NGHIÊN cứu ĐÁNH GIÁ mô PHỎNG GIAO THỨC MAC hợp tác TRONG MẠNG vô TUYẾN AD HOC

Đề tài: “Nghiên cứu đánh giá mô phỏng giao thức MAC hợp tác trong mạng vô tuyến adhoc“ giúp sinh viên hiểu về mạng vô tuyến Ad-hoc, mô hình các ứng dụng và vấn đề liên quan trong mạng Ad-hoc.Đồng thời giúp SV nắm được một số giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC và đánh giá được hiệu năng mạng Ad-hoc thông qua mô phỏng giao thức CoopMac…

1 MỤC LỤC 1 MỤC LỤC .1 DANH MUC HÌNH VẼ .2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5 7 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI .5 8 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 6 9 MỞ ĐẦU .8 10 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ AD-HOC NETWORK .10 12 CHƯƠNG II: TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 19 13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG GIAO THỨC COOPMAC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN ADHOC 43 KẾT LUẬN 54 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO .55 1 DANH MUC HÌNH VẼ HÌNH 1.1: MÔ HÌNH MÔ TẢ KHÁI NIỆM MẠNG AD HOC 11 HÌNH 1.2 ỨNG DỤNG CHO CÁC DỊCH VỤ KHẨN CẤP KHI CÓ THIÊN TAI .12 HÌNH 1.3 ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỘI NGHỊ .13 HÌNH 1.4 ỨNG DỤNG CHO HOME NETWORKING 13 HÌNH 1.5 ỨNG DỤNG CHO MẠNG CÁ NHÂN .14 14 HÌNH 1.6 ỨNG DỤNG CHO MẠNG XE CỘ .14 HÌNH 1.7.MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15 HÌNH 2.1: MÔ HÌNH MẠNG LƯỚI TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 19 HÌNH 2.2: MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA AF TẠI LỚP VẬT LÝ (PHY) 22 HÌNH 2.3: MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA DF TẠI LỚP VẬT LÝ (PHY) 22 HÌNH 2.4: MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA MÃ HÓA HỢP TÁC TẠI LỚP VẬT LÝ (PHY) 23 HÌNH 2.5: QUÁ TRÌNH TRUYỀN CÁC FRAME TRONG MÃ HÓA HỢP TÁC 23 HÌNH 2.6: SƠ ĐỒ MÃ HÓA HỢP TÁC 24 HÌNH 2.7: DCF TRONG IEEE 802.11 MAC 25 HÌNH 2.8: PCF TRONG IEEE 802.11 MAC .25 HÌNH 2.9: HIỆN TƯỢNG TRẠM ẨN 27 HÌNH 2.10: LƯỢC ĐỒ GIAO THỨC CSMA/CA CÓ ACK .27 HÌNH 2.11: HIỆN TƯỢNG TRẠM BỊ LỘ (EXPOSED TERMINAL) 28 HÌNH 2.12: CSMA/CA SỬ DỤNG RTS/CTS VÀ ACK .28 HÌNH 2.13: SƠ ĐỒ TRUYỀN CÁC BẢN TIN COOPMAC .30 2 HÌNH 2.14: MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ĐƠN GIẢN .31 HÌNH 2.15: CHẾ ĐỘ RTS/CTS TRONG 802.11 33 HÌNH 2.16: CHẾ ĐỘ TRUYỀN CÁC BẢN TIN TRONG COOPMAC .33 HÌNH 2.17: ĐỊNH DẠNG KHUNG COOPRTS .34 HÌNH 2.18: ĐỊNH DẠNG MAC HEADER TRONG 802.11 34 HÌNH 2.19: ĐỊNH DẠNG FRAME CONTROL TRONG 802.11 34 HÌNH 2.20: LUỒNG THÔNG TIN TRAO ĐỔI KHUNG ĐIỀU KHIỂN TRONG COOPMAC. 35 HÌNH2.21: THIẾT LẬP NAV TRONG COOPMAC CÓ HELPER .36 HÌNH 2.22: THIẾT LẬP NAV TRONG COOPMAC KHÔNG CÓ HELPER 36 HÌNH 2.23: LUỒNG THÔNG TIN TRAO ĐỔI KHUNG DỮ LIỆU TRONG COOPMAC .39 HÌNH 2.24: PHƯƠNG PHÁP PHÂN VÙNG KHU VỰC 39 HÌNH 2.25: MÔ HÌNH HỢP TÁC XUYÊN LỚP 41 HÌNH 3.1: QÚA TRÌNH GỬI BẢN TIN REQ .44 HÌNH 3.2: QÚA TRÌNH GỬI BẢN TIN REPLY .45 HÌNH 3.3: QÚA TRÌNH GỬI BẢN TIN ACK 46 HÌNH 3.4: QÚA TRÌNH GỬI KẾT NỐI VÀ GỬI GÓI TIN .47 HÌNH 3.5: QÚA TRÌNH GỬI BẢN TIN ACK 48 HÌNH 3.6. KẾT QUẢ CHẠY LẦN 1 HÌNH 3.7. KẾT QUẢ CHẠY LẦN 2 49 SAU MỖI LẦN MÔ PHỎNG TA THẤY RẰNG SỰ LỰA CHỌN CÁC NÚT TRUNG GÍAN ĐỂ HỢP TÁC TRUYỀN DỮ LIỆU LÀ KHÁC NHAU. SỰ LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP TRUNG GIAN ĐƯỢC TRÌNH BÀY Ở MỤC 2.1. SAU ĐÂY LÀ CÁC KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG: 49 3 4 Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AF Amplify-and-Forward Khuếch đại-và- chuyển tiếp ACK Acknowledgment Báo nhận BS Basic station Trạm cơ sở BSS Basic service sets Bộ dịch vụ cơ sở BER Bit error rate Tốc độ lỗi bit CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance Đa truy nhập cảm nhận sóng mang phòng tránh xung đột CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access Collision Detect Đa truy nhập cảm nhận song mang phát hiện xung đột CTS Clear -To-Send Chấp nhận yêu cầu gửi tin CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra dự phòng CC Coded cooperation Mã hóa hợp tác CoopMAC Cooperative Media Access Control Giao thức MAC hợp tác DCF Distributed Coordination Function Chức năng điều phối phân tán DF Decode-and-Forward Giải mã-và-chuyển tiếp DSSS Direct-sequence spread spectrum Trải phổ nhảy tần DIFS Distributed Inter-Frame Space Khoảng trống liên khung DCF IBSS Independent Basic Service sets Tập dịch vụ cơ sở không phụ thuộc IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử IFS Interframe Space Khoảng trống liên khung PIFS PCF InterFrame Space Khoảng trống liên khung PCF PHY Physical layer Lớp vật lý PCF Point Coordination Function Chức năng điều phối tập trung HTS Helper-ready to send Sẵn sàng trợ giúp ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu FHSS Frequency-hopping spread spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp LAN Local Area Network Mạng nội hạt WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội hạt WAN Wide Area Network Mạng diện rộng GSM Global System For Mobile Communications Hệ thống truyền thông di động toàn cầu GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói vô tuyến tổng hợp MAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi trường MIMO Multiple Input – Multiple Output Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra MS Mobile Station Trạm di động DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2 3 4 5 6 7 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG GIAO THỨC MAC HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD-HOC. 2. Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu các kỹ thuật truyền thông hợp tác ứng dụng trong thông tin vô tuyến và định hướng phát triển tương lai. Trong đó đề tài tập trung vào cơ chế hợp tác tại lớp MAC và sử dụng công cụ mô phỏng Omnet++ để xây dựng mạng vô tuyến hợp tác thực nghiệm. Trên cơ sở đó đưa ra kết quả so sánh, đánh giá về phẩm chất theo tham số thông lượng và độ trễ trung bình. 3. Tính mới và sáng tạo: Đề tài thực hiện nghiên cứu giao thức mới-giao thức hợp tác lớp MAC (viết tắt là CoopMac) trong mạng vô tuyến adhoc, qua đó đánh giá phẩm chất của mạng về độ trễ và thông lượng của mạng. 4. Kết quả nghiên cứu: - Chương trình mô phỏng máy tính đánh giá phẩm chất giao thức hợp tác lớp MAC - Báo cáo tổng kết 5. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Đề tài nghiên cứu đánh giá mô phỏng giao thức MAC hợp tác trong trông tin vô tuyến adhoc là một trong những giải pháp được đánh giá là hiệu quả và có triển vọng cho sự phát triển các mạng tương lai đảm bảo cho yêu cầu về thông lượng và độ trễ dịch vụ.Nghiên cứu hoạt động của mạng vô tuyến dựa trên giao thức mới và xây dựng mô hình mạng thực nghiệm là công việc cần thiết để hình thành cơ sở, công cụ đào tạo sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật điện tử - Truyền thông. Thông qua việc thực hiện đề tài, sinh viên sẽ được trang bị các kỹ năng tổng hợp về phân tích, thiết kế một hệ thống 5 mạng thông tin vô tuyến, tạo cơ hội nghề nghiệp và khả năng phát triển lĩnh vực chuyên môn sâu.Đề tài cũng giúp định hướng xây dựng các giao thức ứng dụng khi triển khai áp dụng mạng ad hoc có hiệu quả và tiết kiệm năng lượng nguồn phát. UNIVERSITY OF INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY FACULTY: THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom - Hapiness 8 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: - Project title: Simulation review MAC protocol of cooperation in ad-hoc wireless networks 2. Objective(s): Studying the cooperative communication techniques to applications in radio communications and future-oriented development.In which topics to focus on cooperation mechanisms at the MAC layer and use simulation tools Omnet + + to build a wireless network to cooperate experiments .On that basis, we compare the results and evaluate the quality and quantity according to the parameter average latency. 3. New and creative contents: Conducting research topics new protocol - layer cooperative MAC protocol (abbreviated as CoopMac) in ad hoc wireless networks, thereby assessing the quality of network latency and throughput of the network. 4. Research results: Computer simulation program quality assessment MAC layer protocol of cooperation Final report 5. Significant contributions to socio-economy, education and training, security, defense and the applicability: 6 The study MAC cooperation protocol in radio network is one of the solutions is evaluated as effective and promising for the future development of the network to ensure the required throughput and latency services. The study operation of wireless networks based on new protocols and network building models of experimental work is needed to form the basis, training tools students in Electrical Engineering Technology - Communications.Through the implementation of the subject, students will be equipped with the integrated skills of analysis, design a network system of radio communication, career opportunities and the ability to develop expertise in the field. 7 9 MỞ ĐẦU 1. SƠ QUA TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Mạng vô tuyến ngay nay đang được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực bởi tính di động và linh hoạt. Trong một số năm gần đây đã có khá nhiều giải pháp mới cho lĩnh vực này như: mạng WiFi, mạng di động 3G, WiMAX, LTE và trong tương lai là mạng 4G. Giải pháp truyền thông hợp tác sẽ là một trong những kỹ thuật then chốt đóng góp cho sự cải thiện, nâng cao phẩm chất mạng vô tuyến nói chung và tạo ra các khả năng ứng dụng trong các mạng vô tuyến hiện đại như: Mạng cảm biến (WSN), mạng WiMAX, LTE và mạng 4G. Hiện nay ở Việt Nam có một số ít người đang bắt đầu nghiên cứu về lĩnh vực này tuy nhiên chưa có kết quả mới. Trong khi trên thể giới đã có một số tác giả đưa ra được mô hình thực nghiệm. Vì vậy, hiểu rõ vấn đề công nghệ để đi trước đón đầu, làm chủ các giải pháp kỹ thuật là yêu cầu quan trong cho Kỹ sư Công nghệ điện tử - Truyền thông. 2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. Truyền thông giữa các node mạng luôn cần thiết có một cơ chế hoạt động hiệu quả.Đặc biệt để đáp ứng được khả năng cung cấp cho nhiều loại hình dịch vụ đa dạng,yêu cầu thiết kế giao thức cần phải được tính toán cẩn thận.Giao thức MAC hợp tác là một trong những giải pháp được đánh giá là hiệu quả và có triển vọng cho sự phát triển của các mạng tương lai, đảm bảo cho yêu cầu về thông lượng và độ trễ dịch vụ.Việc nghiên cứu hoạt động của mạng hợp tác dựa trên giao thức mới và xây dựng mô hình mạng thực nghiệm là công việc cần thiết để hình thành cơ sở, công cụ đào tạo sinh viên nghành công nghệ kĩ thuật điện tử-truyền thông.Thông qua việc thực hiện đề tài, sinh viên sẽ được trang bị các kĩ năng tổng hợp về phân tích, thiết kế một hệ thống mạng thông tin vô tuyến, tạo cơ hội nghề nghiệp và khả năng phát triển lĩnh vực chuyên môn chuyên sâu. 3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Phát triển tri thức khoa học: Hiện nay, lĩnh vực viễn thông đang được toàn thế giới nghiên cứu chủ yếu là các vấn đề về chuyển tiếp và hợp tác , điều này chứng tỏ lĩnh vực này thực sự cần thiết đáp ứng nhu cầu về giao tiếp cũng như giám sát của con người.Với những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của đề tài, các nhà quy hoạch mạng, các nhà quản lý, các nhà sản xuất thiết bị viễn 8 thông có thể tham khảo và ứng dụng vào thực tế. Và kết quả thu được đây chính là cơ sở, nền tảng, cũng là động lực để phát triển nền tri thức khoa học tiên tiến hơn, hiện đại hơn. - Tiếp cận giải pháp kỹ thuật mới, có khả năng ứng dụng vào thực tiễn trong tương lai gần. Giải pháp kĩ thuật mới nghiên cứu trong đề tài này chính là nghiên cứu giao thức MAC hợp tác nhằm cải thiện hiệu suất mạng ad-hoc, nâng cao tốc độ truyền dẫn, giảm ảnh hưởng của nhiễu và trễ truyền 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Phương pháp: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên máy tính - Phạm vi nghiên cứu: Phân tích hoạt động của giao thức hợp tác lớp MAC, sử dụng công cụ Omnet++ để mô phỏng đánh giá phẩm chất của giao thức hợp tác lớp MAC so với giao thức MAC truyền thống trong mạng Ad-hoc. 9 10 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ AD-HOC NETWORK 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG Trong những thập kỉ vừa qua, hệ thống thông tin đã từng bước tăng trưởng vượt bậc, đặc biệt là lĩnh vực không dây và di động ngày càng phát triển và phổ biến rộng rãi. Mọi người có thể dùng điện thoại di động để truy cập internet và kiểm tra thư điện tử .Việc truy cập internet băng rộng với sự trợ giúp của hệ thống mạng LAN không dây trong nhà cho phép sự chia sẻ truy cập giữa các máy tính. Tuy nhiên, các tiến bộ này đòi hỏi một cơ sở hạ tầng mạng cố định với sự quản lí tập trung gây lãng phí trong lắp đặt và duy trì hệ thống mạng. Hơn nữa các thiết bị di động như: laptop, máy tính bảng, điện thoại di động thông minh .được hỗ trợ bởi giao tiếp không dây sóng ngắn cần phải có một phương thức trao đổi thông tin tiện lợi hơn.Trên cơ sở đó một phương thức truyền tin di động mới ra đời, trong đó các thiết bị di động kết nối trực tiếp với nhau hình thành nên một mạng không dây tự quản trị và tự tổ chức, gọi là mạng vô tuyến adhoc. Vì có những ưu thế vượt trội và những thách thức cần giải quyết, ngày nay mạng adhoc đã và đang được nghiên cứu triển khai thành công ở một số nước mà phổ biến là ở Mĩ.Và mạng adhoc có xu hướng ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới bởi sự hữu ích của nó mà những hệ thống mạng phổ biến trước đây chưa đáp ứng được như: khắc phục thảm họa thiên nhiên, quốc phòng, y tế .Để hiểu rõ hơn về mạng adhoc ta tiếp tục tìm hiểu các phần tiếp theo. 1.2. KHÁI NIỆM Mạng ad-hoc vô tuyến là kiểu mạng không có cơ sở hạ tầng nền tảng, được triển khai cho các mục đích sử dụng tạm thời cần thiết lập nhanh chóng, thuận tiện như để tìm kiếm và cứu hộ, phục vụ liên lạc cho các thành viên trong một cuộc họp. Mạng adhoc không cần các cơ sở hạ tầng như tổng đài, trạm thu phát gốc hay bất kì một trung tâm điều khiển nào.Tất cả các nút di động trong mạng được liên kêt động với nhau một cách tùy ý, không có bất kì sự điều khiển nào từ bên ngoài.Tất cả các nút này đêu có thể hoạt động như một bộ định tuyến nhờ khả năng tìm và duy trì tuyến tới các nút khác trong mạng. 10 . TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG GIAO THỨC MAC HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD-HOC. 2. Mục. giao thức hợp tác lớp MAC, sử dụng công cụ Omnet++ để mô phỏng đánh giá phẩm chất của giao thức hợp tác lớp MAC so với giao thức MAC truyền thống trong mạng