Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Phạm Văn Cường

PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
THEO THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM
TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2019


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Phạm Văn Cường

PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
THEO THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM
TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET

Ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGUYỄN VĂN TAM

Thái Nguyên - 2019


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Phương pháp tiếp cận theo thiết
kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng cho mạng MANET” tôi đã nhận được
sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ
thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên để hoàn thành luận văn này.
Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám hiệu,
phòng Đào tạo, Khoa Công nghệ thông tin, các thầy giáo, cô giáo thuộc Trường
Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tham
gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến Thầy PGS. TS. Nguyễn Văn Tam người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để
tôi hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động
viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có
thể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót. Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng
góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được
hoàn thiện.
Thái Nguyên, ngày … tháng …. năm 2019
Học viên

Phạm Văn Cường


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ ỨNG DỤNG ................. 4
1.1. Giới thiệu về mạng MANET....................................................................... 4

1.1.1. Định nghĩa và đặc trưng của mạng MANET ....................................... 4
1.1.2. Đặc điểm của mạng MANET............................................................... 6
1.1.3. Ứng dụng của mạng MANET.............................................................. 7
1.2. Một số công nghệ của mạng MANET ......................................................11
1.2.1 Các đặc tả của IEEE 802.11................................................................11
1.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth.........................................................12
1.2.3. Mô hình kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b............................14
1.2.4. Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b ........................................................16
1.2.6. Mạng ad-hoc Bluetooth......................................................................21
1.3. Định tuyến trong mạng MANET ..............................................................23
1.3.1. Những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến trong mạng MANET
......................................................................................................................23
1.3.2. Giao thức định tuyến AODV .............................................................24
1.4. Kết luận Chương 1 ....................................................................................33
CHƯƠNG 2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG
TRONG MẠNG MANET....................................................................................36
2.1. Tổng quan về thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng...............36
2.2 Phương pháp tối ưu hóa năng lượng trên cơ sở cường độ tín hiệu nhận ...38
2.2.1. Cơ chế hội thoại năng lượng ..............................................................39
2.2.2. Loại bỏ các liên kết một chiều ...........................................................41
2.2.3. Khám phá đường tin cậy ....................................................................44
2.3. Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến.........46
2.3.1. Khởi tạo mạng....................................................................................47
2.3.2. Đăng ký mạng ....................................................................................52


2.3.3. Độ đo giá của đường ..........................................................................53
2.3.4. Quá trình hoạt động............................................................................55
2.4. Phương pháp định tuyến trên cơ sở nhận biết chất lượng liên kết............55
2.4.1. Thuật toán chuyển tiếp RREQ ...........................................................56

2.4.2. Định tuyến đầu cuối có nhận biết chất lượng liên kết .......................59
2.5. Tổng kết chương 2 ....................................................................................62
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM TỐI ƯU HÓA NĂNG
LƯỢNG TRONG MẠNG MANET ....................................................................64
3.1. Kiến trúc xuyên tầng trong giao thức CLPC.............................................64
3.2. Điều khiển động năng lượng truyền..........................................................66
3.2. Tiến trình tìm đường .................................................................................68
3.3. Tiến trình tìm lại đường ............................................................................71
3.4. Phân tích và đánh giá hiệu năng của giao thức CLPC..............................73
3.4.1. Các độ đo hiệu năng...........................................................................73
3.4.2. Cấu hình mô phỏng ............................................................................73
3.4.3. Phân tích hiệu năng theo tốc độ di chuyển của nút mạng..................74
3.4.4. Phân tích hiệu năng theo kích cỡ mạng .............................................80
3.5. Kết luận Chương 3 ....................................................................................84
KẾT LUẬN ..........................................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................87


1

MỞ ĐẦU
Mặc dù ý tưởng nghiên cứu về mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) có
từ những năm 70 của thế kỷ XX khi nghiên cứu về công nghệ Mobile Packet
Radio, hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề về mạng MANET dành được sự quan
tâm của cộng đồng nghiên cứu như: bài toán định tuyến, tối ưu hóa tầng vật lý và
tầng MAC, khả năng tự cấu hình, các vấn đề về an ninh, các ứng dụng và dịch vụ
mới cho mạng ad hoc cùng kiến trúc của chúng …
Một mạng MANET làm việc trên nguyên lý quảng bá theo từng chặng từ
một nút nguồn tới các nút láng giềng nằm trong phạm vi truyền thông của nó.
Các vấn đề liên quan tới năng lượng truyền thông là những vấn đề phổ biến ảnh

hưởng tới chức năng của mạng không dây phi cấu trúc. Nó liên quan tới toàn bộ
các tầng trong ngăn xếp giao thức, từ tầng vật lý tới tầng chuyển vận làm phát
sinh ba vấn đề chính: độ trễ cao, mất gói tin và thông lượng thấp.
Do các tính chất khác biệt của mạng MANET so với mạng truyền thống,
có nhiều thách thức cần được giải quyết từ các nhà nghiên cứu và triển khai công
nghệ mạng này. Để góp phần giải quyết những vấn đề là thách thức của mạng
MANET, giao thức định tuyến sử dụng trong mạng này cần đảm bảo được yêu
cầu tối thiếu hoá tải điều khiển và tải xử lý, hỗ trợ định tuyến đa chặng, đáp ứng
những thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp.
Khi một giao thức được thiết kế theo nguyên tắc phân tầng, hoạt động của
giao thức này chỉ tập trung vào một tầng cụ thể nào đó mà không xem xét tới các
tham số từ các tầng khác của trong mô hình ngăn xếp giao thức. Vì vậy, hoạt
động của các giao thức chỉ đạt mục tiêu tại tầng mà nó được thiết kế chứ không


2

tối ưu cho vấn đề điều khiển năng lượng truyền thông gây ảnh hưởng tới hiệu
năng của toàn mạng.
Đã có nhiều cải tiến nghiên cứu được đề xuất nhằm cải tiến các giao thức
định tuyến cho mạng MANET. Tuy nhiên, mỗi đề xuất cải tiến chỉ áp dụng cho
một giao thức định tuyến hoặc một nhóm các giao thức có chung chiến lược định
tuyến nhất định. Các so sánh đánh giá về hiệu năng của các giao thức đã cải tiến
so với các giao thức ban đầu cũng chỉ tập trung vào một số mô hình toán học và
kịch bản mô phỏng nhất định đối với mạng MANET. Vì vậy, trong từng ngữ
cảnh triển khai mạng MANET với các yêu cầu cụ thể, cần lựa chọn, cải tiến và
sử dụng giao thức định tuyến một cách phù hợp.
Đề tài này tập trung nghiên cứu vào một số phương pháp và kỹ thuật cải
tiến giao thức định tuyến dành cho mạng MANET trên cơ sở phương pháp tiếp
cận xuyên tầng nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong truyền thông để

nâng cao hiệu năng mạng. Trong đó, tập trung vào phương pháp sử dụng thông
tin về độ mạnh của tín hiệu thu được (RSS) từ tầng vật lý để xây dựng cơ chế
điều khiển năng lượng truyền động tích hợp vào giao thức AODV tại tầng định
tuyến nhằm tối ưu việc sử dụng năng lượng tại các nút mạng và tăng độ tin cậy
truyền thông.
Cấu trúc luận văn được trình bày như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về
mạng MANET và các ứng dụng của mạng này. Các đề xuất tối ưu hóa năng
lượng trong mạng MANET sẽ được trình bày trong Chương 2. Thiết kế, thuật
toán, mô phỏng, phân tích và đánh giá của giao thức CLPC tiếp cận theo hướng
xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET được trình bày


3

trong Chương 3. Cuối cùng là phần kết luận đưa ra những tổng kết và hướng
phát triển của luận văn.


4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ ỨNG DỤNG
1.1. Giới thiệu về mạng MANET
1.1.1. Định nghĩa và đặc trưng của mạng MANET
Theo định nghĩa của Tổ chức IETF (Internet Engineering Task Force),
MANET ( Mobile Ad-hoc Network) còn được gọi là Mạng ad hoc không dây di
động là một vùng tự trị (Autonomous System) của các bộ định tuyến được kết
nối với nhau bằng liên kết không dây. Mỗi nút mạng vừa đóng vai trò là thiết bị
đầu cuối vừa đóng vai trò là bộ định tuyến. Các nút có thể di chuyển một cách tự
do làm cho kiến trúc của mạng thay đổi liên tục.

Hình 1.1. Minh họa mạng MANET
Như vậy có thể thấy mạng MANET bao gồm tập các nút không dây di
động có thể trao đổi dữ liệu một cách linh động mà không cần sự hỗ trợ của trạm
cơ sở cố định hoặc mạng có dây. Mỗi nút di động có một phạm vi truyền giới
hạn, do đó chúng cần sự trợ giúp của các nút láng giềng để chuyển tiếp các gói
dữ liệu.


5

Hình 1.1 là một ví dụ minh họa cho một mạng MANET. Trong ví dụ này,
các gói tin từ nút nguồn là một máy tính cần chuyển tới một nút đích là một điện
thoại thông minh không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn. Vì vậy, cần có
sự trợ giúp của các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút
đích. Để thực hiện được công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức
định tuyến phù hợp cho mạng MANET.
Trong mạng MANET, liên kết giữa các nút mạng được đặc trưng bởi
khoảng cách giữa các nút và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng mặc dù là
tạm thời. Để triển khai thành công được mạng MANET, thiết kế và công nghệ
mạng phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
 Đảm bảo kết nối khi nút mạng di chuyển: Khoảng cách giữa các nút hoặc
trạng thái ở gần nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng. Chỉ cần hai hoặc
nhiều nút chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng
ad-hoc. Chính sự chuyển động làm cho khoảng cách giữa các nút thay đổi gây
ra bản chất đặc biệt (ad-hoc) của mạng.
 Tính sẵn sàng hợp tác: Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải sẵn sàng hợp
tác để tạo thành mạng. Nói cách khác, tự bản thân nút quyết định “online”
hay “offline”.
 Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng ad-hoc được
xác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách nhất định.

Một nút luôn có xu hướng tham gia hay biến mất khỏi mạng. Do đó, mạng
được coi là tạm thời. Hơn nữa, do không có một cơ sở hạ tầng mạng cho
trước, các nút trong mạng phải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-topeer).


6

1.1.2. Đặc điểm của mạng MANET
Do MANET là một mạng không dây hoạt động không cần sự hỗ trợ của hạ
tầng mạng cơ sở trên cơ sở truyền thông đa chặng giữa các thiết bị di động vừa
đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định tuyến nên mạng
MANET còn có một số đặc điểm nổi bật sau [2]:
 Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu
trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở
những thời điểm không xác định trước. Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng
MANET có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều.
 Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thông
nhỏ hơn so với các liên kết có dây. Ngoài ra, do ảnh hưởng của cơ chế đa truy
cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông thực của
các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo
lý thuyết của môi trường truyền không dây.
 Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng MANET
có thể là một bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một máy tính xách
tay. Thông thường các thiết bị này có tài nguyên hạn chế so với các máy tính
trong mạng có dây và không dây truyền thống về tốc độ xử lý, dung lượng bộ
nhớ và năng lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút.
 Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tác
động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với
mạng có dây. Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật
trong mạng như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ triển

khai trong mạng MANET hơn là trong mạng có dây truyền thống.


7

1.1.3. Ứng dụng của mạng MANET
Mạng MANET có rất nhiều ưu thế so với các mạng truyền thống về mặt
ứng dụng trong những điều kiện khó có thể triển khai được một cơ sở hạ tầng
mạng cố định hoặc việc triển khai là không khả thi do những lý do về mặt thực
hành (địa hình,…) hoặc do những lý do về kinh tế (chi phí cáp trong một không
gian lớn, chi phí thiết lập nhiều điểm truy cập)..
 Ứng dụng trong quân đội
Những thành tựu mới của công nghệ thông tin thường được áp dụng trong
quân sự đầu tiên, và mạng không dây kiểu không cấu trúc cũng không phải là
một ngoại lệ. Nhiều năm nay, quân đội đã sử dụng các mạng “packet radios” –
một nguyên mẫu đầu tiên của mạng chuyển mạch gói không dây ngày nay.
Mạng MANET thuần túy thường tuân theo một mô hình điểm ngẫu nhiên,
các nút tự do di chuyển theo bất cứ hướng nào, với bất cứ tốc độ nào. Trong mô
hình mạng MANET cho quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên của
chúng khi chúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Xu hướng di động ở đây
là theo nhóm (group mobility)
Do đó, nếu đưa ra được một mô hình chuyển động theo nhóm, các vấn đề
của mạng MANET sẽ trở nên cụ thể hơn (ví dụ: định tuyến, sử dụng các ứng
dụng thời gian thực như tiếng nói, video,…), cho phép phát triển một giải pháp
tối ưu.
 Các ứng dụng trong cuộc sống


8

Mạng MANET rất lý tưởng trong các trường hợp không có sẵn một cơ sở
hạ tầng thông tin, tuy nhiên lại cần phải thành lập một mạng tạm thời nhằm trao
đổi thông tin và hợp tác cùng làm việc.
Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, khó có thể có được một cơ sở hạ tầng
về thông tin vững chắc. Hệ thống có trước đó rất có thể bị hỏng hoặc bị phá hủy
hoàn toàn.
Tại vùng có thảm họa, tất cả các phương tiện và hệ thống truyền thông đều
bị phá hủy hoàn toàn. Mỗi chiếc xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… đều
được trang bị như một thiết bị đầu cuối di động – là một phần của mạng ad-hoc.
Mỗi nhân viên cũng mang theo một thiết bị đầu cuối di động. Các thiết bị đầu
cuối này đều liên kết với nhau, hình thành nên một mạng tạm thời nhằm trao đổi
thông tin. Cấu hình mạng thay đổi theo những thời điểm khác nhau. Ngoài ra,
các thiết bị đầu cuối di động không chỉ cung cấp chức năng gửi và nhận thông tin
mà còn có thể chuyển tiếp thông tin – đóng vai trò như router trên Internet.
Đối với ứng dụng chia sẻ tài nguyên trong hội họp, khác với cách làm
truyền thống khi những người tham gia hội thảo muốn chia sẻ tài liệu cho nhau
là gửi file đính kèm qua email hoặc sao chép qua các thiết bị lưu trữ thứ cấp có
khả năng di động, tất cả những người tham dự hội thảo đều có thể sử dụng thiết
bị di động để tạo thành một mạng ad-hoc trong suốt thời gian đó. Các thiết bị có
thể truyền thông với nhau, truyền/nhận các tài liệu được sử dụng trong hội thảo.
Khi hội thảo kết thúc, các thiết bị được tắt nguồn, mạng tự bị hủy bỏ.
Đối với ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày, môi trường mạng là mạng
MANET thuần túy, tức là không có cơ sở hạ tầng về cáp, các thiết bị đầu cuối tự
cấu hình để thành lập mạng, mà không có sự quản lý tập trung. Mạng này có thể


9

tự chia nhỏ thành các mạng con. Ví dụ như một mạng riêng giữa em học sinh và
bạn của em, một mạng “chung” được khởi tạo bởi người muốn chia sẻ các

chương trình trò chơi điện tử trên máy của anh ta. Hai mạng này được trộn lẫn
vào nhau một cách linh động.

Hình vẽ 1.1. Ví dụ minh họa mạng MANET trên xe bus
 Mạng
biến

cảm

Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng
lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ. Mạng cảm biến là
mạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau để cùng
thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi trường (không khí, đất,
nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dò
tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội,...
Trước đây mạng cảm biến thường bao gồm một lượng nhỏ các nút cảm
biến được kết nối bằng cáp tới một trạm xử lý tập trung. Ngày nay, các nút mạng
cảm biến thường là không dây, phân tán để vượt qua các trở ngại vật lý của môi
trường, tiết kiệm năng lượng và do trong nhiều trường hợp không thể có được
một hạ tầng có sẵn về năng lượng và truyền thông.
Công nghệ mạng không dây kiểu không cấu trúc thường được áp dụng để
triển khai mạng cảm biến do:


10

 Các nút cảm biến được phân tán trong vùng không có sẵn cơ sở hạ tầng về
truyền thông và năng lượng. Các nút phải tự hình thành kết nối.
 Các nút phải tự cấu hình, tự hoạt động trong bất cứ trường hợp nào
 Cấu hình mạng luôn có thể thay đổi (các nút cảm biến bị hỏng, các nút mới

được thêm vào,…), mạng cảm biến phải tự thích nghi với những thay đổi này.
 Mạng Rooftop
Là một công nghệ đang bùng nổ để cung cấp truy cập mạng băng thông
rộng tới các gia đình, một cách để thay thế ADSL (Asymmetric Digital
Subscriber Line) và các công nghệ tương tự khác. Mạng rooftop sử dụng công
nghệ mạng ad-hoc để mở rộng phạm vi của một số điểm truy cập – các điểm này
được nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP). Mỗi người truy cập được trang
bị một router ad-hoc cho phép chuyển tiếp lưu lượng thay mặt những người truy
cập khác.
Từ khía cạnh ad-hoc, những mạng MANET như vậy là tương đối tĩnh –
cấu hình của mạng hiếm khi thay đổi.

Hình 1.3. Một ví dụ của mạng Rooftop


11

 Mở rộng phạm vi của điểm truy cập
Trong các mạng không dây được sử dụng rộng rãi ngày nay, các nút mạng
di động được kết nối với các điểm truy cập theo cấu hình hình sao. Để được kết
nối vào mạng, người sử dụng phải ở trong phạm vi truy cập của mạng. Do phạm
vi truy cập này là giới hạn và cơ sở hạ tầng một chặng (one-hop) của cấu hình
này, các điểm truy cập phải được trải rộng trong toàn bộ vùng, bao phủ khắp
những nơi muốn kết nối với nhau.
Sử dụng mạng không dây kiểu không cấu trúc, nhu cầu cần các điểm truy
cập sẽ giảm – người sử dụng bên ngoài phạm vi truy cập sẽ vẫn có thể được “tiếp
sóng” thông qua một hoặc nhiều nút trung gian để truy cập được vào mạng.
1.2. Một số công nghệ của mạng MANET
1.2.1 Các đặc tả của IEEE 802.11
Chuẩn IEEE 802.11 [4] là chuẩn WLAN (Wireless Local Area Network –

mạng cục bộ không dây) đầu tiên dành được sự chấp nhận của thị trường. Xuất
phát điểm chuẩn này được IEEE đưa ra vào năm 1987 như một phần của chuẩn
IEEE 802.4 với tên gọi IEEE 802.4L. Năm 1990, nhóm làm việc của 802.4L đã
được đổi tên thành IEEE 802.11 WLAN Project Committee nhằm tạo ra một
chuẩn 802 độc lập, có nhiệm vụ định nghĩa các đặc tả dành cho tầng vật lý
(PHY), tầng MAC và phần dưới của tầng liên kết dữ liệu đối với mạng WLAN.
Hình 1.4 minh họa sự so sánh giữa mô hình OSI và mô hình IEEE 802. Nếu mô
hình OSI biểu diễn một cấu trúc truyền thông tổng thể, thống nhất thì mô hình
IEEE 802 chỉ quan tâm tới các tầng phía dưới, đặc biệt là tầng liên kết dữ liệu và
tầng vật lý.


12

Hình 1.4. Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802.11
Mục đích của chuẩn IEEE 802.11 là nhằm thúc đẩy sự tương thích giữa
các nhà sản xuất WLAN khác nhau. Nhờ vậy, IEEE 802.11 đã được chấp nhận
vào ngày 27 tháng 7 năm 1997. Kể từ đó đã có thêm hai chuẩn nữa của IEEE
được phê chuẩn nhằm mở rộng tốc độ truyền dữ liệu của WLAN bằng cách nâng
cao đặc tả của tầng vật lý. Các đặc tả IEEE 802.11b và IEEE 802.11a đều được
đưa ra vào năm 1999. Cả hai chuẩn này đều có cùng một đặc tả tầng MAC giống
như đặc tả ban đầu của IEEE 802.11. Sự khác nhau là ở tầng vật lý, IEEE
802.11a sử dụng OFDM ở dải tần 5 GHz UNII để có tốc độ truyền dữ liệu cao
hơn, lên tới 54Mbps, trong khi đó IEEE 802.11b sử dụng CCK ở dải tần 2.4GHz
ISM với thông lượng dữ liệu tối đa là 11Mbps.
1.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth
Tháng 7 năm 1999, phiên bản đầu tiên của đặc tả Bluetooth (1.0) được đưa
ra bởi Bluetooth SIG; đặc tả hiện tại là 5.1 [3]. Tuy nhiên, Bluetooth đã được bắt

13

đầu từ 5 năm trước, 1994, khi Ericsson Mobile Communications bắt đầu nghiên
cứu để tìm ra một công nghệ không dây có thể sử dụng hiệu quả để thay thế cáp
khi liên kết các điện thoại theo kiểu tế bào với các phụ kiện của nó. Nghiên cứu
đã tập trung vào liên kết sóng vô tuyến vì sóng vô tuyến là vô hướng và trong
tầm nhìn thẳng. Việc sử dụng sóng vô tuyến đem lại những ưu điểm hơn hẳn so
với công nghệ hồng ngoại đã được sử dụng trước đó với cùng một mục đích.
Trong số nhiều yêu cầu đối với Bluetooth, hỗ trợ cho thoại và dữ liệu là đặc tính
chính do mục đích của công nghệ này là kết nối máy điện thoại với tai nghe và
phụ kiện.
Nhóm làm việc Bluetooth (Bluetooth SIG) được thành lập năm 1998 bởi
một nhóm các công ty đề xuất, bao gồm Ericsson, IBM, Intel, Nokia và Toshiba.
Ngày nay, nhóm đã được mở rộng với số thành viên lên tới hàng ngàn. Tuy
nhiên, việc giới thiệu công nghệ không dây Bluetooth ra thị trường vẫn gặp trở
ngại do phải cạnh tranh với IEEE 802.11b – đã được đưa ra trước và chiếm thị
phần chủ yếu trên thị trường. Hiện tượng này vẫn tiếp tục và vấn đề gây nhiều
tranh cãi trong nền công nghệ không dây liên quan đến việc chuẩn nào Bluetooth
hay IEEE 802.11b sẽ thắng thế.
Mặc dù cùng hoạt động ở dải tần 2.4GHz, Bluetooth và IEEE 802.11b có
những đặc điểm khác hẳn nhau, cả về khía cạnh kỹ thuật lẫn ứng dụng. Hình 1.5
cho thấy IEEE 802.11 có khả năng kỹ thuật hỗ trợ cho mạng không dây tốc độ
cao với dải tần 2.4 và 5 GHz, hỗ trợ công nghệ DSSS. Trong khi đó công nghệ
không dây Bluetooth chỉ hỗ trợ FHSS ở dải tần 2.4GHz – là giải pháp chính cho
mạng ad-hoc trong phạm vi nhỏ, sử dụng để thay thế cáp kết nối giữa máy tính
và các thiết bị phụ trợ khác.


14

Hình 1.5. Thông số chính của các chuẩn IEEE 802.11 và Bluetooth.
1.2.3. Mô hình kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b
 Các chế độ hoạt động
IEEE 802.11b có thể hoạt động ở 3 chế độ khác nhau: BBS, ESS, và IBSS
(Hình 1.6).

Hình 1.6. Các chế độ hoạt động của IEEE 802.11b
Basic Service Set – BSS (Tập dịch vụ cơ bản): Mỗi BSS chứa một điểm
truy cập (AP – access point), các nút mạng không dây hay còn gọi là các trạm


15

không dây. Điểm truy cập đóng vai trò như cầu (bridge) cho BSS. Mọi truyền
thông giữa các nút mạng không dây hoặc giữa một nút mạng không dây với một
máy trong mạng LAN hữu tuyến đều đi qua điểm truy cập. Điểm truy cập không
di động và là một phần của cơ sở hạ tầng mạng hữu tuyến.
Extended Service Set – ESS (Tập dịch vụ mở rộng): Cung cấp hạ tầng
mạng cho nhiều BSS. Các điểm truy cập truyền thông với nhau thông qua một hệ
thống phân tán (Distribution System – DS). DS có thể là bất cứ kiểu mạng nào
nhưng thường là một mạng đường trục để chuyển tiếp gói tin giữa các BSS. Do
đó, người dùng di động có thể di chuyển một cách “liền mảnh” giữa các BSS
khác nhau.
Independent Basic Service Set – IBSS (Tập dịch vụ cơ bản độc lập):
Các nút mạng không dây là ngang hàng với nhau. Chúng truyền thông trực tiếp
với nhau, không thông qua bất cứ điểm truy cập nào khác. Các nút phải ở trong
phạm vi hoạt động của nhau để có thể truyền thông.
BSS và ESS thường được gọi là chế độ có cơ sở hạ tầng mạng
(infrastructure mode), trong khi đó IBSS được gọi là chế độ ad-hoc (ad-hoc
mode), không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước.

 Mô hình kiến trúc
Chuẩn IEEE 802.11 chỉ đặc tả tầng MAC và tầng vật lý cho mạng cục bộ
không dây. Tầng MAC cung cấp cho người dùng cả hai dạng điều khiển truy cập
“ganh đua” và “không ganh đua” theo rất nhiều loại khác nhau của tầng vật lý.
Tầng vật lý có thể sử dụng một trong các công nghệ sau: hồng ngoại, FHSS, và
DSSS.


16

Phương pháp truy cập cơ bản của giao thức MAC IEEE 802.11 là DCF
(Distributed Coordination Function), bản chất là một giao thức MAC đa truy cập
cảm nhận sóng mang có tránh xung đột (CSMA/CA). Ngoài ra, IEEE 802.11
cũng có một phương pháp truy cập khác, đó là PCF (Point Coordination
Function) – hoạt động gần tương tự như một hệ hỏi vòng (polling system).

Hình 1.7. Kiến trúc của IEEE 802.11
1.2.4. Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b
Trong chuẩn IEEE 802.11b, chế độ IBSS cho phép triển khai một mạng
ad-hoc.
Để xác định các mạng LAN không dây khác nhau trong cùng một vùng,
mỗi một mạng được gán với một số định danh. Trong chế độ ad-hoc (IBSS), số
định danh của IBSS là IBSSID. Khi một trạm nào đó khởi tạo một IBSS, IBSSID
là một số 46bits được sinh theo một thuật toán tạo số ngẫu nhiên sao cho xác
suất để các trạm khác cũng tạo ra số đó là nhỏ nhất.


17

Do tính linh động của thuật toán CSMA/CA, sự đồng bộ hóa của các trạm

theo một đồng hồ chung là không đủ để nhận hoặc truyền dữ liệu đúng. IEEE
802.11b sử dụng hai chức năng đồng bộ hóa các trạm trong một IBSS thực hiện
đồng bộ hóa và bảo trì đồng bộ hóa.
Thực hiện đồng bộ hóa: Chức năng này là cần thiết để một nút tham gia
vào một IBSS đã có. Để phát hiện ra một IBSS đã có, thực hiện một thủ tục quét
kênh truyền không dây. Trong quá trình quét, trạm nhận được bật lên với các tần
số vô tuyến khác nhau, tìm kiếm frame điều khiển. Nếu thủ tục quét không phát
hiện thấy một IBSS nào, trạm có thể tự khởi tạo một IBSS.
Bảo trì đồng bộ hóa: Do không có điểm truy cập trong IBSS nên chức
năng đồng bộ hóa được triển khai thông qua một thuật toán phân tán – được thực
hiện bởi tất cả các thành viên của IBSS. Thuật toán này được dựa trên việc
truyền lại các frame báo hiệu theo một tỷ lệ rất nhỏ đã được biết trước. Khoảng
thời gian các lần truyền frame báo hiệu (beacon period/beacon interval) được xác
định bởi trạm đã khởi tạo IBSS.
Trong môi trường di động, chức năng quản lý nguồn nuôi là đặc biệt quan
trọng do các nút mạng cần thực hiện chính sách tiết kiệm năng lượng (power
saving - PS). Trong IBSS, chính sách tiết kiệm năng lượng được triển khai hoàn
toàn phân tán. Một trạm có thể ở trong hai trạng thái năng lượng khác nhau:
 Hoạt động: trạm có đủ năng lượng
 Ngủ: trạm không thể nhận hoặc truyền dữ liệu
Các trạm sử dụng thông điệp chỉ thị lưu lượng ATIMs để thông báo về
việc truyền dữ liệu sắp tới và các trạm nhận dữ liệu không được chuyển sang


18

trạng thái “ngủ”. Trong Hình 1.8(a), bộ đệm của trạm A có một frame cần gửi
tới C. Do đó A gửi một frame ATIM theo kiểu unicast cho trạm C trong thời
gian ứng với cửa sổ truyền tin ATIM để thông báo cho C rằng A sắp truyền tin
tới C và C không nên ở trạng thái tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên trạm B là tự

do khi muốn chuyển trạng thái năng lượng. Hình 1.8(b) minh họa frame ATIM
được phát multicast tới một nhóm trạm, thông báo cho các trạm này biết không
chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lượng.

Hình 1.8. Sử dụng frame ATIM.
Rõ ràng rằng frame ATIM phải được truyền đi trong khoảng thời gian tất
cả các trạm là hoạt động. Do đó định nghĩa cửa sổ ATIM (ATIM window) là một
khoảng thời gian xác định tính từ thời điểm frame báo hiệu bắt đầu được truyền
đi. Trong khoảng thời gian ứng với cửa sổ ATIM, tất cả các trạm phải ở trạng
thái hoạt động (các trạm đang trong trạng thái tiết kiệm năng lượng đều được
“đánh thức”), chỉ được truyền đi frame báo hiệu và ATIM. Giá trị của cửa sổ
ATIM là một tham số của IBSS và được xác định khi IBSS được tạo ra. Nếu giá
trị cửa sổ ATIM bằng 0, có nghĩa là IBSS không áp dụng quản lý năng lượng.


19

Hình 1.9 minh họa cửa sổ ATIM và mối quan hệ của nó với khoảng thời gian
giữa các frame báo hiệu. Trong hình vẽ, frame báo hiệu thứ tư bị truyền trễ do
kênh truyền bận. Giá trị cửa sổ ATIM là hằng số, do đó khoảng thời gian sử
dụng thực sự của cửa sổ ATIM bị co lại.

Hình 1.9. Cửa sổ ATIM
Hình 1.10 minh họa tác động của frame ATIM đối với chế độ tiết kiệm
năng lượng trong một IBSS: Trong khoảng thời gian báo hiệu thứ nhất, trạm 1
truyền đi frame ATIM theo kiểu multicast tới trạm 2, 3 và 4. Khi truyền đi frame
ATIM theo kiểu multicast, trạm 1 không cần nhận được biên nhận, tuy nhiên
việc truyền này có ý nghĩa rằng tất cả các trạm phải ở trong trạng thái hoạt động
trong suốt khoảng thời gian của cửa sổ báo hiệu thứ nhất để nhận các frame do
trạm 1 gửi đi theo kiểu multicast. Khi hết thời gian của cửa sổ ATIM, trạm 1 có

thể truyền đi frame tới các trạm kia. Trạm 4 có thể lợi dụng khoảng thời gian còn
lại để gửi đi một frame tới trạm 1. Trong khoảng thời gian báo hiệu thứ hai, trạm
2 và 3 đều có frame trong bộ đệm cần gửi tới trạm 4, do đó chúng gửi frame
ATIM tới trạm 4. Trạm 4 khi nhận được các frame ATIM này, gửi frame biên
nhận cho trạm gửi tương ứng. Khi hết thời gian của cửa sổ ATIM, trạm 1 không
có nhu cầu truyền tin cũng như không nhận được frame ATIM nào, do đó nó có
thể bước vào trạng thái “ngủ” cho tới khi bắt đầu khoảng thời gian báo hiệu thứ
ba. Trạm 2 gửi một frame với kích thước lớn tới trạm 4, do đó lấy đi cơ hội


20

truyền tin của trạm 3 tới trạm 4 trong khoảng thời gian báo hiệu này. Khi bắt đầu
khoảng thời gian báo hiệu thứ ba, trạm 3 vẫn có frame trong hàng đợi cần gửi
đến trạm 4. Do đó, nó truyền lại một frame ATIM tới trạm 4. Trạm 4 khi nhận
được frame ATIM này sẽ gửi lại một frame biên nhận. Trạm 2 không tham gia
vào việc trao đổi frame ATIM và không có nhu cầu truyền tin nữa, do đó bước
vào trạng thái “ngủ”. Trạm 3 gửi frame tới trạm 4. Sau đó, trạm 4 có thể lợi dụng
khoảng thời gian còn lại để gửi đi một frame tới trạm 4 (trạm 3 biết trạm 4 ở
trong trạng thái hoạt động do quá trình trao đổi frame trước đó)

Hình 1.10. Tác động của frame ATIM đối với chế độ tiết kiệm năng lượng