GIAO THỨC MMAC DA TRONG MẠNG ADHOC KHÔNG dây (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GIAO THỨC MMAC-DA TRONG MẠNG
ADHOC KHÔNG DÂY


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................VI
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.....................................................................................VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT................................................................................VIII
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC VÀ CHUẨN IEEE 802.11.............1

1.1

GIỚI THIỆU VỀ MẠNG ADHOC................................................................1

1.1.1

Mạng adhoc không dây...............................................................................1

1.1.2

Đặc điểm và ứng dụng................................................................................2

1.2

CHUẨN IEEE 802.11....................................................................................2

1.2.1

Quá trình ra đời và phát triển.....................................................................2

1.2.2

Giao thức IEEE 802.11 MAC......................................................................4

1.3

IEEE 802.11 DCF (PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI).....................................5

1.3.1 Vấn đề đầu cuối ẩn......................................................................................5
1.3.2 Cơ chế hoạt động.........................................................................................6
CHƯƠNG 2. GIAO THỨC MMAC-DA............................................................................8

2.1

GIỚI THIỆU..................................................................................................8

2.2

CÁC VẤN ĐỀ TRONG MỘI TRƯỜNG ĐA KÊNH VÀ ANTEN ĐỊNH

HƯỚNG.................................................................................................................. 8
2.2.1

Phát hiện lân cận........................................................................................8

2.2.2

Vấn đề đầu cuối ẩn trong môi trường đa kênh............................................9

2.2.3

Vấn đề mất đầu thu, deafness và chặn đầu dường dây..............................10

2.3

IEEE 802.11 PSM ( CƠ CHẾ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG)......................12

2.4

CÁC CHẾ ĐỘ CỦA ANTEN.......................................................................13

2.5

NHỮNG ĐỀ XUẤT VỀ GIAO THỨC MMAC-DA....................................13

2.5.1

Ý tưởng chính............................................................................................13

2.5.2

Neighbor Information List (NIL)...............................................................16


2.5.3
2.6

Channel Usage List (CUL).......................................................................17
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC MMAC-DA..................19

CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT VÀ MÔ PHỎNG..........................................21

3.1

SỬ DỤNG SƠ ĐỒ MARKOV ĐỂ PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT...................21

3.2

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT...............................................................................23

3.3

PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI CỦA THÔNG LƯỢNG MMAC-DA............24

3.4

SO SÁNH VỚI GIAO THỨC 802.11 MAC................................................27

3.4.1

Thông lượng thay đổi theo tốc độ gói tới..................................................27

3.4.2

Thời gian trễ trung bình thay đổi theo tốc độ gói tới................................28

3.4.3

Hiệu suất tiêu thụ năng lượng thay đổi theo tốc độ gói tới.......................29

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................32

4.1

KẾT LUẬN..................................................................................................32

4.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN...............................................................................32

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................33
PHỤ LỤC A ……………………………………………………………………………34


DANH MỤC CÁC HÌNH
HÌNH 1- 1: MẠNG ADHOC...................................................................................1
HÌNH 1- 2: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN....................................................................5
HÌNH 1- 3: CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA 802.11 DCF........................................7
Y
HÌNH 2- 1: ĐẦU CUỐI ẨN DO ĐỘ LỢI ANTEN BẤT ĐỐI XỨNG.................9
HÌNH 2- 2: ĐẦU CUỐI ẨN DO UNHEARD RTS/CTS.......................................9
HÌNH 2- 3: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA KÊNH....10
HÌNH 2- 4: MẤT ĐẦU THU DO MÔI TRƯỜNG ĐA KÊNH...........................10
HÌNH 2- 5: DEAFNESS DO ANTEN ĐỊNH HƯỚNG.......................................11
HÌNH 2- 6: VẤN ĐỀ CHẶN ĐẦU ĐƯỜNG DÂY..............................................11
HÌNH 2- 7: IEEE 802.11 PSM..............................................................................12
HÌNH 2- 8: CÁC CHẾ ĐỘ CỦA ANTEN............................................................13
HÌNH 2- 9: CÁC CHẾ ĐỘ TRUYỀN TRONG MMAC-DA..............................14
HÌNH 2- 10: Ý TƯỞNG VỀ GIAO THỨC MMAC-DA.....................................15

HÌNH 2- 11: VÍ DỤ VỀ MMAC-DA....................................................................20
HÌNH 3- 1: SƠ ĐỒ MARKOV.............................................................................21
HÌNH 3- 2: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT....................................................................23
HÌNH 3- 3: THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO SỐ NODE...........................25
HÌNH 3- 4: THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO ATIM WINDOW SIZE......26
HÌNH 3- 5; SO SÁNH THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO TỐC DỘ GÓI
TỚI......................................................................................................................... 28
HÌNH 3- 6: SO SÁNH THỜI GIAN TRỄ THAY ĐỔI THEO TỐC ĐỘ GÓI
TỚI......................................................................................................................... 29
HÌNH 3- 7: SO SÁNH HIỆU SUẤT SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG......................30


DANH MỤC CÁC BẢNG BI
BẢNG 1- 1: CÁC CHUẨN IEEE 802.11................................................................4
Y

BẢNG 2- 1: NIL CỦA NODE S............................................................................16
BẢNG 2- 2: CUL CỦA S VÀ D.............................................................................18

BẢNG 3- 1: CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG......................................................24
BẢNG 3- 2: THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO SỐ NODE..........................25
BẢNG 3- 3: THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO ATIM WINDOW SIZE.....27
BẢNG 3- 4: SO SÁNH THỜI GIAN TRỄ GIỮA HAI GIAO THỨC...............29
BẢNG 3- 5: SO SÁNH HIỆU SUẤT SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIỮA HAI
GIAO THỨC.......................................................................................................... 31


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACK

Acknowledgement

A-ACK

ATIM Acknowledgement

A-RES

ATIM Reservation

ATIM

Announcement Traffic Indication Message

CCH

Control Channel

CSMA-CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

CTS

Clear To Send

CUL

Channel Usage List

DCF

Distributed Coordination Function

DCH

Data Channel

DNAV

Directional Network Allocation Vector

E-Tx

Extended Transmission

MAC

Medium Access Control

MMAC-DA

Multichannel MAC using Directional Antenna

NIL

Neighbor Information List

N-Tx

Normal Transmission

PSM

Power Saving Mechanism

RTS

Request To Send


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/52

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC VÀ CHUẨN IEEE
802.11

1.1 Giới thiệu về mạng adhoc
1.1.1 Mạng adhoc không dây
Mạng tùy biến không dây (Wireless adhoc network) là một tập hợp gồm nhiều hơn
một thiết bị/nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà
không cần sự hỗ trợ của một sự quản trị trung tâm nào. Mỗi nút trong một mạng tùy
biến không dây hoạt động vừa như một máy chủ vừa như một thiết bị định tuyến.
Adhoc được mong đợi là một cuộc cách mạng vô tuyến : bổ sung cho các mô hình
mạng truyền thống (internet, thông tin vệ tinh…). Dựa trên công nghệ adhoc, các
thiết bị cầm tay (điện thoại di động, laptop…) và các thiết bi cố định (các trạm cơ
sở, các điểm truy cập internet không dây…) có thể được kết nối với nhau và tạo

thành mạng toàn cầu.

Hình 1- 1: Mạng adhoc

1.1.2 Đặc điểm và ứng dụng
Một số đặc điểm chính của mạng adhoc:

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/52

- Mỗi máy chủ không chỉ đóng vai trò là một hệ thống cuối cùng mà còn hoạt động
như một hệ thống trung gian.
- Mọi nút mạng đều có khả năng di động.
- Topo mạng thay đổi theo thời gian.
- Các nút di động sử dụng nguồn năng lượng pin có hạn.
- Băng thông trong thông tin vô tuyến hẹp.
- Chất lượng kênh luôn thay đổi .
- Không có thực thể tập trung , nói cách khác là mạng phân bố.
Công nghệ adhoc cho thấy những lợi thế vượt trội: vẫn có thể thực hiện liên lạc
thông tin giữa các vùng miền khi xảy ra thiên tai (động đất, lũ,…) trong khi mà các
trạm cơ sở của mạng tế bào hay các thiết bị truyền thông tin cố định bị phá hủy
không thể thực hiện truyền thông tin. Những ứng dụng chủ yếu của mạng adhoc:
- Mạng không đồng nhất (Heterogeneous network): mạng adhoc phổ biến được hợp
thành từ các thiết bị không đồng nhất. Ví dụ: các thiết bị như điện thoại di động,
laptop… có thể liên lạc với nhau qua mạng ad hoc.
- Di động: mạng adhoc trong đó các nút mạng là điện thoại di động.
- Mạng tán xạ tương đối: do các nút của mạng rất gần nhau (bị tán xạ về mặt địa lý )

cần thiết có mạng này.
1.2 Chuẩn IEEE 802.11[1]
1.1.3 Quá trình ra đời và phát triển
IEEE 802.11 là một tập các chuẩn của tổ chức IEEE bao gồm các đặc tả kỹ thuật
liên quan đến hệ thống mạng không dây. Chuẩn IEEE 802.11 mô tả một giao tiếp
sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận tín hiệu giữa một thiết bị không dây và tổng
đài hoặc điểm truy cập (access point), hoặc giữa 2 hay nhiều thiết bị không dây với
nhau (mô hình adhoc).
Chuẩn 802.11 cũng như các chuẩn khác trong họ IEEE 802, nó tập trung vào 2 tầng
thấp nhất trong mô hình OSI – là tầng vật lý (physical) và tầng liên kết dữ liệu
(datalink). Do đó, tất cả hệ thống mạng theo chuẩn 802 đều có 2 thành phần chính là
MAC (Media Access Control) và PHY (Physical). MAC là một tập hợp các luật
Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/52

định nghĩa việc truy xuất và gửi dữ liệu, còn chi tiết của việc truyền dẫn và thu nhận
dữ liệu là nhiệm vụ của PHY.
Năm 1997, IEEE đã giới thiệu một chuẩn đầu tiên cho WLAN. Chuẩn này được gọi
là 802.11 sau khi tên của nhóm được thiết lập nhằm giám sát sự phát triển của nó.
Tuy nhiên, 802.11 chỉ hỗ trợ cho băng tần tối đa lên đến 2 Mbps – quá chậm đối với
hầu hết các ứng dụng.
IEEE đã mở rộng trên chuẩn 802.11 gốc vào tháng 7 năm 1999, tạo ra chuẩn
802.11b. Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương đương với Ethernet
truyền thống. Các thiết bị 802.11b có thể bị xuyên nhiễu từ các thiết bị điện thoại
không dây, lò vi sóng hoặc các thiết bị khác sử dụng cùng dải tần 2.4 GHz.
Trong khi 802.11b vẫn đang được phát triển, IEEE đã tạo một mở rộng thứ hai cho
chuẩn 802.11 có tên gọi 802.11a. 802.11a hỗ trợ băng thông lên đến 54 Mbps và tín

hiệu trong một phổ tần số quy định quanh mức 5 GHz. Tần số của 802.11a cao hơn
so với 802.11b, chính vì vậy đã làm cho phạm vi của hệ thống này hẹp hơn so với
các mạng 802.11b. Với tần số này, các tín hiệu 802.11a cũng khó xuyên qua các
vách tường và các vật cản khác hơn.
Vào năm 2002 và 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ một chuẩn mới hơn đó là
802.11g, được đánh giá cao trên thị trường. 802.11g là một nỗ lực để kết hợp những
ưu điểm của chuẩn 802.11a và 802.11b. Nó hỗ trợ băng thông lên đến 54 Mbps và
sử dụng tần số 2.4 GHz để có phạm vi rộng. 802.11g có khả năng tương thích với
các chuẩn 802.11b, điều đó có nghĩa là các điểm truy cập 802.11g sẽ làm việc với
các adapter mạng không dây 802.11b và ngược lại.
Chuẩn 802.11n (đôi khi được gọi tắt là Wireless N) được thiết kế để cải thiện cho
802.11g trong tổng số băng thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu
không dây và các anten (công nghệ MIMO). 802.11n cung cấp băng thông tối đa lên
đến 600 Mbps.
Chuẩn 802.11ac là chuẩn được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. 802.11ac sử dụng
công nghệ không dây băng tần kép, hỗ trợ các kết nối đồng thời trên cả băng tần 2.4
GHz và 5 GHz. 802.11ac cung cấp khả năng tương thích ngược với các chuẩn

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/52

802.11b, 802.11g, 802.11n và băng thông đạt tới 1300 Mbps trên băng tần 5 GHz,
450 Mbps trên 2.4GHz.
Bảng 1- 1: Các chuẩn IEEE 802.11

1.1.4 Giao thức IEEE 802.11 MAC
IEEE 802.11 MAC được thiết kế cho hệ thống đơn kênh và dựa trên cơ chế

CSMA/CA (đa truy cập sử dụng sóng mang phòng tránh xung đột). CSMA/CA
tránh xung đột (CSMA/CD phát hiện xung đột) và sử dụng ACK để xác nhận thay
vì tùy ý sử dụng môi trường truyền khi có xung đột xảy ra.
Sử dụng ACK rất đơn giản, khi một thiết bị không dây gởi gói tin, đầu nhận sẽ đáp
ứng lại bằng ACK nếu như gói tin đó được nhận đúng và đầy đủ. Nếu đầu gởi
không nhận được ACK thì nó xem như là đã có xung đột xảy ra và truyền lại gói tin.
Các node không dây không thể truyền và nhận cùng lúc là do chính môi trường
mạng không dây còn nhiều hạn chế nên tất cả các node có thể không nhận được tất
cả các gói tin đúng chất lượng ban đầu khi gởi.
1.3 IEEE 802.11 DCF (phương pháp phân phối)[3]

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/52

1.3.1 Vấn đề đầu cuối ẩn
Vấn đề đầu cuối ẩn xảy ra khi có xung đột ở phía thu, được giải thích trong hình 12.

Hình 1- 2: Vấn đề đầu cuối ẩn[3]

Node B có thể giao tiếp với node A và node C vì node B nằm trong vùng mà node A
và C cảm nhận được, nhưng node C lại không nằm trong vùng mà node A có thể
cảm nhận. Giả sử như node A có dữ liệu muốn truyền cho B, trong khi đó C cũng có
dữ liệu muốn truyền cho B. Xung đột xảy ra khi cả node A và C cùng truyền dữ liệu
một cách đồng thời cho node B, node A và C không nằm trong phạm vi cảm nhận
của nhau nên không phát hiện được va chạm. Để giải quyết vấn đề này, người ta sẽ
sử dụng các gói RTS/CTS – Request To Send/ Clear To Send trước mỗi lần truyền
để cảnh báo các node lân cận, sẽ được đề cập trong phần 1.3.2.

1.3.2 Cơ chế hoạt động
IEEE 802.11 Distributed Coordination Function (DCF) sử dụng cảm biến sóng
mang ảo (Virtual Carrier Sense) trong CSMA/CA để cảm nhận môi trường rỗi hay
bận.
IEEE 802.11 DCF sử dụng các khoảng thời gian giữa các khung (IFS) để điều khiển
môi trường truy cập. Trong đó, SIFS là khoảng thời gian ngắn nhất và DIFS là
khoảng thời gian dài nhất. Một node có thể thực hiện việc truyền dữ liệu nếu môi
trường được cảm nhận là rỗi trong khoảng thời gian lớn hơn DIFS. Nếu môi trường
Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/52

bận thì nó sẽ trì hoãn cho tới khi một khoảng thời gian lớn hơn DIFS được phát hiện
và nó sẽ tạo một giá trị đếm ngược ngẫu nhiên (random back-off) trước mỗi lần
truyền. Một node có thể thực hiện việc truyền khi giá trị giảm về 0.
Giá trị của biến đếm được chọn trong khoảng từ (0, w-1), khoảng này cũng được
gọi là Contention Window - cửa sổ tranh chấp (CW). Sau mỗi lần truyền không
thành công, giá trị w sẽ được nhân đôi, Wi= 2mW0 (Wi là contention window thứ i).
Sau khi nhận được dữ liệu thành công, node đích sẽ chờ một khoảng SIFS rồi gửi
ACK trở lại node nguồn nhằm xác nhận việc đã nhận được gói dữ liệu. Trong
trường hợp node nguồn không nhận được một ACK thì nó sẽ hiểu là đã xảy ra mất
gói, node nguồn sẽ nhân đôi contention window và thực hiện gửi lại gói tin.
Để tránh vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn và giảm thiểu nguy cơ xung đột do các thiết bị
cùng truyền trong cùng thời điểm, người ta sử dụng cơ chế RTS/CTS – Request To
Send/ Clear To Send. Ví dụ nếu node A muốn truyền dữ liệu đến B, nó sẽ gửi 1
khung RTS đến B, B nhận được tin và gửi lại khung CTS, để thông báo sẵn sàng
nhận dữ liệu từ A, đồng thời không thực hiện truyền dữ liệu với các thiết bị khác
cho đến khi A truyền xong cho B. Lúc đó các thiết bị khác nhận được thông báo

cũng sẽ tạm ngừng việc truyền thông tin đến A, B. Cơ chế RTS/CTS đảm bảo tính
sẵn sàng giữa 2 điểm truyền dữ liệu và giải quyết vần đề thiết bị đầu cuối ẩn.

Hình 1- 3: Cơ chế hoạt động của 802.11 DCF

Khi việc truyền nhận dữ liệu diễn ra, các node lân cận dựa vào việc overheard các
gói tin RTS/CTS sẽ thiết lập các khoảng vectơ phân bố mạng (NAV). Ví dụ như
trong hình 1-3, giả sử ta có một node C nằm trong phạm vi truyền của A
Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/52

(transmitter), khi A gửi gói RTS tới B thì C có thể overheard được và dựa vào thông
tin đó C sẽ thiết lập khoảng NAV. Tương tự như vậy, node D nằm trong phạm vi
truyền của B (receiver) cũng thiết lập khoảng NAV khi nó overheard gói CTS mà B
gửi lại cho A. Khoảng NAV biểu thị khoảng thời gian mà các node lân cận defer (trì
hoãn) việc cảm nhận và kết nối với môi trường truyền giúp cho việc truyền nhận
giữa bộ phát và thu không xảy ra va chạm (collision).

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/52

CHƯƠNG 2.

GIAO THỨC MMAC-DA[2]

1.3 Giới thiệu
IEEE 802.11 MAC được thiết kế cho hệ thống đơn kênh (single channel) và dựa
vào cơ chế CSMA/CA. Thông lượng của mạng bị giới hạn bởi băng thông của hệ
thống đơn kênh và giao thức MAC dùng cảm biến sóng mang gây ra nhiều vấn đề
về nghẽn kênh truyền hoặc mất gói. Bằng việc khai thác đa kênh (multiple channel)
và sử dụng anten định hướng (directional antenna), các node nằm trong vùng lân
cận của nhau có thể giao tiếp đồng thời trên nhiều kênh. Điều này làm tăng việc tái
sử dụng không gian trong mạng không dây, do đó cũng làm tăng hiệu suất mạng.
Trong đề tài này, chúng ta đề xuất giao thức MMAC-DA (multi-channel MAC using
Directional Antenna) sử dụng cơ chế của IEEE 802.11 PSM (cơ chế tiết kiệm năng
lượng), khai thác tài nguyên đa kênh và anten định hướng. Tương tự các giao thức
MMAC và H-MMAC, MMAC-DA sử dụng cửa sổ ATIM window trao đổi các gói
điều khiền để lựa chọn kênh dữ liệu (data channel). Ngoài ra, các node cũng sử
dụng cấu trúc dữ liệu để lưu giữ trạng thái của các node lân cận và các kênh đang có
sẵn.
1.4 Các vấn đề trong môi trường đa kênh và anten định hướng
1.1.5 Phát hiện lân cận
Phát hiện lân cận là một trong những vấn đề cốt lõi trong mạng không dây dùng
anten định hướng. Một node cần phải xác định phía thu để có thể beamform tới nó.
Việc hai node không thể beamform lẫn nhau gây ra rất nhiều khó khăn cho việc
truyền nhận dữ liệu. Một node có thể có thông tin về các node lân cận thông qua
việc overheard gói tin RTS/CTS. Dựa vào việc overheard RTS/CTS, môt node có
thể biết được góc tới (AoA) cũng như công suất của phía thu, qua đó nó có thể ước
tính hướng và khoảng cách tới các node lân cận của nó.
1.1.6 Vấn đề đầu cuối ẩn trong môi trường đa kênh

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/52

Một node ẩn không nhận ra việc truyền nhận dữ liệu đang diễn ra mà vẫn gửi gói có
thể gây ra va chạm với quá trình truyền đang diễn ra. Vấn đề đầu cuối ẩn có thể do
nguyên nhân độ lợi anten bất đối xứng hoặc unheard RTS/CTS.

Hình 2- 1: Đầu cuối ẩn do độ lợi anten bất đối xứng[2]

Trong hình 2-1, khi node A đang trong chế độ đa hướng (omnidirectional) với độ lợi
G0, nó không thể nào overhead DRTS (directional RTS) từ node D. Khi node C
truyền dữ liệu tới node D trong chế độ định hướng với độ lợi G d, node A có dữ liệu
muốn truyền tới B. Node A bắt đầu gửi gói DRTS tới B. Gói DRTS của node A có
thể va chạm với dữ liệu mà C gửi cho D.

Hình 2- 2: Đầu cuối ẩn do unheard RTS/CTS[2]

Trong hình 2-2, khi node A và B đang truyền nhận dữ liệu thì node C và D thực
hiện việc trao đổi (handshake) directional RTS/CTS. Node B không thể overheard
DCTS từ D. Sau khi hoàn thành việc truyền nhận với A, node B có dữ liệu muốn
gửi cho C. DRTS của B sẽ va chạm với dữ liệu mà C gửi cho D.

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/52

Hình 2- 3: Vấn đề đầu cuối ẩn trong môi trường đa kênh[2]

Vấn đề đầu cuồi ẩn trong môi trường đa kênh được trình bày trong hình 2-3. Khi
node A và B đang truyền nhận dữ liệu trên kênh 2, node C và D thực hiện trao đổi
RTS/CTS để chọn kênh 1. Sau khi hoàn thành quá trình truyền, cả node A và B
chuyển trở lại kênh điều khiển (control channel) và thực hiện trao đổi RTS/CTS để
chuẩn bị cho lần truyền khác. Do node A và B không thể overheard RTS/CTS từ
node C và D, A và B có thể chọn trùng kênh 1. Các gói dữ liệu của A và B sẽ va
chạm với các gói dữ liệu của C và D.
1.1.7 Vấn đề mất đầu thu, deafness và chặn đầu dường dây

Hình 2- 4: Mất đầu thu do môi trường đa kênh[2]

Vấn đề mất đầu thu (missing receiver) trong môi trường đa kênh và vấn đề deafness
khi sử dụng anten định hướng xảy ra khi phía phát thất bại trong việc giao tiếp với

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/52

phía thu. Trong hình 2-4, node A và B không thể overheard RTS/CTS của node C và
D do A, B đang nằm trên kênh 2. Sau khi hoàn thành việc truyền dữ liệu với B,
node A có dữ liệu muốn truyền cho C. Node A bắt đầu gửi RTS cho C. Tuy nhiên,
do C đang nằm trên kênh 1 nên nó không thể nhận được RTS từ A và gửi lại CTS.
Node A nhân đôi contention window (CW) và gửi lại RTS cho tới khi đạt tới giới
hạn thử lại (retry limit).

Hình 2- 5: Deafness do anten định hướng[2]

Anten định hướng có thể là nguyên nhân gây ra vấn đề deafness như trong hình 2-5.

Node A (không overheard DRTS/DCTS của B và C) gửi DRTS tới B. Kể từ lúc
node B beamform tới C, nó không thể nhận DRTS từ A và gửi lại DCTS tới node A.
Node A không nhận được DCTS từ B trước lúc hết thời gian. Node A nhân đôi
contention window và gửi lại DRTS cho tới khi đạt tới giới hạn thử lại.

Hình 2- 6: Vấn đề chặn đầu đường dây[2]

Khi gói dữ liệu đầu bị chặn (bởi khoảng DNAV hoặc do mất đầu thu, deafness), các
gói dữ liệu khác cũng bị chặn. Điều đó gây ra vấn đề chặn đầu đường dây (Head of

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/52

Line blocking). Trong hình 2-6, node A có dữ liệu truyền cho B và D. Do node B
đang truyền dữ liệu cho C nên node A không thể gửi dữ liệu cho B. Do các gói dữ
liệu của B là các gói dữ liệu đầu nên node A cũng không thể gửi dữ liệu cho D mặc
dù hướng của D không bị chặn.
1.5 IEEE 802.11 PSM ( cơ chế tiết kiệm năng lượng)
Trong IEEE 802.11 PSM, gói ATIM được sử dụng để quản lý năng lượng. Tất cả
các node được đồng bộ hóa bởi các khoảng báo hiệu định kì. Thời gian được chia
thành các khoảng báo hiệu (beacon interval), và khoảng ATIM window là khoảng
bắt đầu cho mỗi khoảng báo hiệu. Tất cà các node đều phải thức trong suốt khoảng
ATIM window. Trong khoảng ATIM window, node nguồn S và node đích D thực
hiện trao đổi gói ATIM-Request/ATIM-Acknowledgment (ATIM-R/ATIM-A). Sau
khoảng ATIM window, node S và D bắt đầu truyền nhận các gói dữ liệu và ACK.
Những node khác không có dữ liệu để gửi hoặc nhận thì đi vào trạng thái ngủ (doze
mode). Trong trạng thái ngủ, các node sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn so với trạng thái

rỗi (idle), nhưng không thể nhận hay gửi dữ liệu. Giao thức MMAC-DA sử dụng cơ
chế của IEEE 802.11 PSM. Hoạt động của nó được mô tả trong hình 2-7.

Hình 2- 7: IEEE 802.11 PSM[1]

1.6 Các chế độ của anten
Anten có thể hoạt động ở chế độ đa hướng (omnidirectional) hoặc định hướng
(directional). Anten có thể beamform bằng một trong các hướng M (M=2 n, n ≥ 0).
Độ lợi anten trong chế độ đa hướng và định hướng là G 0 và Gd (G0 ≥ Gd). Trong

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/52

MMAC-DA, chế độ đa hướng được sử dụng khi các node trao đổi các gói tin điều
khiển (ATIM/A-ACK/A-RES) trên kênh điều khiển. Trong khi đó, chế độ định
hướng sử dụng khi truyền dữ liệu. Hơn nữa, chế độ định hướng cũng được sử dụng
để cảnh báo các node ẩn.

Hình 2- 8: Các chế độ của anten[2]

1.7 Những đề xuất về giao thức MMAC-DA
1.1.8 Ý tưởng chính
Ta giả sử một hệ thống có N kênh. Mỗi node trong hệ thống đều có một bộ thu phát
bán song công. Tất cả các node đều được đồng bộ về thời gian. Chúng ta sử dụng
cấu trúc của IEEE 802.11 PSM để chia thời gian thành những khoảng báo hiệu. Mỗi
khoảng báo hiệu lại chia thành hai khoảng là ATIM window và data window. Một
kênh được chọn là kênh điều khiển (control chanel-CCH), các kênh còn lại là kênh

dữ liệu (data channel-DCH). Trong suốt khoảng ATIM window, tất cả các node phải
nằm trên kênh điều khiển để trao đổi các gói điều khiển. Các node có thể được chọn
một trong N kênh để truyền dữ liệu trong khoảng data window. Điều đó có nghĩa là
kênh điều khiền cũng có thể được sử dụng để truyền dữ liệu trong suốt khoảng data
window.
Tất cả các node phải có mặt trên kênh điều khiển trong khoảng ATIM window,
trong khi các kênh dữ liệu khác đều trống. Điều đó làm cho tài nguyên của các kênh
Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/52

dữ liệu bị lãng phí. Vì vậy, chúng ta cho phép các node sử dụng các kênh dữ liệu
trong khoảng ATIM window. Khi tải mạng cao, một vài node trên kênh điều khiển
trao đổi các gói ATIM, trong khi các node còn lại truyền nhận dữ liệu trên các kênh
dữ liệu đã chọn.
Nói cách khác, quá trình truyền có thể mở rộng tới khoảng ATIM window tiếp theo.
Có hai chế độ truyền trong giao thức MMAC-DA là Normal (N-Tx) và Extended
(E-Tx) như trong hình 2-9. Dựa vào lưu lượng tải mạng cao hay thấp, node sẽ quyết
định chế độ truyền.

Hình 2- 9: Các chế độ truyền trong MMAC-DA[2]

Trong suốt khoảng ATIM window, các node sẽ thực hiện trao đổi ba gói tin điều
khiển ATIM (ATIM/A-ACK/A-RES) trong chế độ anten đa hướng để chọn kênh dữ
liệu và truyền gói tin D-RES trong chế độ định hướng để cảnh báo các node ẩn.
Node nguồn S truyền gói ATIM bao gồm các thông tin về các kênh có sẵn. Sau khi
nhận được gói ATIM, node đích D xác định hướng truyền (beam direction) tới node
S và chọn kênh dữ liệu dựa vào hướng truyền, danh sách kênh có sẵn của chính nó

và của node S. Node nguồn D gửi lại gói A-ACK tới node S. Gói A-ACK bao gồm
thông tin về kênh dữ liệu đã chọn và hướng truyền của D tới S. Sau khi nhận AACK, node S xác nhận bằng gói A-RES. A-RES có thông tin giống với A-ACK.
Sau đó, cả node S và D truyền gói DRES theo hướng ngược lại của nó. Các node
lân cận overheard các gói A-ACK, A-RES, DRES sẽ cập nhật các cấu trúc dữ liệu.
Trước mỗi lần truyền dữ liệu, các node sẽ thực hiện trao đổi ATIM để chọn kênh dữ
liệu cũng như xác định hướng truyền. Để theo dõi trạng thái các node lân cận và sự
khả dụng của các kênh dữ liệu, mỗi node sẽ duy trì các cấu trúc dữ liệu của nó, gọi
Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/52

là Neighbor Information List (NIL) và Channel Usage List (CUL). NIL chứa các
thông tin về các node lân cận, còn CUL cho thấy các kênh khả dụng. Những ý
tưởng về giao thức MMAC-DA được mô tả trong hình 2-10.

Hình 2- 10: Ý tưởng về giao thức MMAC-DA[2]

Phần lớn các vấn đề của MAC đa kênh đều được giải quyết thông qua trao đổi
ATIM trong khoảng ATIM window. Một node có thông tin về trạng thái các node
lân cận bằng việc overheard các gói tin ATIM/A-ACK/A-RES/DRES và duy trì
NIL. NIL cũng giúp giải quyết vấn đề mất đầu thu. Nhằm tránh vấn đề đầu cuối ẩn
và deafness, gói ATIM được truyền trong chế độ anten đa hướng, còn gói DRES
được truyền trong chế độ anten định hướng trong khoảng ATIM window. Tuy nhiên,
MMAC-DA không giải quyết được vấn đề chặn đầu đường dây.
1.1.9 Neighbor Information List (NIL)
NIL được sử dụng để lưu trữ trạng thái của các node lân cận thông qua giá trị
Next_ATIM. Bảng 2-1 là một ví dụ về NIL của node S.

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/52

Bảng 2- 1: NIL của node S

Giá trị Next_ATIM = 0 có nghĩ là node lân cận đó đang có sẵn trên kênh điều khiển
tại khoảng ATIM hiện tại. Nói cách khác, node đó đang truyền trên kênh dữ liệu
(chế độ E-Tx) hoặc đã thực hiện trao đổi ATIM với node khác. Một node không thể
thực hiện trao đổi ATIM với node khác nếu giá trị ATIM của node lân cận đó không
bằng 0.
Bằng cách overheard các gói tin A-ACK/A-RES/DRES từ một node lân cận, chế độ
truyền (Tx) sẽ được xác định. Node cập nhật NIL của nó bằng Thuật toán 1.
*Thuật toán 1: Cập nhật NIL của A trong mỗi ATIM window
/*At the beginning of ATIM window*/
Next_ATIM ← Next_ATIM - 1 for all neighbors in NIL
if Node A is on the data channel then
for All neighbor node i do
if Next_ATIM[i] == 0 then
Next_ATIM[i] ← 2 /*E-Tx assumption*/
end if
end for
else
repeat
if Receives A-ACK/A-RES/DRES from node i then
/*Determines the Tx mode and updates NIL*/
if N-Tx mode then
Next_ATIM[i] ← 1

else
Next_ATIM[i] ← 2

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/52

end if
Updates CUL for the corresponding DCH
end if
until ATIM window ends
end if
Chế độ truyền N-Tx nghĩa là node lân cận đang trên kênh điều khiển trong khoảng
ATIM window tiếp theo, tương ứng Next_ATIM = 1. Một node nằm trên kênh điều
khiển ở hai khoảng ATIM window kế tiếp là chế độ truyền E-Tx và có giá trị
Next_ATIM = 2. Nếu môt node nằm trên kênh dữ liệu trong khoảng ATIM, nó sẽ bỏ
lỡ tất cả các gói tin điều khiển. Vì vậy, ta giả sử tất cả các node nằm trên kênh điều
khiển (có Next_ATIM = 0) sẽ sử dụng chế độ E-Tx (Next_ATIM được cập nhật
thành 2).
1.1.10 Channel Usage List (CUL)
Mỗi node duy trì các cấu trúc dữ liệu lưu trữ những thông tin về các kênh có sẵn,
gọi là Channel Usage List (CUL). CUL chứa thông tin về các hướng có sẵn của mỗi
kênh. CUL được cập nhật bằng cách overheard các gói tin A-ACK, A-RES và
DRES. Bảng 2-2 cho thấy ví dụ về CUL của node S và node D. Node S có hai
hướng là 2 và M có sẵn trên kênh điều khiển. Trong một vài trường hợp, node S
không biết được vị trí của node D, vì vậy nó gửi kèm CUL trong gói ATIM mà nó
gửi tới D.
Bảng 2- 2: CUL của S và D

Khi node D nhận được CUL của S nó sẽ thực hiệp tiếp các bước sau:
- Bước 1: Node D xác định hướng mà nó beamform tới node S (beam DS) dựa vào
thông tin nhận được trong gói ATIM. Ví dụ, node D sẽ sử dụng hướng #4 để giao
tiếp với S, beamDS = 4.
Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/52

- Bước 2: Node D cũng xác định beam SD, là hướng mà node S beamform tới D,
beamSD = M.
- Bước 3: Node D chọn một kênh dữ liệu chung dựa vào beam DS, beamSD, CUL của S
và CUL của chính nó (bảng 2-2) thông qua Thuật toán 2 (sẽ được đề cập bên dưới).
Kênh điều khiển (CCH) sẽ được chọn cùng với beamDS = 4.
- Bước 4: Node D gửi gói A-ACK bao gồm thông tin về kênh đã chọn và hướng
truyền (beamDS) tới S.
*Thuật toán 2: Chọn kênh dữ liệu và hướng truyền
if Receives ATIM(CUL) from node S then
Determines beamDS and beamSD
for Data channel i do
if beamDS and beamSD of DCH[i] exist in CUL of
nodes D and S, respectively then
Select_DCH = i
Select_beam = beamDS
Break for loop
end if
end for
Sends A-ACK including Select_DCH and Select_beam

end if
Trong giao thức MMAC-DA, chúng ta không nhận được lợi ích của anten định
hướng về phạm vi truyền. Cả node nguồn và đích đều trong phạm vi truyền của chế
độ anten đa hướng. Tuy nhiên, chúng ta nhận được những lợi ích của anten định
hướng về tốc độ truyền dữ liệu và tái sử dụng không gian.
1.8 Nguyên lý hoạt động của giao thức MMAC-DA
Hoạt động của giao thức MMAC-DA được mô tả trong hình 2-10.
Phương pháp của MMAC-DA được giải thích thành các bước như sau:
- Bước 1: Trong khoảng ATIM window, node S kiểm tra trạng thái của node D trong
NIL của nó. Nếu node D đang có sẵn, node S tranh chấp kênh điều khiển để gửi gói

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/52

ATIM. Gói ATIM bao gồm CUL và chế độ truyền Tx được gửi tới D trong chế độ
anten đa hướng.
- Bước 2: Sau khi nhận được gói ATIM, node D xác định hướng truyền tới S và
chọn kênh dữ liệu dựa vào các hướng xác định (beam DS, beamSD), CUL của S và
CUL của chính nó. Sau đó, node D gửi lại gói A-ACK bao gồm kênh dữ liệu đã
chọn và hướng truyền tới S.
- Bước 3: Node S xác nhận kênh dữ liệu đã chọn và hướng truyền bằng cách gửi lại
gói A-RES (chứa thông tin giống với A-ACK).
- Bước 4: Cả node S và D truyền gói DRES trong chế độ anten định hướng theo
hướng ngược lại của nó.
- Bước 5: Các node lân cận overheard các gói A-ACK/A-RES/DRES thì cập nhật
CUL của các node đó.
- Bước 6: Trong khoảng data window, node S và D chuyển tới kênh dữ liệu đã chọn

và truyền nhận dữ liệu không xảy ra va chạm. Các node khác không trao đổi các gói
ATIM thì đi vào chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng.
Hình 2-11 cho thấy một ví dụ về hoạt động của MMAC-DA. Trong khoảng ATIM
window, node C và D kết nối tới kênh điều khiển và trao đổi các gói ATIM thành
công để chọn kênh điều khiển cho việc truyền dữ liệu. Node B overheard các gói ARES, DRES từ C và cập nhật CUL của nó (B biết rằng hướng truyền tới node A trên
kênh điều khiển là không có sẵn). Khi node A và B trao đổi các gói ATIM, cả hai
node không thể chọn kênh điều khiển. Vì vậy, A và B chọn kênh dữ liệu 1 để truyền
dữ liệu. Tuy nhiên, node G và H cũng có thể chọn kênh dữ liệu 1 vì hai node nằm ở
hướng truyền khác. Tiếp tục như thế, node E và F chọn kênh dữ liệu 2 để truyền dữ
liệu. Trog khoảng data window, node C và D vẩn ở trên kênh điều khiển, còn A,B,G
và H chuyển tới kênh dữ liệu 1. Node E và F chuyển tới kênh dữ liệu 2.

Giao thức MMAC-DA trong mạng adhoc không dây