GIAO THỨC MAC đa KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG ADHOC KHÔNG dây (có code bên dưới)

ĐỒ ÁN 3

GIAO THỨC MAC ĐA KÊNH TRUYỀN
TRONG MẠNG ADHOC KHÔNG DÂY


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...................................................................................VIII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................IX
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.11.............................................................1
1.1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG AD HOC (MOBILE AD HOC NETWORK:

MANET)..............................................................................................................................1
1.2

GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN IEEE 802.11..........................................................................1

1.2.1

Đặc điểm của lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.11...............................................1

1.2.2

Phân loại các chuẩn có trong IEEE 802.11........................................................2

1.2.3

Những định nghĩa quan trọng giao thức IEEE 802.11.......................................4

1.2.4

Các hỗ trợ đa kênh trong IEEE 802.11...............................................................5

CHƯƠNG 2. GIAO THỨC MAC TRONG IEEE 802.11................................................8
2.1

GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ GIAO THỨC MAC 802.11....................................................8

2.2

IEE 802.11 MAC: CHẾ ĐỘ DCF................................................................................9

2.2.1

DCF khi chưa giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn.....................................................9

2.2.2

Vấn đề đầu cuối ẩn và đầu cuối hiện................................................................10

2.3

CƠ CHẾ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG IEEE 802.11............................................13

CHƯƠNG 3. CÁC VẤN ĐỀ TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA KÊNH TRUYỀN VÀ
GIAO THỨC MMAC, H-MMAC.....................................................................................15
3.1

CÁC VẤN ĐỀ TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA KÊNH TRUYỀN..............................................15

3.1.1

Vấn đề đầu cuối ẩn...........................................................................................15

3.1.2

Vấn đề không nghe được kênh truyền...............................................................16

3.1.3

Vấn đề truy cập kênh truyền.............................................................................16

3.1.4

Vấn đề trễ khi chuyển kênh truyền....................................................................16

3.1.5

Vấn đề quảng bá...............................................................................................16

3.2

GIAO THỨC MMAC (MULTI-CHANNEL MAC)........................................................16


3.2.1

Một số đặc điểm của giao thức MMAC............................................................16

3.2.2

Danh sách kênh ưu tiên trong giao thức MMAC..............................................17

3.2.3

Quá trình thương lượng kênh truyền trong khung ATIM..................................18

3.2.4

Qui luật chọn kênh trong giao thức MMAC.....................................................20

3.3

GIAO THỨCH-MMAC (HYBRID MULTI-CHANNEL MAC).......................................21

3.3.1

Danh sách thông tin node lân cận NIL.............................................................21

3.3.2

Quy luật chọn kênh trong giao thức H-MMAC.................................................22

CHƯƠNG 4. GIỚI THIỆU XÍCH MARKOV VÀ ỨNG DỤNG CỦA XÍCH
MARKOV TRONG MAC..................................................................................................24
4.1

GIỚI THIỆU VỀ XÍCH MARKOV..................................................................................24

4.2

ỨNG DỤNG CỦA XÍCH MARKOV TRONG IEEE 802.11..............................................26

4.3

ỨNG DỤNG CỦA XÍCH MARKOV VÀO TRONG GIAO THỨC MAC ĐA KÊNH TRUYỀN.28

CHƯƠNG 5. ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG CỦA H-MMAC.....................................32
5.1

CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO ĐƯỢC CHO TRƯỚC...........................................................32

5.2

ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG H-MMAC TRÊN MATLAB..............................................33

5.2.1

Thông lượng thay đổi theo số kênh...................................................................33

5.2.2

Thông lượng thay đổi theo số node...................................................................34

5.2.3

Thông lượng thay đổi theo kích thước ATIM....................................................35

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................36
6.1.1

Kết luận.............................................................................................................36

6.1.2

Hướng phát triển...............................................................................................36

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................37
PHỤ LỤC A 38


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC CHUẨN IEEE 802.11 [1]..................2
HÌNH 1-2: MỘT MẠNG WLAN THEO CHUẨN IEEE 802.11....................................5
HÌNH 2-1: IEEE 802.11 KHI CHƯA GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN..........9
HÌNH 2-2: SỰ TĂNG THEO HÀM MŨ CỦA KHUNG CW.......................................10
HÌNH 2-3: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN [3]..........................................................................11
HÌNH 2-4: SỬ DỤNG RTS-CTS ĐỂ TRÁNH VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN [3].............12
HÌNH 2-5: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI HIỆN [3].....................................................................13
HÌNH 2-6: HOẠT ĐỘNG CỦA IEEE 802.11 PSM [3]..................................................14
HÌNH 3-1: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA KÊNH [3].........15
HÌNH 3-2: QUÁ TRÌNH THƯƠNG LƯỢNG KÊNH VÀ TRAO ĐỔI DỮ LIỆU
TRONG MMAC [3]............................................................................................................20
HÌNH 3-3: QUÁ TRÌNH THƯƠNG LƯỢNG KÊNH TRAO ĐỔI DỮ LIỆU TRONG
H-MMAC [3]24
HÌNH 4-1: XÍCH MARKOV MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH BACKOFF [3].................26
HÌNH 5-1: THÔNG LƯỢNG H-MMAC THAY ĐỔI THEO SỐ KÊNH...................32
HÌNH 5-2: THÔNG LƯỢNG H-MMAC THAY ĐỔI THEO SỐ NODE...................33

HÌNH 5-2: THÔNG LƯỢNG H-MMAC THAY ĐỔI THEO KÍCH THƯỚC KHUNG
ATIM

34


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 1-1: SO SÁNH CÁC CHUẨN IEEE 802.11 [1]....................................................4
BẢNG 1-2: CÁC KÊNH TRONG CHUẨN IEEE 802.11 [1].........................................6
BẢNG 2-1: CÁC KHOẢNG THỜI GIAN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG GIAO THỨC
MAC IEEE 802.11.................................................................................................................8
BẢNG 3-1: VÍ DỤ DANH SÁCH THÔNG TIN CÁC NODE LÂN CẬN CỦA A.....22
BẢNG 4-1: BẢNG PHÂN PHỐI XÁC XUẤT CỦA Z(T) TẠI THỜI ĐIỂM T = 0...25
BẢNG 5-1 THÔNG SỐ ĐẦU VÀO...................................................................................31


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACK

Acknowledgement

AP

Access Point

ATIM

Ad hoc Traffic Indication Message

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance

CTS

Clear To Send

CW

Contention Window

DBPSK

Differential Binary Pulse Shift Keying

DCF

Distributed Coordination Function

DIFS

Distributed Inter-Frame Space

DQPSK

Differential Quadrature Phase Shift Keying

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum

GFSK

Gaussian Frequency Shift Keying

H-MMAC

Hybrid-Multi-Channel Medium Access Control

IEEE

Institude of Electrical and Elentronics Engineers

IR

Infared

ISM

Industrial Scientific and Medical

MAC

Medium Access Control

MANET

Mobile Ad hoc Network

MMAC

Multi-Channel Medium Access Control

MN

Mobile Node

NAV

Network Allocation Vector

NIL

Neighbors Information List

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PCF

Point Coordination Funtion

PCL

Preferable Channel List


PHY

Physical

PPM

Pulse Position Modulation

PSM

Power Saving Mechanism

RBTI

Random Backoff Time interval

RTS

Request To Send

SIFS

Short Inter-Frame Space

WLAN

Wireless Local Area Network

ĐỒ ÁN 3
Trang 1/38

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ CHUẨN 802.11

1.1 Giới thiệu tổng quan mạng di động Ad hoc (Mobile Ad hoc Network: MANET)
Mạng di động Ad hoc là một hệ thống mạng không dây tự điều khiển, trong đó
các node có thể tự do di chuyển trong mạng nhưng vẫn đảm bảo kết nối được với
nhau. Trái với mạng di động không dây, mạng MANEt không tĩnh, không có cấu
trúc cố định và không quản lý tập trung. Mạng có thể hình thành ở bất cứ đâu, bất
cứ lúc nào miễn là hai hay nhiều node liên lạc với nhau và giao tiếp trực tiếp với
node khác khi chúng cùng phạm vi vô tuyến hoặc thông qua các node di động tập
trung. Trong MANET các node có thể vừa đóng vai trò của một host hoặc một
router trong những trường hợp khác nhau. Những đặc điểm trên khiến việc thiết kế
và triển khai MANET trong thực tế trở thành một thách thức.
1.2 Giới thiệu về chuẩn IEEE 802.11
1.1.1 Đặc điểm của lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.11
Năm 1997, IEEE đưa ra chuẩn IEEE 802.11 liên qua đến các đặc điểm lớp vật
lý ( PHY) và điều khiển truy cập môi trường (MAC) trong WLAN. Chuẩn này
cung cấp ba đặc điểm lớp vật lý cho vô tuyến, hoạt động ở băng tần từ 2400 MHz
đến 2483.5 MHz, 902 MHz đến 928 MHz, 5.725 đến 5.85 MHz. Chuẩn IEEE
802.11 có 3 cách truyền khác nhau:


Lớp vật lý vô tuyến dùng kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS- Frequency
Hopping Spread Spectrum) cung cấp cho hoạt động ở hai chế độ 1 Mbps và

2 Mbps.
+ Chế độ 1 Mbps sử dụng phương pháp điều chế 2 mức GFSK
(Gaussian Frequency Shift Keying)
+ Chế độ 2 Mbps sử dụng phương pháp điều chế 4 mức GFSK.

 Lớp vật lý vô tuyến dùng trải phổ trực tiếp (DSSS- Direct Sequence Spread
Spectrum): cung cấp 2 chế độ hoạt động 1Mbps và 2 Mbps.

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 2/38

+ Chế độ 1 Mbps sử dụng phương pháp điều chế DBPSK (Differential
Binary Phase Shift Keying)
+ Chế độ 2 Mbps sử dụng phương pháp điều chế DQPSK (Differential
Quadrature Phase Shift Keying)
 Lớp vật lý hông ngoại: lớp vật lý này cung cấp chế độ hoạt động 1 Mbps và
có thể nâng lên 2 Mbps.
+ Chế độ 1 Mbps sử dụng phương pháp điều chế PPM (Pulse Position
Modulation) với 16 vi trí (16- PPM)
+ Chế độ 2 Mbps sử dụng 4-PPM.
1.1.2 Phân loại các chuẩn có trong IEEE 802.11

Hình 1-1: Lịch sử phát triển của các chuẩn IEEE 802.11 [1]

 Chuẩn 802.11: là chuẩn đầu tiên được IEEE giới thiệu vào năm 1997.
Chuẩn này chỉ hỗ trợ tốc độ mạng 2 Mbps và băng tần 2.4 GHz cho nên
không được sử dụng rộng rãi.

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 3/38

 Chuẩn 802.11b: ra đời năm 1999 và hỗ trợ tốc độ 11 Mbps, phạm vi họat
động từ 70-150m. Tuy nhiên, chuẩn này vẫn dùng băng tần 2.4 GHz nên
rất dễ bị nhiễu với thiết bị khác.
 Chuẩn 802.11a: được phát triển song song với chuẩn 802.11b và đạt được
tốc độ 54Mbps, chuẩn này sử dụng băng tần 5 GHz nên không bị nhiễu.
Tuy nhiên, việc sử dụng tần số cao lại làm giảm phạm vi hoạt động của
chuẩn này xuống còn 40-100 m.
 Chuẩn 802.11g: ra đời năm 2003, chuẩn này là sự kết hợp của chuẩn a với
chuẩn b. Chuẩn này hỗ trợ tốc độ 54 Mbps nhưng lại sử dụng băng tần 2.4
GHz của chuẩn b, phạm vi hoạt động từ 80-200 m. Chuẩn này có khả năng
tương thích ngược với chuẩn b và được sử dụng rộng rãi.
 Chuẩn 802.11n: chuẩn này được đề xuất cải tiến bằng cách sử dụng công
nghệ MIMO (Mutiple-Input Mutiple-Output). Chuẩn này có thể đạt tốc độ
đến 600 Mbps, hỗ trợ hai bang tần 2.4 GHz và 5 GHz, phạm vi truyền từ
100-250 m và đang dần thay thế chuẩn g.
 Chuẩn 802.11ac: là chuẩn mới nhất do IEEE phát hành, chuẩn này sử
dụng công nghệ MIMO như chuẩn n với bang tần 5 GHz và tốc độ lên đến
1730 Mbps. Tuy nhiên, chuẩn này chưa được sử dụng rộng rãi do còn khá
mới mẻ.

Bảng 1-1: So sánh các chuẩn IEEE 802.11 [1]

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây

ĐỒ ÁN 3
Trang 4/38

Chuẩn

Băng tần

Tốc độ truyền

802.11

(GHz)

(Mbps)

2.4

2

Điều chế

DSSS
FHSS

b

2.4

11

DSSS

a

5

54

OFDM

54

OFDM

g

2.4

n

2.4

DSSS
600

OFDM

1730

OFDM

5
ac

5

1.1.3 Những định nghĩa quan trọng giao thức IEEE 802.11
IEEE 802.11 cung cấp hai chế độ hoạt động PCF và DCF. Với PCF (Point
Coordination Function) là phương pháp phối hợp, DCF (Distributed Coordination
Function) là phương pháp phân phối. Sau đây là một số định nghĩa quan trọng để
tìm hiểu về những đặc điểm.
 Phạm vi truyền (TR-Transmission Range): là phạm vi xung quanh phía phát
mà bất kỳ node nào nằm trong vùng phạm vi này đều có thể nhận và giải mã
chính xác gói dữ liệu được gửi từ phía phát. Khi sử dụng tối đa năng lượng
của phía phát, phạm vi truyền có thể là 250 m.
 Phạm vi cảm biến sóng mang (CS-Carrier Sensing Range): là phạm vi
khoảng cách xung quanh phía phát mà bất kì node nào nằm trong phạm vi
đều có thể cảm nhận được thông tin từ phía phát. Khi sử dụng tối đa năng
lượng của phía phát, phạm vi cảm nhận sóng mang có thể là 500 m.
Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 5/38

 Vùng cảm biến sóng mang (CSZ-Carrier Sensing Zone): là phạm vi khoảng
cách xung phía phát mà bất kì node nào nằm trong phạm vi đều có thể cảm
nhận được thông tin từ phía phát nhưng không thể giải mã chính xác. Khi sử

dụng tối đa năng lượng của phía phát, phạm vi vùng cảm sóng mang là 250
m đến 500 m.

Phạm vi truyền

D

B

A

C

E

Phạm vi cảm biến sóng
mang

Vùng cảm biến sóng mang

Hình 1-2: Một mạng WLAN theo chuẩn IEEE 802.11
1.1.4 Các hỗ trợ đa kênh trong IEEE 802.11
Chuẩn IEEE 802.11 cung cấp ba đặc điểm kỹ thuật cho lớp vật lý PHY, đó là
dùng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS), kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FHSS) và
hông ngoại (IR), trong đó thì DSSS là thông dụng nhất.
IEEE 802.11 dùng DSSS định hướng cho bang tần ISM (Industrial Sceintific and
Medical) 2.4 GHz được phân bố giữa 2.4 GHz và 2.48 GHz. Ở Mỹ điều này tương
đương với 11 kênh được trình bày ở bảng 1-2. Trong 11 kênh đó, chỉ có 3 kênh
khồn chồng chéo, đó là kênh 1, kênh 6 và kênh 11. Do vậy, IEEE 802.11 cung cấp
cơ sở để dùng 3 kênh song song tại một thời điểm cho trước. Tương tự, IEEE

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 6/38

802.11 dùng hệ thống OFDM ở bang tần 5 GHz để cung cấp 12 kênh không chồng
chéo cho mục đích sử dụng đồng thời.
Bảng 1-2: Các kênh trong chuẩn IEEE 802.11 [1]
Kênh

Tần số dưới

Tần số trung tâm

Tần số trên

(GHz)

(GHZ)

(GHz)

1

2.401

2.412

2.423

2

2.406

2.417

2.428

3

2.410

2.422

2.433

4

2.416

2.427

2.438

5

2.421

2.432

2.443

6

2.426

2.437

2.448

7

2.431

2.442

2.453

8

2.436

2.447

2.458

9

2.441

2.452

2.463

10

2.446

2.457

2.468

11

2.452

2.462

2.473

Mặc dù hỗ trợ đa kênh trong lớp vật lý PHY, nhưng trong lớp MAC, IEEE 802.11
chỉ dùng một trong những kênh này để trao đổi dữ liệu. Khi giao thức MAC dùng
cho đa kênh sẽ dẫn đến thiết bị đầu cuối ẩn (Multi-channel Hiden Terminal
Problem). Vì vậy mà phải cần có một giao thức MAC thông minh có khả năng
dùng trong đa kênh và loại bỏ được những vấn đề đó cùng một lúc. Giao thức này
được gọi là giao thức MAC đa kênh truyền (MMAC Multi-channel MAC
protocol).

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 7/38

CHƯƠNG 2.

GIAO THỨC MAC TRONG IEEE 802.11

1.3 Giới thiệu sơ lược về giao thức MAC 802.11
- Như đã nói ở phần trên, giao thức MAC 802.11 có 2 chế độ hoạt động DCF và
PCF. Chế độ DCF sử dụng phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh
xung đột (CSMA/CA-Carrier Sense Milti Access/Collision Avoidance). CSMA là
phương thức dựa trên sự cạnh tranh, trong CSMA các MN cảm nhận môi trường
trước khi truyền gói tin. Nếu môi trường bận thì các MN sẽ trì hoãn đến khi môi
trường rỗi.

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 8/38

- Giao thức MAC IEEE 802.11 định nghĩa các khoảng thời gian dùng trong chế
độ DCF. Các khoảng thời gigan này được trình bày cụ thể trong bảng sau và được
được sắp xếp theo thứ tự từ ngắn nhất đến dài nhất.
Bảng 2-1: Các khoảng thời gian được sử dụng trong giao thức MAC IEEE
802.11
Khoảng thời gian

Định nghĩa

giữa các khung
Slot time

Khoảng thời gian của một time slot

SIFS

Khoảng thời gian ngắn nhất giữa các

(Short Inter-Frame Space)

khung,khoảng ngắn nhất được định nghĩa bởi
lớp vật lý

DIFS

Khoảng thời gian giữa các khung phân phối

(Distributed Inter-Frame Space)

DIFS=SIFS + 2 time slot

1.4 IEE 802.11 MAC: Chế độ DCF
1.1.5 DCF khi chưa giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn.
Giao thức CSMA/CA sử dụng 2 loại cảm biến sóng mang. Loại đâu tiên gọi
là cảm biến sóng mang vật lý dược thực hiện bằng cách lắng nghe bất kỳ năng
lượng cao trong môi trường. Loại thứ hai là cảm biến sóng mang ảo thực hiện

bằng cách thiết lập khoảng vector phân bố mạng NAV của MN bất cứ khi nào
nó cảm nhận được một gói dữ liệu không được định địa chỉ tới nó.
Bất kì MN nào có một gói dữ liệu muốn truyền, đầu tiên sẽ cảm nhận môi
trường truyền để xác định trạng thái. Nếu môi trường rảnh thì thì sau khoảng
thời gian DIFS thì MN sẽ tiến hành backoff ngẫu nhiên. Giá trị của bộ đếm
backoff được chọn ngẫu nhiên trong khoảng thời gian được gọi là của sổ tranh

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 9/38

chấp CW. Khoảng thời gian backoff ngẫu nhiên RBTI được tính bằng công
thức:
RBTI = Slot time x Rand

Node A

DIFS

BACK OFF

DATA

Node B

SIFS

ACK

Node lân cận của A
NAV

Thời gian

Hình 2-1: IEEE 802.11 khi chưa giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn
 Kích thước CW đóng vai trò quan trọng. Nếu kích thước của CW quá nhỏ,
giá trị được chọn bất kỳ cho thời gian backoff sẽ quá gần nhau dẫn đến tăng
khả năng xung đột. Mặt khác, nếu kích thước CW quá lớn sẽ gây lãng phí
thời gian.

1023 1023
CW max
511

255
127
63

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 10/38

31
CWmin

15

Số lần truyền lại
Hình 2-2: Sự tăng theo hàm mũ của khung CW

 Để tránh xung đột, IEEE 802.11 DCF dùng gói ACK để đảm bảo truyền
chính xác gói DATA. Sau khi nhận một gói DATA, phía thu đợi một khoảng
thời gian SIFS và sau đó truyền một gói ACK về phía phát. Nếu vì lí do nào
đó mà phía phát không nhận được gói ACK, nó sẽ truyền lại gói DATA đó.
Việc truyền lại nhiều lại sẽ làm tăng kích thước CW và khi số lần truyền lại
đến giới hạn, gói dữ liệu sẽ bị loại bỏ và xảy ra lỗi.
1.1.6 Vấn đề đầu cuối ẩn và đầu cuối hiện
IEEE 802.11 DCF dùng phương pháp CSMA/CA liên quan đến việc cảm nhận
môi trường tại vùng lân cận của bên phía phát. Điều này giúp tránh xung đột ở bên
phía phát. Tuy nhiên, nó không đảm bảo tránh xung đột ở bên phía thu. Điều này
dẫn đến vấn đề đầu cuối ẩn (Hidden terminal problem). Vấn đề này sẽ gây ảnh
hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống.

A

B

C

Hình 2-3: Vấn đề đầu cuối ẩn [3]
Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 11/38

Trong hình 2-3, node A và node B cùng nằm trong phạm vi truyền của nhau.

Tương tự, node B và node C cũng nằm trong phạm vi truyền của nhau. Xét trường
hợp node A có một gói dữ liệu gửi qua node B. Đầu tiên, node A sẽ kiểm tra trạng
thái môi trường bằng cách cảm nhận. Nếu môi trường rỗi node A sẽ bắt đầu gửi gói
dữ liệu qua node B. Vì không nằm trong môi trường của nhau nên node C sẽ hoàn
toàn không biết gì về việc gửi dữ liệu từ node A sang node B. Cùng lúc đó thì node
C cũng có một gói dữ liệu cần gửi cho node B, C cũng sẽ bắt đầu kiểm tra và cảm
nhận thấy môi trường đang rảnh. Vì vậy, nó bắt đầu gửi gói qua node B. Điều này
dẫn đến xung đột gói thông tin tại node B. Trong trường hợp này node A là một
thiết bị đầu cuối ẩn đối với node C và ngược lại.
Hai gói điều khiển RTS (Request To Send) và CTS (Clear To Send) được đưa ra để
khắc phục vấn đề đầu cuối ẩn. RTS/CTS giúp thực hiện việc cảm nhận sóng mang
ảo. Sau khi phát hiện môi trường rỗi, phía phát sẽ gửi một gói RTS đến phía thu.
Tất cả các node nằm trong phạm vi truyền của phía phát nhưng không phải phía
thu được định sẵn sẽ thiết lập các khoảng NAV của chúng theo khoảng thời gian
này.

Node A
DIFSS RTS
Node B

SIFS

SIFS

Các node lân cận A
Các node lân cận B

DATA

SIFS

CTS

ACK

NAV

NAV

Hình 2-4: Sử dụng RTS-CTS để tránh vấn đề đầu cuối ẩn [3]

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 12/38

Tuy nhiên, khi sử dụng hai gói điều khiển RTS/CTS sẽ dẫn đến một vấn đề mới
gọi là vấn đề đầu cuối hiện (Exposed Terminal Problem). Điều này được giải thích
ở hình 2-5. Giả sử node A có một gói dữ liệu cần gửi qua node B, node A sẽ phải
gửi đến node B khi biết môi trường truyền đàn rỗi. Node B nhận được gói RTS sẽ
gửi lại node A gói CTS. Ở đây, node C là node thứ ba sẽ cập nhận NAV của nó.
Cùng lúc đó, nếu node D nằm trong phạm vi truyền của node C muốn gửi cho node
C một gói tin thì nó sẽ đợi cho đến khi NAV của node C kết thúc. Đây là một hạn
chế vì quá trình trao đổi dữ liệu giữa node A với node B và giữa node C với node D
không gây cản trở nhau và có thể diễn ra đồng thời. Trong trường hợp này node D
là một thiết bị đầu cuối hiện.

Vùng thiết bị đầu cuối hiện của node A và node B

A

B

C

D

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 13/38

Hình 2-5: Vấn đề đầu cuối hiện [3]

1.5 Cơ chế tiết kiệm năng lượng trong IEEE 802.11
Cơ chế tiết kiêm năng lượng (PSM – Power Saving Mechanism) trong IEEE
802.11 chia thời gian thành các khoảng báo hiệu định kỳ. Các node sẽ phải thức
trong khoảng thời gian ngắn gọi là của sổ ATIM (Ad hoc Traffic Indication Map).
Trong cửa sổ ATIM, node thu và node phát sẽ trao đổi gói ATIM Request và ATIM
– ACK. Sau khi kết thúc của sổ ATIM, chúng sẽ đi vào quá trình trao đổi dữ liệu,
trong khi đó các node không liên quan sẽ rơi vào trạng thái ngủ. Ở trạng thái ngủ
các node sẽ không truyền, không nhận cũng không cảm nhận sóng mang qua đó
giúp tiết kiệm một phần năng lượng

Khoảng báo hiệu
Cửa sổ ATIM
A

B
C

DATA

ATIM-R

ACK

ATIM-A

Doze mode
Thời gian
Hình 2-6: Hoạt động của IEEE 802.11 PSM [3]

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 14/38

Một số đặc điểm đáng chú ý trong IEEE 802.11 PSM:
 Trong IEEE 802.11 PSM, xung đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong việc
để các cửa sổ ATIM ở các node khác nhau diễn ra đồng thời.
 Nếu một node rơi vào trạng thái ngủ mà lại nhận được một gói tin từ node
khác nhờ chuyển tiếp cho node thứ ba thì gói tin đó phải chờ đến khoảng
báo hiệu tiếp theo. Chính vì vậy, trong IEEE 802.11 PSM, ta phải chấp nhận
những khoảng trễ không mong muốn khi một gói tin được truyền từ một
node đến node lân cận.
 Tất cả các node phải thức trong của sổ ATIM dẫn đến tình trạng tiêu tốn

năng lượng ở các node không tham gia việc trao đổi thông tin. Đây chính là
nhược điểm cần khắc phục của IEEE 802.11 PSM.

CHƯƠNG 3. CÁC VẤN ĐỀ TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA KÊNH
TRUYỀN VÀ GIAO THỨC MMAC, H-MMAC
1.6 Các vấn đề trong môi trường đa kênh truyền
1.1.7 Vấn đề đầu cuối ẩn
Node A có một gói dữ liệu muốn gửi cho node B, node A sẽ tiến hành gửi RTS
đến node B trên kênh 1. Node B chọn kênh 2 để trao đổi dữ liệu và gửi lại CTS đến
node A. Tuy nhiên, khi node B gửi CTS đến A thì node C đang bận ở kênh 3 nên
không thể nghe được CTS của node B dẫn đến việc node C không biết node B
đang nhận dữ liệu từ node A trên kênh 2. Cùng lúc đó thì node C có một gói dữ liệu
muốn gửi đến node D và vô tình chọn kênh 2 để trao đổi dữ liệu dẫn đến việc đụng
độ trên kênh 2.

B

A

D

C

RTS

Kênh 3

RTS
Kênh
2 đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây

Giao thức
MAC
DATA
ACK

Collision

Kênh
DATA
2
CTS
(2)

Kênh 31


ĐỒ ÁN 3
Trang 15/38

CTS (2)

Kênh 2

Hình 3-1: Vấn đề đầu cuối ẩn trong môi trường đa kênh [3]
1.1.8 Vấn đề không nghe được kênh truyền
Không nghe được kênh truyền là vấn đề khi node không thể nhận được tin điều
khiển từ phía phát vì nó đang giao tiếp với một node khác trên kênh khác. Điều này
khiến cho phía phát pahir gửi đi gửi lại tin yêu cầu sau mỗi khoảng backoff đến khi
nó tăng lên đến mức tối đa. Điều này sẽ gây lãng phí nguồn tài nguyên mạng và
gây mất cân bằng.

1.1.9 Vấn đề truy cập kênh truyền
Vì phía phát và phía thu phải ở trên cùng một kênh để giao tiếp, vì vậy khi nào
chúng chuyển kênh và kênh nào sẽ là kênh được chuyển đến, đó là vấn đề quan
trọng. Cần có một phương thức phân kênh để tránh sự xung đột giữa các node lân
cận
1.1.10 Vấn đề trễ khi chuyển kênh truyền
Thời gian để chuyển từ kênh này sang kênh khác là 224 µs. Trong khoảng thời
gian này, các node không thể gửi hay nhận dữ liệu. Điều này sẽ làm tăng độ trễ hay
ảnh hưởng đến thông lượng mạng. Khi so sánh với độ dài gói tin dữ liệu ngắn thì
không thể bỏ qua được khoảng thời gian này.
1.1.11 Vấn đề quảng bá.

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 16/38

Quảng bá đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến. Nếu các node lân
cận đang ở các kênh khác nhau, node đó không thể phát tin quảng bá của nó tới các
node lân cận được.
1.7 Giao thức MMAC (Multi-channel MAC)
1.1.12 Một số đặc điểm của giao thức MMAC
Có N kênh cùng băng thông được sử dụng. Các kênh này không chồng
chéo lên nhau nên các gói dữ liệu gửi trên các kênh khác nhau không bị nhiễu.
-

Khoảng báo hiệu được chia thành 2 phần.

- Mỗi node đều được trang bị một bộ thu phát bán song công.

- Tất cả các node đều được đồng bộ ở khoảng thời gian đầu khoảng báo hiệu.
1.1.13 Danh sách kênh ưu tiên trong giao thức MMAC
Mỗi node có một danh sách kênh được gọi là PCL (Preferable Channel List),
danh sách này chỉ ra kênh nào được ưu tiên hơn khi sử dụng. PCL ghi lại quá trình
sử dụng kênh nằm trong phạm vi truyền của nó. Dựa trên thông tin này thì các
kênh được phân chia thành 3 trạng thái ưu tiên:
 Ưu tiên cao (HIGH): là kênh đã được chọn trong khoảng thời gian báo hiệu
hiện tại. Nếu có một kênh trong trạng thái này, bắt bược phải chọn kênh đó.
Trong mỗi khoảng báo hiệu, mối node chỉ có tối đa một kênh trong trạng
thái này.
 Ưu tiên trung bình (MID): là kênh chưa được chọn trong phạm vi truyền của
host. Nếu không có kênh nào ở mức ưu tiên cao, sẽ có một kênh ở trạng thái
trung bình được ưu tiên chọn.
 Ưu tiên thấp (LOW): là kênh đã được các node lân cận chộn trước đó. Để
cân bằng tải kênh, sẽ có một bộ đếm cho mỗi kênh trong PCL để ghi lại có
bao nhiêu cặp node dự định sẽ sử dụng kênh đó trong khoảng thời gian hiện
tại. Nếu tất cả các kênh đều ở mức trạng thái ưu tiên thấp, node sẽ chọn
kênh có biến đếm nhỏ nhất.

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 17/38

Các trạng thái kênh được thay đổi như sau:
 Tất cả các node trong danh sách PCL sẽ được reset về trạng thái MID
khi node được bật nguồn và khi bắt đầu một khoảng báo hiệu.
 Nếu các node phát và node thu đồng ý sử dụng một kênh, chúng sẽ ghi
kênh đó vào trạng thái HIGH.

 Nếu một node vô tình nghe được một gói tin ATIM-ACK hay ATIM-RES (giải
thích ở nội dung kế tiếp), nó sẽ thay đổi trạng thái của kênh được chỉ định trong
gói thành mức LOW (nếu trước đó nó ở trạng thái MID). Khi tranngj thái kênh
thay đổi từ MID sang LOW, biến đếm sẽ được set lên 1. Nếu trước đó kênh ở
trạng thái HIGH thì nó vẫn sẽ duy trì ở trạng thái đó. Nếu trước đó kênh ở trạng
thái LOW, biến đếm sẽ tăng lên 1 đơn vị.
1.1.14 Quá trình thương lượng kênh truyền trong khung ATIM
Khung ATIM được sửng dụng như trong IEEE 802.11 PSM. Các node có gói dữ
liệu cần truyền phải thương lượng kênh với phía thu trong suốt khoảng khung này.
Trong khung ATIM, mọi node đều phải lắng nghe trên một kênh truyền mặc định
hay còn gọi là kênh điều khiển. Kênh này được định nghĩa trước để các node biết
được. Các báo hiệu và gói ATIM được truyền trên kênh này. Ngoài những chức
năng trên, kênh mặc định còn được sử dụng để gửi dữ liệu ngoài khoảng ATIM như
những kênh khác. Qui trình thương lượng kênh được thể hiện trong hình 3-2.
Nếu node A có gói dữ liệu cần gửi đến node B, nó sẽ thông báo cho node B
bằng cách gửi một gói ATIM. Gói ATIM này sẽ đính kèm PCL của node A. Khi
nhận được gói ATIM, node B sẽ chọn kênh dựa trên danh sách kênh PCL của node
A và của chính nó. Theo qui luật chọn kênh (giải thích ở phần sau), PCL của phía
thu có quyền ưu tiên cao hơn khi chọn kênh. Sau khi node B chọn được một kênh,
nó sẽ đính kèm thông tin kênh đó trong gói ATIM-ACK và gửi nó lại cho node A.
Khi node A nhận được gói ATIM-ACK nó sẽ biết được liệu nó cũng có thể chọn
được kênh ghi trong ATIM-ACK hay không. Node A chỉ có thể chọn kênh nó muốn

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây


ĐỒ ÁN 3
Trang 18/38

trừ khi node A đã chọn sẵn một kênh khác. Nếu node A chấp nhận chọn kênh ghi

trong ATIM-ACK, node A sẽ gửi một gói ATIM-RES (ATIM-Reservation) đến
node B, đính kềm thông tin kênh được chọn cảu nó trong đó. Gói ATIM-RES thông
báo cho các node lân cận của node A thông tin về kênh mà node A sẽ sử dụng để
các node lân cận có thể sử dụng thông tin đó cập nhật cho danh sách kênh PCL của
chúng. Tương tự, gói ATIM-ACK thông báo cho các node lân cận của node B. Sau
khi kết thúc khung ATIM, node A và node B sẽ chuyển đến kênh đã chọn và tiến
hành trao đổi bằng gói RTS/CTS.
Nếu node A không thể chọn cùng kênh với node B, vì node A đã chọn sẵn một
kênh trước đó, thì nó không thể gửi các gói đến node B trong suốt khoảng thời gian
báo hiệu. Nó phải chờ cho đến khi bắt đầu khoảng báo hiệu tiếp theo để bắt đầu
thương lượng lại. Ngay cả khi node A đã hoàn tất việc truyền tất cả các gói cần gửi
trên kênh được chọn trong suốt khoảng báo hiệu, nó vẫn phải gửi các gói dành
riêng cho node B đến khi khoảng báo hiệu đó kết thúc. Điều này dẫn đến việc lãng
phí băng thông .
Khi có quá nhiều node bắt đầu gửi các gói ATIM tại thời điểm đầu cho một
khoảng báo hiệu, các gói ATIM sẽ bị xung đột với nhau. Để tránh sự xung đột này,
mỗi node phải chờ trong một khoảng backoff ngẫu nhiên trước khi chuyển một gói
ATIM. Khoảng backoff này được chọn ngẫu nhiên trong khoảng [0,CWmin].
Tương tự như các gói RTS/CTS. Gói ATM và ATIM-ACK cũng được đính kèm
thông tin vector phân bố mạng NAV để tránh vấn đề đầu cuối ẩn. Nếu có hai cặp
thu phát cùng chọn một kênh, chúng sẽ phải cạnh tranh nhau như trong IEEE
802.11 nguyên gốc.
Tiết kiệm năng lượng không phải là mục tiêu chính trong giao thức này, nhưng
một node có thể tiết kiệm năng lượng bằng cách rơi vào chế độ ngủ, nếu nó không
truyền và không nhận các gói ATIM nào trong suốt thời gian khung ATIM.

Giao thức MAC đa kênh truyền trong mạng ad hoc không dây