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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIAO THỨC MMAC-DA TRONG MẠNG ADHOC KHƠNG DÂY MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC VÀ CHUẨN IEEE 802.11 1.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG ADHOC 1.1.1 Mạng adhoc không dây .1 1.1.2 Đặc điểm ứng dụng 1.2 CHUẨN IEEE 802.11 1.2.1 Quá trình đời phát triển 1.2.2 Giao thức IEEE 802.11 MAC 1.3 IEEE 802.11 DCF (PHƯƠNG PHÁP PHÂN PHỐI) 1.3.1 Vấn đề đầu cuối ẩn 1.3.2 Cơ chế hoạt động .6 CHƯƠNG GIAO THỨC MMAC-DA 2.1 GIỚI THIỆU 2.2 CÁC VẤN ĐỀ TRONG MỘI TRƯỜNG ĐA KÊNH VÀ ANTEN ĐỊNH HƯỚNG 2.2.1 Phát lân cận 2.2.2 Vấn đề đầu cuối ẩn môi trường đa kênh 2.2.3 Vấn đề đầu thu, deafness chặn đầu dường dây 10 2.3 IEEE 802.11 PSM ( CƠ CHẾ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG) 12 2.4 CÁC CHẾ ĐỘ CỦA ANTEN .13 2.5 NHỮNG ĐỀ XUẤT VỀ GIAO THỨC MMAC-DA 13 2.5.1 Ý tưởng 13 2.5.2 Neighbor Information List (NIL) .16 2.5.3 2.6 Channel Usage List (CUL) .17 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC MMAC-DA 19 CHƯƠNG PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT VÀ MƠ PHỎNG 21 3.1 SỬ DỤNG SƠ ĐỒ MARKOV ĐỂ PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT 21 3.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT .23 3.3 PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI CỦA THÔNG LƯỢNG MMAC-DA 24 3.4 SO SÁNH VỚI GIAO THỨC 802.11 MAC 27 3.4.1 Thơng lượng thay đổi theo tốc độ gói tới 27 3.4.2 Thời gian trễ trung bình thay đổi theo tốc độ gói tới 28 3.4.3 Hiệu suất tiêu thụ lượng thay đổi theo tốc độ gói tới .29 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 32 4.1 KẾT LUẬN 32 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 PHỤ LỤC A ……………………………………………………………………………34 DANH MỤC CÁC HÌNH HÌNH 1- 1: MẠNG ADHOC HÌNH 1- 2: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN HÌNH 1- 3: CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA 802.11 DCF Y HÌNH 2- 1: ĐẦU CUỐI ẨN DO ĐỘ LỢI ANTEN BẤT ĐỐI XỨNG .9 HÌNH 2- 2: ĐẦU CUỐI ẨN DO UNHEARD RTS/CTS .9 HÌNH 2- 3: VẤN ĐỀ ĐẦU CUỐI ẨN TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA KÊNH 10 HÌNH 2- 4: MẤT ĐẦU THU DO MƠI TRƯỜNG ĐA KÊNH 10 HÌNH 2- 5: DEAFNESS DO ANTEN ĐỊNH HƯỚNG .11 HÌNH 2- 6: VẤN ĐỀ CHẶN ĐẦU ĐƯỜNG DÂY 11 HÌNH 2- 7: IEEE 802.11 PSM 12 HÌNH 2- 8: CÁC CHẾ ĐỘ CỦA ANTEN 13 HÌNH 2- 9: CÁC CHẾ ĐỘ TRUYỀN TRONG MMAC-DA 14 HÌNH 2- 10: Ý TƯỞNG VỀ GIAO THỨC MMAC-DA 15 HÌNH 2- 11: VÍ DỤ VỀ MMAC-DA 20 HÌNH 3- 1: SƠ ĐỒ MARKOV 21 HÌNH 3- 2: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 23 HÌNH 3- 3: THƠNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO SỐ NODE 25 HÌNH 3- 4: THƠNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO ATIM WINDOW SIZE 26 HÌNH 3- 5; SO SÁNH THƠNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO TỐC DỘ GĨI TỚI 28 HÌNH 3- 6: SO SÁNH THỜI GIAN TRỄ THAY ĐỔI THEO TỐC ĐỘ GÓI TỚI 29 HÌNH 3- 7: SO SÁNH HIỆU SUẤT SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG 30 DANH MỤC CÁC BẢNG BI BẢNG 1- 1: CÁC CHUẨN IEEE 802.11 Y BẢNG 2- 1: NIL CỦA NODE S 16 BẢNG 2- 2: CUL CỦA S VÀ D 18 BẢNG 3- 1: CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 24 BẢNG 3- 2: THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO SỐ NODE 25 BẢNG 3- 3: THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO ATIM WINDOW SIZE 27 BẢNG 3- 4: SO SÁNH THỜI GIAN TRỄ GIỮA HAI GIAO THỨC .29 BẢNG 3- 5: SO SÁNH HIỆU SUẤT SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIỮA HAI GIAO THỨC 31 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledgement A-ACK ATIM Acknowledgement A-RES ATIM Reservation ATIM Announcement Traffic Indication Message CCH Control Channel CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CTS Clear To Send CUL Channel Usage List DCF Distributed Coordination Function DCH Data Channel DNAV Directional Network Allocation Vector E-Tx Extended Transmission MAC Medium Access Control MMAC-DA Multichannel MAC using Directional Antenna NIL Neighbor Information List N-Tx Normal Transmission PSM Power Saving Mechanism RTS Request To Send ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/52 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC VÀ CHUẨN IEEE 802.11 1.1 Giới thiệu mạng adhoc 1.1.1 Mạng adhoc không dây Mạng tùy biến không dây (Wireless adhoc network) tập hợp gồm nhiều thiết bị/nút mạng với khả nối mạng giao tiếp không dây với mà không cần hỗ trợ quản trị trung tâm Mỗi nút mạng tùy biến không dây hoạt động vừa máy chủ vừa thiết bị định tuyến Adhoc mong đợi cách mạng vô tuyến : bổ sung cho mơ hình mạng truyền thống (internet, thơng tin vệ tinh…) Dựa công nghệ adhoc, thiết bị cầm tay (điện thoại di động, laptop…) thiết bi cố định (các trạm sở, điểm truy cập internet khơng dây…) kết nối với tạo thành mạng tồn cầu Hình 1- 1: Mạng adhoc 1.1.2 Đặc điểm ứng dụng Một số đặc điểm mạng adhoc: Giao thức MMAC-DA mạng adhoc không dây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/52 - Mỗi máy chủ khơng đóng vai trò hệ thống cuối mà hoạt động hệ thống trung gian - Mọi nút mạng có khả di động - Topo mạng thay đổi theo thời gian - Các nút di động sử dụng nguồn lượng pin có hạn - Băng thơng thông tin vô tuyến hẹp - Chất lượng kênh thay đổi - Khơng có thực thể tập trung , nói cách khác mạng phân bố Cơng nghệ adhoc cho thấy lợi vượt trội: thực liên lạc thông tin vùng miền xảy thiên tai (động đất, lũ,…) mà trạm sở mạng tế bào hay thiết bị truyền thông tin cố định bị phá hủy thực truyền thông tin Những ứng dụng chủ yếu mạng adhoc: - Mạng không đồng (Heterogeneous network): mạng adhoc phổ biến hợp thành từ thiết bị khơng đồng Ví dụ: thiết bị điện thoại di động, laptop… liên lạc với qua mạng ad hoc - Di động: mạng adhoc nút mạng điện thoại di động - Mạng tán xạ tương đối: nút mạng gần (bị tán xạ mặt địa lý ) cần thiết có mạng 1.2 Chuẩn IEEE 802.11[1] 1.1.3 Quá trình đời phát triển IEEE 802.11 tập chuẩn tổ chức IEEE bao gồm đặc tả kỹ thuật liên quan đến hệ thống mạng không dây Chuẩn IEEE 802.11 mơ tả giao tiếp sử dụng sóng vơ tuyến để truyền nhận tín hiệu thiết bị không dây tổng đài điểm truy cập (access point), hay nhiều thiết bị không dây với (mơ hình adhoc) Chuẩn 802.11 chuẩn khác họ IEEE 802, tập trung vào tầng thấp mơ hình OSI – tầng vật lý (physical) tầng liên kết liệu (datalink) Do đó, tất hệ thống mạng theo chuẩn 802 có thành phần MAC (Media Access Control) PHY (Physical) MAC tập hợp luật Giao thức MMAC-DA mạng adhoc không dây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/52 định nghĩa việc truy xuất gửi liệu, chi tiết việc truyền dẫn thu nhận liệu nhiệm vụ PHY Năm 1997, IEEE giới thiệu chuẩn cho WLAN Chuẩn gọi 802.11 sau tên nhóm thiết lập nhằm giám sát phát triển Tuy nhiên, 802.11 hỗ trợ cho băng tần tối đa lên đến Mbps – chậm hầu hết ứng dụng IEEE mở rộng chuẩn 802.11 gốc vào tháng năm 1999, tạo chuẩn 802.11b Chuẩn hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương đương với Ethernet truyền thống Các thiết bị 802.11b bị xuyên nhiễu từ thiết bị điện thoại không dây, lò vi sóng thiết bị khác sử dụng dải tần 2.4 GHz Trong 802.11b phát triển, IEEE tạo mở rộng thứ hai cho chuẩn 802.11 có tên gọi 802.11a 802.11a hỗ trợ băng thơng lên đến 54 Mbps tín hiệu phổ tần số quy định quanh mức GHz Tần số 802.11a cao so với 802.11b, làm cho phạm vi hệ thống hẹp so với mạng 802.11b Với tần số này, tín hiệu 802.11a khó xuyên qua vách tường vật cản khác Vào năm 2002 2003, sản phẩm WLAN hỗ trợ chuẩn 802.11g, đánh giá cao thị trường 802.11g nỗ lực để kết hợp ưu điểm chuẩn 802.11a 802.11b Nó hỗ trợ băng thơng lên đến 54 Mbps sử dụng tần số 2.4 GHz để có phạm vi rộng 802.11g có khả tương thích với chuẩn 802.11b, điều có nghĩa điểm truy cập 802.11g làm việc với adapter mạng không dây 802.11b ngược lại Chuẩn 802.11n (đôi gọi tắt Wireless N) thiết kế để cải thiện cho 802.11g tổng số băng thông hỗ trợ cách tận dụng nhiều tín hiệu khơng dây anten (công nghệ MIMO) 802.11n cung cấp băng thông tối đa lên đến 600 Mbps Chuẩn 802.11ac chuẩn sử dụng phổ biến 802.11ac sử dụng công nghệ không dây băng tần kép, hỗ trợ kết nối đồng thời băng tần 2.4 GHz GHz 802.11ac cung cấp khả tương thích ngược với chuẩn Giao thức MMAC-DA mạng adhoc không dây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/52 802.11b, 802.11g, 802.11n băng thông đạt tới 1300 Mbps băng tần GHz, 450 Mbps 2.4GHz Bảng 1- 1: Các chuẩn IEEE 802.11 1.1.4 Giao thức IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC thiết kế cho hệ thống đơn kênh dựa chế CSMA/CA (đa truy cập sử dụng sóng mang phòng tránh xung đột) CSMA/CA tránh xung đột (CSMA/CD phát xung đột) sử dụng ACK để xác nhận thay tùy ý sử dụng mơi trường truyền có xung đột xảy Sử dụng ACK đơn giản, thiết bị khơng dây gởi gói tin, đầu nhận đáp ứng lại ACK gói tin nhận đầy đủ Nếu đầu gởi không nhận ACK xem có xung đột xảy truyền lại gói tin Các node không dây truyền nhận lúc mơi trường mạng khơng dây nhiều hạn chế nên tất node khơng nhận tất gói tin chất lượng ban đầu gởi 1.3 IEEE 802.11 DCF (phương pháp phân phối)[3] Giao thức MMAC-DA mạng adhoc không dây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 37/52 ACKLength = 14*8; %14 bytes PktSize=512; DATALength = PktSize*8; %512 bytes ATIM = 27*8; A_ACK = 16*8; A_RES = 16*8; DRES = 16*8; % TimeSlot = 9; %us SIFS = 16; %us DIFS = SIFS + 2*TimeSlot; PLCPHeader = 48; %bits NumberNode = 20; NumberChannel = 3; Beacon = 100000; %ms ATIM_Win = 20000; %us % -CWmin = 32; CWmax = 1024; PktRate = 1;%Packet Arrival Rate (packets/second) RetryLimit = 4; %Packet Type RTS_ID = 1; CTS_ID = 2; DATA_ID = 3; ACK_ID = 4; %Condition for Extra Tx Send_Threshold = 20; RetryThreshold = 2; NoNodeExTx = 1; % Transmission Time -TxRTS = txtime(RTSLength,BasicRate); TxCTS = txtime(CTSLength,BasicRate); TxDATA = txtime(DATALength,DataRate); TxACK = txtime(ACKLength,BasicRate); TxATIM = txtime(ATIM,BasicRate); TxA_ACK = txtime(A_ACK,BasicRate); TxA_RES = txtime(A_RES,BasicRate); TxDRES = txtime(DRES,BasicRate); TransDur = TxDATA + SIFS + TxACK + SIFS; ATIM_Dur = TxATIM + SIFS + TxA_ACK + SIFS + TxA_RES + SIFS + TxDRES; Giao thức MMAC-DA mạng adhoc không dây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 38/52 %Power Gt = 1; Gr = 1; ht = 1.5; hr =1.5; L = 1; % no other loss c = Gt*Gr*ht^2*hr^2/L; P_trans = 1.65; Pmax = 250e-3; P_recv = 1.4; P_idle = 1.15; P_doze = 0.045; P_RXthold = 10^-(82/10); %6.3e-9(-82dBm) SINR_thold = 4; %(6.02dB) P_Nthold = P_RXthold/(6*SINR_thold); Pdmax = Pmax/(6*SINR_thold); % TRange = (Pmax*c/P_RXthold)^.25; %119m TRange = 250; CS_Range = (Pmax*c/P_Nthold)^.25; save constant.mat * DataTrans.m: function DataTrans = DataTrans(src,time,NodeList) % This function is used to transmit packet from source to dest global pkt; load Status.mat load constant.mat load pkt.mat load delay.mat start_time = time; dest = NodeStatus(src,7); % fprintf('At time = %d us, Start transmission from %d to %d\n',time,src,NodeStatus(src,7)); % fprintf('At time = %d us, node %d sends RTS to node %d\n',time,src,NodeStatus(src,7)); time = time + TxRTS + SIFS + TxCTS + SIFS; pkt_index = 5+find(Pkt(src,6:end)>0,1,'first'); % packet has to be sent time=sendDATA(time,src,NodeStatus(src,7)); Delaylog = [Delaylog; src NodeStatus(src,7) Pkt(src,pkt_index) time]; Pkt(src,pkt_index) = 0; Pkt(src,4) = Pkt(src,4)+1; %increase successful packet count time = time + TxACK; Giao thức MMAC-DA mạng adhoc không dây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 39/52 % fprintf('From %d to %d us, node %d sends DATA to node %d\n',start_time,time,src,NodeStatus(src,7)); NodeStatus(src,6) = NodeStatus(src,6) - 1; % decrease number of packet NodeStatus(src,8) = 0; pkt = pkt + 1; % NAV NodeStatus(src,11) = time; NodeStatus(dest,11) = time; for i = NodeList d = ((NodeStatus(src,4)-NodeStatus(i,4))^2+(NodeStatus(src,5)NodeStatus(i,5))^2,(NodeStatus(i,4)-NodeStatus(dest,4))^2+(NodeStatus(i,5)NodeStatus(dest,5))^2); % sqrt(d) if sqrt(d) Pkt(node,packet_ID,time) % Pkt= [start interval last success drop buffer] load constant.mat interval=1e6/PktRate; for i = 1:NumberNode Pkt(i,1) = round((rand(1)*interval)); end Giao thức MMAC-DA mạng adhoc không dây ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 43/52 Pkt(:,2) = interval; Pkt(:,1) = sortrows(Pkt(:,1)); Pkt(:,3) = Pkt(:,1)-Pkt(:,2); Pkt(NumberNode,5+Buffer_size) = 0; save pkt.mat Pkt; xlswrite('pkt.xlsx',Pkt); pkt_gen=Pkt; pkt_update.m: function pkt_update = pkt_update(time_end,EndTime) % This function used to update number of packet for each node until at % least one packet arrived at a node load pkt.mat load constant.mat load Status.mat load pcl.mat update_success = 0; while time_end = Beacon/TransDur %2*(Beacon-ATIM_Win)/TransDur NodeStatus(src,1) = 2; else NodeStatus(src,1) = 1; end % src_bd = (dest_bd + No_beam/2); % src_bd = (src_bd 4)*(src_bd-4); % fprintf('Node %d and %d selected channel %d and beam direction %d - %d \n',src,dest,ch,src_bd,dest_bd) time = time + SIFS + TxA_RES + SIFS + TxDRES; % increase time % Update selected channel to source and destination NodeStatus(src,9) = ch; NodeStatus(dest,9) = ch; % Add power consumption NodeStatus(src,13) = NodeStatus(src,13) + (P_trans - P_idle)*TxA_RES + (P_trans - P_idle)*TxDRES; NodeStatus(dest,13) = NodeStatus(dest,13) + (P_recv - P_idle)*TxA_RES + (P_trans - P_idle)*TxDRES; % Update neighbor's PCL for i = 1:NumberNode if i ~= src && i ~= dest && NodeStatus(i,1) ~= d = ((NodeStatus(src,4)-NodeStatus(i,4))^2+(NodeStatus(src,5)NodeStatus(i,5))^2,(NodeStatus(i,4)-NodeStatus(dest,4))^2+(NodeStatus(i,5)NodeStatus(dest,5))^2); if sqrt(d)