Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung của bài viết này thực hiện khảo sát các giao thức định tuyến được đề xuất áp dụng cho CRAHN; phân tích vấn đề định tuyến trong mạng CRAHN; đánh giá và phân tích hiệu suất một số giao thức định tuyến.
ISSN 2354-0575 ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỂN HÌNH CHO MẠNG VƠ TUYẾN THƠNG MINH TÙY BIẾN Vũ Khánh Quý1, Nguyễn Đình Hân1, Nguyễn Tiến Ban2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng n Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Ngày nhận: 02/5/2016 Ngày sửa chữa: 26/5/2016 Ngày xét duyệt: 15/6/2016 Tóm tắt: Các mạng vơ tuyến thơng minh tùy biến ngày đóng vai trị quan trọng truyền thơng chúng sử dụng tiết kiệm hiệu tài ngun phổ Ngồi khả mạng vơ tuyến truyền thống, mạng vô tuyến thông minh tùy biến cịn có khả đặc biệt để thích nghi với môi trường số điều kiện ràng buộc trình hoạt động Chẳng hạn, khả cảm biến khe phổ trống môi trường vô tuyến biến đổi mạnh theo không gian thời gian, khả phối hợp hoạt động nút mạng thứ cấp để giảm thiểu ảnh hưởng tới mạng chính, v.v Nhiều khả khả ứng dụng mạng vô tuyến thông minh tùy biến tiếp tục nghiên cứu Gần đây, giao thức định tuyến cho mạng vô tuyến thông minh tùy biến đề xuất không ngừng cải tiến Trong báo này, khảo sát đánh giá hiệu suất hoạt động số giao thức định tuyến điển hình cho mạng vơ tuyến thông minh tùy biến Chúng so sánh giao thức khảo sát thông qua thông số kỹ thuật Kết thực nghiệm với phân tích chi tiết báo cung cấp sở để lựa chọn sử dụng giao thức định tuyến phù hợp với đặc điểm mạng vô tuyến thơng minh tùy biến Từ khóa: CRAHN, AODV, DSR Giới thiệu Cùng với phát triển mạng vô tuyến, báo cáo FCC (Federal Communications Commission) [1] cho thấy sách đăng ký phân phối phổ cố định trở nên không hiệu hệ thống thông tin vô tuyến ngày Phổ tần sử dụng hiệu cách cho phép người sử dụng khơng có giấy phép SU (Secondary Users) truy cập sử dụng khoảng thời gian người dùng cấp phép PU (Primary Users) không sử dụng Mạng vô tuyến thông minh/nhận thức tùy biến CRAHN (Cognitive Radio Ad-Hoc Network) tập hợp thiết bị có khả hoạt động chuyển đổi kênh (băng tần) khác môi trường truy cập phổ động dựa phương pháp cảm nhận hoạt động băng tần cấp phép Dựa cảm nhận này, SU tận dụng hội sử dụng khe phổ trống mà khơng gây ảnh hưởng đến PU Hình 1, giới thiệu kiến trúc mạng vơ tuyến thơng minh tùy biến Hình Kiến trúc mạng CRAHN 60 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Mặc dù ưu điểm tái sử dụng phổ tần mạng CRAHN rõ ràng mang giá trị to lớn thực tiễn lý thuyết tài nguyên phổ tần ngày cạn kiệt Tuy nhiên, việc truyền thông mạng phải đảm bảo không gây ảnh hưởng đến PU Điều yêu cầu thiết bị mạng phải liên tục giám sát, cảm nhận hoạt động phổ tần Trong thực tế, mạng CRAHN thiết lập hoạt động cách sử dụng khe phổ trống dựa dải tần đăng ký sử dụng PU Do đó, nhiệm vụ tìm kiếm, lựa chọn thiết lập tuyến đường (kênh, nút mạng) thích hợp để truyền liệu từ nút nguồn đến nút đích mơi trường truy cập phổ động thách thức cần giải Trong báo này, thực khảo sát giao thức định tuyến đề xuất áp dụng cho CRAHN Phần lại viết tổ chức sau Trong Mục 2, chúng tơi phân tích vấn đề định tuyến mạng CRAHN Mục thực đánh giá phân tích hiệu suất số giao thức định tuyến Mục phần kết luận Định tuyến mạng CRAHN Mạng CRAHN không chứa sở hạ tầng cố định thực thể trung tâm [2], vậy, SU phải hợp tác với cách tùy biến để trao đổi thu nhận thông tin cần thiết kiến trúc mạng diện PU phục vụ cho trình định tuyến Như vậy, giao thức định tuyến phải thoả mãn yêu cầu hai kiểu mạng: mạng vô tuyến thông minh mạng vô tuyến tùy biến (Xem Hình 2) Hình Các tiêu chí giao thức định tuyến mạng CRAHN Vấn đề truyền thông mạng CRAHN SU phải tránh cản trở trình truyền PU Vì vậy, cần thiết lựa chọn tuyến đường thỏa mãn hai vấn đề, tránh PU thiết lập giao tiếp đầu cuối SU Trong [3], lược đồ tránh PU xen vào thủ tục thiết lập tuyến đường Có hai thời điểm quan trọng SU phải lựa chọn kênh phù hợp: thời điểm bắt đầu truyền liệu thời điểm thực sửa tuyến đường Thông tin kênh thu từ chế cảm biến phổ diễn lớp vật lý sở liệu phổ lưu trú nút SU Đây thông tin quan trọng để xác định tuyến đường Một số phương pháp cảm biến phổ thông minh lớp vật lý nghiên cứu [3-8] Các nút di động mạng CRAHN sử dụng tài nguyên phổ (kênh/tần số) biến đổi theo hai miền: thời gian không gian, đó, u cầu thơng tin cảm biến phổ trả thời gian thực vấn đề đầy thách thức Như vậy, thủ tục phổ động hiệu cần nghiên cứu thiết kế giao thức định tuyến cho mạng CRAHN Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Trong môi trường CRAHN, tập băng tần hỗ trợ nút liên tục thay đổi Như vậy, xác định số kênh làm kênh điều khiển chung đòi hỏi cần thực Bên cạnh phải giải vấn đề quản lý kênh, thiết kế giao thức định tuyến cho CRAHN không nên giả định liên kết hai chiều Các liên kết đơn hướng xảy nút khác có vùng truyền khác Ngoài vấn đề nêu trên, giao thức định tuyến cho CRAHN yêu cầu tiêu chí giao thức mạng truyền thống Các yêu cầu bao gồm hiệu suất lượng, chất lượng dịch vụ (QoS) đảm bảo an tồn thơng tin Đặc biệt nút di động, vấn đề tiết kiệm lượng đặc biệt quan trọng Một nỗ lực để giảm tiêu thụ lượng nút sử dụng chế định tuyến theo yêu cầu Trong mạng tùy biến di động, hai giao thức định tuyến tiêu biểu AODV DSR, so sánh hiệu suất, AODV phân phối 90% gói tin, cịn hiệu DSR đạt giá trị cao với số lượng nút nhỏ giảm dần kích thước mạng tăng lên [9] Tuy nhiên, giao thức có hiệu Journal of Science and Technology 61 ISSN 2354-0575 suất thấp áp dụng cho mạng CRAHN mơi trường mạng có tính động mạnh hơn, xuất phát từ tình hoạt động/dừng PU Do đó, cần đề xuất, nghiên cứu giao thức nhằm thích hợp cho việc định tuyến môi trường phổ động mạnh mạng CRAHN Các giao thức thống kê đánh giá Bảng Bảng Đánh giá số giao thức đề xuất áp dụng mạng CRAHN Giao thức Mục tiêu SOP[3] DORP[4] Cải thiện trễ tích lũy, nhiên hiệu suất thấp chưa đề suất phương án giảm ảnh hưởng nhiễu lên PU WHAT[5] Lựa chọn tuyến đường tối ưu xác đưa thêm tham số định tuyến SEARCH[6] - Là giao thức tiệm cận giải toán định tuyến CRAHN - Dùng phương pháp lọc tiên đốn Kalman tìm tập hợp tuyến đường, kênh nhằm giảm nhiễu đến PU CRP[7] - Hạn chế gây nhiễu lên PU đưa thông tin nhiễu vào chi phí tìm đường Đảm bảo q trình truyền thơng SU gây ảnh hưởng đến PU End-To-End Mơ hình hóa xây dựng thư Protocol[8] viện mở rộng để mơ hoạt động CRAHN NS2 Đánh giá hiệu Trong phần này, chúng tơi tiến hành phân tích đánh giá hiệu suất số giao thức định tuyến điển hình, đề xuất áp dụng cho mạng CRAHN SOP [5], CRP [9] End-to-End [10] phần mềm mô mạng NS2 3.1 Kịch mô Chúng sử dụng kiến trúc mạng Hình 3, hệ thống bố trí vùng [1000mx1000m], tế bào có đường kính 250m; vùng phát sóng PU 100m; vùng phát sóng SU từ 50-100m Tổng cộng 100 SU bố trí ngẫu nhiên tồn vùng 20 nút PU bố trí trung tâm tế bào Chúng sử dụng giao thức 802.11b để truyền liệu với kích thước gói tin 1000 byte vận tốc 11Mbit/giây Hình Kiến trúc sử dụng đánh giá hiệu Chúng đánh giá hiệu giao thức dựa thời gian trễ, thông lượng, độ dài đường (số chặng) trung bình khoảng cách nút 62 nguốn đích thay đổi Các tham số mơ hệ thống tóm tắt Bảng Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng Các tham số mô hệ thống Tham số Giao thức Thời gian mô Số nút PU Số nút SU Vùng mô Tốc độ di chuyển Các điểm (khoảng cách) dừng đo Kiểu kết nối Mô hình di động Phần mềm mơ Giá trị SOP [5], CRP [9], End-to-End [10] 600s 20 100 1000 m x 1000 m m/s 50, 100, 150, 200, 250, 300 TCP Ngẫu nhiên NS 2.34 3.2 Kết mô phân tích Hình trình bày kết mơ phỏng, Hình 4a, chúng tơi nhận thấy trễ End-toEnd thấp khoảng cách nút nguồn nút đích ngắn, khoảng cách tăng lên đến 200m, trễ CRP có xu hướng thấp so với hai giao thức cịn lại Hình 4b thể mối quan hệ thông lượng tuyến khoảng cách hai nút nguồn đích mạng CRAHN, kết mô cho thấy, SOP cho thông lượng cao khoảng cách nút nguồn đích thấp 150m, khoảng cách tăng lên, End-to-End có xu hướng cho kết thơng lượng tốt hai giao thức cịn lại Hình 4c Mối quan hệ Trễ trung bình khoảng cách nút Hình 4c thể mối quan hệ số chặng hay cịn gọi số nút mà gói tin phải qua từ nút nguồn đến nút đích Theo kết mô phỏng, khoảng cách nút nguồn nút đích tăng số nút trung gian gói tin phải qua từ nút nguồn đến nút đích có xu hướng tăng lên Điều hồn tồn phù hợp với tính tốn lý thuyết Trong giao thức đánh giá, giao thức End-to-End cho kết tốt với số nút trung gian gói tin phải qua thấp tất trường hợp Hình 4a Mối quan hệ Trễ trung bình khoảng cách nút Hình 4b Mối quan hệ Thông lượng khoảng cách nút Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Kết luận Bài báo thực khảo sát số giao thức định tuyến môi trường mạng vô tuyến thông minh tùy biến Các giao thức định tuyến theo yêu cầu AODV DSR phù hợp với môi trường mạng di động tùy biến có hiệu suất thấp mạng CRAHN Qua phân tích, chúng tơi nhận thấy AODV phù hợp DSR môi trường CRAHN Thực mô đánh giá hiệu số giao thức cải tiến dựa AODV gần đề xuất áp dụng cho CRAHN, kết mô cho thấy, giao thức định tuyến End – to – End [10] cho thông lượng trễ cải thiện tốt Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, đề xuất sử dụng thơng số tích lũy dự kiến thời gian truyền để tìm tuyến đường có thơng lượng đầu cuối cao mạng CRAHN Journal of Science and Technology 63 ISSN 2354-0575 Tài liệu tham khảo [1] Federal Communications Commission, “Mobile Broadband: The Benefits of Additional Spectrum”, 2010 [2] IF Akyildiz, WY Lee, KR Chowdhury, “CRAHN: Cognitive Radio Ad-hoc Networks”, Ad Hoc Networks7, pp 810–836, 2009 [3] G Cheng, W Liu, Y Li, W Cheng, “Spectrum Aware On-Demand Routing in Cognitive Radio Networks”, IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks, Dublin, 17-20, 2007 [4] G Cheng, W Liu, Y Li, W Cheng, “Joint On-Demand Routing and Spectrum Assignment in Cognitive Radio Networks”, inProceedings of the IEEE International Conference on Communications, Glasgow, 24–28 June 2007 [5] J Chen, H Li, J Wu, “WHAT: A Novel Routing Metric for Multi-Hop Cognitive Wireless Networks”, inProceedings of the 19th Annual Wireless and Optical Communications Conference, Shanghai, 14–15 May 2010 [6] KR Chowdhury, MD Felice, “SEARCH: A Routing Protocol for Mobile Cognitive Radio Ad-hoc Networks”, Comput Comm 32, pp.1983-1997, 2009 [7] K R Chowdhury and I F Akyildiz, “CRP: A Routing Protocol for Cognitive Radio Ad-hoc Networks”, IEEE, vol 29, no 4, pp 794-804, 2011 [8] Marco Di Felice, Kaushik Roy Chowdhury, Wooseong Kim, Andreas Kassler, Luciano Bononi, “End-to-end protocols for Cognitive Radio Ad Hoc Networks: An Evaluation Study”, Performance Evaluation 68, pp 859–875, 2011 [9] S Mittal, P Kaur, “Performance Comparison of AODV, DSR and ZRP Routing Protocols in MANETs”, inProceedings of the International Conference on Advances in Computing, Control, and Telecommunication Technologies, Trivandrum, pp 28-29, December 2009 PERFORMANCE EVALUATION OF POPULAR ROUTING PROTOCOLS FOR COGNITIVE RADIO AD HOC NETWORKS Abtracst: Cognitive radio ad hoc networks play an important role in wireless communications as they can use the existing wireless spectrum efficiently Cognitive radio ad hoc networks possess all capabilities of the traditional wireless ad hoc networks, and are equipped with intrinsic capabilities such as the sensing ability to detect the time and location varying spectrum availability, and the cooperative working ability among cognitive users to minimize the bad effects to primary users However, the low achievable performance of the networks may prevent them from being widely deployed There are many works considering this issue As a consequence, some routing protocols for cognitive radio ad hoc networks have been established In this paper, we study some popular routing protocols proposed for cognitive radio ad hoc networks We give the simulation results and analyses on the performance of these routing protocols in a comparable manner It is our main contribution in this work Keywords: CRAHN, AODV, DSR 64 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ... khảo sát số giao thức định tuyến môi trường mạng vô tuyến thông minh tùy biến Các giao thức định tuyến theo yêu cầu AODV DSR phù hợp với môi trường mạng di động tùy biến có hiệu suất thấp mạng CRAHN... phân tích vấn đề định tuyến mạng CRAHN Mục thực đánh giá phân tích hiệu suất số giao thức định tuyến Mục phần kết luận Định tuyến mạng CRAHN Mạng CRAHN không chứa sở hạ tầng cố định thực thể trung... cách tùy biến để trao đổi thu nhận thông tin cần thiết kiến trúc mạng diện PU phục vụ cho trình định tuyến Như vậy, giao thức định tuyến phải thoả mãn yêu cầu hai kiểu mạng: mạng vô tuyến thơng minh