TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET VÀ MẠNG KHÔNG DÂY
Sự ra đời của mạng máy tính và mạng Internet
Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp điện tử và vi điện tử đã dẫn đến sự ra đời của máy tính điện tử, với các thế hệ máy tính liên tục cải tiến và khẳng định vị thế trong nhiều lĩnh vực kinh tế, văn hóa và xã hội Sự gia tăng nhanh chóng của các dịch vụ máy tính đã tạo ra nhu cầu cấp thiết về việc trao đổi thông tin và chia sẻ tài nguyên giữa các máy tính Nhu cầu này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu phát triển mạng máy tính, công cụ hỗ trợ con người trong việc trao đổi và khai thác thông tin một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả.
Tiền thân của Internet hiện nay là mạng máy tính ARPANET, được thiết lập bởi cơ quan ARPA thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ vào tháng 7 năm 1969 Mạng này liên kết 4 địa điểm đầu tiên gồm Viện nghiên cứu Stanford, Đại học California, Los Angeles, Đại học Utah và Đại học California, Santa Barbara, đánh dấu sự ra đời của mạng liên khu vực (WAN) đầu tiên.
Thuật ngữ "Internet" lần đầu xuất hiện vào năm 1974, khi mạng được gọi là ARPANET Đến năm 1983, giao thức TCP/IP trở thành chuẩn chính thức cho ngành quân sự Mỹ, yêu cầu tất cả máy tính kết nối với ARPANET phải sử dụng giao thức này Năm 1984, ARPANET được chia thành hai phần: ARPANET dành cho nghiên cứu và phát triển, và MILNET, phục vụ cho các mục đích quân sự.
Mốc lịch sử quan trọng của Internet được xác lập vào giữa thập niên
Năm 1980, Tổ chức Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) đã thành lập mạng NSFNET để kết nối các trung tâm máy tính lớn Nhiều doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET, dẫn đến việc ARPANET, sau gần 20 năm hoạt động, trở nên không còn hiệu quả và đã ngừng hoạt động vào khoảng năm 1990.
Ngày nay, với hơn 1.5 tỷ người sử dụng trên toàn thế giới, mạng Internet hiện nay là 1 thành công lớn về kết nối mọi người và cộng đồng
Giao thức Internet (IP) sử dụng Datagram trong chuyển mạch gói, cho phép mỗi gói được xem như một thực thể riêng biệt với tiêu đề chứa thông tin về địa chỉ gửi và nhận Mạng lưới Datagram gửi thông điệp tương tự như bưu thiếp qua hệ thống bưu điện, với mỗi bưu thiếp đến đích một cách độc lập Để nhận được thông báo đầy đủ, người nhận cần thu thập và sắp xếp các bưu thiếp theo thứ tự ban đầu.
Trong mạng sử dụng gói Datagram, giao thức UDP không đảm bảo độ tin cậy vì không kiểm soát việc nhận đủ, không trùng lặp và thứ tự của các gói tin Do đó, các ứng dụng không yêu cầu độ tin cậy cao như video hay âm nhạc trên Internet thường sử dụng UDP Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng Internet như gửi email, duyệt web hay truyền file qua FTP đều bổ sung chức năng để tăng cường độ tin cậy Độ tin cậy này đảm bảo rằng bên nhận sẽ nhận đủ gói tin, không có trùng lặp và đúng thứ tự, thường được thực hiện thông qua giao thức TCP Trong giao thức TCP, thuật ngữ segment được sử dụng để chỉ đơn vị dữ liệu, với các segment được đánh số thứ tự để bên nhận có thể ghép dữ liệu một cách chính xác.
Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu vào mô hình TCP/IP và so sánh với mô hình OSI, nhằm làm rõ lý do tại sao TCP/IP được chọn làm tiêu chuẩn giao tiếp chính trong Internet.
Mô hình quy chiếu OSI và Mô hình TCP/IP
Mô hình TCP/IP và mô hình quy chiếu OSI không xung đột với nhau, mà thực tế, chúng đã hỗ trợ lẫn nhau trong nhiều khía cạnh Có những điểm khác biệt quan trọng giữa mô hình TCP/IP và mô hình OSI mà chúng ta cần lưu ý.
• Một tập phổ biến các ứng dụng
• Kết nối toàn cầu (universal)
Sự khác biệt chính giữa mô hình OSI và TCP/IP nằm ở tầng giao vận và tầng mạng Mô hình OSI có hai tầng riêng biệt là tầng phiên và tầng thể hiện, trong khi TCP/IP kết hợp chúng vào một tầng ứng dụng duy nhất Ngoài ra, TCP/IP cũng tích hợp cả hai tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý thành một tầng truy cập mạng Dưới đây là hình ảnh so sánh giữa hai mô hình OSI và TCP/IP.
Hình 1: Mô hình quy chiếu OSI và mô hình TCPIP
Bộ giao thức TCP/IP có cấu trúc tương tự mô hình OSI, nhưng được chia thành hai phần riêng biệt để đảm bảo tính tương thích giữa các mạng và độ tin cậy trong việc truyền thông tin Giao thức IP chịu trách nhiệm kết nối mạng, trong khi giao thức TCP đảm bảo việc truyền dữ liệu một cách tin cậy.
Tầng ứng dụng là mức cao nhất trong kiến trúc mạng, nơi người sử dụng thực hiện các chương trình ứng dụng để truy cập dịch vụ trên Internet Tầng này tương tác với giao thức ở tầng giao vận để gửi và nhận dữ liệu Mỗi chương trình ứng dụng chọn giao thức giao vận phù hợp, có thể là tuần tự từng thông điệp (UDP) hoặc chuỗi byte liên tục (TCP) Dữ liệu được gửi từ chương trình ứng dụng đến tầng giao vận theo định dạng mà nó yêu cầu.
Tầng giao vận có nhiệm vụ cơ bản là cung cấp phương tiện liên lạc giữa các chương trình ứng dụng trên các máy tính khác nhau, thường được gọi là truyền thông end-to-end Tầng này điều khiển luồng thông tin và đảm bảo dữ liệu được truyền đạt một cách đáng tin cậy, không có lỗi và theo đúng thứ tự Để thực hiện điều này, tầng giao vận sử dụng giao thức TCP, trong đó nơi nhận gửi lại gói tin xác nhận (ACK) và nơi gửi truyền lại các gói dữ liệu bị mất Trong môi trường truyền dẫn tốt như cáp quang, tỷ lệ lỗi rất thấp Ngoài TCP, tầng giao vận còn cung cấp giao thức UDP.
Tầng Internet có nhiệm vụ xử lý liên lạc giữa các thiết bị trên mạng, nhận yêu cầu từ tầng giao vận cùng với định danh máy nhận Tầng này sử dụng giao thức định tuyến để chuyển gói tin đến đích hoặc trạm kế tiếp Khi router xác định máy gửi và máy nhận thuộc cùng mạng cục bộ, phần mềm Internet sẽ cắt bỏ phần đầu của gói tin và chọn giao thức tầng chuyên chở thích hợp Cuối cùng, tầng Internet đảm nhiệm việc gửi và nhận thông điệp kiểm soát cùng với xử lý lỗi ICMP.
Tầng truy nhập mạng là tầng thấp nhất trong mô hình TCP/IP, có nhiệm vụ nhận và truyền các IP datagram trên một mạng cụ thể Tầng này được chia thành hai tầng con.
Tầng liên kết dữ liệu: Tại đây dữ liệu được tổ chức thành các khung (frame)
Khung dữ liệu bao gồm phần đầu chứa địa chỉ và thông tin điều khiển, trong khi phần cuối được sử dụng để phát hiện lỗi Tầng liên kết dữ liệu được chia thành hai tầng con, tách biệt giao tiếp giữa tầng trên và tầng dưới: tầng điều khiển truy nhập môi trường truyền MAC (Medium Access Control) và tầng điều khiển liên kết logic LLC (Logic Link Control).
TẦNG LIÊN KẾT DỮ LIỆU
Hình 2: Kiến trúc mạng LAN
Tầng MAC quy định việc trao đổi thông tin trên mạng và điều khiển việc sử dụng tài nguyên một cách công bằng khi nhiều thiết bị cùng truy cập vào hệ thống truyền dẫn chung Trong mạng LAN, chức năng chuyển mạch và chuyển gói dữ liệu từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích được thực hiện tại tầng điều khiển truy cập MAC mà không cần tầng chức năng như tầng mạng trong mô hình OSI Đồng thời, tầng liên kết logic LLC đảm bảo việc chuyển tiếp chính xác các gói dữ liệu giữa các thực thể cuối của giao thức và hỗ trợ các ứng dụng ở các tầng chức năng cao hơn.
Tầng Vật lý có nhiệm vụ điều chế tín hiệu số và đồng bộ hóa để phát và nhận dữ liệu một cách chính xác trong hệ thống truyền dẫn, thường là dưới dạng nối tiếp.
Mạng LAN và mạng LAN không dây (WLAN)
Mạng LAN là một hệ thống kết nối các máy tính và thiết bị trong một khu vực địa lý nhỏ, như văn phòng, thông qua dây nối hoặc không dây để chia sẻ thông tin Trong mạng này, một máy chủ (Server) đóng vai trò quan trọng, cung cấp ứng dụng và dữ liệu để phục vụ nhu cầu của nhiều người dùng, từ vài người trong gia đình đến hàng nghìn người trong các văn phòng lớn.
Ban đầu, để kết nối hai máy tính và trao đổi dữ liệu, người ta sử dụng cáp qua cổng nối tiếp (RS232) hoặc cổng song song (LPT cho máy in) Tuy nhiên, khi nhu cầu kết nối nhiều máy tính tăng lên, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng cáp đồng trục Mặc dù vậy, mạng sử dụng cáp đồng trục gặp hạn chế về tính linh hoạt khi mở rộng và tốc độ truyền tải không cao Do đó, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm giải pháp mới với cáp có dạng tương tự như đường dây điện thoại.
Cáp xoắn UTP gồm 4 cặp, cho phép xây dựng kiến trúc mạng dạng sao phổ biến trong mạng LAN hiện nay Các kiến trúc mạng LAN thông dụng bao gồm nhiều loại hình khác nhau.
Mạng bus, hay còn gọi là mạng tuyến tính, kết nối tất cả các thiết bị qua một sợi cáp đồng trục, sử dụng các bộ nối T-connector và BNC-connector, với đầu cuối cáp được nối với bộ phối hợp trở kháng sóng gọi là Terminator Ethernet (chuẩn 802.3) áp dụng kiến trúc mạng bus và cơ chế CSMA/CD, dẫn đến tình trạng ùn tắc khi mạng tải nặng do tranh chấp sử dụng đường truyền chung Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển cơ chế Token (thẻ bài), là một gói tin điều khiển giúp kiểm soát truy cập mạng theo các mức ưu tiên khác nhau, từ đó giảm thiểu xung đột trong mạng.
Mạng vòng (Ring) là cấu trúc trong đó các thiết bị được kết nối theo dạng vòng khép kín, mỗi thiết bị kết nối trực tiếp với hai thiết bị kề bên, mang lại băng thông cao và khoảng cách lớn, mặc dù tốn cáp nối Mạng Token Ring (chuẩn 802.5) sử dụng cấu trúc vòng và thẻ bài để quản lý dữ liệu Ngược lại, mạng sao (Star) kết nối các thiết bị vào một thiết bị trung gian, ban đầu là Hub, nhưng Hub chỉ chuyển gói tin đến tất cả các thiết bị mà không có khả năng định tuyến, dẫn đến nguy cơ nghẽn mạng Để khắc phục, các thiết bị trung gian hiện đại như switch và router đã được phát triển, cung cấp khả năng định tuyến hiệu quả hơn.
1.3.2 Mạng LAN không dây -WLAN
WLAN, hay mạng LAN không dây, cung cấp đầy đủ các tính năng và lợi ích của mạng LAN truyền thống như Ethernet, nhưng không sử dụng cáp kết nối Thay vào đó, các thành phần trong mạng giao tiếp qua sóng điện từ hoặc hồng ngoại trong môi trường không khí WLAN thường được áp dụng trong các không gian hạn chế như tòa nhà văn phòng hoặc khuôn viên đại học, và thường được thiết lập như một phần mở rộng cho các mạng có dây hiện có, nhằm mang lại tính di động cho người dùng.
Kể từ khi mạng không dây ra đời, nhiều chuẩn và công nghệ cho WLAN đã được phát triển, trong đó IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) là tổ chức chủ yếu chịu trách nhiệm chuẩn hóa Các chuẩn mạng không dây WLAN do IEEE thiết lập được ký hiệu là 802.11.
Công nghệ WLAN ra đời vào cuối thập niên 1990 với các sản phẩm hoạt động trên băng tần 900Mhz, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu khoảng 1Mbps Tuy nhiên, tốc độ này vẫn thấp hơn nhiều so với 10Mbps của hầu hết các mạng LAN thời bấy giờ, và các giải pháp WLAN lúc này thường mang tính độc quyền và chưa được thống nhất.
Vào năm 1992, các nhà sản xuất đã giới thiệu sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2.4GHz, mặc dù có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn nhưng vẫn là những giải pháp độc quyền Sự cần thiết cho việc hoạt động thống nhất giữa các thiết bị ở các tần số khác nhau đã thúc đẩy một số tổ chức phát triển các chuẩn mạng không dây chung.
Tốc độ WLAN hiện nay dao động từ 1 đến 54Mbps, với một số nhà sản xuất cung cấp giải pháp độc quyền đạt 108Mbps Tiêu chuẩn 802.11n có khả năng đạt tốc độ từ 300 đến 600Mbps.
Vì tín hiệu truyền trong không khí và có thể được chia sẻ trong một phạm vi nhất định, các thiết bị WLAN cần có biện pháp phòng chống truy cập và bảo mật để đảm bảo chỉ những người dùng được cấp quyền mới có thể truy cập vào mạng WLAN của bạn.
Mạng WLAN có khả năng phát sóng tín hiệu trong nhiều khu vực khác nhau, từ văn phòng nhỏ cho đến khuôn viên rộng lớn Thông thường, WLAN cung cấp truy cập trong bán kính từ 20m đến 90m.
1.3.3 Các loại mạng không dây và một số chuẩn an ninh
Các nhà khoa học phân loại mạng không dây dựa trên các đặc điểm kỹ thuật và mục đích sử dụng Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu các loại mạng không dây khác nhau.
WLAN gia đình và doanh nghiệp nhỏ (Home WLAN)
WLAN gia đình thường sử dụng một hoặc hai điểm truy cập để phát tín hiệu trong bán kính từ 30m đến 60m, với các thiết bị phổ biến từ Office Max, Radio Shack, Target và Walmart Chuẩn an ninh thường được áp dụng là WPA2 (Wi-Fi Protected Access 2), mặc dù một số thiết bị có thể hỗ trợ các chuẩn 802.11a, b hoặc g Hiện nay, chuẩn WLAN mới nhất là 802.11n, mang lại hiệu suất và tốc độ cao hơn.
WLAN cho doanh nghiệp lớn
Loại Access Point này được thiết kế để phục vụ cho khu vực rộng lớn bằng cách sử dụng nhiều điểm truy cập kết nối với nhau Chúng yêu cầu tính năng cao hơn so với Access Point cho WLAN gia đình, bao gồm xác thực tốt hơn, an ninh cao, khả năng quản lý từ xa và công cụ tích hợp với mạng hiện có Các Access Point này cần có khả năng phủ sóng rộng hơn và làm việc cùng nhau để mở rộng diện tích phục vụ gấp nhiều lần so với một Access Point đơn lẻ Để đảm bảo sự tương thích, các chuẩn như 802.11a, b, g, và n cần được áp dụng, cùng với các chuẩn an ninh như 802.1x và WPA2, nhằm bảo vệ mạng không dây hiệu quả.
Mạng diện rộng không dây – WWAN (Wireless WAN)
Xu hướng phát triển Internet và mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Xã hội phát triển kéo theo nhu cầu truyền thông ngày càng cao, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các chuẩn không dây với ưu và nhược điểm riêng về phạm vi phủ sóng, tốc độ truyền dữ liệu, yêu cầu thời gian thực và bảo mật Xu hướng sử dụng Internet cho đời sống và giải trí đang gia tăng, với nhiều nghiên cứu về việc chuyển đổi các dịch vụ viễn thông sang mạng Internet như điện thoại IP, hội nghị trực tuyến và truyền hình trực tuyến Con người ngày càng mong muốn kết nối Internet mọi lúc, mọi nơi, do đó việc sử dụng mạng không dây trở thành một phần thiết yếu trong việc mở rộng khả năng truy cập Internet.
Mạng 802.15.3 cho phép truyền dữ liệu với tốc độ 55 Mbps trong khoảng cách 91m và hoạt động trên băng tần 2,4 GHz Chuẩn mạng này có khả năng tự động chuyển kênh khi phát hiện nhiễu từ điện thoại hoặc mạng khác Đặc biệt, 802.15.3 được thiết kế để tương thích và cùng tồn tại với các công nghệ không dây khác như Bluetooth và WiFi.
Luận văn này nghiên cứu các đặc điểm của chuẩn 802.15.3 và so sánh nó với các chuẩn mạng không dây khác như 802.11 và 802.15.4 Từ những kiến thức thu được, luận văn chỉ ra khả năng ứng dụng thực tiễn của chuẩn 802.15.3 trong đời sống con người, đặc biệt là việc kết nối các thiết bị trong gia đình theo chuẩn này, góp phần tạo nên một cuộc sống hiện đại với ngôi nhà thông minh trong tương lai gần.
CÁC CHUẨN VỀ CÁC MẠNG LAN CƠ BẢN
Chuẩn về mạng LAN có dây 802.3
Khi nghiên cứu mạng LAN, giao thức điều khiển truy cập môi trường truyền chung CSMA/CD là yếu tố quan trọng cần tìm hiểu Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về giao thức CSMA/CD và tóm tắt một số đặc điểm chính của chuẩn 802.3.
CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) là một giao thức truyền thông cho phép các thiết bị mạng chia sẻ đường truyền chung, với khả năng phát hiện va chạm và đảm bảo công bằng trong việc sử dụng băng thông Một ví dụ điển hình của mạng sử dụng giao thức này là Ethernet, một mạng LAN phổ biến.
Trong giao thức CSMA/CD, thiết bị cần lắng nghe đường truyền trước khi gửi gói tin Nếu đường truyền rảnh, nó sẽ tiến hành truyền dữ liệu và đồng thời theo dõi để phát hiện sự đụng độ với các gói dữ liệu khác Đụng độ xảy ra khi hai thiết bị gửi dữ liệu đồng thời, khiến chúng phải tạm dừng và chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại Khi lưu lượng mạng tăng cao, tần suất đụng độ cũng gia tăng, dẫn đến giảm hiệu suất mạng một cách nhanh chóng.
2.1.2 Chuẩn 802.3 cho mạng LAN có dây
Mạng LAN ra đời để đáp ứng nhu cầu kết nối các máy tính, với các bộ giao thức như Ethernet, FDDI, và TokenRing, trong đó Ethernet là phát triển nhất Tổ chức IEEE đã chuẩn hóa Ethernet thành chuẩn IEEE 802.3, bao gồm các chuẩn định nghĩa tầng vật lý và tầng con MAC của tầng kết nối dữ liệu trong mạng Ethernet có dây Chuẩn 802.3 thường được gọi là chuẩn Ethernet trong nhiều trường hợp.
Với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ, tốc độ kết nối Ethernet ngày càng được cải thiện Năm 1995, Fast Ethernet được giới thiệu với tiêu chuẩn IEEE 802.3u Sau đó, các tiêu chuẩn mới như 802.3z cho tốc độ 10 Gbps qua cáp quang và 802.3ab cho tốc độ 10 Gbps qua cáp UTP cũng được phát triển.
Chuẩn về mạng LAN không dây 802.11
Sự phát triển mạnh mẽ của mạng có dây đã dẫn đến sự bùng nổ trong nhu cầu sử dụng mạng LAN không dây Để đáp ứng nhu cầu này, chuẩn cho mạng LAN không dây đã được xây dựng, trong đó giao thức CSMA/CA được áp dụng thay cho CSMA/CD Một trong những lý do chính để không sử dụng CSMA/CD là các trạm trên WLAN không thể phát hiện tín hiệu do va chạm Bài viết này sẽ trình bày các hiện tượng dẫn đến việc sử dụng giao thức CSMA/CA thay cho CSMA/CD, đồng thời đi sâu vào giao thức cơ bản nhất của chuẩn 802.11 cho mạng LAN không dây là CSMA/CA cùng với các bổ sung và cải tiến của nó.
2.2.1 Giao thức CSMA/CA và các hiện tƣợng trong WLAN a) Hiện tƣợng trạm bị ẩn (Hidden Terminal) trong WLAN
Hiện tượng này là một trong hai nguyên nhân chính gây ra sự không khả thi của giao thức CMSA/CD trong mạng WLAN Dưới đây, tôi sẽ trình bày chi tiết về hiện tượng này.
Giả sử ta có 3 trạm phát không dây A, B và C và phạm vi hoạt động của nó là các hình tròn, như trên hình 6:
Hiện tượng Hidden Terminal trong WLAN xảy ra khi một thiết bị A đang giao tiếp với thiết bị B, trong khi thiết bị C cũng muốn kết nối với B nhưng không thể nhận diện tín hiệu của A Điều này dẫn đến việc C có thể gây ra xung đột trong quá trình truyền tải dữ liệu, ảnh hưởng đến hiệu suất mạng.
Hiện tượng hidden Terminal xảy ra khi C không nghe thấy A do nằm ngoài vùng phủ sóng của A, dẫn đến việc C quyết định liên lạc với B và gây ra xung đột Để khắc phục vấn đề này, người ta đề xuất sử dụng cặp gói tin điều khiển RTS/CTS Cụ thể, khi A muốn liên lạc với B, A sẽ gửi gói RTS đến B, và nếu B sẵn sàng nhận, B sẽ phản hồi bằng gói CTS Lúc này, C sẽ nghe thấy gói CTS và nhận biết rằng B đã đồng ý giao tiếp với A, từ đó C không liên lạc với B và chờ A gửi dữ liệu cho B, giúp tránh xung đột.
Vấn đề đặt ra là C phải chờ bao lâu thì mới nói chuyện được với B, điều này được quyết định như sau:
Trong RTS mà A gửi cho B có chứa độ dài của DATA mà nó muốn gửi
B trong quá trình truyền dữ liệu sẽ gửi thông tin về chiều dài gói CTS đến A và C Khi nhận được gói CTS, C sẽ biết được chiều dài của gói dữ liệu và sử dụng thông tin này để xác định thời gian kìm hãm việc truyền Hiện tượng trạm bị lộ (Exposed terminal) cũng là một vấn đề quan trọng trong mạng WLAN.
Trong môi trường WLAN với nhiều thiết bị không dây, hiện tượng trạm đầu cuối bị lộ (Exposed Terminal) trở thành một vấn đề cần giải quyết Ví dụ, trong mạng có bốn thiết bị không dây A, B, C và D, sự can thiệp giữa các thiết bị này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Hiện tượng Exposed Terminal trong WLAN xảy ra khi C muốn giao tiếp với D trong khi B đang nói chuyện với A Mặc dù C cảm nhận kênh truyền đang bận, nhưng thực tế C có thể nói chuyện với D mà không gây cản trở Điều này dẫn đến lãng phí kênh truyền Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần sử dụng cặp gói tin điều khiển RTS/CTS: B gửi RTS cho A (bao gồm cả C), A phản hồi bằng CTS cho B nếu A rảnh, nhưng C không nghe thấy CTS của A Do đó, C nghĩ rằng A hoặc không hoạt động hoặc nằm ngoài phạm vi phát của A, và C tiếp tục giao tiếp bình thường với D.
Các vấn đề này được giải quyết thông qua việc thiết lập một khoảng thời gian trễ lặp lại ngẫu nhiên, mà giao thức CSMA/CA áp dụng trong mạng WLAN Cơ chế đa truy nhập CSMA/CA đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất mạng.
CSMA/CA là một giao thức đa truy cập, viết tắt của Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance, được phát triển từ giao thức CSMA Giao thức này bổ sung chức năng tránh đụng độ (Collision Avoidance) nhằm cải thiện hiệu suất truyền tải bằng cách giảm thiểu sự đụng độ trên kênh truyền Khi một trạm không dây muốn truyền khung, nó sẽ lắng nghe môi trường không dây trước tiên để xác định xem có thể truyền dữ liệu hay không.
Trạm không dây A B C D xác định xem có trạm nào đang truyền tín hiệu hay không bằng cách cảm nhận sóng mang Nếu môi trường đang bị chiếm, trạm sẽ tính toán một khoảng thời gian trễ ngẫu nhiên Sau khi thời gian này trôi qua, trạm sẽ tiếp tục nghe để kiểm tra xem có trạm nào đang truyền tín hiệu Việc tạo ra thời gian trễ ngẫu nhiên giúp nhiều trạm muốn truyền tin không cố gắng gửi tín hiệu cùng lúc, từ đó giảm xác suất va chạm trên kênh truyền.
CSMA/CA được áp dụng trong WLAN 802.11 do tính chất không thể nghe trong khi gửi, khiến việc phát hiện xung đột trở nên khó khăn Một thách thức khác là hiện tượng "hidden terminal" và "exposed terminal" Để khắc phục vấn đề này, CSMA/CA sử dụng các tùy chọn bổ sung thông qua việc trao đổi gói Request to Send (RTS) từ trạm gửi S và Clear to Send (CTS) từ trạm nhận R, nhằm thông báo cho tất cả các node trong phạm vi giữ yên lặng để tránh va chạm Đây là quy chuẩn 802.11 RTS/CTS.
Sau sự bùng nổ của mạng LAN, nhu cầu sử dụng mạng không dây WLAN ngày càng tăng Năm 1997, IEEE đã phê chuẩn chuẩn 802.11, còn được gọi là WIFI (Wireless Fidelity) cho các mạng WLAN Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu.
- Omni-directional (truyền tín hiệu theo mọi hướng)
- Semi-directional (truyền tín hiệu theo một hướng)
- Highly-directional (truyền tín hiệu điểm-điểm) Trong đó có bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vô tuyến ở tần số 2.4Ghz
Vào năm 1999, IEEE đã thông qua hai chuẩn bổ sung cho chuẩn 802.11, đó là 802.11a và 802.11b Các thiết bị WLAN dựa trên chuẩn 802.11b nhanh chóng trở thành công nghệ không dây vượt trội, với tốc độ và tính bảo mật cao hơn so với chuẩn 802.11 802.11b hoạt động ở tần số 2.4GHz, cho phép tốc độ truyền dữ liệu đạt tới 11Mbps, trong khi chuẩn 802.11 chỉ đạt tối đa 2Mbps Chuẩn IEEE 802.11b được thiết kế để cung cấp hiệu năng, thông lượng và bảo mật tương đương với mạng có dây.
Vào năm 2003, IEEE đã giới thiệu chuẩn 802.11g, cho phép truyền nhận thông tin ở cả hai tần số 2.4GHz và 5GHz, với tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 54Mbps Đặc biệt, các sản phẩm áp dụng chuẩn 802.11g cũng tương thích ngược với thiết bị theo chuẩn 802.11b.
Tốc độ tối đa (Mbps) Phạm vi
802.11a 54 50-100 5 Không tương thích với 802.11b và giá thành cao hơn 802.11b
802.11b 11 50-100 2.4 Thiết bị dựa trên 802.11b đã trở thành một công nghệ vượt trội 802.11g 54 50-100 2.4,5 Tương thích ngược với 802.11b
Bảng trên không liệt kê đầy đủ tất cả các chuẩn bổ sung chưa chính thức Ví dụ, vào tháng 11/2005, IEEE đã thông qua chuẩn 802.11e, nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ cho việc truyền tải nội dung đa phương tiện Hiện tại, chuẩn 802.11n cũng đang được xem xét với mục tiêu nâng băng thông dữ liệu lên tối thiểu 100Mbps.
Chuẩn không dây IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4 là một tiêu chuẩn truyền thông không dây với tốc độ truyền dữ liệu thấp, được thiết kế cho các mạng cá nhân không dây tầm ngắn (LR-WPAN) Tiêu chuẩn này đáp ứng nhu cầu về chi phí thấp, độ phức tạp tối giản, tiết kiệm năng lượng và tính di động cao.
Một vài đặc tính của IEEE 802.15.4 (LR-WPAN):
- Tốc độ truyền dữ liệu: 250 kbps, 40 kbps, và 20 kbps
- Phương thức kết nối hình sao hoặc ngang hàng
- Địa chỉ ngắn là 16 bit và địa chỉ mở rộng là 64 bit
- Phân phối các khe thời gian được bảo đảm (GTSs)
- Đa truy cập phát hiện sóng mang với cơ chế tránh xung đột (CSMA-CA)
- Giao thức được xác nhận đầy đủ để bảo đảm độ tin cậy của quá trình truyền
- Tiêu thụ năng lượng thấp
- Dò tìm năng lượng trên kênh truyền (ED)
- Chỉ thị chất lượng kết nối (LQI)
- 16 kênh trong băng thông 2450 MHz, 10 Kênh trong băng thông 915 MHz, và 1 kênh trong băng thông 868 MHz
Hệ thống IEEE 802.15.4 (LR-WPAN) bao gồm nhiều thành phần, trong đó trạm là thành phần cơ bản nhất Trạm có thể là RFD (Trạm có chức năng hạn chế) hoặc FFD (Trạm có chức năng đầy đủ) FFD có thể hoạt động ở ba chế độ: trạm điều khiển PAN, trạm điều khiển, hoặc trạm làm việc FFD có khả năng trao đổi thông tin với RFDs hoặc các FFD khác, trong khi RFD chỉ có thể giao tiếp với một FFD Mạng IEEE 802.15.4 yêu cầu ít nhất một FFD, đóng vai trò như một trạm điều khiển PAN.
2.3.1 Phương thức kết nối của chuẩn 802.15.4
Có hai phương thức kết nối được sử dụng trong IEEE 802.15.4 là kết nối hình sao và kết nối ngang hàng (Hình 8)
Hình 8 – kết nối hình sao và ngang hàng
Hình 9– Kết hợp giữa kết nối ngang hàng và kết nối hình sao
2.3.2 Giao thức và các kiểu xác thực
Giao thức IEEE 802.15.4 sử dụng CSMA/CA, như đã đề cập ở mục 2.2.1, cùng với các giao thức xác nhận khung và xác nhận dữ liệu, nhằm đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả cao trong quá trình truyền dữ liệu.
IEEE 802.15.4 có hai giao thức truy nhập kênh khác nhau phụ thuộc vào cấu hình của mạng:
- Giao thức truy nhập kênh CSMA-CA không sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng không sử dụng khung “beacon”
- Gói tin “beacon” là gói đặc biệt chứa các thông tin về thời gian, chất lượng dịch vụ, tiêu thụ năng lượng và điều khiển truy nhập
- Giao thức truy nhập kênh CSMA-CA sử dụng khe thời gian được thực hiện trong mạng sử dụng khung “beacon”
Việc thực hiện kiểm tra quyền trong các dải ứng dụng khác nhau có mức ranh giới khác nhau trong tầng MAC, bao gồm khả năng duy trì danh sách điều khiển truy cập (ACL) và sử dụng mật mã đối xứng để bảo vệ khung truyền Các tầng phía trên xác định thời điểm kiểm tra diễn ra tại tầng MAC và cung cấp các khóa cần thiết cho việc này Một số kiểu kiểm tra trong chuẩn này bao gồm: khóa đối xứng do các tầng cao tạo ra, điều khiển truy cập để phát hiện thiết bị khác, mã hóa dữ liệu bằng mật mã đối xứng, đảm bảo tính toàn vẹn khung tin và làm tươi chuỗi.
Ngoài ra chúng ta còn có chuẩn 802.15.3, là phần trọng tâm của luận văn nghiên cứu, do đó tôi sẽ trình bày trong chương tiếp theo.
MẠNG THEO CHUẨN 802.15.3
Giới thiệu chuẩn 802.15.3
3.1.1 Sự ra đời của chuẩn 802.15.3
Chuẩn IEEE 802.15.3 (HR-WPAN) là một tiêu chuẩn mới cho mạng cá nhân không dây, nổi bật với tốc độ truyền dữ liệu cao và tiêu thụ năng lượng thấp Nó dễ dàng cấu hình và sử dụng, đồng thời đảm bảo tính tương thích với các mạng không dây hiện tại như IEEE 802.11 WLAN và các mạng WPAN khác.
Chuẩn 802.15.3 được hiệp hội truyền thông quốc tế chứng nhận vào tháng 5 năm 2005, đáp ứng nhu cầu truyền thông Multimedia và kết nối các thiết bị AV Công nghệ USB không dây, kế thừa ưu việt của USB có dây, đã thay thế các ứng dụng cũ với chi phí cao và hạn chế về không gian Với Certified Wireless USB (CWUSB), các thiết bị kết nối không dây đã tạo ra bước nhảy vọt trong lĩnh vực này, đáp ứng đầy đủ nhu cầu của con người trong gia đình và công sở.
Hình 10 : Kết nối các thiết bị trong gia đình bằng WUSB
Công nghệ USB không dây (WUSB) theo chuẩn 802.15.3 được phát triển để thay thế các kết nối cáp truyền thống, mang lại tốc độ cao cho kết nối không dây trong phạm vi gần Nó hỗ trợ nhiều thiết bị gia đình như máy quay kỹ thuật số, MP3, máy in, máy quét, ổ cứng ngoài, PDA, máy tính để bàn, loa không dây, âm ly, HDTV và camera Trong môi trường doanh nghiệp, WUSB phục vụ cho việc sao lưu dữ liệu, kết nối máy in, máy quét và đồng bộ hóa thiết bị di động như PDA với điện thoại di động hoặc laptop.
Chuẩn IEEE 802.15.3 – mạng không dây cá nhân - WPAN (Wireless
Personnal Area Network), có tầng vật lý sử dụng công nghệ băng siêu rộng
UWB (Ultra-Wide Band) là một chuẩn WPAN quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp, hoạt động trong không gian gia đình nhỏ hơn 10m So với WLAN và mạng tế bào không dây, WPAN có tốc độ truyền dữ liệu cao, đạt tới 500 Mbps trong khoảng cách 3m Với mức năng lượng tiêu thụ thấp và tương thích với các thiết bị CMOS, UWB cho phép sản xuất thiết bị với chi phí thấp Tham khảo bảng thống kê so sánh tốc độ dữ liệu của các chuẩn không dây để có cái nhìn tổng quan hơn.
Hình 11: Tốc độ truyền dữ liệu và phạm vi không gian sử dụng
Chuẩn 802.15.3 là một trong những tiêu chuẩn có tốc độ cao nhất hiện nay, được thiết kế cho mạng cá nhân không dây WPAN, vì vậy nó nhận được sự ủng hộ mạnh mẽ từ người dùng.
Sau khi Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC) thiết lập kế hoạch dải phổ chiến lược và quy định cho truyền thông băng thông cực rộng (UWB), công nghệ này được kỳ vọng sẽ mang lại tiềm năng lớn cho các ứng dụng truyền thông khoảng cách ngắn trong mạng cá nhân không dây (WPAN).
FCC định nghĩa UWB là công nghệ có hệ số băng thông lớn hơn 0.2 hoặc băng thông vượt quá 500MHz Hệ số này được tính dựa trên phân số giữa truyền thông băng thông cực rộng (UWB) và truyền thông băng thông hẹp thông thường, với công thức (fH – fL)/fC, trong đó fH là tần số cao, fL là tần số thấp tại điểm 10 dB, và fC là tần số trung tâm của dải phổ Ngoài ra, FCC cũng xác định rằng băng thông cho UWB nằm trong khoảng từ 3.1 đến 10.6 GHz, với dải tần số dành cho hệ thống UWB “indoor” được minh họa trong biểu đồ dưới đây.
Hình 12– FCC mask for indoor communications
Hiện nay, có hai công nghệ UWB chính: DS-UWB (UWB trải phổ trực tiếp) do diễn đàn UWB đề xuất và multiband OFDM (kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao) do Liên minh OFDM (MBOA) phát triển DS-UWB tận dụng toàn bộ dải phổ mà FCC quy định và bao gồm hai dải băng thông khác nhau.
Low Bandwidth: 1.75 GHz = (3.1 4.85) GHz (dải được đề xuất)
Băng thông cao: 3.5 GHz = (6.2 ÷ 9.7) GHz (dải tùy chọn) Khác với DS-UWB, multiband OFDM phân chia dải tần (3.1 – 10.6) GHz thành nhiều dải riêng biệt, mỗi dải có băng thông rộng 528 MHz, được mô tả chi tiết trong tầng vật lý phía dưới.
3.1.2 Kiến trúc giao thức Đối với chuẩn 802.15.3 yêu cầu thiết kế các kiến trúc giao thức nhằm đạt được các yếu tố như: Tối ưu hóa quản lý điện năng và QoS, giá thấp và ít phức tạp, kích cỡ nhỏ và dễ tích hợp với các thiết bị khác và mang tính phổ dụng liên quan nhiều đến tầng vật lý và liên kết dữ liệu Bởi vậy, nhóm chuẩn IEEE 802.15 chỉ tập chung xây dựng và phát triển ở các tầng thấp Cụ thể là hai tầng “Data link” và tầng “Physical”, được thể hiện như sau:
ISO - OSI Model IEEE 802.15 Model
Media Access Control (MAC) – IEEE 802.15
(PHY) – IEEE 802.15.3 Hình 13: Mô hình OSI và IEEE 802.15 Đặc biệt kiến trúc của chuẩn IEEE 802.15.3 được thể hiện chi tiết hơn như trên hình vẽ 14 sau:
Hình 14 - Kiến trúc của IEEE 802.15.3 Trong đó, các tầng như sau:
- Tầng vật lý (IEEE 802.15.3 PHY): Truyền tải và tiếp nhận kênh vô tuyến điện (sóng vô tuyến điện) về mặt vật lý
- Tầng MAC (IEEE 802.15.3 MAC): Truy cập kênh truyền, duy trì PAN và vận chuyển dữ liệu được tin cậy
- Tầng thứ 3 (NWK): Quản lý cấu hình, quản lý MAC, định tuyến, phát hiện giao thức, quản lý an ninh
- Tầng thứ 4 (API): Giao diện lập trình ứng dụng
- Tầng thứ 5: Các ứng dụng được các nhà phát triển đầu cuối xây dựng, được thiết kế sử dụng các chính sách dành cho ứng dụng
Với kiến trúc của 802.15.3 nhằm giải quyết các vấn đề sau:
- Tối ưu hóa đối với vấn đề Multimedia
- Cung cấp các giải pháp kết nối có hướng xác định với hằng số băng thông
- Hỗ trợ cho luồng lưu lượng với độ tin cậy rất cao và độ trễ thấp
- Có khả năng hình thành mạng ad-hoc
Luận văn sẽ tập trung vào hai tầng quan trọng nhất của chuẩn 802.15.3, đó là tầng vật lý và tầng MAC, với nội dung chi tiết được trình bày trong các mục 3.2.1 và 3.2.2.
3.1.3 Các thành phần của mạng
Hệ thống chuẩn IEEE 802.15.3 bao gồm ba phần chính: trạm điều khiển, trạm làm việc và liên kết giữa chúng Trạm điều khiển có khả năng hỗ trợ tối đa 128 trạm làm việc trong khoảng cách lên đến 10m.
Hình 15: Phương thức kết nối
Trạm điều khiển WUSB là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, được thiết kế như một trạm tốc độ cao (ví dụ: PC) để kết nối và điều khiển các thiết bị ngoại vi như Camera và PDA WUSB sử dụng kiến trúc phân bổ tập trung, bao gồm bộ lưu trữ đệm cho các trạm, cho phép mạng backbone phân phối nội dung đến nhiều trạm Trong kiến trúc này, WUSB khởi tạo lưu lượng dữ liệu cho tất cả các thiết bị liên kết và phân bổ khe thời gian cũng như băng thông cho từng thiết bị Mô hình này được gọi là mô hình “cụm”, với các kết nối giữa WUSB và các thiết bị ngoại vi theo kiểu điểm – điểm (Point-to-point) WUSB có khả năng kết nối tối đa nhiều thiết bị cùng lúc.
Kiến trúc này hỗ trợ 127 thiết bị, có thể được chia thành nhiều cụm Tuy nhiên, một hạn chế đáng chú ý là nó không cho phép kết nối ngang hàng (Peer to peer) giữa hai máy tính hoặc giữa các thiết bị như camera và PDA.
Chức năng của các tầng của chuẩn 802.15.3
Trong phần này, tôi xin trình bày chi tiết về tầng vật lý và tầng MAC của chuẩn 802.15.3
Các nghiên cứu chỉ ra rằng, sản phẩm truyền dữ liệu tốc độ cao hiện nay sử dụng công nghệ siêu băng rộng UWB theo chuẩn 802.15.3 được phát triển dựa trên nền tảng sóng vô tuyến WiMedia.
Hình 16: Nền tảng sóng vô tuyến WiMedia
Hình vẽ 16 minh họa bố trí của tầng PHY trong mô hình nền tảng sóng vô tuyến WiMedia Tầng PHY kết hợp lập trình phần cứng và phần mềm để xác định các chi tiết kỹ thuật điện, cơ khí và chức năng, cho phép kích hoạt, duy trì và ngừng tiến trình trao đổi giữa các hệ thống giao tiếp Nhiệm vụ chính của PHY là truyền tải bit dữ liệu qua các phương tiện truyền thông kỹ thuật số hoặc tương tự Các đặc điểm kỹ thuật của tầng PHY bao gồm mức điện áp, thời gian thay đổi điện áp, tốc độ dữ liệu, khoảng cách truyền dẫn tối đa và kết nối vật lý, quyết định cách dữ liệu được xử lý trên giao diện và mang tần số vô tuyến Những đặc điểm này cũng xác định Wimedia PHY, được mô tả trong chuẩn ECMA-368, phát hành lần đầu vào tháng 12 năm 2005 bởi Hiệp hội ECMA, nhằm tiêu chuẩn hóa các hệ thống thông tin và truyền thông.
Tiêu chuẩn ECMA xác định rằng UWB PHY cho WPAN của chuẩn 802.15.3 sử dụng băng tần không cần cấp phép 3100-10600MHz Nó hỗ trợ các tốc độ
Wireless USB Bluetooth 3.0 Wimedia layer two protocl Wireless 1394
Medium Access Control (MAC) layer
Nền tảng radio chung của WiMedia hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ từ 53.3Mb/s đến 480Mb/s Phổ tần của công nghệ UWB được chia thành 14 dải tần số, trong đó có băng thông 528MHz Mười hai băng thông đầu tiên được phân chia thành 4 nhóm, mỗi nhóm bao gồm 3 băng thông, trong khi 2 băng thông cuối được nhóm thành nhóm thứ năm.
Hình 17: Phân chia phổ tần UWB trong các băng thông và nhóm băng thông
Hình 18 - Dải phổ của tầng vật lý theo đề xuất của MB-OFDM Dưới đây là các thông số của Multi band – OFDM:
Bảng 19 – Thông số của MB – OFDM
Ví dụ về một sơ đồ khối của bộ dồn kênh phân chia theo tần số trực giao nhiều kênh MB-OFDM của bên nhận như hình 20
LPF VGA ADC cos(2pf c t) I
S y n c h ro n iz a ti o n O v e rl a p -a n d -a d d F F T F E Q re m o v e p ilo ts D e - in te rl e a v e r V it e rb i d e c o d e r D e - s c ra m b e r
Carrier Phase And Time tracking
Hình 20: Sơ đồ khối MB-OFDM
Trong quá trình thu tín hiệu, các tín hiệu được khuyếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) và hạ tần số mang, sau đó được lọc để loại bỏ tín hiệu ngoài băng tần Tiếp theo, tín hiệu tương tự 528MHz được chuyển đổi thành tín hiệu số qua bộ chuyển đổi ADC Quá trình này bắt đầu bằng việc dò tìm các gói tin qua bộ lọc PSF Bộ điều khiển tự động AGC điều chỉnh các bộ khuếch đại VGA để duy trì tín hiệu tối ưu trước khi đưa vào ADC Bộ biến đổi Fourier nhanh (FFT) trích xuất thông tin miền tần số và được hiệu chỉnh bởi bộ hiệu chỉnh miền tần số (FEQ) để khắc phục các lỗi phát sinh Đầu ra của FEQ được ánh xạ và sắp đặt trước khi chuyển sang bộ giải mã Viterbi, nơi các bit lỗi được xác định và chuyển đến MAC.
Bộ truyền tải UWB khác biệt rõ rệt so với các bộ truyền tải dải băng thông hẹp và rộng, nhờ vào khả năng truyền tải qua phổ rộng hơn nhiều, như minh họa trong hình 22 Hình 22 cho thấy phạm vi băng thông GHz rộng lớn và mức tiêu thụ năng lượng thấp của UWB Phổ thực tế sử dụng phụ thuộc vào các quy định hiện hành Để đáp ứng nhu cầu của bộ truyền tải, các thông tin cần thiết được tích hợp vào các gói tin theo đặc điểm kỹ thuật tại tầng PHY, đảm bảo có đủ thông tin để hỗ trợ các dãy tần số UWB khác nhau.
Hình 21: Băng thông hẹp - NB, băng thông rộng - SS và cực rộng - UWB
Một trong những thách thức lớn đối với công nghệ UWB là băng thông tín hiệu của nó, rộng hơn nhiều so với các sóng vô tuyến điện dải thông hẹp Hệ thống UWB cần phải cùng tồn tại với nhiều hệ thống băng tần hẹp khác hoạt động trong cùng dải tần số Điều này dẫn đến sự khác biệt về độ nhạy cảm và yêu cầu băng tần giữa các thiết bị UWB, từ đó đòi hỏi thiết kế mạch sóng vô tuyến và kiến trúc UWB phải khác biệt hoàn toàn so với các băng tần hẹp.
Trong những năm gần đây, nhiều công nghệ đã được phát triển để khai thác lợi thế của phổ UWB, nhưng ứng dụng truyền thông hiệu năng cao sử dụng xung sóng vô tuyến vẫn còn hạn chế Thay vào đó, các ứng dụng UWB hiệu năng cao như CWUSB và Bluetooth 3.0 chủ yếu dựa vào định dạng MB-OFDM để truyền tải thông tin Định dạng này đã được liên minh Wimedia chấp nhận, với sự tham gia của hơn 300 thành viên lớn như Intel, Samsung Electronics, HP, Sony, Microsoft và Nokia Lý do chính cho việc lựa chọn giải pháp OFDM thay vì kiến trúc xung sóng vô tuyến là khả năng cung cấp thông lượng tốt hơn trong các tình huống thực tế và khả năng tích hợp công nghệ số giá thấp với các công nghệ cao khác.
Nhiều công ty, khi lần đầu phát triển công nghệ xung sóng vô tuyến điện trên băng thông đơn, đã chuyển sang đa băng thông bằng cách áp dụng các kỹ thuật và chiến lược mới Một giải pháp hiệu quả là sử dụng công nghệ CMOS RF với chi phí thấp, giúp tăng cường hiệu suất và khả năng thực hiện công nghệ đa băng thông Trong hệ thống đa băng thông, phổ UWB được chia thành nhiều băng thông con, mỗi băng thông con có độ rộng tối thiểu 500MHz, cho phép truyền tải song song hoặc tuần tự Việc truyền này có thể được thực hiện qua các đường truyền hoặc tần số khác nhau, tối ưu hóa tốc độ nhận tín hiệu.
Hình 22: UWB xem xét ở dạng 1 band và nhiều band
(Aplitude – Biên độ - Frequency – Tần số)
Có 2 loại đa băng thông là: xung đa băng thông và OFDM đa băng thông, được trình bày dưới đây:
Truyền xung đa băng thông điều chỉnh cách chọn mẫu xung để đạt được các thuộc tính miền – tần số cho mỗi băng thông con Tín hiệu được điều chỉnh theo thời gian hoặc giai đoạn thông qua các phương pháp như điều chế vị trí xung PPM và khóa dịch pha nhị phân BPSK Mặc dù phương pháp này tận dụng được các lợi ích của đa băng thông, nhưng vẫn gặp một số hạn chế về kỹ thuật và hiệu suất Đặc biệt, hệ thống xung không thể giải quyết vấn đề tín hiệu vô tuyến đi theo nhiều đường dẫn khác nhau (vấn đề “multipath”) Để hệ thống xung có thể nắm bắt năng lượng này, cần phải tạo ra nhiều chuỗi RF, trong khi bộ tiếp nhận OFDM có khả năng xử lý tất cả các đường tín hiệu chỉ với một chuỗi RF duy nhất.
Trong hệ thống Multiband OFDM, băng thông được chia thành các sóng mang con thông qua biến đổi Fourier ngược trong bộ truyền Tín hiệu không dây truyền đi trong không khí và được nhận với độ tin cậy khác nhau, dẫn đến hiện tượng giảm âm đa chiều (Multipath fading) Hiện tượng này xảy ra khi tín hiệu truyền theo nhiều hướng khác nhau do phản xạ từ các bề mặt vật thể, tạo ra sự chồng chất tín hiệu tại bên nhận với độ lệch pha khác nhau, gây suy giảm tín hiệu tổng hợp Để giảm thiểu hiện tượng này, có thể áp dụng các kỹ thuật xử lý như tách tín hiệu, điều chế, mã hóa hoặc kiến trúc nhận.
Hiệu suất của hệ thống đa băng thông được cải thiện thông qua các kiểu điều chế khác nhau như OFDM Tiêu chuẩn Ecma PHY của WiMedia xác định các kiểu MD-OFDM để truyền tải thông tin hiệu quả Phương pháp này sử dụng OFDM để truyền thông tin cần thiết trên từng băng thông, sau đó kết hợp chúng thành một dạng đa băng thông, cho phép chen thông tin vào tất cả băng thông và đạt được năng lượng sử dụng đồng thời toàn bộ băng thông.
Hệ thống OFDM không chỉ tối ưu hóa việc thu năng lượng mà còn sở hữu nhiều đặc tính giá trị như xử lý phổ cao và tính đàn hồi trong giao thoa giữa UWB và RF băng tần hẹp Đặc biệt, tính linh hoạt của phổ rất quan trọng vì nó đóng vai trò là nguyên tắc điều chỉnh cho các thiết bị UWB.
Kiến trúc truyền và nhận của hệ thống multiband OFDM tương tự như hệ thống OFDM không dây chuẩn Tuy nhiên, MB-OFDM yêu cầu sử dụng các mạch bổ sung để tạo mẫu nhảy tần cho việc truyền dẫn các ký hiệu OFDM, do tín hiệu RF cần phải chuyển đổi giữa các tần số trong một dãy tần số khác nhau.
Hình 23 mô tả 1 ví dụ cách mà các kí hiệu OFDM được truyền tải qua Multiband
Hình 23: Bảng ký hiệu Time-frequency cho hệ thống multi-band OFDM
Ký hiệu time-frequency có thể được định nghĩa theo chiều dài dãy tần số như 3, 2 hoặc 1, tương ứng với các bước nhảy tín hiệu qua băng thông Ký hiệu chiều dài 3 cải thiện hiệu năng trong nhóm đa tần số và đa truy cập nhờ sử dụng nhiều tần số hơn Tuy nhiên, không phải tất cả các dải tần đều có đủ độ rộng để áp dụng ký hiệu chiều dài 3, do đó cần giảm xuống chiều dài 2 hoặc 1.
Các chuẩn Ecma PHY yêu cầu hệ thống UWB hỗ trợ hai loại ký hiệu time-frequency Khi thông tin được mã hóa trong đa băng thông, thuật ngữ được sử dụng là xen kẽ tần số - thời gian (TFI), trong khi thông tin mã hóa truyền trên một băng tần đơn được gọi là xen kẽ tần số - cố định (FFI).
Piconet trong chuẩn 802.15.3
Năng lượng tiêu thụ là yếu tố quan trọng trong các hệ thống mạng không dây di động, và Piconet đóng vai trò cơ bản trong giao thức truy cập của chuẩn IEEE 802.15.3.
Piconet trong 802.15.3 là một hệ thống giao tiếp dữ liệu không dây Ad-hoc, hoạt động trong khu vực nhỏ xung quanh cá nhân hoặc đối tượng Hệ thống này cho phép các thiết bị độc lập giao tiếp với nhau, chủ yếu là các thiết bị chạy bằng pin.
Hình 28_b: Trao đổi dữ liệu và bản tin giữa trạm điều khiển và trạm làm việc
Một Piconet bao gồm các trạm làm việc (DEV) và một trạm điều khiển (PNC) Trạm điều khiển đóng vai trò là trung tâm quản lý toàn bộ Piconet, trong khi tất cả các thiết bị khác được gọi là DEV PNC quản lý Piconet thông qua một gói đặc biệt.
“beacon”, gói này chứa các thông tin về thời gian, chất lượng dịch vụ, tiêu thụ năng lượng và điều khiển truy nhập như mi n h ho ạ t r ê n h ì n h
Các trạm trong Piconet sử dụng chung một kênh truyền vật lý, yêu cầu phải đồng bộ hóa theo một đồng hồ chung và chuỗi nhảy tần theo đồng hồ và địa chỉ vật lý của trạm điều khiển Trong một không gian lớn, nhiều Piconet có thể tồn tại và kết nối với nhau thông qua một trạm cầu nối, trạm này phải là thành viên của cả hai Piconet.
Hình 29 – Truyền thông giữa 2 Piconet
Một trạm có thể phục vụ nhiều Piconet, nhưng chỉ có thể là trạm điều khiển cho một Piconet duy nhất Các trạm làm việc trong Piconet lắng nghe các gói beacon từ trạm điều khiển, cho phép truyền dữ liệu và thông tin điều khiển giữa các trạm làm việc và trạm điều khiển.
Trạm điều khiển phân loại các gói nhận từ các trạm làm việc khác nhau, dựa trên mức ưu tiên truyền tải Một số gói chứa dữ liệu với mức ưu tiên cao hơn, đặc biệt là để xử lý media.
Sự khác biệt chính giữa trạm điều khiển và trạm làm việc trong Piconet của IEEE 802.15.3 là trạm điều khiển gửi gói Beacon định kỳ Khi phát hiện các trạm làm việc khác có khả năng vượt trội hơn về dung lượng kênh, khả năng bộ nhớ và tốc độ xử lý, trạm điều khiển sẽ chuyển giao quyền điều khiển cho trạm làm việc đó Điều này cho thấy Piconet có tính linh hoạt cao với các thành viên động, giúp nó dễ dàng thích ứng với các kiểu kết nối và môi trường thay đổi.
Tổ chức kênh
Tổ chức kênh trong chuẩn IEEE 802.15.3 được chia thành các siêu khung như được mô tả trong hình 30:
Hình 30 - Kiến trúc của siêu khung IEEE 802.15.3
Các siêu khung bao gồm ba phần chính: Beacon, chứa thông tin điều khiển; CAP, liên quan đến thời gian tranh chấp truy cập; và CTAP, phân phối thời gian kênh CAP và CTAP được xem là các khoảng lựa chọn trong cấu trúc này.
Gói Beacon được gửi từ trạm điều khiển để quản lý hoạt động của các trạm làm việc và thiết lập thông số Piconet Thông tin xác định CAP và CTAP được chỉ định trong gói này Trong khoảng thời gian CAP, các trạm có thể gửi gói dữ liệu riêng biệt để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trên đường truyền Các trạm (DEV) truy cập kênh bằng phương pháp đa truy cập cảm nhận sóng mang với cơ chế tránh xung đột (CSMA/CA) Để giảm thiểu xung đột, các trạm sẽ chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi bắt đầu truyền Nếu trạm làm việc (DEV) không nhận được bản tin xác nhận (ACK) sau khi truyền một gói, nó sẽ thực hiện việc truyền lại gói đó tối đa 3 lần.
Hình 31: Thủ tục truyền (PNC truyền dữ liệu tới DEV)
Truy cập kênh trong thời gian CTAP dựa trên cơ chế đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), trong đó CTAP được chia thành nhiều khe thời gian (CTA) với thời điểm bắt đầu và khoảng thời gian cố định Mỗi CTA được chỉ định cho một trạm làm việc hoặc một nhóm trạm cụ thể, cho phép trạm đó truy cập vào CTA tương ứng Vị trí và thời gian của từng CTA được xác định thông qua gói Beacon do trạm điều khiển gửi đi.
Phương thư ́ c lựa cho ̣n tra ̣m điều khiển trong Piconet
Trong phần này, luận văn sẽ trình bày chi tiết về việc lựa chọn trạm điều khiển trong Piconet, bao gồm:
3.5.1 Mô tả phương thức lựa chọn trạm điều khiển trong Piconet
Dải phổ của tầng vật lý WPAN có thể trùng lặp với các mạng không dây khác khi sử dụng công nghệ UWB, do đó việc giảm thiểu đan xen là rất quan trọng Để đảm bảo tuân thủ các quy tắc của FCC và duy trì chất lượng tín hiệu tốt, công suất truyền của các trạm trong WPAN đóng vai trò quyết định trong việc lựa chọn trạm điều khiển.
Việc giảm công suất truyền là yếu tố quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng cho mạng không dây sử dụng pin, vì công suất truyền có mối liên hệ chặt chẽ với khoảng cách truyền.
Do đó giảm khoảng cách truyền có thể sẽ giảm công suất truyền
Ký hiệu Pr(di,j) và Pt(di,j) đại diện cho mức công suất nhận và truyền giữa hai thiết bị i và j Mối quan hệ giữa công suất truyền và công suất nhận có thể được diễn tả qua biểu thức sau (tham khảo tài liệu [30]).
Khoảng cách giữa bộ truyền i và bộ nhận j được ký hiệu là di,j, trong khi Gt và Gr đại diện cho hệ số khuếch đại ăng ten của bộ truyền và bộ nhận Hệ số tổn hao trong hệ thống được ký hiệu là L, và số suy hao trên đường truyền n thường có giá trị điển hình từ 2 đến 4.
Hầu hết các trạm làm việc trong mạng WPAN có thể được lựa chọn làm trạm điều khiển PNC, với ký hiệu Ci biểu thị khả năng của trạm thứ i Hàm khả năng này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ truyền, dung lượng bộ nhớ, tốc độ CPU và năng lượng tiêu hao Để tối ưu hóa kết nối và tiết kiệm năng lượng trong Piconet, khoảng cách giữa trạm điều khiển và các trạm làm việc là rất quan trọng Việc lựa chọn trạm điều khiển dựa trên hàm chức năng (Ci) liên quan chặt chẽ đến khoảng cách giữa các trạm Ví dụ, nếu trạm làm việc 1 được chọn làm trạm điều khiển, nó cần tăng công suất truyền để bao phủ tất cả các trạm Ngược lại, nếu trạm làm việc 3 được chọn, vùng đan xen sẽ giảm và mức tiêu thụ năng lượng sẽ thấp hơn Do đó, trạm làm việc có thể được chọn làm trạm điều khiển nếu khoảng cách bình phương đến các trạm còn lại là nhỏ nhất.
Từ góc độ cải tiến toàn bộ vùng Piconet trong WPAN, việc thường xuyên chọn một PNC có mức năng lượng thấp có thể dẫn đến sự suy giảm nguồn năng lượng tại trạm điều khiển Vì vậy, việc xem xét năng lượng còn lại cũng rất quan trọng trong quá trình lựa chọn trạm điều khiển.
3.5.2 Cách chọn trạm điều khiển có bình phương khoảng cách nhỏ nhất
Bộ đếm lựa chọn trạm điều khiển (PSC) quản lý tần số hoạt động lựa chọn trạm Giá trị khởi đầu của PSC là T khi trạm điều khiển được lựa chọn, và giá trị này sẽ giảm dần cho đến khi đạt 0 Thủ tục lựa chọn được khởi động bởi một trạm điều khiển.
1, Khi bộ đếm PSC có giá trị 0
2, Năng lượng thặng dư của trạm điều khiển nhỏ hơn EL
Khi trạm điều khiển cần thoát khỏi Piconet, nó sẽ khởi động quá trình lựa chọn trạm điều khiển bằng cách đính kèm yêu cầu lựa chọn - PSR vào khung beacon và gửi tới tất cả các trạm làm việc DEV Khi nhận được PSR, các trạm sẽ gửi gói xác nhận PSR-ACK trở lại để thông báo sự chấp nhận, kèm theo giá trị năng lượng hiện tại, dung lượng bộ nhớ và tốc độ CPU Trong suốt khoảng tranh chấp truy cập CAP, các trạm sẽ sử dụng mức công suất cao nhất, Pmax, để gửi các gói Do gói xác nhận PSR-ACK có kích thước nhỏ, hầu hết các trạm làm việc có thể truyền thành công trong khoảng CAP Tuy nhiên, nếu một trạm không truyền thành công gói PSR-ACK trong khoảng CAP, nó sẽ không gửi lại trong các CAPs sau, dẫn đến việc bị bỏ qua trong quá trình lựa chọn trạm điều khiển.
Tất cả các trạm làm việc và trạm điều khiển trong Piconet đều lắng nghe gói xác nhận PSR-ACK Thuật toán chỉ cần một giá trị tạm thời của khoảng cách giữa hai trạm, với cường độ tín hiệu nhận được của gói PSR-ACK được đo để xác định khoảng cách Khi trạm làm việc i nhận gói PSR-ACK từ trạm làm việc j, nó sẽ sử dụng biểu thức (1) với n = 2 để tính toán khoảng cách giữa các trạm i và j, được ký hiệu là di,j.
Trong Piconet có N+1 trạm, trong đó Pr, i đại diện cho mức công suất nhận của trạm i Thiết bị thứ i sẽ ghi lại một bộ khoảng cách giữa các trạm khác và chính nó.
Sau đó tính bình phương trung bình khoảng cách Di của thiết bị i đến các thiết bị j, Di được tính toán theo biểu thức:
Trạm điều khiển tiêu thụ năng lượng nhiều hơn so với các trạm làm việc thông thường Để trở thành trạm điều khiển, trạm làm việc cần có năng lượng đủ lớn để hoạt động tương tự như trạm điều khiển Sau khi nhận tất cả các gói xác nhận PSR-ACK, trạm điều khiển sẽ tìm kiếm một bộ trạm làm việc R* với năng lượng còn lại lớn hơn EL.
R* có thể được định nghĩa: e(DEV i ) ≥ EL ( DEV i R*) (5)
Ký hiệu DEV i đại diện cho trạm làm việc thứ i trong bộ R*, trong khi e(DEVi) là phần năng lượng còn lại của trạm đó Trong một số trường hợp, các tiêu chí khác như QoS, dung lượng bộ nhớ và tốc độ CPU cũng cần được xem xét khi lựa chọn trạm điều khiển Do đó, hàm khả năng C(DEVi) sẽ bao gồm những đặc điểm này và có thể được định nghĩa để xác định một bộ trạm làm việc khác, ký hiệu là R**.
C(DEVi) ≥ CL (DEVi R** R*) (6) Trong đó CL là biên thấp của khả năng
Nếu R* = hoặc R** = , một cảnh báo sẽ được gửi đến lớp ứng dụng để báo cho người sử dụng biết
được chỉ định trong beacon sẽ lắng nghe DRR này và gửi các gói xác nhận PSR-ACK, kèm theo bình phương khoảng cách.
Trạm điều khiển sẽ xác định một trạm làm việc tối ưu để thay thế cho chính nó Nếu ma trận lựa chọn trạm điều khiển có khoảng cách bình phương nhỏ nhất, trạm tối ưu DEVopt có thể được xác định.
Hình 33 - Thủ tục lựa chọn PNC
Trạm điều khiển hiện tại sẽ tiến hành thủ tục chuyển giao điều khiển Piconet cho thiết bị tối ưu đã chọn Khi thiết bị này trở thành trạm điều khiển mới, nó sẽ khởi động lại bộ đếm PSC để xác định thời gian cho trạm điều khiển tiếp theo Trạm điều khiển mới sẽ phát các khung beacon cùng với các gói điều khiển khác với mức công suất truyền được tính toán theo biểu thức (1), với n = 2.
So sánh mạng theo chuẩn 802.15.3 với 802.11 và 802.15.4
Theo tổ chức IEEE, các chuẩn về mạng không dây được thể hiện như sau:
Hình 34: Tổ chức mạng không dây của chuẩn 802
Chuẩn 802.11 là tiêu chuẩn mạng WLAN, trong khi 802.15.4 và 802.15.3 thuộc mạng WPAN, cho thấy sự tương đồng và khác biệt giữa chúng Tổ chức IEEE đã thành lập các nhóm để phát triển các chuẩn mạng không dây, nhằm đảm bảo sự tồn tại song song của các công nghệ này Bài viết sẽ đi sâu vào phân tích những điểm giống và khác nhau giữa chuẩn 802.15.3, 802.11 và 802.15.4.
3.6.1 Các đặc điểm giống với 802.11 và 802.15.4 Đối với chuẩn 802.15.4 điểm giống nhau đầu tiên mà chúng ta được biết đến đó là:
+ Chúng đều là mạng cá nhân (WPAN) phục vụ trong phạm vi hẹp (dưới 10m về mọi hướng)
+ Đều có kênh (channel) ở dải tần 2.4GHz (nhưng 802.15.4 có nhiều dải hơn còn 802.15.3 chỉ duy nhất ở dải 2.4GHz)
Tổ chức IEEE đã phát triển các tiêu chuẩn với giao thức và kiến trúc ở tầng MAC nhằm đáp ứng yêu cầu tiêu hao năng lượng thấp.
+ Chúng đều có mức chi phí thấp (giá thấp)
+ Chúng đều linh hoạt và dễ sử dụng với người dùng
+ Ứng dụng trong thiết bị gia đình đa dạng và thân thiện
+ Chúng đều có kiến trúc tương đối giống nhau và đều được tập trung phát triển ở 2 tầng quan trọng là Tầng MAC và PHY
+ Về cơ chế truy cập và truyền dữ liệu, chúng đều áp dụng cơ chế CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) được trình bày ở trên
Về chuẩn 802.15.3 so với chuẩn 802.11 có những điểm tương đồng ở một số điểm như sau:
Tất cả các công nghệ này sử dụng sóng radio trong dải tần 2.4GHz và áp dụng cơ chế truy cập CSMA (Carrier Sense Multiple Access), cho phép chúng lắng nghe đường truyền và xử lý xung đột, mặc dù mỗi chuẩn có cách xử lý khác nhau.
+ Đặc biệt ban đầu, chuẩn 802.15.3 kế thừa hầu như toàn bộ tầng MAC của chuẩn 802.11 (nhưng về sau này đã được tổ chức IEEE chỉnh sửa)
3.6.2 Các đặc điểm khác với 802.11 và 802.15.4 Đầu tiên chúng ta tập trung so sánh chuẩn 802.15.4 và 802.15.3 vì 2 chuẩn này đều là chuẩn WPAN (mạng không dây cá nhân), sau đây chúng ta có bảng so sánh giữa 2 chuẩn 802.15.3 và 802.15.4 như sau:
IEEE802.15.4 (Zig-Bee) Mạng cá nhân tốc độ cao
QoS trong Multimedia được phát triển
Giá thấp (độ phức tạp thấp)
PIN tồn tại rất lâu
Vùng đệm và tốc độ dữ liệu cao, đa dạng
Nền tảng an ninh tốt
Mạng cá nhân tốc độ thấp
Truyền tải dữ liệu tin cậy
Hoạt động trong phạm vi ngắn
Tiêu thụ pin vừa phải
Set-top box, Thiết bị lưu trữ đa phương tiện và Các dụng cụ A/V khác
Máy quay phim kỹ thuật số, Camera cố định kỹ thuật số
TV, màn hình, Máy chiếu LCD
Máy in, điện thoại công cộng
Bộ loa âm thanh trung thực cao
PC, PDA, điện thoại bàn
Thiết lập mạng tự động
Chuẩn 802.11 và 802.15.3 có những điểm khác biệt cơ bản; trong khi 802.15.3 được thiết kế cho các mạng cá nhân trong gia đình với phạm vi hẹp, thì 802.11 phục vụ cho các mạng văn phòng và doanh nghiệp.
ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CỦA MẠNG 802.15.3
Bộ mô phỏng mạng NS-2
Hiện nay, có ba bộ mô phỏng mạng ad-hoc nổi bật là GloMoSim, OpNet và NS-2 Trong đó, GloMoSim và OpNet là các sản phẩm thương mại, trong khi NS-2 là công cụ miễn phí và mã nguồn mở NS-2 (Network Simulator version 2.x) được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu và nhận được nhiều đóng góp từ cộng đồng nghiên cứu, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các dự án mô phỏng Do đó, việc chọn NS-2 làm công cụ mô phỏng cho luận văn này là hoàn toàn hợp lý.
NS-2 là một bộ mô phỏng mạng mạnh mẽ, chuyên mô tả các sự kiện rời rạc Nó hỗ trợ mô phỏng các giao thức TCP và UDP, cùng với nhiều nguồn lưu lượng như FTP, Telnet, Web, CBR và VBR Bộ mô phỏng này cũng bao gồm các cơ chế quản lý hàng đợi như Drop Tail, RED và CBQ, cũng như các thuật toán định tuyến như AODV và DSR, và các giao thức multicast cho cả mạng có dây và không dây.
NS được xây dựng dựa trên bộ mô phỏng mạng REAL (Realistic and Large), được sử dụng từ năm 1989 và rất phát triển những năm gần đây Năm
1995, NS được hỗ trợ và phát triển bởi DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) thông qua dự án VINT (Virtual InterNetwork Testbed) của
Bộ Quốc phòng Mỹ luôn nhận được sự đóng góp và phát triển từ các nhà nghiên cứu, bao gồm những nghiên cứu về mô phỏng mạng không dây từ UCB Daedelus, cũng như các dự án CMU Monarch và Sun Microsystems.
Các phiên bản 2.xx của NS, ra đời sau năm 1997, được gọi là bộ mô phỏng NS-2, với nhiều khác biệt so với phiên bản 1.xx Bộ mô phỏng này hoạt động dựa trên cơ chế sự kiện rời rạc có thứ tự, cho phép người dùng dễ dàng thay đổi cấu hình và mở rộng mô hình mạng thông qua việc lập trình thêm các mô-đun.
NS mô phỏng truyền thông mạng theo nhiều tầng, bao gồm giao vận, mạng và MAC, đồng thời hỗ trợ nhiều giao thức khác nhau Phiên bản được sử dụng trong luận văn này là NS-2.28.
NS có thể chạy được trên môi trường Linux hoặc Window)
Một công cụ khác được phát hành cùng với NS là Network Animator (NAM)
Công cụ này cung cấp hình ảnh đồ họa minh họa sự chuyển động của các nút trong mạng mô phỏng và giao tiếp giữa chúng, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và phân tích Đây là một công cụ hữu ích trong việc phát hiện lỗi trong mã nguồn của giao thức, nâng cao hiệu quả trong quá trình phát triển và kiểm thử.
NS là một bộ mô phỏng sự kiện được phát triển bằng C++, kết hợp với trình thông dịch OTcl để tương tác với người dùng Để tối ưu hóa thời gian xử lý gói tin và sự kiện, bộ lập lịch và các đối tượng mạng trong đường truyền dữ liệu được viết và biên dịch bằng C++ Các đối tượng C++ này được kết nối với OTcl thông qua trình liên kết OTcl, tạo ra các đối tượng OTcl tương ứng Việc điều khiển các đối tượng C++ có thể thực hiện trong ngôn ngữ OTcl nhờ vào sự chuyển đổi giữa các hàm và biến Cấu trúc lớp trong C++ được tổ chức theo dạng cây phân cấp, tương ứng với cây phân cấp trong OTcl, với TclObject là đỉnh của cây phân cấp OTcl Người dùng có thể tạo và thiết lập các đối tượng mô phỏng mới thông qua trình thông dịch OTcl và điều chỉnh các tham số thông qua các phương thức trong lớp TclObject.
Hình 35 Sự tương đồng giữa C ++ và OTcl
NS sử dụng hai ngôn ngữ lập trình với hai lý do chính Đầu tiên, các giao thức mô phỏng yêu cầu một ngôn ngữ hệ thống có khả năng xử lý hiệu quả các thao tác trên byte và cài đặt thuật toán cho các tệp dữ liệu lớn, trong đó tốc độ xử lý là yếu tố quan trọng Thứ hai, nghiên cứu mạng thường tập trung vào việc thay đổi tham số mô phỏng và cấu hình mạng, do đó thời gian lặp lại là yếu tố cần thiết C++ cung cấp tốc độ chạy nhanh, thích hợp cho việc cài đặt chi tiết giao thức, trong khi OTcl, mặc dù chạy chậm hơn, lại cho phép thay đổi nhanh chóng, phù hợp cho cấu hình mô phỏng.
Quy trình thực hiện mô phỏng từ góc nhìn người dùng:
Hình 36 Tổng quan về NS từ góc nhìn của người sử dụng
NS là một bộ thông dịch OTcl, bao gồm lập lịch sự kiện mô phỏng, thư viện đối tượng mạng và thư viện mô-đun thiết lập mạng Để thực hiện mô phỏng, người nghiên cứu cần viết kịch bản bằng ngôn ngữ OTcl, được gọi là chương trình mô phỏng Chương trình này sẽ khởi tạo lập lịch sự kiện, cấu hình mạng mô phỏng với các đối tượng mạng và hàm thiết lập, đồng thời lập lịch cho các nguồn lưu lượng truyền tin.
Sau khi mô phỏng kết thúc, NS tạo ra một hoặc nhiều tệp tin kết quả dưới dạng văn bản, chứa chi tiết dữ liệu mô phỏng Dữ liệu này được sử dụng để phân tích và đánh giá hệ thống mạng, hoặc làm đầu vào cho các công cụ hiển thị như NAM (Network Animator) NAM giúp phân tích dữ liệu và trình bày thông tin một cách trực quan về thông lượng, tỷ lệ mất gói trên từng đường truyền, và cấu trúc mạng thông qua đồ họa Để đánh giá các tham số hiệu suất từ thông tin trong tệp tin vết, người nghiên cứu thường sử dụng các công cụ vẽ đồ thị như XGRAPH, gnuplot, cùng với các ngôn ngữ lập trình như Awk, PERL, hoặc Tcl để tổng hợp dữ liệu.
Môi trường mô phỏng trong NS-2 được quản lý thông qua một kịch bản TCL, đóng vai trò là công cụ điều khiển chính cho quá trình mô phỏng Kịch bản này cung cấp thông tin chi tiết về các file đầu vào và đầu ra, cùng với nhiều tham số cụ thể cần thiết cho việc thực hiện mô phỏng hiệu quả.
Mã nguồn TCL được chia thành 3 file chính:
- File kịch bản (Scenario File): File kịch bản chứa các mẫu chuyển động của các nút
- File lưu lượng (Traffic File): Điều khiển lưu lượng giữa các nút trong kịch bản
File chương trình chính là tệp quan trọng trong quá trình mô phỏng, nơi xác định các thiết lập chung cần thiết Nó bao gồm các tham số như giao thức sẽ được mô phỏng, cùng với tên và vị trí của dữ liệu đầu ra (trace file) sau khi mô phỏng hoàn tất, cũng như tên và vị trí của tệp trực quan hóa (visualization file) dành cho NAM.
Trong phần này, tôi giới thiệu mô hình chuyển động của các nút di động bằng cách sử dụng công cụ setdest, cho phép tạo ra kịch bản dựa trên các tham số mà người dùng chỉ định Một số tham số quan trọng sẽ được đề cập trong bài viết.
Số lượng nút trong kịch bản đề cập đến tổng số các nút có mặt Cần lưu ý rằng không phải tất cả các nút này đều tham gia vào việc gửi hoặc nhận lưu lượng, điều này được xác định bởi file lưu lượng.
Thời gian mô phỏng (simulation time): Thời gian tồn tại (Tuổi thọ) của kịch bản
Tốc độ tối đa: Tốc độ chuyển động tối đa của một nút, theo đơn vị m/s
Thời gian tạm dừng là khoảng thời gian mà một nút giữ vị trí hiện tại trước khi di chuyển, ảnh hưởng đến tỷ lệ di động trong mạng Khi thời gian tạm dừng bằng 0, chuyển động diễn ra liên tục; ngược lại, nếu thời gian tạm dừng bằng tổng thời gian mô phỏng, sẽ không có chuyển động nào xảy ra.