Tải bản đầy đủ

ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT DMAC và TONE DMAC (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT DMAC VÀ TONE-DMAC


CHƯƠNG 1.
1.1

GIỚI THIỆU

Lời nói đầu
Các giao thức điều khiển truy cập kênh truyền (Medium Access Control – MAC)
đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định các node có thể chia sẻ vơi nhau nguồn
dữ liệu tài nguyên hữu hạn này như thế nào một cách hiệu quả. Nguồn và đích có thể
rất xa nhau và khi đó mỗi gói tin sẽ cần được chuyển qua các node khác trước khi tới
được đích. Môi trường dẫn lúc này cần được truy cập và các giao thức MAC sẽ điều
khiển kênh truy cập ấy.
Một trong những thử thách hàng đầu trong mạng Adhoc là làm thế nào để tăng
hiệu quả cho mạng trong khi vẫn tiêu dùng năng lượng cho quá trình xử lý và trao đổi
các gói tin. Chính vì vậy, bất kể là giao thức MAC nào, cũng cần xét tới các thông số
hiệu năng sau:


 Thông lượng và độ trễ: Thông lượng được tính bởi phần trăm khung dữ liệu truyền
dẫn thành công trên một đơn vị thời gian. Trễ được xác định bởi khoảng cách thời
gian giữa điểm tới của khung tại lớp MAC của máy phát (tới lớp phát chuẩn bị được
chuyển đi) và thời gian máy phát biết rằng khung dữ liệu đó đã được nhận bởi máy
thu.
Tính công bằng: Để đảm bảo việc phân bổ kênh được thực hiện công bằng như thế



nào đối với các dòng dữ liệu trong các nút khác nhau. Đặc tính di động của nút đó và độ
tin cậy của các kênh vô tuyến là hai nhân tố chủ yếu chính ảnh hưởng tới sự công bằng
này.
 Hiệu quả năng lượng: Hiệu quả năng lượng được tính là phần tiêu thụ năng lượng
hữu ích (cho các truyền dẫn khung dữ liệu được truyền thành công) trên tổng năng
lượng tiêu dùng.


Hỗ trợ đa phương tiện: Đây là khả năng của một giao thức MAC để điều khiển lưu

lượng với các yêu cầu dịch vụ khác nhau như là thông lượng, trễ, tỉ lệ mất khung dữ liệu.
1.2

Giới thiệu về đề tài


Trong mạng không dây Adhoc thông thường thì giao thức điều khiển truy cập
kênh truyền (MAC) điều phối việc truy cập kênh truyền giữa các node với nhau, thông
lượng của mạng thì bị giới hạn bởi băng thông của một kênh nếu có thể khai thác cùng
luc nhiều kênh thì có thể giúp đạt được thông lượng mạng cao hơn khi cho phép các node
có thể truyền đồng thời.
Trong đồ án này được nghiêm cứu về chuẩn IEEE 802.11 và hiện tượng deafness
trong quá trình dùng anten để truyền dữ liệu và cách giải quyết. Ý tưởng chính là áp dụng
giao thức Tone-DMAC để giải quyết vấn đề không nghe được sự truyền tải của các node
với nhau nhằm cải thiện hiệu suất mạng đáng kể về thông lượng, thời gian trễ và tỉ lệ gói
tin được truyền đi.
Phần còn lại của đồ án được phân bố tiếp tục như sau: chương 2 trình bày về mạng
Adhoc, tiêu chuẩn IEEE 802.11 được trình bày ở chương 3, chương 4 và 5 lần lượt giới
thiệu chi tiết giao thức DMAC và TONE-DMAC. Chương 6 mô phỏng đánh giá hiệu suất
giao thức DMAC và TONE-MAC. Kết luận của báo cáo được thực hiện ở chương 7.



CHƯƠNG 2.

GIỚI THIỆU VỀ MẠNG ADHOC

Chương 2 giới thiệu khái niệm, các đặc điểm và các vấn đề còn tồn tại của mạng
Adhoc. Đồng thời so sánh mạng Adhoc và mạng di động cũng được đề cập.
2.1

Mạng di động Adhoc


Mạng di động Adhoc (MANET – Mobile Adhoc Network) là một tập hợp các node
tạo thành một mạng tạm thời không sử dụng cơ sở hạ tầng thiết bị hay hệ thống quản lý
tập trung như hình 2-1. Mạng có thể được hình thành ở bất kỳ vị trí hay thời điểm nào,
miễn là hai hay nhiều node có thể liên lạc với nhau thông qua các di động trung gian,
trong khi đó các node được tự đoi chuyển ngẫu nhiên trong mạng nhưng vẫn đảm bảo
chúng có thể kết nối được với nhau.

Hình 2-1: Adhoc Network [1]
Multi-hop (đa hop), tính di động, kích thước mạng lớn kết hợp cùng nhau với sự
không đồng nhất về thiết bị bang thông và pin khiến cho việc thiết kế một giao thức định
tuyến đầy đủ cho mạng Adhoc là một thử thách không nhỏ.
2.2

Sự khác nhau giữa mạng di động và mạng Adhoc
Sự khác nhau chính giữa mạng di động và mạng Adhoc chính là trên góc nhìn liên

quan đến kiến trúc mạng, chất lượng kết nối, cơ chế hoạt động và chi phí về thời gian, giá
cả để xây dựng và lắp đặt mạng được thể hiện như bảng 2-1.
Bảng 2-1: Sự khác nhau giữa mạng di động và mạng Adhoc [1]
Mạng di động
Cơ sở hạ tầng cố định, topo mạng

Mạng Adhoc
Cơ sở hạ tầng mạng không cố định, không

backbone cố định, trạm gốc cố định

có trạm gốc, triển khai nhanh chóng


Tương đối quan tâm đến môi trường,

Ảnh hưởng bởi môi trường (nhiễu,..), kết

kết nối mạng ổn định
Phải có kế hoạch chi tiết trước khi

nối không ổn định
Mạng Adhoc tự hình thành và thích nghi

trạm gốc được lắp đặt
Chỉ phí lắp đặt lớn
Tốn nhiều thời gian thiết lập

với thay đổi
Chi phí hiệu quả
Thời gian thiết lập thấp

2.3

Ứng dụng của mạng Adhoc
Các lĩnh vực không dây đang nổi lên từ sự tích hợp của máy tính cá nhân với công

nghệ di động và Internet. Mạng Adhoc chủ yếu đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính
chất tạm thời như lớp học, hội nghị, cuộc họp diễn ra tạm thời đặc biệt là hỗ trợ cho các
tình huống như thiên tai, hỏa hạn. Trong những trường hợp này thì mạng Adhoc là giải
pháp lý tưởng khi các hệ thống mạng cơ sở hạ tầng có thể bị thê liệt hay bị phá hỏng. Đặc
biệt mạng Adhoc có thể ứng dụng tốt đối với các vùng sâu vùng xa. Mạng Adhoc có tính
hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian và bang thông mạng do các node mạng truyền trực tiếp
với nhau không cần thông qua một trạm gốc nào.
2.4

Các vấn đề chính trong mạng Adhoc
 Vấn đề năng lượng: Hầu hết các node mạng tham gia vào mạng Adhoc là các thiết

bị di động, nguồn năng lượng được sử dụng cho các thiết bị này chủ yếu là pin nên
trong quá trình trao đổi dữ liệu trong mạng Adhoc sẽ tiêu tốn năng lượng đáng kể dẫn
đến vấn đề tiết kiêm năng lượng được quan tâm hàng đầu trong quá trình thiết kế giao
thức MAC.
 Vấn đề tránh xung đột: Do mạng Adhoc không cần có sự điều khiển tập trung tại
các trạm gốc nên vấn đề truy cập cũng khá phưc tạp, môi trường kết nối của nhiều nút
mạng di động ngẫu nhiên nên việc tru cập vào kênh truyền chung được thực hiện theo
kiểu phân tán thông qua giao thức MAC. Vấn đề thật sự đáng quan tâm nhất trong giao
thức này là vấn đề tránh xung đột.
 Vấn đề bảo mật: Vì cơ chế hoạt động là mạng không dây nên mạng Adhoc cũng
hư các mạng không dây khác nếu việc bảo mật không cao thì có thể bị tấn công bất cứ
lúc nào.


CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN IEEE 802.11
Trong chương này giới thiệu về các chuẩn IEEE 802.11 và cách thức hoạt động
của IEEE 802.11 MAC trong các chế độ khác nhau.
3.1

Giới thiệu chung
Năm 1997, tổ chức Institute of Electrical and Electronics Engineers được gọi tắt

là IEEE đã giới thiệu đến một chuẩn mạng không dây đầu tiên và được gọi là 802.11. Tuy
nhiên chuẩn 802.11 chỉ hỗ trợ được tốc độ mạng tối đa 2 Mbps với bang tần 2.4 GHz, rất
chậm so với ngày nay và do đó nó không được áp dụng rộng rãi trên thị trường. Về sau
nhiều chuẩn 802.11 cải tiến hơn lần lượt ra đời. Các chuẩn 802.11 phổ biến nhất hiện nay
là: b/a/g/n/ac.
 Chuẩn 802.11b: Hoạt động ở dải tần 2.4 GHz & và tốc độ truyền dữ liệu là 11
Mbps, chuẩn này chủ yếu dành cho ngành công nghiệp, khoa học và y tế, phạm vi
hoạt động 70-150m.
 Chuẩn 802.11a: Hoạt động ở dải tần từ 5 - 6 GHz và tốc độ truyền dữ liệu là 54
Mbps, chuẩn này đang được nghiên cứu để thay thế cho chuẩn 802.11b. Tuy có tốc
độ truyền dữ liệu cao hơn so với 802.11b nhưng chuẩn này lại có vùng phủ sóng
hẹp hơn.


 Chuẩn 802.11g: Hoạt động ở dải tần 2.4 GHz và tốc độ truyền dữ liệu là 54 Mbps
(hoạt động được ở cả 2 băng tần). Chuẩn này chủ yếu được nâng cấp lên từ chuẩn
802.11b, tuy nhiên nó chỉ hoạt động cho những đối tượng trong khoảng cách ngắn
với nhau.
 Chuẩn 802.11n: Được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Với công nghệ MIMO
(Multiple-Input Multiple-Output), tốc độ tối đa lên đến 600 Mpbs, và có thể hoạt
động trên cả hai băng tần 2,4 GHz và 5 GHz. Phạm vi tín hiệu hoạt động của
chuẩn này rất tốt ( từ 100 - 250m ).
 Chuẩn 802.11ac: Chính là chuẩn mới nhất của IEEE. Chuẩn 802.11ac sử dụng
băng tần 5 GHz với tốc độ tối đa lên đến 1730 Mbps.

Hình 3-2: Phạm vi của chuẩn 802.11 [3]
Trong tầng vật lý, chuẩn IEEE 802.11 sử dụng kỹ thuật sóng hồng ngoại (Infrared IR) và hai kỹ thuật công nghệ sóng vô tuyến (2.4 GHz) là kỹ thuật trải phổ nhảy tầng
(Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) và kỹ thuật trãi phổ dãy trực tiếp (Direct
Sequence Spread Spectrum - DSSS).
3.2

Giao thức MAC trong IEEE 802.11
Giao thức MAC 802.11 có 2 chế độ hoạt động là phối hợp phân phối (DCF -

Distributed Coordination Function) [1] và phối hợp điểm (PCF - Point Coordination
Function) [1]. Ở chế độ DCF sử dụng đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột
(CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) [1]. CSMA là giao


thức dựa trên sự cạnh tranh, trong CSMA các node cảm nhận kênh truyền trước khi
truyền gói. Nếu kênh truyền truyền đang bận, các node sẽ trì hoãn một thời gian cho đến
khi kênh truyền rỗi.
Các khoảng thời gian được sử dụng trong giao thức MAC IEEE 802.11
 Slot time: Khoảng thời gian của một time slot.
 SIFS (Short Inter-Frame Space): Khoảng thời gian ngắn giữa các khung,
khoảng ngắn nhất được định nghĩa bởi lớp vật lý.
 DIFS (Distributed Inter-Frame Space): Khoảng thời gian giữa các khung phân
phối. DIFS = SIFS + 2 time slot.
Bảng 2-2: Khoảng cách giữa các khung trong IEEE 802.11 [2]
Slot Time
SIFS
DIFS

802.11b
20 us
10 us
50 us

802.11a
9 us
16 us
34 us

802.11g
9us;20 us
10 us
28 us; 50 us

Vùng cảm nhận của các node được phân bố như hình 3-2.

Hình 3-2: Phạm vi của các vùng truyền [2]


 Transmission Range: Tại đây node nhận có thể cảm nhận và giải mã chính xác gói
tin từ node gửi. Phạm vi hoạt động 250 m, các node mạng nằm trong phạm vi 0 250 m được quy định là Onehop của nhau.
 Carrier Sensing Range: Node mạng ở vùng này có thể cảm nhận được gói tin từ
vùng Transmission Range. Phạm vi hoạt động 500 m.
 Carrier Sensing Zone: Nút mạng nằm trong vùng này có thể cảm nhận nhưng
không giải mã chính xác được gói tin. Các nút mạng nào nằm trong phạm vi 250 500 m được quy định là Twohop của nhau.
3.3

IEEE 802.11 MAC chế độ DCF

3.3.1 Giao thức CSMA/CA
Giao thức CSMA/CA sử dụng hai loại cảm biến sóng mang. Loại đầu tiên gọi là cảm
biến sóng mang vật lý được thực hiện bằng cách lắng nghe bất kỳ năng lượng cao trong
kênh truyền. Loại thứ hai là cảm biến sóng mang ảo thực hiện bằng cách thiết lập khoảng
vector phân bố mạng (NAV - Network Allocation Vector) của node bất cứ khi nào nó
nhận được một gói dữ liệu không được định địa chỉ đến nó.
Bất kỳ node nào có một gói dữ liệu muốn truyền, đầu tiên sẽ cảm nhận kênh truyền để
xác định trạng thái. Nếu kênh truyền rỗi sau khoảng thời gian DIFS thì node sẽ tiến hành
backoff ngẫu nhiên. Giá trị của bộ đếm backoff được chọn ngẫu nhiên trong khoảng thời
gian được gọi là cửa sổ tranh chấp CW.
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 rất gần nhau dẫn đến tăng khả năng xung đột.
Mặt khác, nếu kích thước CW quá lớn sẽ gây ra lãng phí thời gian.
3.3.2 Vấn đề đầu cuối ẩn và vấn đề đầu cuối hiện
IEEE 802.11 DCF dùng phương pháp CSMA/CA liên quan đến việc cảm nhận kênh
truyền tại vùng lân cận của của phía phát. Điều này giúp tránh xung đột ở phía phát. Tuy
nhiên, nó không đảm bảo tránh xung đột ở phía thu. Điều này dẫn đến vấn đề gọi là đầu
cuối ẩn (Hidden Terminal Problem). Vấn đề này sẽ gây ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của
hệ thống.


Hình 3-3: Vấn đề đầu cuối ẩn [3]
Trong hình 3-3, ta có thể thấy được node A và node B cùng nằm trong phạm vi truyền
của nhau, tương tự node B và node C. Xét trường hợp 1 node A muốn gửi dữ liệu gửi qua
node B. Đầu tiên, node A kiểm tra trạng thái kênh truyền bằng cách cảm nhận. Nếu kênh
truyền rỗi, node A sẽ gửi gói dữ liệu qua node B. Vì nằm ngoài phạm vi truyền của node
A nên node C không biết về việc node A đang gửi dữ liệu sang node B. Cùng lúc đó, node
C cũng có một gói dữ liệu cần gửi cho node B dẫn đến xung đột gói tin tại node B. Ở đây,
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 cảm nhận và phát hiện kênh truyền 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. Tương
tự phía thu với CTS.


Hình 3-4: IEEE 802.11 DCF [1]
Tuy nhiên, RTS/CTS dẫn đến một vấn đề mới gọi là đầu cuối hiện (Exposed Terminal
Problem).

Hình 3-5: Vấn đề đầu cuối hiện [3]
Như hình 3-5, Giả sử node B muốn gửi dữ liệu đến node A, lúc này node B gửi một
gói tin RTS đến A và C, cùng lúc này D có gói tin muốn gửi đến C nhưng nó phải trì hoãn
việc gửi gói tin của mình lại mặc dù node D nằm ngoài phạm vi truyền của node B, việc
này gây ra sự chậm trễ không cần thiết. Để giải quyết vấn đề này sử dụng anten định
hướng tại các node.


3.3.3 Cách hoạt động của IEEE 802.11 DCF
Trong IEEE 802.11 DCF, khi node phát muốn gửi dữ liệu tới một node thu, nó sẽ gửi
gói tin RTS (Ready to Send) node thu trả lời bằng cách gửi một gói CTS (Clear to Send)
đến node phát. Trong gói tin RTS và CTS chứa thông tin về khoảng thời gian mà kênh sẽ
được sử dụng. Các node lân cận nghe các gói tin này phải hoãn sự truyền tải của chúng
trong khoảng thời gian được chỉ định trong các gói dữ liệu. Vì lý do này, mỗi node lân
cận duy trì một biến được gọi là Network Allocation Vector (NAV) ghi lại thời gian cần
phải trì hoãn việc truyền, do đó tránh được vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn. Toàn bộ quá trình
này được gọi là cảm biến sóng mang ảo Virtual Carrier Sensing.

Hình 3-6: Cách hoạt động của IEEE 802.11 DCF [4]
Hình 3-6 đang mô tả hoạt động của IEEE 802.11 DCF cho chúng ta thấy. Khi node
B truyền gói tin đến node C, node A sẽ nghe thấy gói RTS và đặt NAV cho đến khi kết
thúc ACK, và node D nghe được gói tin CTS và đặt NAV cho đến khi kết thúc ACK. Sau
khi truyền xong, các trạm đợi DIFS và cạnh tranh kênh truyền. Trong hình này, node B là
một đầu cuối ẩn đến node D. Nếu không có cảm biến sóng mang ảo, D sẽ không biết
truyền B, D có thể gửi dữ liệu đến C trong khi B đang truyền, dẫn đến va chạm tại C.
Nếu một node có một gói tin để gửi nhưng kênh đang bận, nó sẽ thực hiện random
backoff bằng cách chọn một giá trị trong khoảng gọi là cửa sổ tranh chấp (Contention


Window). Mỗi node duy trì một biến CW, kích thước cửa sổ tranh chấp, được đặt lại
thành một giá trị CWmin khi node được khởi tạo. Ngoài ra, sau mỗi lần truyền thành
công, CW được đặt lại thành CWmin. Sau khi chọn một giá trị đếm, node sẽ đợi cho đến
khi kênh trở nên nhàn rỗi, và bắt đầu giảm dần bộ đếm (Time Slot). Nếu kênh bận, node
sẽ giữ bộ đếm cho đến khi kênh rảnh trở lại. Khi bộ đếm ngược đến 0, node sẽ cố gắng
giữ lại kênh bằng cách gửi một RTS đến node thu. Vì hai node có thể chọn cùng giá trị
backoff, gói RTS sẽ bị mất do va chạm. Xác suất va chạm càng cao khi có càng nhiều
node, node sẽ biết việc không nhận được CTS như một dấu hiệu tắc nghẽn. Trong trường
hợp này, giá trị backoff sẽ tăng gấp đôi để giảm khả năng va chạm khác.
3.4

IEEE 802.11 MAC trong chế độ PSM
Trong IEEE 802.11 PSM, việc quản lý năng lượng được thực hiện dựa trên Adhoc

Traffic Indication Messages (ATIM). Thời gian được chia thành các khoảng báo hiệu, các
node trong mạng được đồng bộ hóa về mặt thời gian, mỗi node sẽ bắt đầu và kết thúc mỗi
khoảng báo hiệu trong cùng một khoảng thời gian.

Hình 3-8: Cách hoạt động của IEEE 802.11 PSM [4]
Hình 3-8 minh hoạ quá trình IEEE 802.11 PSM. Vào đầu mỗi khoảng báo hiệu tồn tại
một khoảng gọi ATIM window, lúc này các node phải ở trong trạng thái hoạt động. Nếu
node A đã có gói tin để gửi cho B, nó sẽ gửi gói ATIM đến B trong khoảng thời gian này.


Nếu B nhận được thông báo này, nó trả lời lại bằng cách gửi một ATIM-ACK đến A. Lúc
này A và B thực hiện truyền dữ liệu cho đến hết khoảng thời gian báo hiệu. Nếu một node
không gửi hoặc nhận bất kỳ gói ATIM nào trong cửa sổ ATIM (node C), nó sẽ chuyển
sang chế độ ngủ (doze) cho đến khi thời gian báo hiệu tiếp theo. Trong chế độ doze, node
sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với chế độ thông thường, lúc này node không thể gửi
hoặc nhận các gói tin.
Một số đặc điểm cần chú ý trong IEEE 802.11 PSM:
 Trong chế độ này các node phải được đồng bộ thời gian theo các khoảng báo hiệu
định kỳ chính vì thế xung đồ bộ có vai trò rất quan trọng để các cửa sổ ATIM ở
những node khác nhau và diễn ra dồng thời.
 Một node mà đang ở trạng thái doze nhưng lại nhận được một gói tin từ node nhờ
chuyển cho node khác thì gói tin đó phải chờ đến khoảng báo hiệu kế tiếp. Việc
này làm cho việc truyền một gói tin từ node này đến những node lân cận gặp chậm
trễ.
 Trong cửa sổ ATIM thì các node luôn phải thức làm tiêu tốn năng lượng ở một số
node không tham gia trao đổi thông tin.
Mặc dù IEEE 802.11 cung cấp nhiều kênh cho truyền thông không dây ở lớp vật lý,
nhưng giao thức MAC chỉ được thiết kế để truyền dữ kiệu cho một kênh duy nhất. Nếu
có nhiều kênh được khai thác, nhiều node có thể truyền đồng thời để có thể đạt được
thông lượng mạng cao hơn sử dụng một kênh duy nhất.

CHƯƠNG 4.

GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC DMAC VÀ HIỆN TƯỢNG
DEAFNESS


Giao thức DMAC sẽ được giới thiệu cụ thể trong chương này cùng với cách hoạt
động và vấn đề găp phải trong giao thức DMAC.
4.1

Giao thức DMAC
-Tương tự như IEEE 802.11 nhưng DMAC được dùng anten để truyền và nhận dữ
liệu theo một hướng xác định (tham khảo hình 4-1). Giống như IEEE 802.11 DCF
khi 1 nào có một gói dữ liệu muốn truyền, đầu tiên nó cũng sẽ cảm nhận kênh truyền
để xác định trạng thái của kênh truyền theo một hướng xác định (trong chế độ định
hướng). Nếu kênh truyền rỗi sau khoảng thời gian DIFS thì node sẽ tiến hành backoff
ngẫu nhiên. Giá trị của bộ đếm backoff được chọn ngẫu nhiên trong cửa sổ tranh
chấp CW. Nếu node nhận đang trong trạng thái bận thì node gửi sẽ chuyển về chế độ
đa hướng (omnidirectionally) còn nếu node nhận đang rỗi thì các node sẽ tiến hành
quá trình thương lượng kênh truyền.
-

Mỗi hệ thống anten cung cấp cho node 2 chế độ hoạt động đa hướng

(Omnidirection) và chê độ định hướng (directional). Tại một thời điểm một node chỉ
có thể chọn một chế độ hoạt động nhất định và có thể chuyển đổi qua lại giữa hai chế
độ với độ trễ không đáng kể.
-

Khi đã xác định được hướng truyền node gửi sẽ gửi cho node nhận một gói

direction request to sent (DRTS) node nhận sẽ nhận được DRTS từ node gửi sau đó
nó sẽ chọn lại một beam thích hợp để gửi lại cho node nhận 1 gói direction clear to
sent (DCTS).
-

Việc trao đổi các gói DATA/ACK cũng tương tự như IEEE 802.11 nhưng

trong DMAC thì chúng được truyền theo hướng. Sau khi truyền xong gói DRTS cho
node nhận và nhận được gói DCTS của node nhận node gửi sẽ tiếp tục truyền gói dữ
liệu trên kênh và theo hướng mà cả 2 node đã chọn. Sau khi đã kết thúc quá trình trao
đổi dữ liều thì cả 2 node đều chuyển về chế độ đa hướng (omnidirectionally).
Node A
DIFSS DRTS
Node B

SIFS

SIFS DCTS

DATA

SIFS

DACK


Hình 4-1: Quá trình trao đổi dữ liệu [4]
4.2

Hiện tượng deafness
- Khi có nhiều node muốn truyền dữ liệu trong mạng mà các node nhận đang trong

quá trình trao đổi các gói dữ liệu với các node khác thì sẽ xảy ra hiện tượng không
nghe được tín hiệu từ các node cần gửi. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng
deafness.

Hình 4-2: Hiện tượng deafness giữa các node [4]
-

Hình 4-2 cho thấy rõ ràng hơn về hiện tượng deafness này. Khi node A và node B

đang truyền dữ liệu theo một hướng đã chọn thì lúc đó node C cũng có dữ liệu muốn
truyền cho node A nhưng do đang trong quá trình truyền dữ liệu với node B nên node
A sẽ không nghe được tín hiệu từ node C gửi đến cho mình. Điều này có thể lặp đi lặp
lại nhiều lần cho đến khi quá trình trao đổi dữ liệu giữa node A và node B kết thúc.
Hiện tượng này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng khi node B có nhiều gói dữ liệu muốn


truyền cho node B dẫn đến khả năng trao đổi dữ liệu giữa C và A với xác xuất thành
công thấp dẫn đến bỏ gói tin làm cho hiệu suất và thông lượng của mạng bị ảnh hưởng.
-

Quá trình cảm nhận kênh truyền và bắt tay thương lượng kênh truyền tương tự như

IEEE 802.11 nhưng DMAC thì dùng anten để định hướng cụ thể.
-

Khi node A muốn truyền DATA cho node B thì DMAC sẽ yêu cầu node A hướng

chùm đến node B. Sau đó node A sẽ gửi cho node B một gói RTS theo hướng đã xác
định (DRTS). Node B khi đó sẽ nhận được tín hiệu từ node A sau đó node B sẽ chọn
lại một chum thích hợp để gửi lại một gói CTS theo hướng của nó chọn được (DCTS).
Sau đó cả hai node sẽ bước vào quá trình trao đổi dữ liệu. Trong khi đó thì node C nằm
ngoài hướng mà node A đã chọn để trao đổi dữ liệu với node B nó sẽ không nhận được
tín hiệu từ node A và node C sẽ không biết được node A đang trong quá trình trao đổi
dữ liệu với node B nên nó sẽ gửi yêu cầu được trao đổi DATA với node A mà không
nhận được phản hồi từ A nó sẽ cố gắng gửi yêu cầu cho node A mà vẫn không nhận
được phản hồi từ A hiện tượng này được gọi là deafness.
4.3

Khu vực deafness

Hình 4-3: Hệ thống anten của node [4]


Hình 4-4: Khu vực deafness [4]
-

Mỗi anten sẽ có một beam chính và nhiều beam phụ khác. Nhìn vào trên cho ta
thấy khi node A sử dụng beam b2 để trao đổi dữ liệu thì các node B, C, D nằm ở
vùng deafzone của chùm b2. Tương tự như các beam còn lại.

4.4

Node F nằm ngoài nên không nằm trong khu vực deafzone của các beam.
Hiện tượng deafness kéo dài

Hình 4-5: Hiện tượng deafness
-

Khi node B có gói dữ liệu DATA muốn gửi cho node A thì B sẽ hướng đến A và

cảm nhận kênh truyền nếu kênh rỗi thì node B sẽ tiến hành backoff để cạnh tranh quyền
truy cập nhưng vẫn hướng chùm về phía node A.
- Lúc đó thì node D lại có gói tin muốn gửi cho node B và node D lại chọn được giá trị
backoff nhỏ hơn node B thì nó sẽ bắt đầu gửi gói tin RTS đến B khi đó node B đang trong
quá trình trao đổi với node A nên nó sẽ không nhận được và node D sẽ không nhận được


sự phản hồi phía node B nó sẽ lặp đi lặp lại nhiều lần gửi gói RTS đến khi nào quá trình
giữa node A và node B kết thúc. Trong trường hợp giữa node A và node B có nhiều gói
tin để gửi thì node D sẽ không bao giờ giao tiếp được với node B.
- Trong khi đó thì node E lại có gói tin muốn gửi cho node D mà node D thì lại cố gắng
để trao đổi với node B thì lúc đó node E vẫn cố gắng để gửi cho node D gói tin RTS
nhưng node D sẽ không nhận được và node E sẽ không nhận được sự phản hồi từ node D
thì lúc này node E vẫn bị deafness như node D dẫn đến tình trạng deafness nhiều node
dẫn đến tình trạng rớt gói tin làm ảnh hướng đến thông lượng mạng.
- Nếu kênh truyền được chọn để trao đổi dữ liệu giữa node A và node B giữ lại quá lâu
và các node khác không thể truy cập được kênh truyền đó cũng gây ảnh hưởng đến thông
lượng mạng.

CHƯƠNG 5.

GIỚI THIỆU VỀ TONE-DMAC

Trong chương 5 giới thiệu về giao thức Tone-DMAC và cách truyền dữ liệu
của giao thức.


5.1
-

Tone-DMAC
Không giống như DMAC trong Tone-DMAC các node sử dụng Tone-busy để
thông báo cho các node lân cận biết về quá trình trao đổi dữ liệu của mình đang
diễn ra khi bước vào quá trình backoff các node trong chế độ này sẽ chuyển về chế
độ omni để bắt đầu truyền tài các gói Tone và nó sẽ chuyển lại chế độ direction khi
nhận được tín hiệu phản hồi từ node đã chon trước đó.

-

Trong Tone-DMAC kênh chung được chia thành 2 kênh phụ
+

Kênh dữ liệu truyền các gói tin RTS, CTS, DATA, ACK…

+

Kênh điều khiển truyền các gói Tone.

Time
busyTone
B
A

RTS

RTS

DATA
CTS

ACK

CTS
Preempted Backof

C

RTS

RTS

Backoff Duration

RTS

Busy Tones

RTS

DATA

Projected Backoff Duration

Hình 5-1: Trao đổi dữ liệu trong Tone-DMAC [4]

- Khi node B muốn truyền DATA cho node A thì nó sẽ beam form theo hướng của
node A và cảm nhận vật lý. Nếu kênh truyền rỗi node B sẽ bắt đầu thực hiện quá
trình backoff. Trong Tone-DMAC thì có sự khác biệt so với DMAC, Tone-DMAC
yêu cầu các node sẽ quay trở lại chế độ đa hướng omnidirectional khi thực hiện quá
trình đếm ngược backoff. Vào lúc này node B sẽ chỉ bận rộn trở lại khi có tín hiệu từ
node A gửi lại. Tuy nhiên nếu có một gói tin RTS hay CTS đến từ các hướng khác
node cũng sẽ có khả năng nhận được nó.


5.2

Truyền tải dữ liệu DATA và truyền tải Tone

5.2.1 Chọn kênh truyền và backoff
- Tương tự như trong DMAC quá trình chọn kênh truyền và thực hiện backoff của
Tone-DMAC là giống nhau. Nhưng có sự khác nhau ở chỗ trong Tone-DMAC khi
đã bước vào giai đoạn backoff thì các node trao đổi bắt đầu chuyển về chế độ đa
hướng omnidirection để truyền tải tín hiệu Tone.
5.2.2 Truyền tải Tone (Tone transmission)
- Sau khi đã cảm nhận xác định được kênh truyền và bắt đầu thực hiện quá trình
backoff. Trong quá trình đang thực hiện backoff thì các node chuyển đổi trở lại chế
độ omnidirectional các node bắt đầu truyền tải dữ liệu Tone. Tone là chỉ số biểu quá
trình bận rộn mà các node tham gia vào quá trình truyền tải dữ liệu gần đây để cho
các node trong khu vực lân cận có thể nhận ra được deafness của mình để có thể cập
nhận lại quá trình truyền tải dữ liệu của nó.
-Khi một Tone được truyền tải có chứa thông tin các node lân cận sẽ xác định được
và xác định được node nào đã gửi nó. Nếu các node cùng truyền tải một Tone thì
node nhận được sẽ không biết xác định được là node nào đang trong quá trình
truyền tải dữ liệu dẫn đến nó có thể xác định sai làm cho nó không thể nào cập
nhận được quá trình truyền tải lại của mình.
- Để tránh hiện tượng này thì trong Tone-DMAC sẽ sử dụng một nhóm các Tone
khác nhau về thời gian truyền, để giúp cho các node nhận được tránh khả năng
phân loại sai.
-

Giả sử khi có 2 node truyền tải Tone có cùng giá trị thời gian và cùng truyền đến
cho môt node thì node nhận trước tiên sẽ phải xác định được chùm Tone đến có
cường độ tín hiện là lớn nhất. Ví dụ có hai node A và B cùng gửi Tone đến cho
node C lúc này C thấy được node A có cường độ tín hiệu cao hơn node B lúc này
nó sẽ bỏ tín hiệu từ node B.


-

Khi đã xác định được thì node C sẽ biết được node A là node bị deafness trong
thời gian gần đây. Nếu node C không có ý định trao đổi dữ liệu với node A thì nó
sẽ bỏ qua. Nếu có thì nó sẽ bước vào quá trình cảm nhận kênh truyền và thực hiện
backoff.

-

Sau khi một node bị deafness nghe được Tone từ nguồn gốc node có ý định
muốn gia tiếp trao đổi dữ liệu nó có quyền thực hiện quá trình backoff. Nó sẽ reset
lại cửa sổ tranh chấp với giá trị backoff nhỏ nhất và bắt đầu quá trình đếm ngược
của mình. Lúc này node bị deafness với node muốn truyền tải dữ liệu ban đầu sẽ
có cơ hội thắng được backoff với node đang truyền dữ liệu với nó. Thông qua
Tone thì có được sự công bằng trong việc cạnh tranh quá trình trao đổi dữ liệu
giữa các node dẫn đến xác suất mất gói tin sẽ giảm đi.

CHƯƠNG 6.

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT DMAC VÀ
TONE-DMAC

Trong chương này sẽ trình bày về sự khác nhau trong quá trình truyền tải dữ liệu giữa
hai giao thức DMAC và Tone-DMAC và kết quả mô phỏng đạt được.
6.1

So sánh sự khác nhau giữa hai giao thức DMAC và TONE-DMAC
Sự giống nhau và khác nhau của DMAC và Tone-DMAC trong quá trình cảm nhận

kênh backoff và truyền tải dữ liệu như bảng 6-1.


Bảng 6-1: So sánh giữa DMAC và Tone-DMAC trong quá trình truyền tải data
DMAC
Nghe kênh truyền: Directional
Backoff: Directional
Truyền RTS, CTS, DATA, ACK: Directional

6.2
-

Tone-DMAC
Nghe kênh truyền: Directional
Backoff: Omnidirection (truyền Tone)
Truyền RTS, CTS, DATA, ACK: Directional

Kết quả mô phỏng
Mô phỏng được thực hiện trên MATLAB với các thông số mô phỏng như trong
bảng 6-1 được sử dụng với thời gian mô phỏng là 2 s.

-

Các công thức tính mô phỏng như sau:
Throughput =

Packet_size*Num_Success_Packet
SimTime

Packet Delivery Ratio =

(1)

Num_Success_Packet
Num_Packet_Send

(2)

Bảng 6-2: Thông số mô phỏng
Thông số
Basic Rate (Mbps)
DATA Rate (Mbps)
DATA packet size (bytes)
Beacon interval (ms)
ATIM window size (ms)
SIFS/DIFS/Time slot (μs)
ATIM/ATIM-ACK/ATIM-RES (bytes)
Retry limit
RTS/CTS/ACK (bytes)
E-Tx_Retry_Threshold

Giá trị
1
2/54
512/2048
100
20
16/34/9
27/16/16
7
20/14/14
2


E-Tx_Node_Threshold

2

6.2.1 Kết quả mô phỏng thay đổi theo số node
Thông số mô phỏng của DMAC và Tone-DMAC với tốc độ gói tin là 100 gói/giây,
1 kênh dữ liệu, kích thước gói tin là 512 byte, số node thay đổi tương ứng là 10, 20,
30,…,80.

Bảng 6-2: Kết quả mô phỏng thông lượng thay đổi theo số node
Giao thức

DMAC

TONE-DMAC

Thông lượng (Mbps)

Thông lượng (Mbps)

10

4.1096

4.1145

20

5.8245

5.9599

30

5.9944

6.0587

40

5.9975

6.2124

50

6.0053

6.2308

60

6.0142

6.2784

70

6.0406

6.3599

Số
node


80

6.0512

6.4367

6.5

 

Throughtput (Mbps)

6

5.5

5

4.5


10

dmac
tonedmac
20

30

40
50
Number Node

60

70

80

Hình 6-1: Kết quả mô phỏng thông lượng thay đổi theo số node
Theo hình 6-1 ta thấy thông lượng của cả 2 giao thức đều tăng khi tăng số node
trong cùng tốc độ gói tin. DMAC và Tone-DMAC cũng tương tự, nhưng vì sử dụng
truyền tải Tone trong quá trình backoff giúp cho nhiều node có thể cạnh tranh và truyền
tải dữ liệu nên thông lượng của Tone-DMAC cao hơn DMAC trong trường hợp này là
6%.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×