Sử dụng năng lƣợng truyền ở mức cao nhất cho các gói tin RTS và CTS Sử dụng năng lƣợng truyền ở mức độ tối thiểu cần thiết có thể giao tiếp đƣợc cho các gói tin DATA và ACK.
2.2.2 Cơ chế hoa ̣t đô ̣ng của giao thức điều khiển công suất cơ sở
Giả sử rằng nút A muốn gửi một gói tin đến nút B. Node A truyền RTS ở mức năng lƣợng Pmax. Khi B nhận đƣợc RTS từ A với mức tín hiệu Pr, B có thể tính toán mức công suất truyền tải cần thiết tối thiểu Pdesired cho các gói dữ liệu dựa trên mức công suất nhận đƣợc Pr, mức công suất truyền tải Pmax và mức độ nhiễu ở nút nhận B. Xác định Pdesired có tính đến độ nhiễu hiện tại nút B. Node B sau đó quy định cụ thể Pdesired trong CTS tới nút A.
Sau khi nhận đƣợc CTS, nút A gửi dữ liệu sử dụng mức năng lƣợng Pdesired.
Trong đó: Rxthresh là cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc tối thiểu và c là một hằng số
2.2.3 Hạn chế của giao thức điều khiển công suất cơ sở
Trong giao thƣ́c điều khiển công suất cơ sở , RTS và CTS đƣợc gửi bằng cách sử dụng công suất Pmax, dữ liệu và các gói tin ACK đƣợc gửi bằng cách sử dụng năng lƣợng cần thiết tối thiểu để đạt đến đích (Pdesired). Khi các nút hàng xóm nhận đƣợc RTS hoặc CTS chúng đ ặt NAVs của mình trong suốt thời gian truyền DATA-ACK.
Ví dụ trong hình 2.8, giả sử nút D muốn truyền một gói tin đến nút E. Khi D và E truyền RTS và CTS tƣơng ứng, B và C nhận đƣợc RTS, và F và G nhận đƣợc CTS vì vậy các nút sẽ trì hoãn viê ̣c truyền của mình trong su ốt thời gian truyền D-E. Nút A nằm trong vùng cảm nhận sóng mang của D (khi D phát ở Pmax); Do đó nút A sẽ chỉ cảm nhận đƣợc tín hiệu và không thể giải mã các gói tin một cách chính xác. Nút A sẽ thiết lập NAV của nó cho thời gian EIFS khi nó cảm nhận đƣợc truyền RTS từ D. Tƣơng tự nhƣ vậy, nút H sẽ thiết lập NAV của nó cho thời gian EIFS sau CTS truyền từ E.
Khi điều khiển công suất truyền không đƣợc sử dụng, các vùng cảm nhận sóng mang là nhƣ nhau cho RTS-CTS và DATA-ACK do tất cả các gói đƣợc gửi bằng cách sử dụng mức năng lƣợng tƣơng tự nhau. Tuy nhiên, trong giao thƣ́c cơ sở , khi một cặp nguồn và đích quyết định giảm công suất truyền cho DATA-ACK, phạm vi truyền cho DATA-ACK là nhỏ hơn so với RTS-CTS; Tƣơng tự, vùng cảm nhận sóng mang với DATA-ACK cũng nhỏ hơn so với RTS-CTS. Khi D và E trong Hình 2.8 giảm công suất truyền dẫn của mình cho các gói tin dữ liệu và ACK, cả hai phạm vi truyền dẫn và vùng cảm nhận sóng mang đƣợc giảm. Nút A và H có thể không cảm nhận đƣợc viê ̣c có gói tin đang đƣợc truyền đi, chúng sẽ coi kênh nhàn rỗi. Khi một trong các nút (A hoặc H)
bắt đầu truyền phát ở mức công suất Pmax, viê ̣c truyền này gây ra đụng độ với các gói ACK tại D và gói dữ liệu tại E. Điều này dẫn đến giảm thông lƣợng và tiêu thụ năng lƣợng cao vì phải truyền lại các gói tin bi ̣ đụng độ.
2.3. Đề xuất giao thƣ́c MAC có điều khiển công suất của tác giả Eun-Sun và Vaidya [3]
2.3.1 Ý tƣởng: Giống nhƣ giao thƣ́c điều khiển công suất cơ sở
Sử dụng mức công suất Pmax cho RTS-CTS và công suất truyền dẫn cần thiết tối thiểu cho DATA-ACK.
Để tránh xung đột tiềm năng với các gói tin ACK nút nguồn định kỳ truyền các gói tin dữ liệu ở mức công suất Pmax, thời gian truyền chỉ đủ để các nút trong vùng cảm nhận sóng mang có thể cảm nhận nó.
2.3.2 Mô tả thủ tục đƣợc sử dụng trong giao thƣ́c MAC có điều khiển công suất- PCM (Power Control MAC). công suất- PCM (Power Control MAC).
Nút nguồn và nút đích truyền gói tin RTS và CTS sử dụng Pmax. Các nút trong vùng cảm nhận sóng mang thiết lập NAVs của mình cho thời gian EIFS khi nó cảm nhận đƣợc tín hiệu và không thể giải mã một cách chính xác (tƣơng tự nhƣ biến thể của IEEE 802.11 đƣợc mô tả trƣớc đó).
Nút nguồn có thể truyền dữ liệu bằng cách sử dụng mức năng lƣợng thấp hơn, tƣơng tự nhƣ giao thƣ́c điều khiển công suất cơ sở.
Để tránh đụng độ tiềm năng với gói tin ACK , nút nguồn truyền dữ liệu đi ̣nh kỳ ở mức công suất Pmax (Pmax sƣ̉ du ̣ng đ ịnh kỳ chỉ đủ thời gian để các nút trong vùng cảm nhận sóng mang có thể cảm nhận nó).
Node đích truyền gói tin ACK bằng cách sử dụng công suất tối thiểu cần thiết để các nút nguồn có thể nhận đƣợc đúng, tƣơng tự nhƣ giao thƣ́c điều khiển công suất cơ bản
Hình 2.9 cho thấy cách thức truyền thay đổi mức năng lƣợng trong trình tự truyền RTS-CTS-DATA-ACK. Sau khi bắt tay RTS-CTS sử dụng Pmax, giả sử các nút nguồn và đích quyết định sử dụng mức công suất Pmin cho truyền gói tin dữ liệu và ACK. Sau đó, nút nguồn sẽ truyền dữ liệu với công suất Pmin và định kỳ sử dụng Pmax. Nút đích sử dụng công suất Pmin để truyền gói tin ACK. Nhƣ đã đƣợc mô tả, sự khác biệt chính giữa PCM và giao thƣ́c điều khiển công suất cơ bản là PCM theo định kỳ tăng công suất phát tới Pmax trong việc truyền tải gói dữ liệu. Với thay đổi này, các nút có tiềm năng có thể cản trở việc tiếp nhận ACK ở nút gửi định kỳ sẽ cảm nhận nhƣ kênh bận và trì hoãn việc truyền tải của mình.
Nhận xét
PCM tiết kiệm năng lƣợng
Hạn chế: chƣa giải quyết đƣợc vấn đề nút ẩn phía bên nhận.
2.4 Đề xuất giao thƣ́c MAC có điều khiển công suất của tác giả Dongkyun và Kim C. K. Toh [10]. và Kim C. K. Toh [10].
Giao thức PCM của tác giả Eun-Sun và Vaidya ngăn chặn đƣợc đụng độ phía bên gửi, tuy nhiên giao thức vẫn xảy ra đụng độ ở nút bên nhận. Để giải quyết vấn đề này, đồng tác giả Dongkyun và Kim C.K.Toh đề xuất F-PCM trong đó kết hợp các kỹ thuật phân mảnh đƣợc sử dụng ở lớp MAC IEEE 802.11 giải quyết đƣợc vấn đề nút ẩn ở bên nhận.
Ý tƣởng F-MAC
Gửi RTS và CTS với Pmax.
Mỗi mảnh dữ liệu đƣợc truyền với mức công suất cần thiết có thể đạt đến nút nhận, tuy nhiên trong khi truyền từng phân đoạn, nó sử dụng công suất tối đa trong một thời gian ngắn ở phần đầu của việc truyền tải phân đoạn nhằm mục đích để giảm đụng độ tại nút gửi. Ngoài ra gói tin ACK tƣơng ứng với mỗi mảnh đƣợc truyền với mức công suất tối đa, với mục đích giảm số lần đụng độ tại nút nhận
Hình 2.10. Giao thức đề xuất F-PCM của tác giả Dongkyun và Kim C. K. Toh [10]
Chƣơng 3. CÔNG CỤ MÔ PHỎNG 3.1 Bô ̣ mô phỏng NS2
3.1.1 Giới thiê ̣u NS2
NS2 là phần mềm mô phỏng mạng đƣuo ̣c điều khiển theo các sự kiện riêng rẽ hƣớng đối tƣợng, đƣợc phát triển tại đại học Califonia, Berkely. NS2 viết bằng ngôn ngữ C++ và OTcl. Trong đó, C++ dùng để viết các thành phần cốt lõi , ít cần phải thay đổi , cần hoa ̣t đô ̣ng có tốc đô ̣ ca o, có chức năng xử lí dữ liệu và các thao tác về gói tin. Còn Octl đƣợc sử dụng để định dạng cấu hình mô phỏng, điều khiển mô phỏng. Mục đích của NS-2 là tạo ra một môi trƣờng giả lập cho việc nghiên cứu, kiểm tra, thiết kế các giao thức, các kiến trúc mới, so sánh các giao thức và tạo ra các mô hình mạng phức tạp. Phiên bản thứ nhất của NS đƣợc phát triển vào năm 1995 và phiên bản thứ hai ra đời năm 1996. NS-2 là phần mềm mã nguồn mở có thể chạy đƣợc trong môi trƣờng Linux và Window.
Hình 3.1 Mô hình tổng quan bộ mô phỏng ns2
Xem (hình 3.1) sƣ̉ du ̣ng NS 2, ngƣời dùng l ập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl. Ngƣời dùng có thể thêm các mã nguồn Otcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối tƣợng mới trong Otcl. Những lớp này khi đó sẽ đƣợc biên dịch cùng với mã nguồn gốc. Kịch bản OTcl có thể thực hiện những việc sau:
+ Khởi tạo Bộ lập lịch sự kiện
+ Thiết lập tô-pô mạng dùng các đối tƣợng Thành phần mạng
+ Báo cho nguồn traffic khi nào bắt đầu truyền và ngƣng truyền packet trong Bộ lập lịch sự kiện
Bộ lập lịch sự kiện trong NS2 thực hiện những việc sau:
+ Tổ chức bộ định thời mô phỏng
+ Huỷ các sự kiện trong hàng đợi sự kiện
Phụ thuộc vào mục đích của ngƣời sƣ̉ du ̣ng đối với kịch bản mô phỏng OTcl mà kết quả mô phỏng có thể đƣợc lƣu trữ vào các tệp vết sự kiện (trace file).
+ Tê ̣p vết cho nam ( file.nam) đƣợc dùng cho công cụ minh hoạ mạng bằng đồ ho ̣a Nam
+ Tê ̣p vết da ̣ng file.tr đƣợc dùng cho ngƣời nghiên cƣ́u tƣ̣ phân tích và kết xuất theo các yêu cầu của mình
3.1.2 Mô hình kiến trúc NS2
Hình 3.2 Kiến trúc NS2
Hình 3.2 cho thấy kiến trúc tổng quát của bô ̣ mô phỏng NS2. Trong hình này, một ngƣời dùng thông thƣờng đứng ở vị trí góc dƣới bên trái, thiết kế và chạy các mô phỏng đƣợc viết bằng Tcl.
Tcl dùng các đối tƣợng mô phỏng trong Otcl . Các đối tƣợng b ộ lập lịch các sự kiện và các đối tƣợng thành ph ần ma ̣ng thƣ̣c thi bằng C ++ và sẵn có cho Otcl qua mô ̣t liên kết Otcl . Liên kết OTcl đƣợc thƣ̣c thi sử dụng tclcl. Tất cả đã làm nên NS2, bô ̣ biên di ̣ch TCL mở rô ̣ng hƣớng đối tƣợng và các thƣ viê ̣n mô phỏng mạng
3.1.3 Đặc điểm chính Ns2
- Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại. - Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trƣớc khi đƣa vào sử dụng. - Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần nhƣ ta không thể thực thi đƣợc trong khi cần nghiên cƣ́u.
- Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau bao gồm ma ̣ng có dây , mạng không dây, và mạng hỗn hợp cả có dây và không dây.
- Khả năng hiển thị hóa: Thông qua công cụ hiển thị NAM, ngƣời nghiên cứu có thể quan sát trực quan hoạt động của các nút mạng, lƣu lƣợng, tỷ lệ lỗi để từ đó dễ dàng hiểu đƣợc các hành vi phức tạp của đồ hình mạng mô phỏng.
3.1.4 Khả năng mô phỏng mạng của NS2
Đối với mạng có dây:
- Các đƣờng truyền điểm - điểm đơn công, song công, mạng cục bộ LAN. - Các chính sách phục vụ hàng đợi.
- Các mô hình sinh lỗi.
- Vấn đề định tuyến Unicast/Multicast (Unicast/Multicast routing).
- Các giao thức tầng Giao vận: TCP/Tahoe/Reno/New-Reno/Sack/Vegas, UDP, điều khiển lƣu lƣợng và điều khiển tắc nghẽn.
- Các giao thức tầng Ứng dụng:FTP, HTTP, Web caching,
- Các giao thức tầng MAC nhƣ: MAC 802.3, MAC 802.11,MAC 802.15.
Đối với mạng không dây: - Kênh truyền.
- Sự di chuyển của các nút mạng trong không gian hai chiều. - Mạng LAN không dây (WLAN) 802.11.
- Mobile IP.
- Các thuật toán định tuyến trong mạng không dây đặc biệt (Ad Hoc networks): DSDV, DSR, AODV, TORA...
- Liên mạng sử dụng vệ tinh (Satellite Networking).
Trong lĩnh vực mạng hỗn hợp có dây và không dây:
- Trạm cơ sở (Base station) đóng vai trò gateway giữa mạng có dây và mạng không dây.
- Snoop TCP.
3.1.5 Mô hình truyền sóng vô tuyến trong mạng di động không dây
Mô hình truyền vô tuyến đƣợc triển khai trong NS đƣợc sử dụng để cho biết công suất tín hiệu nhận đƣợc của mỗi gói tin. Tại lớp vật lý của mỗi nút mạng không dây , có một ngƣỡng tiếp nhận . Khi một gói tin đƣợc nhận, nếu công suất tín hiệu của nó nhỏ hơn ngƣỡng nhận thì gói tin đó sẽ bị đánh dấu là lỗi và bị hủy bỏ tại tầng MAC.
Hiện nay, NS hỗ trợ 3 mô hình truyền vô tuyến, đó là mô hình Free Space, mô hình Two-Ray Ground Reflection và mô hình the Shadowing. Các mô hình này đƣợc triển khai trong NS thông qua các file: ~ns/propagation.{cc,h}, ~ns/tworayground.{cc,h} và ~ns/shadowing.{cc,h}.
3.1.5.1 Mô hình FreeSpace [7, tr.189]
Đây là mô hình lan truyền trong không gian tƣ̣ do với các điều kiện lan truyền lý tƣởng mà chỉ có duy nhất mô ̣t đƣờng giƣ̃a thiết bi ̣ phát và thiết bi ̣ thu. Công thƣ́c (3.1) sẽ tính công suất tín hiệu nhận đƣợc với khoảng cách d từ thiết bi ̣ phát là:
L d ) ( λ G G P = (d) P t t r r 2 2 2 4π Trong đó
Thông thƣờng trong các mô phỏng thì Gr, Gt và L đƣợc gán giá trị bằng 1. Mô hình không gian tự do cơ bản tƣợng trƣng cho phạm vi truyền nhƣ một vòng tròn xung quanh máy phát. Nếu máy nhận là trong vòng tròn này nó sẽ nhận đƣợc tất cả các gói. Nếu không, nó sẽ mất tất cả các gói.
Câu lệnh khai báo mô hình truyền vô tuyến Free Space đƣợc thực hiện:
$ns_ node-config -propType Propagation/FreeSpace set prop [new Propagation/FreeSpace]
$ns_ node-config -propInstance $prop
3.1.5.2 Mô hình hai tia mặt đất (Two Ray Ground) [7, tr.190]
Mô hình mô ̣t con đƣờng giƣ̃a 2 nút di đô ̣ng (mô hình freeSpace) là rất hiếm khi xảy ra . Mô hình phản xạ hai tia mă ̣t đất xem xét cả đƣờng dẫn trƣ̣c tiếp và đƣờng dẫn phản xạ trên mă ̣t đất. Mô hình này cho phép dƣ̣ đoán chính xác hơn so với mô hình FreeSpace . Công suất thu ở khoảng cách d đƣợc dƣ̣ đoán bởi công thƣ́c sau: d L h h G G P = (d) P t t r t r r 4 2 2
Pr, Pt: là công suất tín hiệu đƣợc nhận, truyền tƣơng ứng
Gr, Gt: năng lực nhận, truyền của ăng tên λ : bƣớc sóng
d: khoảng cách
L: sự tiêu hao của hệ thống (L >=1)
(3.1)
Trong đó
Tƣ̀ công thƣ́c (3.2) mô hình Two Ray Ground không đem lại một kết quả tốt với khoảng cách ngắn tại vì sự dao động đƣợc gây ra bởi việc tạo và phá huỷ kết hợp của hai tia. Vì vậy, mô hình FreeSpace vẫn đƣợc sử dụng khi d nhỏ.
Do vậy, với khoảng cách truyền lớn dc sẽ đƣợc tính toán theo mô hình này. Khi d<dc phƣơng trình (3.1) đƣợc sử dụng, khi d>dc phƣơng trình (3.2) đƣợc sử dụng. Với cùng một khoảng cách hai phƣơng trình này cho kềt quả tƣơng tự nhau. Vì thế dc có thể đƣợc tính toán nhƣ sau:
λ ) h ( = dc 4ππt r / (3.3)
Câu lệnh khai báo mô hình truyền vô tuyến Two-ray Ground Feflection đƣợc thực hiện:
$ns_ node-config -propType Propagation/TwoRayGround set prop [new Propagation/TwoRayGround]
$ns_ node-config -propInstance $prop
3.1.5.3 Mô hình Shadowing [7, tr.189]
Mô hình FreeSpace và mô hình phản xạ Two Ray Ground dự đoán nguồn năng lƣợng nhận nhƣ một chức năng tất định của khoảng cách. Cả hai trình bày dải truyền thông nhƣ một vòng tròn lí tƣởng. Trên thực tế, nguồn năng lƣợng nhận ở một khoảng cách nhất định là một giá trị ngẫu nhiên tại vì nhiều hiệu ứng truyền khác nhau, nó cũng đƣợc biết đến nhƣ hiện tƣợng pha-đing (fading), là hiê ̣n tƣợng biến đổi (giảm) cƣờng độ tín hiệu sóng mang. Trên thực tế, cả hai mô hình trên đều dự đoán giá trị trung bình của nguồn năng lƣợng nhận ở khoảng cách d. Một mô hình tổng quát và thƣờng đƣợc sử dụng hơn là mô hình Shadowing.
Pr, Pt: là công suất tín hiệu đƣợc nhận, truyền tƣơng ứng Gr, Gt: năng lực nhận, truyền của ăng tên
λ : bƣớc sóng d: khoảng cách
L: sự tiêu hao của hệ thống (L >=1)
ht và hr biểu diễn cho chiều cao của các ăng ten truyền và nhận tƣơng ứng
Bảng 3.1. Một vài giá trị đặc biệt của độ mất đƣờng dẫn p
Môi trƣờng p
Ngoài trời Không gian lí tƣởng 2
Các khu vực bị khuất 2.7 tới 5