÌNH 4-9: THÔNG LƯỢNG 50 NODE KHI PACKET RATE THAY ĐỔI..............40
HÌNH 4-10: ĐỘ TRỄ TRUNG BÌNH KHI NODE THAY ĐỔI....................................41
HÌNH 4-11: ĐỘ TRỄ 20 NODE KHI PACKET RATE THAY ĐỔI............................42


HÌNH 4-12: ĐỘ TRỄ 50 NODE KHI PACKET RATE THAY ĐỔI............................43


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

BẢNG 1-1: SO SÁNH MẠNG TẾ BÀO VÀ MẠNG ADHOC [1]..................................4
BẢNG 4-1: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG CHÍNH [5]........................................................34


Trang 1/55

CHƯƠNG 0.

GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây với sự phát triển của công nghệ mạng và nhu cầu cần
thiết trong cuộc sống, mạng di động không dây adhoc đã được quan tâm và trở
thành một hướng phát triển cho tương lai. Mạng adhoc hoạt động dựa trên sự tập
hợp các node di động không dây mà không cần bất cứ cơ sở hạ tầng thiết lập sẵn.
Sự độc lập này khiến mạng adhoc có những ứng dụng thực tiễn khi khu vực hoạt
động không có cơ sở hạ tầng. Sử dụng hiệu quả tài nguyên trong mạng là rất quan
trọng để duy trì chất lượng yêu cầu về dịch vụ và kéo dài tuổi thọ mạng. Việc sử
dụng các tài nguyên như băng thông và năng lượng phụ thuộc vào một số điều kiện
như kích thước mạng, mật độ node, và phân bố tải. Những điều kiện này không thể
kiểm soát được và thường thay đổi trong suốt quá trình hoạt động của mạng. Để sử
dụng có hiệu quả tài nguyên, các giao thức xác định hành vi của mạng nên tự động
thích ứng với những điều kiện thay đổi này. Để duy trì chất lượng hoạt động, mạng
phải được thiết để đảm bảo các tiêu chí như: tính công bằng khi truyền tải dữ liệu
cho các node tham gia trong mạng; băng thông mạng phải được sử dụng hiệu quả,
cân bằng để không bị lãng phí và hiệu suất mạng cao với thời gian trễ trong việc
truyền tải là thấp nhất có thể.
Một trong những đặc điểm của các thiết bị trong mạng không dây này là năng lượng
pin sử dụng hữu hạn, giới hạn thời gian hoạt động. Vì vậy, có nhu cầu cần thiết về
cơ chế tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời gian sử dụng của pin. Dung lượng pin hạn
chế và tài nguyên băng thông hữu hạn là những ràng buộc quan trọng nhất trong

thiết kế mạng adhoc. Vì vậy, hầu hết nghiên cứu về mạng adhoc đã tập trung vào
các thuật toán làm giảm tiêu hao năng lượng và tăng hiệu quả sử dụng băng thông.
Cũng tương tự như hệ thống mạng đơn kênh, hệ thống mạng đa kênh cũng gặp phải
bài toán về năng lượng. Cơ chế tiết kiệm năng lượng PSM dựa trên việc cấp nguồn
cho các node không dây bất cứ khi nào không có hoạt động truyền tải được sử dụng
như một trong những phương pháp giải quyết vấn đề về năng lượng này.

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 2/55

Mục đích của đề tài là nghiên cứu cách xây dựng giao thức điều khiển đa kênh với
khả năng tối ưu năng lượng sử dụng trong mạng một cách hiệu quả nhất, từ đó tăng
thời gian hoạt động của các thiết bị trong mạng. Kết hợp giao thức MAC đa kênh và
cơ chế tiết kiệm năng lượng PSM để cải thiện hiệu suất cho mạng: tăng tổng thông
lượng ra, giảm thiểu độ trễ trung bình và tăng hệ số truyền thành công.
Đồ án được phân bố thành 5 chương:






Chương 1: Tổng quan về mạng adhoc.
Chương 2: Giới thiệu về tiêu chuẩn trong giao thức của 802.11.
Chương 3: Giao thức MMAC – Power Control.
Chương 4: Kết quả mô phỏng.
Chương 5: Kết luận.

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC

1.1 Giới thiệu

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 3/55

Mạng adhoc là một tập hợp các node di động không dây (hoặc bộ định tuyến) thành
lập một mạng lưới tạm thời mà không cần sử dụng bất kỳ cơ sở hạ tầng mạng hiện
có nào hoặc quản lý tập trung. Các bộ định tuyến được tự do di chuyển ngẫu nhiên
và tự tổ chức tùy ý; do đó, cấu trúc không dây của mạng có thể thay đổi nhanh
chóng và không thể đoán trước. Một mạng lưới như vậy có thể hoạt động độc lập
hoặc có thể được kết nối với internet như Hình 1-1. Multihop, tính di động, kích
thước mạng lớn kết hợp với sự không đồng nhất của thiết bị, băng thông và các hạn
chế về năng lượng làm cho việc thiết kế các giao thức định tuyến phù hợp là một
thách thức lớn. Một số hình thức giao thức định tuyến nói chung cần thiết trong
những kênh truyền như vậy, bởi vì hai máy chủ muốn trao đổi gói dữ liệu có thể
không giao tiếp trực tiếp được với nhau.

Hình 1-1: Mạng adhoc [1]

Mạng adhoc là một yếu tố quan trọng trong quá trình phát triển của truyền thông
không dây. Một mạng tự tổ chức của các thiết bị di động được sử dụng trong các
trường hợp như cứu trợ thiên tai, hội thảo và các vùng chiến trường. Các mạng này
kế thừa các vấn đề truyền thống của truyền thông không dây và di động, chẳng hạn

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 4/55

như tối ưu hóa băng thông, điều khiển công suất, nâng cao sự truyền dẫn và chất
lượng. Ngoài ra, bản chất tự nhiên multihop và sự thiếu hụt của một cơ sở hạ tầng
cố định đưa ra các vấn đề nghiên cứu mới như cấu hình mạng, khám phá thiết bị và
bảo trì liên kết cấu trúc mạng, cũng như địa chỉ adhoc và tự định tuyến. Sự khác
nhau giữa mạng tế bào và mạng adhoc được thể hiện qua Bảng 1-1.
Bảng 1-1: So sánh mạng tế bào và mạng adhoc [1]

Mạng tế bào

Mạng không dây adhoc

Mạng cần cơ sở hạ tầng

Mạng không cần cơ sở hạ tầng

Cố định, vùng phủ sóng và trạm gốc
định sẵn

Không cần trạm gốc, trển khai nhanh chóng

Kênh truyền tương đối ổn định và Kênh truyền khó khăn (nhiễu, suy hao) và
kết nối ổn định

kết nối không ổn định

Được kế hoạch chi tiết trước khi Mạng tự động thiết lập và tương thích với
trạm gốc được lắp đặt

thay đổi

Chi phí thiết lập cao

Hiệu quả về chi phí

Thời gian lắp đặt lớn

Thời gian lắp đặt thấp hơn

Cấu hình mạng chính tĩnh

Cấu hình mạng linh động cao với multihop

1.2 Ứng dụng
Mạng di động adhoc MANET là một hệ thống truyền thông tự định cấu hình sử
dụng các node như nguồn truyền mà còn như bộ định tuyến. Các node trong
MANET thường là các thiết bị chạy bằng pin với phạm vi hoạt động hạn chế, sử
dụng sóng vô tuyến bán song công để truyền thông. MANET dễ dàng được thiết lập

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 5/55

và sử dụng vì hoạt động của nó không phụ thuộc vào bất kỳ cơ sở hạ tầng cố định.
Có nhiều ứng dụng thực tiễn có thể có lợi từ MANET như:

 Chiến thuật quân sự: Một mạng lưới truyền thông dựa trên một một số cơ sở
hạ tầng nhất định không được mong muốn cho các hoạt động chiến thuật
quân sự, vì nó tạo thành một điểm yếu trong kênh truyền nguy hiểm. Loại bỏ
sự cần thiết cho cơ sở hạ tầng cố định gây khó khăn/không thể thiết lập làm
cho MANET ứng cử viên hoàn hảo cho các hoạt động như vậy.
 Tìm kiếm và cứu hộ: Thông thường, các nhiệm vụ tìm kiếm và cứu hộ được
thực hiện ở các địa điểm hẻo lánh và không có cơ sở hạ tầng truyền thông,
chẳng hạn như trên núi, giữa rừng hoặc trong hang động. MANET dễ sử
dụng các hệ thống truyền thông cho các tình huống như vậy.
 Giảm nhẹ thiên tai: MANET cung cấp truyền thông trong kênh truyền nơi cơ
sở hạ tầng hiện có bị phá hủy hoặc không thể hoạt động.
 Thực thi pháp luật: Các hoạt động thực thi pháp luật có thể được mở rộng
bao gồm địa điểm không có cơ sở hạ tầng truyền thông. Hệ thống MANET
cung cấp truyền thông nhanh và an toàn trong những tình huống như vậy.
 Sử dụng cho thương mại: MANET có thể được sử dụng để hỗ trợ trao đổi dữ
liệu giữa con người và ứng dụng trong các cuộc họp lớn và các công ước.
1.3 Vấn đề chung trong mạng di động adhoc
Trong mạng adhoc di động, tất cả các node đều hợp tác với nhau để chuyển tiếp các
gói tin trong mạng và vì vậy mỗi node là một bộ định tuyến hiệu quả. Do đó một
trong những vấn đề quan trọng nhất là định tuyến trong mạng adhoc. Một số vấn đề
khác trong mạng adhoc:
 Mạng phân phối: Một MANET có thể được coi là một mạng không dây phân
phối mà không có bất kỳ cơ sở hạ tầng cố định. Phân phối có nghĩa là không
có máy chủ tập trung để duy trì trạng thái của các máy khách, tương tự như
mạng ngang hàng (P2P).

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 6/55

 Cấu trúc mạng động: Các node là di động và do đó mạng tự tổ chức. Cấu trúc
mạng luôn thay đổi theo thời gian. Vì vậy các giao thức định tuyến được
thiết kế cho các mạng như vậy cũng phải thích nghi với những thay đổi trong
cấu trúc.
 Nhận thức về năng lượng: Vì các node trong mạng adhoc thường hoạt động
trên pin và được triển khai trong các địa hình nguy hiểm, chúng có các yêu
cầu về năng lượng nghiêm ngặt. Điều này cho thấy rằng các giao thức thiết
kế bên dưới phải tiết kiệm pin hay nhận thức về điện năng.
 Sơ đồ địa chỉ: Cấu trúc mạng luôn thay đổi năng động và do đó sơ đồ địa chỉ
sử dụng khá quan trọng. Một cấu trúc mạng động bao gồm một sơ đồ địa chỉ
phổ biến, tránh bất kỳ địa chỉ trùng lặp nào. IP di động hiện đang được sử
dụng trong các mạng di động, nơi một trạm gốc xử lý tất cả các địa chỉ node.
Tuy nhiên, một thiết kế như vậy không áp dụng cho các mạng adhoc do tính
chất phân cấp.
 Quy mô mạng: Các ứng dụng thương mại của các mạng adhoc như chia sẻ
dữ liệu trong hội trường, hội họp là một tính năng hấp dẫn của mạng adhoc.
Tuy nhiên, sự chậm trễ liên quan đến các giao thức bên dưới đặt một ràng
buộc chặt chẽ trên kích thước của mạng.
 Bảo mật: Bảo mật trong một mạng adhoc có tầm quan trọng hàng đầu trong
các trường hợp triển khai như chiến trường. Ba mục đích của an ninh là bảo
mật, toàn vẹn và tính xác thực rất khó đạt được vì mỗi node trong mạng đều
tham gia bình đẳng trong mạng.

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 7/55

CHƯƠNG 2.

TIÊU CHUẨN TRONG GIAO THỨC 802.11

2.1 Tiêu chuẩn 802.11 DCF
2.1.1 Giới thiệu
Chuẩn 802.11 DCF là một giao thức sử dụng cảm biến sóng mang cùng với bắt tay
bốn chiều để tối đa hóa công suất trong khi ngăn ngừa xung đột gói tin. Sự xung đột
gói tin được định nghĩa là bất kỳ trường hợp nào mà một node nhận được nhiều gói
cùng một lúc, dẫn đến không nhận gói tin chính xác. Hoạt động của DCF được thể
hiện qua Hình 2-1.

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 8/55

Hình 2-2: Hoạt động của tiêu chuẩn DCF [2]

Giả sử rằng một node có dữ liệu cần truyền. Đầu tiên nó sẽ chờ một khoảng thời
gian chờ ngẫu nhiên. Đây là số lượng khe thời gian ngẫu nhiên nằm trong cửa sổ
tranh chấp. Nếu tại bất kỳ thời điểm nào node cảm nhận được một node khác đang
sử dụng kênh, nó sẽ tạm dừng bộ đếm thời gian của nó cho đến khi node khác hoàn
thành việc truyền tải. Khi thời gian chờ đã hết, node sẽ cảm nhận kênh để xác định
xem có node khác đang truyền hay không. Nếu kênh trống, nó sẽ chờ một thời gian
ngắn và cảm nhận lại kênh. Nếu kênh vẫn còn trống, nó sẽ truyền tải một yêu cầu
gửi RTS đến node đích. Điểm đến sẽ trả lời bằng cách gửi xác nhận trống để gửi
CTS nếu nó có để nhận dữ liệu (nghĩa là nếu không nhận dữ liệu từ node khác).
DCF sử dụng cơ chế CSMA/CA cho truy cập kênh với thời gian chờ nhị phân số mũ
BEB để giải quyết vấn đề xung đột.

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 9/55

Hình 2-2: Khung thời gian IFS [2]

Trong DCF, sau khi một khung được truyền bởi một node, cần một khỏng thời gian
chờ trước khi các node khác có thể truyền các khung khác. Khoảng thời gian này
được gọi là Interframe Space (IFS) được biểu diễn như Hình 2-2. IFS được chia làm
năm loại tùy theo mục đích:
 Short Interframe Space (SIFS): Khung điều khiển là khung được ưu tiên nhất
trong DCF. SIFS được sử dụng cho truyền tải khung ưu tiên cao nhất, sau
khoảng thời gian SIFS việc truyền khung bắt đầu.
 PCF Interframe Space (PIFS): được sử dụng trong hoạt động không tranh
chấp. Các node bắt đầu truyền khung sau khoảng thời gian PIFS.
 DCF Interframe Space (DIFS): Một node bắt đầu truyền khung dữ liệu nếu
kênh rỗi với thời gian nhiều hơn DIFS. Đây là thời gian nhỏ nhất trong dịch
vụ dựa trên tranh chấp.
 Extended Interframe Space (EIFS): Có kích thước không cố định và được sử
dụng khi có lỗi trong truyền khung.
Chuẩn 802.11 DCF tối đa hoá thông lượng trong khi ngăn ngừa xung đột gói tin.
Khi node nguồn nhận được CTS, nó sẽ truyền dữ liệu của nó. Cùng với RTS và

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 10/55

CTS, một vectơ phân bổ mạng NAV cũng được truyền đi. Sau khi nhận được đúng

dữ liệu, node đích sẽ gửi một xác nhận ACK cho node gửi. Tại thời điểm này, nếu
node gửi có nhiều dữ liệu khác để truyền tải, nó sẽ bắt đầu lại việc chờ và lặp lại
quá trình. Trước khi truyền tải, mỗi node kiểm tra xem kênh truyền có rỗi. Nếu kênh
truyền không rỗi, các node trì hoãn với nhau và sử dụng thuật toán BEB để tránh
xung đột.
Có hai quy tắc cơ bản áp dụng cho tất cả các truyền tải bằng DCF:
1. Nếu kênh truyền rỗi lâu hơn DIFS, việc truyền có thể bắt đầu ngay lập tức.
Cảm nhận sóng mang được thực hiện bằng cách sử dụng cả phương pháp
phụ thuộc môi trường vật lý và phương pháp ảo (NAV).
a. Nếu khung trước đã được nhận mà không có lỗi, kênh truyền phải
trống cho tối thiểu DIFS.
b. Nếu sự truyền tải trước có lỗi, kênh truyền phải trống với EIFS.
2. Nếu kênh truyền bận, các node phải chờ cho kênh rỗi. 802.11 đề cập đến sự
chờ này là sự trì hoãn truy cập. Nếu truy cập bị hoãn, node đợi cho kênh rỗi
cho DIFS và chuẩn bị thủ tục BEB.
2.1.2 Cảm nhận sóng mang 802.11
Trong 802.11, cảm nhận sóng mang là phương pháp chính được sử dụng để tránh
xung đột. Việc nhận biết sóng mang được thực hiện đơn giản bằng cách đo năng
lượng thu được trên kênh. Nếu năng lượng đó vượt quá ngưỡng, node cảm biến xác
định rằng một node khác hiện đang truyền tải và nó phải giữ im lặng.
Cùng với cảm nhận sóng mang, khoảng cách giữa các khung đệm được sử dụng chủ
yếu để đảm bảo kênh thực sự trống. Khi một node cảm nhận được kênh, nó phải
trống một khoảng DIFS. SIFS được sử dụng làm thời gian chờ giữa khung RTS,
CTS, DATA và ACK. Vì SIFS luôn ngắn hơn DIFS, điều này đảm bảo rằng một
node khác xác định chính xác kênh đang rỗi trong quá trình bắt tay và ưu tiên được
cho quá trình truyền.
2.1.3 Vectơ phân bổ mạng (NAV) 802.11
Như một sự thay thế cho cảm nhận sóng mang, NAV được sử dụng để thông báo
cho các node khác node hiện tại sẽ cần kênh trong bao lâu. Bất kỳ node nào nghe

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 11/55

được NAV đều biết rằng nó không cần phải cảm nhận kênh theo thời gian đã chỉ
định. Vì sự cảm nhận rỗi của kênh là một trong những việc dùng năng lượng lớn
nhất trong mạng, NAV sẽ làm giảm lượng cảm nhận rỗi cần thiết ở bất kỳ node nào
có thể nghe nó, do đó tiết kiệm năng lượng cho tất cả các node trong mạng.
2.1.4 Binary Exponnential Backoff (BEB)
DCF sử dụng thuật toán BEB để tránh xung đột trong kênh truyền. Nếu kênh bận,
các node hoãn lại việc truy cập kênh cho đến khi kênh trống. Nếu kênh rỗi, khung
dữ liệu sẽ được chuyển đi theo thuật toán BEB. Nếu kênh truyền truyền rỗi với
khoảng lớn hơn DIFS thì node bắt đầu truyền khung, ngược lại nó hoãn việc truyền
dẫn cho đến khi kênh truyền truyền trống. Thời gian chờ được tính như sau:
Thời gian chờ = Số ngẫu nhiên() * Khe thời gian
Với giá trị ngẫu nhiên được chia đều từ [0, CW] với CW = 2 m – 1 là kích thước cửa
sổ tranh chấp thỏa điều kiện CWmin ≤ CW ≤ CWmax. CWmin và CWmax là kích thước
CW nhỏ nhất và lớn nhất. Những giá trị này được dựa trên các đặc điểm của điều
chế vật lý. Kích thước cửa sổ này rất quan trọng và có thể thay đổi dựa trên điều
kiện mạng. Nếu cửa sổ quá nhỏ, có thể làm tăng cơ hội hai node sẽ cố gắng truyền
tải cùng một lúc. Nếu cửa sổ quá lớn, các node có thể chờ một thời gian dài trước
khi truyền. Kích thước cửa sổ có thể tăng hai lần nếu truyền không thành công
(xung đột hoặc node không hồi đáp đến RTS). Khi nào kênh truyền còn rỗi thì bộ
đếm chờ giảm, giá trị chờ được tạm dừng khi kênh bận. Sau mỗi lần truyền không
thành công, giá trị của CW được gấp đôi thành CW max = 2m(CWmin). Hằng số m
được gọi là giai đoạn chờ tối đa. Với mỗi lần truyền thành công CW được đặt lại
thành CWmin. Với mỗi khe, CW giảm đi một. Khi CW đạt đến không, node sẽ cố gửi
khung, nếu truyền thành công CW được đặt thành giá trị nhỏ nhất của nó, ngược lại
CW được tăng gấp đôi. Khi việc truyền tải tiếp tục không thành công cho đến giai

đoạn cuối, khung truyền sẽ được loại bỏ khỏi hàng chờ gia diện và CW được đặt lại
thành giá trị nhỏ nhất của nó cho lần truyền mới.
2.1.5 Vấn đề thiết bị đầu cuối 802.11

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 12/55

Thiết bị đầu cuối ẩn và hiện là một vấn đề lớn với bất kỳ cảm nhận sóng mang dựa
trên MAC. Một thiết bị đầu cuối ẩn là một thiết bị đầu cuối nằm trong phạm vi của
node nhận, nhưng không nằm trong phạm vi của node truyền. Mặc dù vậy sự truyền
dẫn của node này sẽ cản trở giao tiếp giữa node gửi và node nhận, nó có thể không
nghe được sự truyền từ nguồn khác và do đó nó có thể truyền tải, gây xung đột như
thể hiện trong Hình 2-3.

Hình 2-3: Vấn đề đầu cuối ẩn [3]

Vấn đề thiết bị đầu cuối hiện là nơi một node nằm trong phạm vi của node gửi,
nhưng không trong node nhận. Node này sẽ nghĩ rằng bất kỳ sự truyền tải nào của
nó tạo ra sẽ cản trở quá trình truyền khác mà nó nghe được. Trong thực tế, vì nó
không nằm trong phạm vi của node thu, nó có thể tự do truyền tải như Hình 2-4.
Một số giải pháp vật lý để giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn:
 Tăng công suất truyền, tăng phạm vi cảm nhận các node lân cận.
 Sử dụng anten đẳng hướng, tránh việc không cảm nhận node nằm ngoài vùng
phát.
 Di chuyển node: cung cấp tính di động cho node để node vào vùng cảm
nhận.

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc

Trang 13/55

Hình 2-4: Vấn đề đầu cuối hiện [3]

Chuẩn 802.11 sử dụng các gói RTS và CTS để giải quyết cả hai vấn đề này. Nếu
một node nghe một CTS, nó biết rằng nó nằm trong phạm vi của node nhận và do
đó không thể truyền tải mà không gây xung đột. Nếu một node nghe RTS nhưng
không nghe thấy CTS, nó biết rằng nó là một thiết bị đầu cuối hiện và được tự do
truyền.
2.2 Tiêu chuẩn 802.11 PSM
2.2.1 Giới thiệu
Tiêu thụ năng lượng của một thiết bị không dây bao gồm năng lượng tiêu thụ khi
truyền tải gói, để xử lý các gói tin nhận được và khi thiết bị không hoạt động. Nói
chung, công suất yêu cầu trong quá trình truyền và nhận gói tin cao hơn so với khi
thiết bị không hoạt động. Tuy nhiên, điện năng tiêu thụ của một thiết bị rỗi không
nhất thiết là không đáng kể như trong trường hợp của giao thức IEEE 802.11, một
thiết bị rỗi liên tục cảm nhận kênh không dây để phát hiện trạng thái kênh, cũng như
phát hiện sự bắt đầu của việc truyền tải một gói tin mới bởi một thiết bi khác. Vì
vậy, ngay cả khi một thiết bị rỗi thì nó vẫn đang bận thực hiện các tác vụ hữu ích
khác, nó có thể tiêu thụ số năng lượng không tầm thường.
Để các thiết bị không dây tiết kiệm năng lượng, một chế độ bổ sung được thiết kế
để cho phép thiết bị "ngủ". Trong chế độ ngủ này, thiết bị không dây có thể không
truyền tải hoặc nhận được bất kỳ gói tin, thậm chí không cảm nhận trạng thái kênh.

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 14/55

Điện năng tiêu thụ trong trạng thái ngủ nhỏ hơn đáng kể so với các trạng thái khác.
Rõ ràng, một bất lợi là một thiết bị không dây ở chế độ ngủ không thể giao tiếp với
bất kỳ thiết bị khác. Do đó, cơ chế tiết kiệm năng lượng cũng cần phải kết hợp khả
năng đánh thức thiết bị đang ngủ.
2.2.2 Cơ chế thiết kiệm năng lượng
Chuẩn 802.11 PSM quy định rằng thời gian được chia thành các khoảng beacon, với
sự bắt đầu của beacon được đồng bộ hóa ở tất cả các node. Mỗi node vẫn còn thức
trong một khoảng thời gian ngắn ở đầu khoảng beacon. Khoảng thời gian ngắn này
được gọi là cửa sổ ATIM. Giao thức tiết kiệm năng lượng bao gồm các bước sau:
1. Khi bắt đầu một khoảng beacon, nếu node A có gói dữ liệu gửi đến node B,
Node A truyền một tin tức yêu cầu ATIM đến node B. Yêu cầu ATIM được
truyền tải sử dụng giao thức truy cập kênh DCF 802.11, bao gồm việc sử
dụng cảm biến sóng mang và thời gian chờ. Node A sẽ gửi yêu cầu ATIM tới
tất cả các node khác có gói tin đang chờ xử lý. Yêu cầu ATIM chỉ có thể
được gửi trong cửa sổ ATIM.
2. Nếu node B nhận được yêu cầu ATIM từ node A, node B lập tức hồi đáp
bằng cách gửi một ATIM Ack, và ở trạng thái thức cho hết phần còn lại của
khoảng beacon. Việc truyền ATIM Ack tương tự như việc truyền của 802.11
MAC-layer Ack sau khi tiếp nhận khung dữ liệu.
3. Nếu một node không gửi hoặc nhận yêu cầu ATIM trong cửa sổ ATIM, node
đó vào chế độ ngủ ở cuối cửa sổ ATIM và tiếp tục ngủ cho hết phần còn lại
của mốc báo khoảng cách.
4. Bất kỳ node nào đã truyền hoặc nhận yêu cầu ATIM trong cửa sổ ATIM sẽ
vẫn thức cho đến hết khoảng mốc báo. Những node này vẫn có thể truyền và
nhận dữ liệu trong khoảng thời gian còn lại của khoảng mốc báo sử dụng
giao thức 802.11 MAC.

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc

Trang 15/55

Hình 2-5: Cơ chế tiết kiệm năng lượng PSM [4]

Xét node A, B và C trong một mạng không dây nhất định như trong Hình 2-5. Giả
sử rằng tại thời điểm t1, gói đến lớp liên kết của node A (từ lớp mạng) cần được
truyền đến node B. Tuy nhiên, giao diện không dây của node A hiện đang ở chế độ
ngủ. Vì vậy, việc truyền tải gói tin phải được hoãn lại cho đến khoảng thời gian mốc
báo kế tiếp. Khoảng thời gian mốc báo bắt đầu vào thời điểm t2, node A gửi yêu cầu
ATIM đến node B trong cửa sổ ATIM tiếp theo. Node B nhận được yêu cầu ATIM
và gửi một ATIM Ack đến node A. Sau khi cửa sổ ATIM kết thúc, node A truyền gói
dữ liệu của nó sang node B sử dụng IEEE 802.11 DCF. Vì node C đã không gửi
hoặc nhận yêu cầu ATIM trong cửa sổ ATIM, nó đi ngủ sau cửa sổ ATIM cho hết
khoảng thời gian mốc báo còn lại.
Một số đặc điểm của 802.11 PSM:
 Đồng bộ hóa đồng hồ đóng vai trò quan trọng vì các cửa sổ ATIM tại các
node chủ khác nhau cần chồng lấn nhau.
 Nếu giao diện không dây ở một node đang ngủ trong khoảng thời gian mốc
báo và node đó nhận được một gói tin để gửi đến một node khác, gói tin đó
phải đợi đến khoảng thời gian báo hiệu kế tiếp. Do đó, với cơ chế tiết kiệm

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 16/55

năng lượng, sự trễ so với khoảng cách mốc báo có thể phát sinh trước khi gói
được truyền từ node tới các node lâ cận của nó. Nếu một gói phải được
chuyển tiếp trên nhiều bước nhảy, sự trễ có thể tăng tương ứng với số bước

nhảy.
 Tất cả các node ỡ trạng thái thức trong cửa sổ ATIM, có thể dẫn đến tiêu thụ
năng lượng đáng kể. Ví dụ, nếu thời gian cửa sổ ATIM là 20 ms với beacon
khoảng 100 ms, thì mỗi node có thể ngủ tối đa 80% thời gian.
Tiêu thụ năng lượng trong cửa sổ ATIM có thể giảm bằng cách giảm khoảng thời
gian của cửa sổ ATIM. Tuy nhiên, một cửa sổ ATIM ngắn hơn cho phép ít thời gian
hơn cho việc trao đổi các gói yêu cầu ATIM. Nếu một node không thể gửi một yêu
cầu ATIM đến node khác (do sự tranh chấp trong cửa sổ ATIM), khi đó các gói tin
tại node chủ sẽ phải chịu sự trì hoãn lâu hơn. Ngoài ra, tiêu thụ năng lượng có thể
được giảm xuống sử dụng một khoảng cách lớn hơn beacon. Tuy nhiên, trong
trường hợp này, sự chậm trễ trong việc cung cấp các gói dữ liệu sẽ tăng. Do đó, lựa
chọn cửa sổ ATIM phù hợp và khoảng cách beacon phụ thuộc vào yêu cầu trễ, cũng
như tần số mà các node trong chế độ tiết kiệm năng lượng cần truyền gói tin.
2.2.3 Cơ chế tiết kiệm năng lượng bất đồng bộ
Chuẩn 802.11 PSM dựa vào sự đồng bộ giữa các node, tuy nhiên có hai loại thiết kế
không cần sự đồng bộ.
2.2.3.1 Đánh thức ngẫu nhiên
Trong thiết kế này, mỗi node xen kẽ ngủ và thức với khoảng thời gian ngủ được
chọn ngẫu nhiên. Khi một node thức dậy, nó giữ vậy trong một khoảng thời gian
nhất định K. Khi một node A thức và có một gói tin để gửi đến node B, node X sẽ
cố gắng truyền tải gói tin đến node B. Chỉ khi node B cũng thức tại thời điểm đó,
node B có thể nhận được gói tin từ A. Node A có thể truyền tải đến B nhiều lần
trong khi node A thức. Vì node thức không đồng bộ, việc truyền nhiều lần cải thiện
xác suất mà B sẽ nhận được một trong những lần truyền.
Thiết kế này được biểu diễn như Hình 2-6 sau:

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 17/55

Hình 2-6: Thiết kế đánh thức ngẫu nhiên của PSM [4]

Node X thức dậy và cố gửi một gói dữ liệu đến node Y. Tuy nhiên, trong hai lần gửi
đầu tiên node Y đang ngủ và không nhận được sự truyền tải từ node X. Khi node X
cố truyền đến Y lần thứ ba, node Y đang thức và nhận dữ liệu. Node Y xác nhận
việc nhận dữ liệu tới node X.
Giả sử rằng khoảng thời gian ngủ trung bình của một node là S, khoảng thời gian
thức mỗi khi nó thức dậy là K. Vì vậy, mỗi node thức phần tổng thời gian. Phần
này không phụ thuộc vào việc liệu node đó có muốn truyền dữ liệu đến các node
khác hay không. Có thể dễ dàng thấy rằng sự chậm trễ trong việc truyền một gói dữ
liệu sẽ tăng lên nếu sự tiêu thụ năng lượng (hoặc ) giảm. Vì vậy, có một sự cân
bằng giữa hiệu suất năng lượng và sự chậm trễ.
2.2.3.2 Đánh thức không đối xứng
Chuẩn 802.11 PSM và thiết kế đánh thức ngẫu nhiên đối xứng theo nghĩa mỗi node
hoạt động giống nhau (sử dụng một thuật toán giống nhau) độc lập với việc cho dù
nó có một gói tin để gửi đến một node khác hay không. Một thiết kế khác không sử
dụng tính đối xứng này:
 Khi một node không có gói tin để gửi cho bất kỳ node khác, nó thực hiện
một mô hình định kỳ giữa ngủ và thức cho đến khi nó nhận được tin yêu cầu

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 18/55

thức từ một node khác. Trong chu kỳ định kỳ này, khoảng thời gian ngủ là S
và khoảng thời gian thức là K.
 Khi node A muốn truyền tải một gói tin tới node B, node A sẽ ở trạng thái
thức và liên tục gửi một gói yêu cầu thức đến node B cho đến khi nó nhận

được một sự xác nhận từ B. Giữa hai gói truyền tải liên tiếp của các gói tin
yêu cầu thức, node A giữ ở trạng thái rỗi trong khoảng thời gian vừa đủ để
nhận được phản hồi (dưới dạng sự xác nhận) từ node B.
 Node B chỉ có thể nhận được gói tin đánh thức từ node A khi node B đang
thức (trong khoảng thời gian K). Khi node B nhận được yêu cầu thức từ A,
nó sẽ gửi một xác nhận Ack đến node A, sau đó tiếp tục thức để nhận gói dữ
liệu từ node A. Node B có thể trở lại trạng thái ngủ sau khi nhận dữ liệu từ A.
Sự khác biệt chủ yếu từ thiết kế đánh thức ngẫu nhiên là node A vẫn tiếp tục thức
cho đến khi nó nhận được phản hồi từ node B so với nó chỉ thức trong khoãng thời
gian K. Đây là một sự khác biệt nhỏ, tuy nhiên, nó cho phép thiết kế không đối
xứng đạt được sự chậm trễ nhỏ hơn trong việc truyền tải một gói tin hơn thiết kế
ngẫu nhiên (với các giá trị K và S giống nhau giữa hai thiết kế). Tuy nhiên, sự bất
lợi là node A muốn truyền dữ liệu có thể phải chịu mức tiêu hao năng lượng cao hơn
đáng kể..

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc


Trang 19/55

CHƯƠNG 3.

GIAO THỨC MMAC POWER CONTROL

3.1 Giới thiệu
Trong mạng adhoc, node có thể truyền dữ liệu trực tiếp tới những node khác trong
khoảng truyền vô tuyến mà không cần đến cơ sở hạ tầng. Hiệu suất của mạng adhoc
bị ảnh hưởng bởi vấn đề thiết bị cuối ẩn cũng như băng thông hạn chế của kênh
đơn. Chuẩn IEEE 802.11 cung cấp giao thức MAC sử dụng DCF để chia sẻ kênh
truyền giữa các node. Để tránh vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn, IEEE 802.11 DCF sử

dụng kỹ thuật đặt chờ kênh bằng cách trao đổi các tin RTS và CTS trước khi gói dữ
liệu được gửi. Ngoài ra, IEEE 802.11 DCF sử kỹ thuật CSMA/CA. Các node phải
cảm nhận được kênh trước khi truyền và nếu nó bận, node đó phải vào một thời
gian chờ ngẫu nhiên trước khi thử lại để truyền khi kênh không hoạt động. Quá
trình chờ làm giảm xác suất va chạm cũng như đảm bảo tính công bằng trong việc
truyền tải.
Mặc dù IEEE 802.11 cung cấp đa kênh cho truyền thông không dây ở lớp vật lý,
giao thức MAC chỉ được thiết kế cho một kênh duy nhất. Việc thiết kế một giao
thức MAC khai thác nhiều kênh để cải thiện thông lượng mạng với một bộ thu phát
tín hiệu bán song công không phải dễ thực hiện. Bộ thu phát có thể chuyển kênh vô
tuyến năng động, nhưng nó không thể cảm nhận được tất cả các kênh cùng một lúc,
có thể mất tin đặt chỗ từ các thiết bị lân cận trên các kênh khác. Điều này dẫn đến
vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn đa kênh.

Giao Thức Truy Cập Đa Kênh Kiểm Soát Năng Lượng Cho Mạng Adhoc