Mã hóa mạng không dây sử dụng giao thức ALOHA

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng ARQ Automatic Repeat Query Tự động lặp lại truy vấn chèn thêm lớp mã hóa ở giữa lớ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỖ VĂN MẠNH

MÃ HÓA MẠNG KHÔNG DÂY SỬ DỤNG

GIAO THỨC ALOHA

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN QUỐC TUẤN

Hà Nội - 2013

Trang phụ bìa Trang LỜI CAM ĐOAN i

M C L C iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng ix

Danh mục các hình vẽ, đồ thị x

MỞ ĐẦU 1

hương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ Ơ BẢN 4

1.1 Mã hóa mạng 4

1.1.1 Mã hóa 4

1.1.2 Giải mã 5

1.1.3 Cách lựa chọn tổ hợp tuyến tính 6

1.1.4 Các vấn đề thực tế 6

1.1.4.1 Giải mã 6

1.1.4.2 Khối hóa 7

1.1.4.3 Các phép toán trường hữu hạn 7

1.2 Lợi ích của mã hóa mạng 7

1.2.1 Tăng cường thông lượng 7

1.2.2 Sự ổn định và thích nghi 8

1.2.2.1 Đơn giản hóa phân phối nội dung 8

1.2.2.2 Chống lại mất gói 9

1.3 Mạng không dây có topo hình lưới (mesh) 9

1.3.1 Lớp vật lý 10

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu 11

1.3.3 Lớp mạng 11

1.3.3.1 Giao thức định tuyến với metric khác nhau 11

1.3.3.2 Định tuyến đa đường 12

1.3.3.3 Định tuyến theo vùng địa lý 12

1.3.4 Lớp giao vận 12

hương 2 KỸ THUẬT ĐA TRUY ẬP 14

2.1 Phân loại các giao thức đa truy cập 14

2.1.1 Giao thức đa truy cập không tranh chấp (lập lịch) 15

2.1.2 Giao thức đa truy cập tranh chấp (ngẫu nhiên) 16

2.2 Giao thức ALOHA 16

2.2.1 Pure-ALOHA 16

2.2.2 Slot-ALOHA 18

2.3 Mô phỏng giao thức ALOHA 20

2.3.1 Mô hình hóa hệ thống thông tin gói 20

2.3.1.1 Hiệu ứng lấn át 20

2.3.1.2 Lưu lượng yêu cầu 20

2.3.1.3 Thông lượng 21

2.3.1.4 Trễ truyền trung bình 21

2.3.2 Cấu hình mô phỏng cơ bản 21

2.4 Mô phỏng thuật toán ALOHA 22

2.4.1 Chương trình và kết quả mô phỏng thuật toán pure-ALOHA 22

2.4.1.1 Tham số và cấu trúc chương trình 22

2.4.1.2 Kết quả mô phỏng 24

2.4.2 Chương trình và kết quả mô phỏng thuật toán slot-ALOHA 25

2.4.2.1 Tham số và cấu trúc chương trình 25

2.4.2.2 Kết quả mô phỏng 25

hương 3: Ã HÓA ẠNG KHÔNG DÂY SỬ D NG GIAO THỨ A OHA 27 3.1 Thiết kế mức cao của COPE [4, 31] 27

3.1.1 Nghe 28

3.1.2 Mã hóa 29

3.1.3 Học 31

3.2 Kiến trúc hệ thống [4, 31] 32

3.2.1 Mục đích thiết kế 32

3.2.2 Mô đun Mã hóa/ Giải mã 32

3.2.2.1 Cơ hội mã hóa 32

3.2.2.2 Mã hóa cực đại xác suất giải mã 33

3.2.2.3 Mã hóa các gói tin có cùng độ dài 33

3.2.2.4 Cấu trúc dữ liệu và thuật toán mã hóa 34

3.2.2.5 Thuật toán giải mã 35

3.2.3 Độ tin cậy 35

3.2.3.1 Độ tin cậy của 802.11 36

3.2.3.2 Đặt vấn đề 36

3.2.3.3 Giải pháp 36

3.2.3.4 Độ tin cậy lớp giao vận 37

3.2.4 Mô đun lắng nghe 38

3.2.5 Mô đun học 38

3.3 Chi tiết thực hiện [4, 31] 39

3.3.1 Định dạng gói tin 39

3.3.1.1 ID của gói tin gốc mã hóa 39

3.3.1.2 Thông báo nhận 40

3.3.1.3 Biểu diễn ACK bất đồng bộ ngắn gọn và đơn giản 40

3.3.2 Điều khiển luồng 40

3.4 Hiệu quả của COPE [31] 41

3.4.1 Hiệu suất mã hóa 41

3.4.2 Hiệu suất mã hóa + MAC 43

3.5 Giới thiệu giao thức ALOHA mã hóa 45

3.6 Mô hình hệ thống 46

3.7 Phân tích thông lượng 48

3.7.1 Slot-ALOHA 49

3.7.2 ALOHA mã hóa 49

3.7.3 Điều kiện ổn định 50

3.8 Kết quả số liệu 51

KẾT UẬN 55

T I I U THA KHẢO 56

PH 59

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

API Application Programming

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

ARQ Automatic Repeat Query Tự động lặp lại truy vấn

chèn thêm lớp mã hóa ở giữa lớp mạng

và lớp liên kết CSMA Carrier Sense Multiple

Access

Đa truy cập nhận biết sóng mang

CSMA/CA Carrier Sense Multiple

Access with Collision Avoidance

Đa truy cập nhận biết sóng mang phát hiện xung đột

C/N Carrier to Noise Tỷ số giữa công suất tín hiệu trên công

suất nhiễu

DSSS Direct Sequence Spread

Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

ETX Expected Transmission

Count

Số lượt dự kiến sẽ truyền

làm tăng thông lượng chuyển luồng unicast lớn trong các mạng multihop không dây

FDMA Frequency Division

Multiple Access

Giao thức đa truy cập phân chia theo tần

số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi chuyển tiếp

FIFO First In First Out Vào trước ra trước

GSM Global System for Mobile

communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử IETF Internet Engineering Task

Force

Một tổ chức Viễn thông quốc tế Lực lượng chuyên phụ trách kỹ thuật kết nối mạng

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISMA Inhibit Sense Multiple

Access

Đa truy cập nhận biết ngăn chặn

ITU-T International

Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector

Hiệp hội viễn thông quốc tế - Tổ chức chuẩn chuẩn hóa các kỹ thuật Viễn thông

MAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi trường

MIMO Multiple-Input and

Multiple-Output

Nhiều đầu vào và nhiều đầu ra

lập

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing Đa phân chia theo tần số trực giao OMS Opportunistic Multipath

Scheduling

Cơ hội lập lịch đa đường

PRMA Packet Reservation

Multiple Access

Đa truy cập đặt trước gói

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

Identification

Nhận biết tần số vô tuyến

RSVP Resource Reservation Giao thức định trước nguồn tài nguyên

Protocol RTT Round-Trip Time Thời gian đi hai chiều

SINR Signal to Interference plus

Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu với nhiễu cộng ồn

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời gian

TDMA Time Division Multiple

Giao thức điều khiển truyền thông tin

UDP User Datagram Protocol Giao thức Datagram người dùng

Wi-Fi Wireless Fidelity Mạng không dây Wifi

Danh mục các bảng

Bảng 2.1 Điều kiện mô phỏng 23Bảng 3.1 Định nghĩa các thuật ngữ sử dụng trong chương này 28Bảng 3.2 Hiệu suất theo lý thuyết cho một số topo cơ bản 45

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Ví dụ đơn giản sử dụng mã hóa mạng nhằm nâng cao thông lượng 4

Hình 1.2 Giải mã các mã mạng thực hiện phép khử Gauss với m > n gói tin mã hóa đã nhận 6

Hình 1.3 Mã hóa mạng cải thiện độ ổn định Access point có thể truyền các tổ hợp tuyến tính của Pa và Pb cho tới khi cả A và B mã hóa được, làm đơn giản hóa hoạt động của mạng 8

Hình 1.4 Mã hóa mạng chống lại vấn đề mất gói A cần gửi gói tin tới C qua router B Đường truyền AB và BC có xác suất mất gói là ε AB và ε BC tương ứng 9

Hình 1.5 Kiến trúc mắt lưới điển hình Các router hình thành các tuyến vô tuyến nhiều hop tới gateway kết nối tới Internet Client kết nối với router vô tuyến gần nhất 10

Hình 2.1(a) TDMA và (b) FDMA 15

Hình 2.2 pure-ALOHA 17

Hình 2.3 Sự xung đột giữa những gói tin trong hệ thống pure-ALOHA 17

Hình 2.4 slot-ALOHA 18

Hình 2.5 Tranh chấp gói trong hệ thống slot-ALOHA 18

Hình 2.6 Xung đột giữa những gói tin truyền đi 20

Hình 2.7 Cấu hình mô phỏng máy tính cơ bản 22

Hình 2.8 Lưu lượng yêu cầu và thông lượng của pure-ALOHA 24

Hình 2.9 Lưu lượng yêu cầu và độ trễ trung bình của pure-ALOHA 24

Hình 2.10 Lưu lượng yêu cầu và thông lượng của slot-ALOHA 25

Hình 2.11 Lưu lượng yêu cầu và độ trễ trung bình của slot-ALOHA 26

Hình 3.1 Ví dụ minh họa cách COPE tăng thông lượng 27

Hình 3.2 Ví dụ của mã hóa cơ hội 30

Hình 3.3 Tiêu đề COPE 39

Hình 3.4 Lưu đồ cho thực hiện COPE 41

Hình 3.5 Những topo đơn giản để hiểu về mã hóa và hiệu suất mã hóa + MAC của COPE 43

Hình 3.6 Topo hình sao của k luồng hai chiều lưu lượng Mọi lưu lượng đi qua nút trung tâm (R) như là một chuyển tiếp 46

Hình 3.7 Phân tích thông lượng (3.11) và (3.13) như là một hàm xác suất truyền dẫn p , khi   1 , N 0 0 , và k 4 52

Hình 3.8 Phân tích thông lượng (3.11) và (3.13) như là một hàm xác suất truyền dẫn p, khi   1 , N 0 0.1 , và k 4 53Hình 3.9 Thông lượng tối đa của (3.11) và (3.13) khi là hàm theo SINR , với p p*, *c và

4

k  53

MỞ ĐẦU

Tất cả mạng viễn thông ngày nay đều được giả định rằng thông tin là riêng rẽ Dù

là gói tin hay tín hiệu mạng điện thoại, thông tin được truyền theo cách tương tự như ô tô trên đường cao tốc hay các luồng nước trong ống dẫn Đó là các luồng dữ liệu độc lập chia sẻ tài nguyên mạng, nhưng thông tin vẫn tách rời Định tuyến, nguồn dữ liệu, điều khiển lỗi và các chức năng mạng đều dựa trên giả định này

Tuy nhiên mã hóa mạng lại phá vỡ giả định này Thay vì chỉ chuyển tiếp và lưu trữ

dữ liệu, các nút mạng kết hợp một vài gói dữ liệu ở đầu vào thành một vài gói dữ liệu tại đầu ra

Mục đích của luận văn này xem lại khả năng ứng dụng mã hóa mạng trong các mạng multihop không dây Đặc biệt, luận văn tập trung vào một topo hình sao kiểu như chuẩn 802.11, trong đó các nút bên ngoài trao đổi dữ liệu với nhau thông qua một nút trung tâm Câu hỏi đặt ra là làm sao tăng hiệu năng bằng cách áp dụng mã hóa mạng tại nút trung tâm Để trả lời câu hỏi này, luận văn phân tích hiệu suất của slot-ALOHA cho một topo mạng hình sao Với hai phiên bản slot-ALOHA là slot-ALOHA được xác định thông thường [12] và slot-ALOHA mã hóa [30] xác định cho giao thức slot-ALOHA nhưng có mã hóa mạng, nơi mà nút trung tâm thực hiện một mã hóa mạng với phép toán XOR để mã hóa hai hướng lưu lượng truy cập của các nút bên ngoài

Mô hình kiến trúc COPE được đề xuất trong [4, 31], thực hiện phương pháp slot-ALOHA mã hóa mạng, bằng cách tận dụng lợi thế để truyền quảng bá trên đường truyền vô tuyến, cho phép nhiều nút gần nhau cùng thu được một gói tin được quảng bá

từ một nút nào đó Điều này thường bất lợi vì các nút gần nhau đôi khi không cần các gói tin thu được làm tiêu tốn băng thông vô ích Truyền tin kiểu quảng bá được xem như là một trong những hạn chế cơ bản của mạng vô tuyến đa hop

Mạng dựa trên mô hình COPE hoạt động dựa trên sự chia sẻ đường truyền vô tuyến, quảng bá gói tin xung quanh đường truyền của một nút nào đấy Mỗi nút chỉ lưu trữ các gói tin không cần thiết trong một khoảng thời gian ngắn, và thông báo tới nút lân cận các gói tin nó đã nhận được bằng chú thích trong gói nó gửi đi Khi một nút truyền gói tin, nó xem xét thông tin về các gói tin nút lân cận đã nhận được để thực hiện mã hóa

cơ hội; nút thực hiện XOR nhiều gói tin và truyền gói tin kết quả, nếu một hop có đủ thông tin sẽ giải mã gói tin nhận được Điều này mở rộng kiến trúc COPE với hai luồng truyền và XOR thực hiện với nhiều hơn một cặp gói tin

Thiết kế kiến trúc chuyển tiếp gói tin dựa trên mã hóa mạng ngoài việc thiết kế một thuật toán mã hóa và giải mã hiệu quả còn gặp phải một số thách thức nhất định Đầu tiên, để mã hóa chính xác tập các gói tin, các nút phải học xem các nút lân cận đã nhận được những gói tin nào mà không tiêu tốn thêm đường truyền Thứ hai, vì các gói tin mã hóa là sử dụng cho ít nhất là hai hop, nút này phải bảo đảm truyền tin cậy các thông tin tương ứng tới tất cả các hop Nhận phản hồi của lớp liên kết các gói tin mất hay đã truyền

thành công từ hop khác thường khó khăn, do đó ta phải thiết kế một kỹ thuật xác nhận và truyền lại hiệu quả hơn

Kỹ thuật mã hóa mạng dựa trên COPE đưa ra cách xử lý các vấn đề lý thuyết của

mã hóa mạng khi có nhiều phiên unicast Vấn đề cốt lõi của COPE là mã hóa mạng cục

bộ, các router xử lý các gói tin cục bộ để cho chúng có thể giải mã được khi đương truyền các luồng unicast bị lệch Điều này bảo đảm rằng thông tin không định truyền trên một đường xác định sẽ không thể chuyển được và tránh lãng phí dung lượng Với

mô hình mạng vô tuyến 20 nút, các tác giả trong công trình [31] đã đưa ra được các kết luận sau:

 Mã hóa mạng có rất nhiều lợi ích thực tế và có thể cái thiện đáng kể thông lượng mạng vô tuyến

 Khi đường truyền trong mạng vô tuyến bị tắc nghẽn và lưu lượng gồm nhiều luồng UDP, COPE sẽ tăng thông lượng mạng 3 - 4 lần

 Nếu lưu lượng không có điều khiển luồng (như UDP), mô hình COPE có thể cải thiện thông lượng hơn nhiều so với lý thuyết mã hóa mạng bởi vì mã hóa mạng giúp hàng đợi trong router nhỏ hơn, giảm xác suất mà router phải loại bỏ gói tin đang truyền

do tắc nghẽn

 Với mạng lưới kết nối với Internet qua access point, sự cải thiện về thông lượng sử dụng mô hình COPE sẽ biến đổi phụ thuộc vào tỉ lệ giữa tổng lưu lượng đường xuống (download) và đường lên (upload) truyền qua điểm truy cập (access point-AP),

và biến đổi từ 5% tới 70%

 Các thiết bị đầu cuối ẩn tạo ra sự xung đột cao không thể được đánh dấu thậm chí với số tối đa của kỹ thuật truyền lại theo chuẩn 802.11 Lúc này, TCP không gửi đủ

dữ liệu, do đó không tạo ra cơ hội cho mã hóa mạng Khi không có các thiết bị ẩn, thông lượng TCP sẽ tăng lên

Bố cục của luận văn

Nội dung của luận văn được bố cục như sau:

hương 1: Những vấn đề cơ bản Chương này giới thiệu tổng quan về mã hóa

mạng và thiết kế mạng lưới không dây Mục 1.1 giới thiệu về mã hóa mạng Mục 1.2 lợi ích của mã hóa mạng Mục 1.3 thảo luận kiến trúc và cách xây dựng mạng lưới không dây hiện tại

hương 2: Kỹ thuật đa truy cập Giới thiệu giao thức đa truy cập: Giao thức đa

truy cập không tranh chấp và Giao thức đa truy cập tranh chấp Nguyên tắc hoạt động của giao thức ALOHA và ảnh hưởng của hiệu ứng lấn át Chương trình và kết quả mô phỏng thuật toán pure-ALOHA và slot-ALOHA

hương 3: ã hóa mạng không dây sử dụng giao thức ALOHA Đầu tiên

Chương này trình bày thiết kế, thực hiện và đánh giá hiệu năng dựa trên mô hình COPE

sử dụng giao thức ALOHA, một kiến trúc mới cho truyền tin không dây sử dụng mã hóa mạng ở mức gói để cải thiện thông lượng mạng vô tuyến Kiến trúc COPE chèn thêm các mã đệm giữa lớp IP và lớp MAC, từ đó có thể truyền nhiều gói tin trong cùng một lần truyền

Tiếp theo trình bày giao thức ALOHA mã hóa Luận văn tập trung vào một topo mạng hình sao, trong đó các nút bên ngoài trao đổi dữ liệu với nhau thông qua nút trung tâm Một câu hỏi là có bao nhiêu thông lượng tăng lên bằng cách áp dụng mã hóa mạng tại nút trung tâm Bằng cách phân tích topo mạng hình sao, chúng ta có thể kiểm soát nút tắc nghẽn trong một mạng multihop không dây, nơi mà rất nhiều lưu lượng truy cập đi qua nút trung tâm Trong phân tích của luận văn, chúng tôi thực hiện tối ưu hóa xuyên lớp qua lớp vật lý và lớp MAC

hương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ Ơ BẢN 1.1 ã hóa mạng

Xét mô hình mạng Hình 1.1 sao cho

Hình 1.1 Ví dụ đơn giản sử dụng mã hóa mạng nhằm nâng cao thông lượng.Nguồn S1 cần truyền gói P1 tới cả D1 và D2, và nguồn S2 cần truyền gói P2 cũng tới

D1, D2 Cho rằng tất cả đường truyền có khả năng truyền một gói trên giây Nếu router

R1 và R2 chỉ chuyển tiếp gói tin chúng nhận được, đường truyền ở giữa sẽ bị tắc nghẽn Tại mọi thời điểm, hai router hoặc là gửi P1 tới D2 hoặc P2 tới D1 Ngược lại, nếu router gửi lên đường truyền gói tin P1⊕P2 (hoặc bất kỳ tổ hợp tuyến tính nào của P1 và P2) xem Hình 1.1, cả hai đích sẽ nhận được hai gói D1 sẽ có được P2 sau khi thực hiện phép toán XOR gói P1 (nhận được trực tiếp từ S1) với P1⊕P2 và tương tự D2 sẽ tái tạo được P1 Do

đó, mã hóa mạng có thể đạt tới thông lượng multicast của 2 gói trên giây, tốt hơn phương pháp định tuyến chỉ đạt được tối đa là 1,5 gói trên giây

Mặt khác nếu trạm D1 nhận P1 trực tiếp với xác suất lỗi bằng 1 và nhận được

P1⊕P2 với xác suất lỗi 2 thì tổng hợp dữ liệu sẽ có P1 với thấp hơn và bằng 1(1 - 2) +

2(1 - 1)

Một cách tổng quát, mã hóa mạng tuyến tính là tương tự với ví dụ này, chỉ thay thế phép toán XOR bởi phép tuyến tính khác Điều này tạo nên sự linh hoạt trong cách thức

mà các gói tin kết hợp với nhau Do đó, router thay vì chỉ chuyển tiếp gói tin thì sẽ tạo ra

tổ hợp tuyến tính của các gói tin đến tạo ra gói tin mã hóa rồi mới gửi đi Chúng ta sẽ miêu tả ngắn gọn quá trình mã hóa và giải mã trong những mục sau

1.1.1 ã hóa

Giả sử mỗi gói có L bit Khi các gói có kích thước khác nhau kết hợp với nhau, thì gói nào có ít bit hơn sẽ được thêm vào các bit 0 Ta xem s bit liên tiếp nhau như là một ký

tự của tập hữu hạn F2s , mỗi gói là một véc tơ của L/s ký tự Với mã hóa tuyến tính, các

gói tin lối ra là tổ hợp tuyến tính của các gói ban đầu, ở đây cộng và nhân được thực hiện trên trường hữu hạn F2s

Gọi P 1 , P 2 , …, P n là n gói tin ban đầu từ một hoặc nhiều nguồn khác nhau Với mã hóa tuyến tính, mỗi gói tin X được xem như một véc tơ của các hệ số g g (1), (2) ( )g g n

trong trường F2s gọi là véc tơ mã Véc tơ mã chỉ ra cách gói tin X đạt được từ các gói tin



 (1.1)

Tổng này được xác định tại mọi vị trí ký tự, X k( )n i1g i P k( ) ( )i với P i (k) và X(k)

là ký tự thứ k ’ của P i và X Trong ví dụ ở Hình 1.1, trường F 2 ={0,1}, một ký tự là một bit

và biến đổi tuyến tính gửi bởi R1 sau khi nhận được P1 và P2 là P1⊕ P2 Véc tơ mã được

mang trong tiêu đề của gói tin đã mã hóa X Véc tơ được sử dụng tại bên nhận để giải mã

dữ liệu, sẽ giải thích ở mục sau

Mã hóa có thể được thực hiện đệ quy Xem xét một nút đã nhận và lưu trữ một tập các gói tin mã hóa ( ,g X1 1), ,(g X m, m) với g j là véc tơ mã hóa của gói X j Nút này có thể lại tạo ra các gói tin mã hóa mới ( ,g X' ') bằng cách lựa chọn một tập các hệ số

g   h j g Đẳng thức này có thể lặp lại tại vài nút trong mạng

1.1.2 Giải mã

Khi đích nhận được các gói tin đã mã hóa X 1 , X 2 , …, X n với các véc tơ mã tương ứng g1, ,g m Như đã nói ở trên, mỗi gói tin mã hóa là tổ hợp tuyến tính của các gói ban đầu Vậy nên, để thu được các gói tin gốc đã truyền, cần phải giải hệ phương trình:

trình có nghiệm và các gói tin ban đầu có thể được giải mã Do đó, mạng phải đảm bảo

truyền ít nhất n gói độc lập tuyến tính tới đích Điều này có thể dễ dàng thực hiện, như sẽ

xem xét ở mục sau

1.1.3 ách lựa chọn tổ hợp tuyến tính

Vấn đề của thiết kế mã mạng là lựa chọn tổ hợp tuyến tính mà mỗi nút mạng thực

hiện để bảo đảm nút đích nhận được ít nhất n tổ hợp độc lập tuyến tính, từ đó có thể giải

mã gói tin ban đầu Một thuật toán đơn giản là để mỗi nút lựa chọn theo biến ngẫu nhiên đều các hệ số trong trường F2s, theo kiểu độc lập và không tập trung [25] Với mã mạng ngẫu nhiên sẽ có xác suất chắc chắn của lựa chọn tổ hợp độc lập tuyến tính [25] Xác suất này liên quan tới kích thước của trường 2s Kết quả mô phỏng cho thấy thậm chí với

kích thước trường là nhỏ (ví dụ, s = 8) xác suất này là rất nhỏ

Chúng ta có thể sử dụng thuật toán xác định để thiết kế mã mạng Thuật toán đa thức thời gian cho multicast, xem xét mỗi nút mạng và quyết định tổ hợp tuyến tính cho mỗi nút thực hiện Vì mỗi nút sử dụng hệ số tuyến tính xác định, các gói tin không cần mang véc tơ mã Cũng có những thuật toán phi tập trung xác định dùng để hạn chế cấu hình mạng

1.1.4 ác vấn đề thực tế

1.1.4.1 Giải mã

Việc giải mã yêu cầu giải một hệ các phương trình tuyến tính, có thể thực hiện sử dụng phép khử Gauss Một nút lưu các véc tơ mã nó nhận được cũng như các gói tương ứng, theo từng hàng tạo thành ma trận giải mã Đầu tiên, ma trận này không có phương trình nào Khi nhận một gói tin mã hóa, nó được thêm vào thành hàng cuối cùng trong

ma trận giải mã và phép khử Gauss được thực hiện tới dạng ma trận tam giác

Một gói tin nhận được gọi là mới nếu nó làm tăng hạng của ma trận Nếu một gói tin là không mới, nó sẽ bị biến đổi thành một hàng toàn 0 bởi phép khử Gauss và bị loại

bỏ Khi một phần véc tơ mã của ma trận gồm một hàng có dạng e i ( véc tơ đơn vị với duy

nhất một tại các vị trí thứ i ’ ), khi này X chính là gói tin ban đầu P i Điều này xảy ra khi

nhận được n véc tơ mã độc lập tuyến tính Chú ý là giải mã không cần thực hiện tại tất cả

các nút của mạng mà chỉ tại nơi nhận Sơ đồ Hình 1.2 chỉ ra cách phép khử Gauss biến

đổi m gói tin mã hóa đã nhận thành n gói tin ban đầu

Hình 1.2 Giải mã các mã mạng thực hiện phép khử Gauss với m > n gói tin mã hóa đã

nhận

1.1.4.2 Khối hóa

Thực tế, kích thước của ma trận mã hóa phải giới hạn Do đó phải nhóm các gói tin thành các khối và chỉ các gói trong cùng khối mới được tổ hợp với nhau Kích thước của khối ảnh hưởng tới hiệu năng của mã hóa mạng và liên quan tới kích thước của trường Nhìn chung, kích thước trường nhỏ sẽ tăng xác suất của truyền các gói không mới làm giảm hiệu suất Nhưng trong phần lớn các hệ thống thực tế kích thước trường điển hình

là 256 (mỗi thành phần trường là một byte trong một gói), không quan tâm tới kích thước khối

1.1.4.3 ác phép toán trường hữu hạn

Mã hóa mạng yêu cầu các phép toán trong F2s , thực hiện trên chuỗi s bit Phép cộng là đảo bit của XOR Phép nhân của chuỗi b 0 , … , b s của s bit xem như đa thức b 0 +

b 1 x + … + b s-1 x s-1 Phép nhân được thực hiện bằng cách tính tích thông thường của hai

đa thức và tính mô đun phần còn lại của đa thức tối giản đã chọn Phép chia được tính toán bởi thuật toán Euclidian Cả phép nhân và chia có thể thực hiện hiệu quả hơn với phép cộng và dịch

1.2 Lợi ích của mã hóa mạng

Mã hóa mạng có thể ứng dụng trong những ngữ cảnh khác nhau, từ mạng có dây tới không dây và mạng di động ad-hoc Nó cho hiệu quả cải thiện thông lượng và cũng giúp làm đơn giản hoạt động của mạng

1.2.1 Tăng cường thông lượng

Mã hóa mạng đạt được lợi ích tối đa với các luồng multicast Ahlswede et al [1]

chỉ ra “với tốc độ nguồn cố định, nếu không có mã hóa thì mạng có thể hỗ trợ các nút nhận tách biệt Với lựa chọn thích hợp các hệ số mã tuyến tính, mạng có thể hỗ trợ tất cả các nút nhận đồng thời”

Nói theo cách khác, khi N bên nhận cùng chia sẻ tài nguyên mạng, mỗi một bên có

thể nhận với tốc độ tối đa thậm chí sử dụng tất cả tài nguyên mạng Do vậy, mã hóa mạng có thể giúp chia sẻ tài nguyên mạng tốt hơn

Mã hóa mạng chẳng những có lợi về thông lượng mạng cho các luồng multicast mà còn cho các loại lưu lượng khác như là unicast Xem lại hình vẽ 1.1 nhưng cho rằng bây giờ nguồn S1 truyền gói tin tới đích D2 và S2 tới D1 Ta sử dụng mã mạng như trong ví dụ truyền multicast để đạt được tốc độ unicast từ mỗi nguồn tới đích tương ứng là một gói trên giây Nếu không có mã hóa mạng, nguồn chỉ có thể truyền tin với tốc độ 0,5 gói trên giây tới các đích tương ứng

Một điểm đáng chú ý là mã hóa mạng cho phép đạt được thông lượng tối ưu khi truyền multicast sử dụng thuật toán đa thức thời gian

1.2.2 Sự ổn định và thích nghi

Ưu điểm lớn nhất của mã hóa mạng là sự ổn định và thích nghi Ta có thể xem mã hóa mạng giống như mã hóa thông thường, biến đổi các gói tin tạo ra gói mã hóa Khi nhận đủ số các gói tin mã hóa, không quan trọng là gói nào, có thể tiến hành giải mã để thu được những gói tin ban đầu Mã hóa mạng thực hiện biến đổi tuyến tính không chỉ tại các nút nguồn mà trên toàn bộ mạng, do đó rất phù hợp khi mà nút mạng không có đầy đủ thông tin của toàn bộ mạng

Hình 1.3 Mã hóa mạng cải thiện độ ổn định Access point có thể truyền các tổ hợp tuyến tính của Pa và Pb cho tới khi cả A và B mã hóa được, làm đơn giản hóa hoạt động của

mạng

Xem xét tình huống trong sơ đồ Hình 1.3, trạm cơ sở S quảng bá các gói tin tới A

và B Cho rằng A và B có thể ở trạng thái nghỉ (hoặc ngoài khoảng nhận tin) vào một

thời điểm nào đó mà không thông báo cho trạm cơ sở S Nếu trạm cơ sở S quảng bá P a

(hoặc P b), có thể sẽ vô ích vì các đích không thể nhận gói tin Tuy nhiên, nếu trạm cơ sở

S quảng bá gói tin P a ⊕ P b, hoặc tổng quát tổ hợp tuyến tính của hai gói tin, mỗi lần truyền sẽ mang những thông tin mới tới tất cả các nút đang hoạt động

1.2.2.1 Đơn giản hóa phân phối nội dung

Ví dụ ở Hình 1.3 cũng áp dụng trong thiết lập mạng thông thường Xem xét mạng Bittorrent, một nhóm các nút trong mạng cần tải xuống một file File này được chia nhỏ

thành O(n) gói tin, để đơn giản giả sử có n nút đang tải file Với thiết kế tập trung, giao thức tối ưu có thể phân phối toàn bộ file tới tất cả các nút trong θ(n) vòng Tuy nhiên, với phương pháp phi tập trung, sẽ cần θ(nlog(n)) vòng Thừa số log(n) thêm vào là bởi vì có

các bản tin nhất định khó tìm ra Thay vào đó, nếu các nút sử dụng mã hóa mạng và truyền đi tổ hợp tuyến tính của các gói tin, tất cả các gói là như nhau và mỗi nút đều nhận

được bất cứ n gói tin đã mã hóa Do đó, với mã hóa mạng chúng ta có thể phân bổ toàn

bộ file trong θ(n) vòng Vấn đề cốt lõi ở đây là cách mã hóa mạng làm đơn giản hoạt

động của mạng, đạt được hiệu suất tối ưu của phương pháp tập trung sử dụng một thuật toán phi tập trung đơn giản

1.2.2.2 Chống lại mất gói

Mã hóa mạng giúp chống lại vấn đề mất gói Xem xét ví dụ trong Hình 1.4, nguồn

A cần gửi gói tin tới đích C qua router B Đường truyền là không hoàn hảo, đường AB

làm rớt gói với xác suất là ε AB và đường BC làm rớt gói với xác suất là ε BC Sử dụng giao thức FEC (như mã nguồn [20]) hoặc ARQ như TCP, nguồn có thể đạt tới thông lượng tối

đa là (1- ε AB )(1- ε BC) (giả sử mỗi đường truyền được một gói trên giây) Thông lượng là xác suất mà một gói tin truyền đi không bị mất trên hai đường truyền trước khi nó tới đích

Hình 1.4 Mã hóa mạng chống lại vấn đề mất gói A cần gửi gói tin tới C qua router B

Đường truyền AB và BC có xác suất mất gói là ε AB và ε BC tương ứng

Mã hóa mạng cải thiện thông lượng trong trường hợp này bởi cách ly các đường truyền Nếu ta cho router B sử dụng mã hóa mạng, gửi các tổ hợp tuyến tính ngẫu nhiên

của các gói nhận được từ A, ta có thể đạt được thông lượng là min{(1- ε AB ),(1- ε BC)}, cao hơn phương pháp dựa trên FEC hoặc ARQ Lý do là thay vì phải truyền lại các gói tin bị mất từ nguồn, router B phải bảo đảm truyền đủ số tổ hợp tuyến tính cần thiết cho đích có thể giải mã Kỹ thuật này có thể được sử dụng trong topo mạng tùy ý với lưu lượng đa dạng ( multicast, unicast, broadcast, …)

1.3 Mạng không dây có topo hình lưới (mesh)

Mạng không dây có topo lưới là mạng vô tuyến mà các router kết nối với nhau qua nhiều hop Các router này hoạt động thống nhất sử dụng thuật toán phân bố để duy trì kết nối dạng lưới Một gói tin trên mạng lưới không dây truyền qua nhiều đường truyền vô tuyến trước khi tới nút gateway kết nối tới mạng Internet có dây Mạng đa hop có thể đạt được vùng phủ như mạng dựa trên điểm truy cập (access point) đơn hop và hoặc là công suất truyền thấp hơn nhiều hoặc chi phí triển khai thấp hơn ( vì kết nối sử dụng dây dẫn tới tất cả access point sẽ tốn kém chi phí và khó khăn trong duy trì, bão dưỡng) Hình 1.5 minh họa kiến trúc của một mạng không dây “mesh” điển hình

Hình 1.5 Kiến trúc mắt lưới điển hình Các router hình thành các tuyến vô tuyến nhiều hop tới gateway kết nối tới Internet Client kết nối với router vô tuyến gần nhất Các router trong mạng mắt lưới hình thành nên phần chính cho các client kết nối, Tuy nhiên, các client với phần cứng và phần mềm khá đơn giản cũng có thể làm việc như các router và trợ giúp chuyển tiếp các gói tin Bởi vì các thuộc tính hấp dẫn như: các chi phí ban đầu thấp, dễ dàng bảo trì, gửi nhiều gói tin đồng thời, vùng phủ lớn …, nhiều mạng mắt lưới (cả nghiên cứu và thương mại) đã được triển khai với mục đích kết nối Internet nhanh và giá thành thấp Nhưng các mạng mắt lưới sẽ xuất hiện ngày càng nhiều trong tương lai, hứa hẹn các ứng dụng trong gia đình hoàn toàn không dây, kết nối Internet rộng khắp với thông lượng lớn và các mạng ad-hoc tốc độ cao

1.3.1 Lớp vật lý

Lớp vật lý của phần lớn các mạng mắt lưới được xây dựng sử dụng chuẩn phần cứng 802.11 Phần vô tuyến có thể hỗ trợ các tốc độ truyền dẫn khác nhau bằng cách kết hợp phương pháp điều chế và tốc độ mã hóa khác nhau Chuẩn 802.11 ban đầu [23] chỉ

rõ kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) hoạt động tại một megabit trong khoảng tần 2,4 GHz 802.11b thêm các tốc độ bit cao hơn và 802.11g thêm các tốc độ bit sử dụng hợp kênh chia tần số trực giao (OFDM) 802.11a cho phép sử dụng tần số tại 5,8 GHz chỉ sử dụng tốc độ bit OFDM

Các nghiên cứu trước đây [18] đã xem xét để đưa ra sự linh hoạt về tỉ lệ lỗi sử dụng thuật toán thích nghi tốc độ bit Các nghiên cứu khác bao gồm thuật toán lựa chọn kênh

để cân bằng tải và tránh nhiễu đan xen giữa các cell Các nghiên cứu gần đây cũng nghiên cứu về các kỹ thuật phần cứng sử dụng an ten thông minh MIMO, loại bỏ nhiễu

và băng siêu rộng (UWB) để hỗ trợ thông lượng cao hơn Mặc dù một số kỹ thuật lớp vật

lý này đã được triển khai trong các access point vô tuyến, nó vẫn là một vấn đề thách thức để thích nghi những kỹ thuật này vào mạng mắt lưới Ví dụ, mạng mắt lưới sẽ có ảnh hưởng phức tạp giữa các đường truyền trong nhiều nút của mạng, làm cho mô hình

hệ thống phức tạp hơn nhiều so với các hệ thống MIMO trong mạng LAN vô tuyến hoặc mạng tế bào thông thường

1.3.2 Lớp liên kết dữ liệu

Lớp MAC của mạng vô tuyến có topo “mesh” khó thiết kế hơn so với mạng vô tuyến thông thường sử dụng topo “star” sử dụng AP Các giao thức MAC hiện tại của mạng không dây mesh dựa trên chuẩn IEEE 802.11 MAC được thiết kế cho access point Giao thức dựa trên cảm nhận sóng mang (CS – Carrier Sense) tránh xung đột Các nút dò để kiểm tra có nút nào đang truyền không, nếu không mới bắt đầu truyền tin Nó cũng chờ đồng bộ Ack từ bên nhận, nếu không nhận được ACK, nó cho rằng gói tin đã bị mất không tới đích (hoặc là do kênh truyền không tốt hoặc là xung đột), chờ để truyền và truyền lại Nhiều nghiên cứu đã thực hiện với giao thức CSMA/CA cho mạng không dây mesh Nghiên cứu điển hình [17] đã điều chỉnh các tham số MAC như: kích thước cửa

sổ, cửa sổ backoff, ngưỡng rò sóng mang… Tuy nhiên, tất cả giải pháp này chỉ đạt được thông lượng tương đối thấp vì kỹ thuật dò sóng mang không phát hiện được các thiết bị đầu cuối ẩn hoặc cơ hội cho truyền đồng thời

Những nghiên cứu gần đây đã đưa ra một số giao thức MAC mới Conflict Maps (CMAPS) [29] đưa ra một giao thức MAC xây dựng một bản đồ phân phối của việc truyền đồng thời dựa trên kinh nghiệm và đo các gói tin mất Các kỹ thuật lớp vật lý như

là loại bỏ nhiễu được đưa ra để giải quyết vấn đề xung đột gói tin Những kỹ thuật này cho phép truy cập đồng thời cao hơn, nhưng để xây dựng một giao thức MAC thực tế dựa trên những kỹ thuật này vẫn là một vấn đề lớn Các nghiên cứu từ trước [22] cũng đã xem xét hệ thống với các anten định hướng Tuy nhiên, với truyền tin định hướng sẽ tạo

ra nhiều nút ẩn Những kỹ thuật này cũng đối mặt với những khó khăn khác như là giá thành, độ phức tạp của hệ thống, và tính thực tế của các anten định hướng Các nghiên cứu [26] cũng xem xét các giao thức MAC điều khiển công suất Điều này làm giảm các nút cần thiết, đặc biệt trong các mạng mật độ nút dày, từ đó sẽ nâng cao sự sử dụng lại không gian phổ trong mạng mắt lưới Tuy nhiên, vấn đề của các nút ẩn trở nên tồi tệ hơn bởi vì mức công suất truyền thấp làm giảm xác suất của việc phát hiện nút có khả năng gây nhiễu

1.3.3 Lớp mạng

Định tuyến trong mạng mắt lưới là phức tạp bởi sự ảnh hưởng giữa các đường truyền lân cận với nhau Rất nhiều giao thức định tuyến đã được đưa ra mà sẽ xem xét ngay sau đây

1.3.3.1 Giao thức định tuyến với metric khác nhau

Các giao thức định tuyến trạng thái đường truyền (link- state) khác nhau tùy theo cách tính toán metric Metric điển hình bao gồm đếm hop, kỳ vọng phát (Expected Transmission ETX) [24], vòng thời gian truyền (Round-Trip Time – RTT)… được định nghĩa như nghịch đảo của xác suất truyền gói tin trên tuyến truyền ETX cho một đường truyền là tổng của các giá trị ETX của toàn bộ các tuyến hợp thành Các giao thức định

tuyến sau đó tính toán đường dẫn ngắn nhất giữa tất cả các cặp nút theo metric tương ứng Metric ETX hoạt động tốt nhất cho các mạng mắt lưới tĩnh

1.3.3.2 Định tuyến đa đường

Mục đích chính của sử dụng định tuyến đa đường là tận dụng cân bằng tải và chấp nhận lỗi lớn Khi một đường truyền bị đứt, một đường khác trong tập hợp các đường sẵn

có sẽ được sử dụng Do vậy, không cần đợi để thiết lập đường định tuyến mới, độ trễ, thông lượng, và khắc phục lỗi có thể được cải thiện Tuy nhiên, sự cải thiện phụ thuộc vào các tuyến giữa nguồn và đích Một nhược điểm khác của định tuyến đa đường là sự phức tạp

Ganesan chia định tuyến đa đường xác định nhiều tuyến, sử dụng một đường chính

và chuyển qua lại nếu đường chính bị lỗi Lập lịch cơ hội nhiều đường (OMS) chia lưu lượng thành nhiều đường, đường ưu thích thích nghi cung cấp độ trễ thấp hoặc thông lượng cao Tsirigos và Haas [28] đề xuất gửi phân mảnh mã hóa tẩy xóa của mỗi gói tin qua các đường rời nhau trong một mạng ad-hoc di động, để chịu đựng sự mất mát của một số phân mảnh do fading hoặc di chuyển nút

Giao thức định tuyến cơ hội như ExOR và MORE [19, 21] khai thác không gian không dây đa dạng để thực hiện cơ hội định tuyến đa đường Trong hai hệ thống, sự lựa chọn của hop tiếp theo được thực hiện sau khi truyền gói tin ExOR [19] chọn hop tiếp theo này là dựa trên khoảng cách dự kiến từ đích MORE [21] sử dụng một cách tiếp cận tương tự, nhưng sử dụng mã hóa mạng mức gói tin để loại bỏ các sự kết hợp trên không Các giao thức này có liên quan đến công trình lý thuyết về khai thác hợp tác đa dạng trong các mạng không dây Trọng tâm trong hợp tác đa dạng để cải thiện độ tin cậy đầu cuối – đầu cuối (end-to-end), và do đó các nút chuyển tiếp tất cả gói tin mà chúng nghe lỏm Vì vậy, độ tin cậy cao, nhưng có rất nhiều truyền dẫn lãng phí

1.3.3.3 Định tuyến theo vùng địa lý

So với kỹ thuật định tuyến dựa theo topo, định tuyến theo vùng địa lý chuyển tiếp gói tin chỉ bởi sử dụng thông tin vị trí của nút lân cận và nút đích Do đó, thay đổi topo ít ảnh hưởng tới định tuyến theo vùng địa lý so với các giao thức định tuyến Các thuật toán định tuyến vùng địa lý ban đầu là một loại của kỹ thuật định tuyến đơn đường, trong

đó quyết định chuyển tiếp gói tin dựa trên thông tin vị trí của nút hiện tại, hàng xóm của

nó và nút đích Tuy nhiên, tất cả các thuật toán định tuyến này đều gặp phải một vấn đề

là truyền tin không được bảo đảm ngay cả khi một con đường tồn tại giữa nguồn và đích

Để truyền tin cậy, thuật toán định tuyến vùng địa lý dựa trên đồ thị hai chiều đã được đưa

ra gần đây Tuy nhiên những thuật toán này thường mất nhiều phí tổn hơn so với các thuật toán định tuyến đơn đường

1.3.4 Lớp giao vận

Thông thường, người ta sử dụng TCP và UDP cho lớp giao vận mà không có bất kỳ thay đổi Nhưng mạng vô tuyến gặp phải một số vấn đề nhất định do đó cần nghiên cứu

để điều chỉnh các giao thức lớp giao vận Giao thức TCP cũng không nhận ra được mất gói do tắc nghẽn hay không Nhưng vì tỉ lệ lỗi bit cao, mất gói không tắc nghẽn thường gặp hơn trong thông tin vô tuyến Hơn nữa, các đường mắt lưới vô tuyến có thể là bất đối xứng (do kênh truyền bất đối xứng và nhiễu) ảnh hưởng tới truyền ACK, kết quả ảnh hưởng tới hiệu suất của TCP Nghiên cứu [16] đưa ra rất nhiều các kỹ thuật để cải thiện hiệu năng của TCP trong mạng vô tuyến

Các bài toán kinh điển của mạng không dây mesh liên quan đến cơ chế điều khiển truy cập với giao thức slot-ALOHA cho truyền dẫn theo khe thời gian và pure-ALOHA cho truyền dẫn theo gói nhằm xác định thông lượng mạng tối đa có thể

hương 2 KỸ THUẬT ĐA TRUY ẬP

Mạng không dây sử dụng chung một môi trường truyền thông do đó đa truy cập là giao thức truy cập đặc thù Giao thức đa truy cập được định nghĩa như là sự thoả thuận

và tập hợp những quy tắc giữa những người dùng để truyền tin thành công và sử dụng một môi trường chung Để đảm bảo hiệu năng mạng truy cập không dây, hai phương thức truy cập sau được sử dụng:

a) Truy cập dựa trên cơ chế lập lịch (scheduling) cho các mạng có phân cấp b) Truy cập dựa trên tranh chấp cho các mạng không dây ngang hàng và cả mạng không dây phân cấp

Khi đó xung đột sẽ xuất hiện nếu có nhiều hơn một người dùng cố gắng truy cập tài nguyên cùng thời điểm Mặt khác do tính chất của các dịch vụ mạng hiện đại (Thoại, dữ liệu, hình ảnh .) cũng như các yêu cầu về chất lượng dịch vụ - QOS (Best effort, UDP…) và phương thức truyền tin mà các giao thức truy cập đường xuống và đường lên

có thể khác nhau

Truy cập đường lên: Đường lên là một liên kết giao tiếp từ đa điểm đến một điểm

Những trạm thuê bao chia sẻ môi trường truyền thông đường lên để truyền dữ liệu đến trạm gốc Do đó, việc tổ chức những truy cập truyền thông của SSs là cần thiết cho việc

sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên đường lên

Truy cập đường xuống: Không giống như đường lên, đường xuống từ một trạm

cơ sở đến những thuê bao SSs là một kết nối điểm – đa điểm Trạm cơ sở trung tâm, phát quảng bá một TDM đến các thuê bao Các thuê bao chỉ nhận và kiểm tra địa chỉ DL-MAP trong bản tin DL-MAP và giữ lại những bản tin hoặc dữ liệu được địa chỉ cho chúng nên không xảy ra xung đột giữa các thuê bao

2.1 Phân loại các giao thức đa truy cập

Bắt đầu vào năm 1970 với giao thức ALOHA, có nhiều giao thức đa truy cập đã được phát triển Nhiều cách thức được gợi ý để phân chia những giao thức này vào các nhóm Ở đây ta phân loại những giao thức đa truy cập vào ba nhóm chính: những giao thức tranh chấp, những giao thức không tranh chấp và những giao thức lớp CDMA Những giao thức tranh chấp (hay truy cập ngẫu nhiên), một người dùng không thể chắc chắn rằng sự truyền tin sẽ không bị xung đột bởi vì những người dùng khác có thể đang truyền tin (truy cập cùng kênh truyền) tại cùng thời điểm đó Do đó, những giao thức này cần phải giải quyết sự xung đột nếu nó xuất hiện

Những giao thức không tranh chấp (hay có lập lịch) tránh tình trạng hai hoặc nhiều hơn hai người dùng truy cập vào kênh truyền cùng thời điểm bằng cách lập lịch sự truyền tin của những người dùng Việc lập lịch này được thực hiện theo kiểu tĩnh ở đó mỗi người dùng được cấp phát một phần của dung lượng truyền, hoặc theo kiểu động

theo nhu cầu người dùng, ở đó việc lập lịch truyền tin chỉ thực hiện theo giải thuật giữa những người dùng có thông tin để truyền

Nói chung những giao thức lớp mạng không dây CDMA/GSM không thuộc về giao thức tranh chấp hay giao thức không tranh chấp, nó ở giữa hai loại giao thức này

Về nguyên tắc, nó sử dụng giao thức tranh chấp để xin cấp “kênh tĩnh” với một phần của dung lượng truyền Khi được phép nó sử dụng giao thức không tranh chấp ở đó một số lượng nào đó những người dùng được cho phép truyền đồng thời mà không có sự xung đột Nếu số lượng những người dùng truyền tin đồng thời tăng lên trên một ngưỡng nào

đó, hiện tượng tắc nghẽn xảy ra

2.1.1 Giao thức đa truy cập không tranh chấp (lập lịch)

Những giao thức đa truy cập không tranh chấp tránh tình trạng nhiều người dùng

cố gắng truy cập vào cùng một kênh truyền tại cùng một thời điểm bằng cách lập lịch truyền tin cho tất cả những người dùng Những người dùng truyền tin trong một phương thức lập lịch thứ tự vì thế mọi sự truyền tin sẽ là sự truyền thành công Lập lịch có thể có hai dạng:

a) Lập lịch phân tài nguyên tĩnh: Với những giao thức này, dung lượng kênh

truyền sẵn có được chia giữa những người dùng để mỗi người dùng được cấp một phần không đổi trong dung lượng này, không phụ thuộc vào hoạt động của nó Sự phân chia này được thực hiện trong miền thời gian hoặc miền tần số Sự phân chia theo thời gian đưa đến giao thức TDMA, ở đó thời gian truyền được phân thành các khung và mỗi người dùng được cấp một phần cố định trong mỗi khung, không chồng lấp lên những phần được cấp cho những người dùng khác Hình 2.1a minh họa cho TDMA Sự phân chia về tần số đưa đến giao thức đa truy cập phân chia tần số FDMA, ở đó độ rộng băng kênh truyền được chia thành những dải tần không chồng lấp nhau, và mỗi người dùng được cấp một dải cố định Hình 2.1b minh họa cho FDMA

Hình 2.1(a) TDMA và (b) FDMA

b) Lập lịch cấp phát theo nhu cầu: Một người dùng chỉ được cho phép truyền tin

nếu nó hoạt động (tức là nó có gì đó để truyền đi) Vì thế, những người dùng đang hoạt động truyền tin trong một phương thức lập lịch thứ tự Trong lập lịch cấp phát theo nhu cầu, ta phân biệt giữa kiểm soát tập trung và kiểm soát phân tán Với kiểm soát tập trung,

một thực thể đơn lập lịch truyền tin Một ví dụ cho giao thức như vậy là giao thức kiểm soát hỏi vòng Với kiểm soát phân tán, mọi người dùng đều bao hàm trong quá trình lập lịch như là giao thức chuyển thẻ bài

2.1.2 Giao thức đa truy cập tranh chấp (ngẫu nhiên)

Với những giao thức đa truy cập tranh chấp, không có lập lịch truyền tin Điều này

có nghĩa là một người dùng đang sẵn sàng truyền tin không biết chính xác khi nào nó có thể truyền đi mà không quấy rầy sự truyền tin của những người dùng khác Người dùng này có thể hoặc không thể biết về sự truyền tin đang xảy ra nào đó (do cảm nhận kênh truyền), nhưng nó không có hiểu biết chính xác về những người dùng đang sẵn sàng khác Do đó, nếu vài người dùng đã sẵn sàng bắt đầu truyền tin trong cùng một thời điểm, tất cả những sự truyền tin này sẽ bị lỗi Giao thức truy cập ngẫu nhiên nên giải quyết sự tranh chấp xuất hiện khi vài người dùng đồng thời truyền tin

Chúng ta chia những giao thức đa truy cập tranh chấp thành hai nhóm nhỏ, đó là những giao thức truy cập ngẫu nhiên lặp lại (ví dụ như giao thức pure-ALOHA, slot-ALOHA, giao thức CSMA và giao thức ISMA) và những giao thức truy cập ngẫu nhiên với sự đặt trước (ví dụ như Reservation ALOHA (r-ALOHA)), và những giao thức đa truy cập gói đặt trước (PRMA) Với những giao thức có trước, mỗi khi truyền dữ liệu một người dùng thực hiện như miêu tả ở trên Với mỗi phiên truyền đều xuất hiện khả năng tranh chấp Với những giao thức sau này, chỉ trong phiên truyền đầu tiên một người dùng không biết làm thế nào để tránh sự xung đột với những người dùng khác Tuy nhiên, khi một người dùng đã thực hiện thành công phiên truyền đầu tiên của họ (tức là khi một người dùng đã truy cập vào kênh truyền), những phiên truyền tiếp theo của người dùng đó sẽ được lập lịch trong kiểu tuần tự vì thế không có tranh chấp nào có thể xuất hiện Vì thế, sau một phiên truyền thành công, một phần dung lượng kênh truyền được cấp phát cho người dùng, và những người dùng khác sẽ kiềm chế không sử dụng phần lưu lượng này Người dùng mất đi lưu lượng được cấp nếu sau một khoảng thời gian nào đó nó không có gì để truyền

2.2 Giao thức ALOHA

2.2.1 Pure-ALOHA

Pure-ALOHA là giao thức trong đó những trạm đầu cuối truy cập để truyền những gói tin khi chúng muốn Giao thức này được đề xuất bởi đại học Hawaii năm 1970 Trong trường hợp này, tất cả các trạm đầu cuối truy cập không bận tâm liệu kênh truyền thông tin bận hay không Cấu hình cơ bản của giao thức này được biểu diễn trong Hình 2.2

Hình 2.2 pure-ALOHA

Hình 2.3 Sự xung đột giữa những gói tin trong hệ thống pure-ALOHA

Nếu chiều dài của mỗi gói tin là không đổi và khoảng thời gian truyền một gói là T,

một gói có thể được truyền thành công tới điểm tiếp nhận khi những gói khác không bắt

đầu truyền tin trong khoảng 2T từ t1 đến T t1  , như được chỉ ra trong Hình 2.3 T

Bởi vì số lượng những gói phát đi được giả sử theo một phân bố Poisson, xác suất để

phát n gói tin trong khoảng thời gian t được cho bởi công thức (2.1) khi số lượng mong

đợi những gói phát đi trong một đơn vị thời gian được giả sử là 

( )( )

!

t n n

Khi thời gian để truyền một gói tin được định nghĩa như là , lưu lượng G được

cho như sau:

G (2.2)

Để một gói tin được phát tại một trạm cuối người dùng tại thời gian t truyền thành 1

công từ trạm cuối người dùng đến điểm truy cập đồng nghĩa với những trạm cuối khác không được truyền bất kỳ gói tin nào trong thời gian từ t1 đến t1 Trong hệ thống pure-ALOHA, khi một gói được phát tại một trạm cuối nó sẽ ngay lập tức được truyền đến điểm truy cập Do đó, xác suất truyền thành công một gói tin được phát tại trạm cuối

người dùng đến điểm truy cập P bằng với xác suất không phát bất kỳ gói tin nào succ

0!

G succ

Với một sự sửa đổi đơn giản của pure-ALOHA, đó là những bản tin được yêu cầu gửi đi trong khe thời gian giữa hai xung đồng bộ, và chỉ có thể được bắt đầu tại phần đầu của một khe thời gian, tỉ lệ những xung đột có thể giảm xuống một nửa Giao thức này được gọi là slot-ALOHA Cấu hình của giao thức slot-ALOHA được trình bày trong Hình 2.4 Trong Hình 2.4, gói phát đi trong một khe thời gian được truyền đi trong khe thời gian tiếp theo Để truyền gói tới điểm truy cập thành công, số lượng những gói được phát đi trong một khe thời gian phải trở thành 1 như được chỉ ra trong Hình 2.5 Nếu nhiều hơn hai gói tin được phát đi trong một khe thời gian, sự tranh chấp xuất hiện Để truyền thành công một gói tin được phát từ một trạm cuối người dùng đến điểm truy cập, một gói tin được truyền đi trong mỗi khe thời gian Do đó, xác suất truyền thành công một gói tin được phát tại trạm cuối người dùng đến điểm truy cập, P bằng với xác succ

suất không phát bất kỳ gói tin nào trong khoảng  , ở đó  bằng với một khe thời gian của hệ thống slot-ALOHA

0 0

( )( )

0!

G succ

S GP Ge (2.6) Thông lượng ở trên bằng với xác suất chỉ một gói tin được phát trong một khe thời gian 

1 1

( )( )

Reservation-ALOHA: Bởi vì slot-ALOHA giới hạn khả năng tận dụng tài

nguyên, những phương pháp khác nhau đã được phát triển để cải thiện hiệu quả của nó Một trong những phương pháp này được biết đến như là ALOHA đặt trước Sự sửa đổi chính phải làm với quyền sở hữu khe sau khi truyền thành công gói tin Với slot-ALOHA một khe bất kỳ là sẵn sàng cho việc sử dụng bởi bất kỳ trạm nào mà không quan tâm đến cách sử dụng khe trước đó Với ALOHA đặt trước khe được xem xét sở hữu tạm thời bởi trạm đã sử dụng nó thành công Một khe rỗi sẽ sẵn sàng cho tất cả các trạm trên cơ sở tranh chấp

Trong thông tin hữu tuyến: Tất cả những gói xung đột bị huỷ bỏ, và việc truyền

gói được xem như lỗi bởi vì mức tín hiệu của các gói là giống nhau Nếu không xuất hiện xung đột, những gói phát ra được truyền thành công tới đích

Trong thông tin vô tuyến: Công suất nhận của mỗi gói phụ thuộc vào vị trí của

trạm cuối truy cập và điều kiện kênh truyền Do đó, thậm chí nếu vài gói tin xung đột nhau, đôi khi gói có công suất nhận lớn nhất vẫn “sống sót” Một cách tổng quát, hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng lấn át” (capture effect) Mặt khác, thậm chí nếu xung đột không xuất hiện, một lỗi truyền gói xuất hiện bởi vì công suất nhận tại điểm truy cập nhỏ hơn công suất yêu cầu (ngưỡng) khi điều kiện kênh truyền xấu hơn

Không xung đột Xung đột xảy ra

trong toàn bộ gói

tin

Xung đột xảy ra trong vài phần của

gói tinHình 2.6 Xung đột giữa những gói tin truyền đi Trong hệ thống thông tin thời gian thực, điểm truy cập quyết định liệu những gói được phát từ đầu cuối truy cập được truyền thành công hay không, và kết quả của quyết định này được truyền tới những đầu cuối truy cập Thêm vào đó, nếu lỗi truyền gói xuất hiện, những gói được phát tới điểm truy cập sau vài khoảng thời gian

2.3.1.2 ưu lượng yêu cầu

Trong chương này, tổng số lượng gói (bao gồm những gói được phát mới và những gói truyền lại tại điểm truy cập trong một khoảng thời gian) được gọi là lưu lượng yêu

cầu và lưu lượng yêu cầu chuẩn hóa bởi tốc độ gói truyền dữ liệu được chỉ ra như là G Nếu tốc độ truyền dữ liệu là R(bps) và B t (bit) được yêu cầu truyền , G được tính như

sau:

t

B G R

 (2.8) Nếu không có gói nào được phát, G 0

B n S

R



 (gói/giây) (2.9)

Nếu không có gói nào được phát và tất cả những gói tin truyền đi bị hủy bỏ bởi

xung đột, S trở thành giá trị nhỏ nhất bằng 0 Ngược lại, nếu tất cả các gói tin có thể

truyền đi trên toàn bộ những đơn vị thời gian một cách hoàn hảo, thông lượng trở thành

1

2.3.1.4 Trễ truyền trung bình

Khoảng thời gian đến khi một gói tin phát đi tại một trạm cuối truy cập được truyền đến điểm truy cập và được nhận tại điểm truy cập gọi là trễ truyền trung bình Trễ truyền trung bình này phụ thuộc vào chiều dài của gói tin Do đó, trễ truyền trung bình chuẩn

hóa bởi chiều dài gói tin được chỉ ra như là D Về bản chất, trễ truyền trung bình phụ

thuộc vào khoảng thời gian khi một gói được phát và được truyền từ một trạm cuối truy cập, và khoảng cách giữa điểm truy cập và một trạm cuối truy cập và thời gian xử lý tín hiệu tại điểm truy cập Tuy nhiên, khoảng thời gian này được giả sử là khá nhỏ

2.3.2 Cấu hình mô phỏng cơ bản

Trong phần này ta mô tả quy trình để đánh giá thông lượng và trễ của một giao thức truy cập bằng mô phỏng máy tính Gọi DTP là thời gian truyền tin từ thuê bao đến trạm,  là thời gian đóng gói khung tiếp sau thì thời gian trễ truy cập được xác định bởi biểu thức:

Cấu hình mô phỏng máy tính cơ bản được biểu diễn trong Hình 2.7 Trong mô phỏng máy tính thảo luận ở đây, ta giả sử rằng suy giảm truyền lan và shadowing là hằng

số Quá trình mô phỏng được tiếp tục đến khi số lượng gói được truyền thành công bằng với số lượng gói yêu cầu

Hình 2.7 Cấu hình mô phỏng máy tính cơ bản

2.4 ô phỏng thuật toán A OHA

2.4.1 hương trình và kết quả mô phỏng thuật toán pure-ALOHA 2.4.1.1 Tham số và cấu trúc chương trình

R Bán kính vùng phục vụ 100m

Alfa Hệ số suy giảm khoảng cách tĩnh 3

Sigma Độ lệch chuẩn của phân bố loga chuẩn 6dB

Mcn C/N trong truy cập chuẩn khi được

3- Trong khối thứ ba, khi việc truyền gói tin kết thúc thành công, số lượng những gói tin truyền thành công được đếm lại, trễ truyền được tính toán, và thời gian khi một gói tin mới được phát đi được tính toán cho tất cả các trạm cuối Ở đây, tại mỗi trạm cuối, một gói tin mới sẽ không được phát cho đến khi gói tin đã được phát trong mỗi kênh truyền được truyền thành công tới điểm truy cập

4- Trong khối thứ tư, khi việc truyền gói tin kết thúc và sự truyền tin bị lỗi, thời gian khi gói tin được truyền lại được tính toán cho tất cả các trạm cuối

5- Trong khối thứ năm, những trạm cuối truy cập thực hiện truyền một gói tin tại now_time được tìm kiếm trên tất cả những trạm trạm cuối truy cập Khi ấy, trạng thái chuyển sang chế độ truyền, thời gian giới hạn để kết thúc truyền gói được tính toán,

và số lượng những gói đã truyền được đếm

6- Trong khối thứ sáu, bằng cách tìm kiếm giá trị cực tiểu từ mtime, next_time được quyết định, đó là thời gian gần nhất khi trạng thái của mỗi trạm cuối truy cập được thay đổi

Tham khảo chương trình mô phỏng pure-ALOHA ở trên trong phần phụ lục 1

2.4.1.2 Kết quả mô phỏng

Hiệu quả thông lượng và độ trễ trung bình được xác định, các kết quả mô phỏng được thấy trong Hình 2.8 và Hình 2.9

Hình 2.1 Lưu lượng yêu cầu và thông lượng của pure-ALOHA

Hình 2.2 Lưu lượng yêu cầu và độ trễ trung bình của pure-ALOHA

Khi “hiệu ứng lấn át” không được xem xét đến, thông lượng gần với giá trị lý thuyết thậm chí nếu số lượng người dùng là 100 Hơn thế nữa, khi ảnh hưởng hiệu ứng lấn át được xem xét, thông lượng này lớn hơn trường hợp không xem xét ảnh hưởng hiệu ứng lấn át Thêm vào đó, độ trễ trung bình cũng giảm đi Trong trường hợp pure-ALOHA, sự xung đột xuất hiện, do đó hiệu ứng lấn át là lý do tăng thông lượng hệ thống

2.4.2 hương trình và kết quả mô phỏng thuật toán slot-ALOHA

2.4.2.1 Tham số và cấu trúc chương trình

Chương trình mô phỏng slot-ALOHA về cơ bản giống chương trình mô phỏng pure-ALOHA, tuy nhiên, có sự định thời (timing) để việc truyền gói được đồng bộ với khe thời gian Tham khảo định thời trong chương trình mô phỏng slot-ALOHA trong phụ lục 1

2.4.2.2 Kết quả mô phỏng

Hình 2.3 Lưu lượng yêu cầu và thông lượng của slot-ALOHA

Hình 2.4 Lưu lượng yêu cầu và độ trễ trung bình của slot-ALOHA

Những kết quả mô phỏng thông lượng và độ trễ trung bình được chỉ ra trong Hình 2.10 và 2.11 Tác động của hiệu ứng lấn át là đáng kể trong việc tăng thông lượng mạng

và giảm trễ truyền

hương 3: Ã HÓA ẠNG KHÔNG DÂY SỬ D NG GIAO THỨC ALOHA 3.1 Thiết kế mức cao của COPE [4, 31]

COPE là một hệ thống mạng không dây được đề xuất [4] để ứng dụng các giải thuật mã mạng Bởi vì truyền kiểu truyền quảng bá, mạng vô tuyến sẽ xuất hiện sự dư thừa thông tin, có một lượng lớn sự chồng lấn thông tin tại các nút Khi một gói tin truyền qua nhiều hop trong mạng không dây, nhiều nút sẽ thu được nó Sự dư thừa thông tin sẽ tiếp tục tăng lên vì tại mỗi hop sẽ truyền cùng gói tin tới nhiều nút khác nữa trong khoảng không gian của nút truyền COPE sử dụng chính sự dư thừa này để nén dữ liệu, tăng luồng thông tin trên một lần truyền, do đó cải thiện thông lượng toàn mạng Ta minh họa hoạt động của COPE qua một ví dụ đơn giản Hình 3.1

Hình 3.1 Ví dụ minh họa cách COPE tăng thông lượng Xem xét tình huống trong Hình 3.1 khi S1 và D1 cần trao đổi một cặp gói tin Vì hai nút không trong vùng nghe thấy nhau, router sẽ giúp chuyển tiếp các gói tin tới đích tương ứng Với kỹ thuật chuyển tiếp gói hiện tại, S1 gửi gói tin tới router, và router truyền tới D1, còn D1 cũng gửi gói tin của mình tới router, router truyền tới S1 Quá trình này cần 4 lần truyền

COPE sử dụng mã hóa mạng để giảm số lần truyền cần thiết cho hai gói tin Với COPE, S1 và D1 gửi các gói tin tới router trong các khe thời gian khác nhau Router sẽ sử dụng mã hóa mạng biến đổi hai gói tin thay vì chỉ truyền hai gói tin riêng rẽ Phép toán

mã hóa là phép hoặc tuyệt đối XOR hai gói tin Router quảng bá kết quả XOR hai gói tin vừa thực hiện tới S1 và D1 Vì S1 và D1 đã có gói tin nó truyền đi ban đầu, nên nó có thể tái tạo gói tin của người kia gửi qua phép XOR gói nhận được từ router vừa quảng bá với gói tin đã có Do đó COPE truyền hai gói tin tới S1 và D1 chỉ với 3 khe thời gian so với 4 khe thời gian của kỹ thuật hiện tại Khe thời gian tiết kiệm được có thể sử dụng để truyền các dữ liệu khác, giúp tăng cường thông lượng vô tuyến

COPE là một kỹ thuật mới cho chuyển tiếp gói tin mạng lưới không dây sử dụng

mã hóa mạng Nó chèn thêm lớp mã hóa ở giữa lớp mạng và lớp liên kết, lớp này tìm cơ hội mã hóa và thực hiện để chuyển tiếp nhiều gói tin trong cùng một lần truyền Trước hết ta xem xét các thuật ngữ được sử dụng trong mục sau của chương này tại Bảng 2.1