Chương 1: Tổng quan về mạng không dây adhoc. Nội dung chương này hệ thống hóa lại những kiến thức cơ sở, trong đó tập trung phân tích các yếu tố liên quan đến hiệu năng mạng adhoc, các hướng tiếp cận chủ đạo trong việc giải bài toán nâng cao hiệu năng mạng. Phân tích, đánh giá những nghiên cứu trong nước và ngoài nước đã đạt được, từ đó xác định những vấn đề còn tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu. 7 Chương 2: Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng các tham số trong IEEE 802.11 EDCA tới hiệu năng mạng adhoc.
Nội dung chương thực hiện khảo sát cơ chế điều khiển truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA thông qua việc phân tích các tham số truy nhập môi trường truyền trong IEEE 802.11 EDCA nhằm đánh giá tác động, ảnh hưởng đến chất lượng các luồng ưu tiên cao và luồng ưu tiên thấp. Đây là cơ sở để đưa ra các đề xuất mới với mục tiêu nâng cao hiệu năng, tăng chất lượng cho các luồng dữ liệu thực thi trên các ứng dụng đòi hỏi khắt khe về các tiêu chí đảm bảo chất lượng QoS. Chương 3: Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong IEEE 802. Nội dung của chương trình bày một phương pháp mới, thông qua việc điều chỉnh tham số TXOP theo cơ chế động trong IEEE 802.
Mục tiêu của đề xuất nhằm nâng cao độ công bằng và đảm bảo thông lượng cho các luồng dữ liệu phù hợp với độ ưu tiên của từng loại dữ liệu trong môi trường mạng adhoc. Chương 4: Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh một số tham số trong IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu. Nội dung chương trình bày một phương pháp tiếp cận mới cho việc điều khiển các tham số trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA theo hướng ứng dụng trí tuệ nhân tạo. Giải pháp sử dụng Fuzzy logic để điều chỉnh thông minh tham số TXOP, CW trong IEEE 802.11 EDCA áp dụng trên môi trường mạng adhoc theo độ ưu tiên của từng loại dữ liệu.
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY ADHOC Trong chương này, luận án hệ thống hóa lại những kiến thức cơ sở liên quan đến mạng không dây adhoc, trong đó tập trung phân tích các đặc tính, cấu trúc, ứng dụng, công nghệ truyền thông của mạng adhoc. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng mạng, các hướng tiếp cận chủ đạo trong việc giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng mạng adhoc, đồng thời đánh giá những kết quả nghiên cứu trong nước và ngoài nước đã đạt được trong những năm gần đây, từ đó xác định các vấn đề còn tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu. Phần cuối chương trình bày hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu của luận án, xác định mục tiêu cùng các nội dung thực hiện. Giới thiệu mạng adhoc 1.
Định nghĩa mạng adhoc Thuật ngữ mạng adhoc ra đời từ những năm 1972, tại thời điểm đó thường gọi với tên Packet Radio Networking (PRNET) được phát triển trong một dự án của Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) [16]. Đến những năm đầu thập kỷ 1990, khái niệm adhoc mới thực sự phổ biến và được đề cập trong các thiết bị dùng kết nối thông dụng như notebook, computers. Mạng không dây adhoc hiện có nhiều định nghĩa, mỗi định nghĩa có cách diễn đạt khác nhau nhưng đều thể hiện đặc tính cơ bản của mạng adhoc là tính độc lập và tự kết nối. Dưới đây trích dẫn hai định nghĩa về mạng adhoc [17].
Định nghĩa 1: Mạng adhoc network là mạng không dây trong đó mỗi trạm có thể liên lạc trực tiếp với các trạm khác mà không cần dựa trên điểm truy nhập chung. Các trạm trong mạng adhoc có thể liên lạc trực tiếp nếu chúng 9 cung nằm trong một vùng phủ sóng của nhau. Định nghĩa 2: Mạng adhoc là mạng tự cấu hình của các nút di động kết nối với nhau thông qua các liên kết không dây tạo nên mạng độc lập không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng. Các thiết bị trong mạng có thể di chuyển một cách tự do theo mọi hướng.1: Mạng adhoc di động Có thể hình dung mạng adhoc như một đồ thị, trong đó các nút mạng được biểu diễn bởi các đỉnh của đồ thị.
Mỗi nút mạng có thể là thiết bị, máy tính riêng lẻ tham gia vào mạng. Hai nút được kết nối với nhau bởi liên kết nếu như chúng nằm trong phạm vi hoạt động (vùng phủ sóng / cự li truyền) của nhau. Mạng adhoc có hai mô hình cơ bản là đơn chặng và đa chặng. Mô hình đơn chặng Hình 1.2 là khoảng cách giữa hai nút mạng S1 và R nằm trong vùng truyền sóng của nhau.2: Mô hình đơn chặng Mô hình đa chặng Hình 1.3 là khoảng cách truyền sóng giữa hai nút vượt ra 10 khỏi vùng truyền sóng của nhau.
Nút S2 muốn truyền dữ liệu qua nút R phải đi qua nút S1. Trong mạng không dây quy định khoảng truyền là khoảng cách trạm nhận có thể nhận và giải mã đúng tín hiệu của trạm gửi.3: Mô hình đa chặng Khu vực ngoài khoảng truyền, tín hiệu từ trạm gửi bị suy hao không thể giải mã đúng, những vẫn có thể cảm nhận được sự tồn tại của trạm gửi. Kiến trúc mạng adhoc Mạng không dây adhoc được thiết kế phức tạp hơn so với các trạm trong mạng không dây có cơ sở hạ tầng bởi mọi trạm đều phải cài đặt các kỹ thuật truy cập đường truyền và thực hiện được chức năng của một bộ định tuyến.4: Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802.11 11 Hiện có nhiều chuẩn giao tiếp không dây ra đời để đáp ứng nhu cầu truyền thông, trong đó chuẩn IEEE 802.11 được sử dụng phổ biến trong mạng adhoc. Trong kiến trúc giao thức, nếu tham chiếu với mô hình OSI (Open Systems Interconnection), chuẩn IEEE 802.11 đặc tả tương ứng trên hai tầng thấp như Hình 1.4, trong đó tầng liên kết gồm hai tầng con.
(1) MAC (Medium Access Control): Chịu trách nhiệm tạo khuôn dạng gói số liệu theo cấu trúc quy định. Điều khiển việc truy nhập vào kênh truyền chung một cách bình đẳng đồng thời phát hiện và giải quyết xung đột. (2) LLC (Logical Link Control): Chịu trách nhiệm thực hiện các biện pháp điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn, đồng thời phát hiện lỗi và sửa lỗi. Nhiệm vụ chung của lớp con LLC là đảm bảo chuyển tiếp số liệu chính xác giữa các thực thể cuối của giao thức trao đổi số liệu và hỗ trợ ứng dụng ở các mức chức năng cao hơn trong LAN.
Ngoài ra, tầng LLC còn sử dụng các dịch vụ của tầng MAC để cung cấp dịch vụ vận chuyển giống nhau cho tầng network bên trên. Trong mạng adhoc, mỗi node mạng đóng vai trò là trạm trung chuyển Hình 1.5: Kiến trúc logic của một IBSS [18] của các node khác.5 mô tả một tập dịch vụ độc lập IBSS (Independent Basic Service Set) điển hình của mạng adhoc, gồm các nút không dây ngang hàng với nhau, chúng truyền thông trực tiếp với nhau không thông qua bất cứ điểm truy cập nào khác. Các nút phải ở trong vùng phủ sóng của nhau để có 12 thể truyền thông. Tầng MAC của mạng adhoc hỗ trợ hai phương thức truy nhập môi trường truyền là phương thức cộng tác điểm DCF (Distributed Coordination Function) và phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) tại Hình 1.
Trong đó chức năng tránh xung đột CA được thực hiện bằng cách mỗi trạm chờ một khoảng thời gian được tính ngẫu nhiên (random back off time) khi phát hiện xung đột, ngược lại nếu cảm nhận môi trường rỗi trạm sẽ thực hiện truyền tin. Hai phương thức này đều dựa vào giao thức truy cập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance). Trong đó phương thức DCF chỉ cung Hình 1.6: Phương thức truy nhập kênh trong mạng adhoc cấp được dịch vụ kiểu Best-effort, không có cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Phương thức EDCA là một phiên bản nâng cao của DCF cho phép xử lý dữ liệu dựa trên dịch vụ có phân biệt nhằm hỗ trợ QoS.
Công nghệ truyền thông Chuẩn IEEE 802.11 đã được phê chuẩn để trở thành chuẩn thực tế của mạng không dây [19]. Tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) thành lập các nhóm WGs chuyên trách chịu trách nhiệm công bố và mô tả các thông số kỹ thuật đặc trưng cho từng tiêu chuẩn khác nhau của hai tầng thấp là tầng liên kết dữ liệu (data link layer) và tầng vật lý (physical layer) theo mô 13 hình 7 tầng OSI. Bảng dưới đây tổng hợp đặc điểm một số chuẩn IEEE 802.11 được sử dụng phổ biến cho mạng adhoc.1: Đặc tính kỹ thuật cơ bản của một số chuẩn giao tiếp không dây Công nghệ Tốc độ Tần số Phạm vi Kỹ thuật điều chế IEEE 802.4 GHz 124 m DBPSK, DQPSK, CCK/ DSSS IEEE 802.4 GHz 140 m DBPSK,DQPSK,16- QAM,64- QAM/OFDM IEEE 802.11a 54 Mbit/s 5 GHz 120 m BPSK,QPSK,16- QAM,64-QAM / OFDM IEEE 802.4 GHz 250 m 64-QAM/OFDM IEEE 802.73 Gbit/s 5 GHz 140 m BPSK,QPSK,16- QAM, 64-QAM,256- QAM/OFDM (1). Tầng Vật lý (Physical Layer): Chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ ba công nghệ khác nhau cho tầng vật lý.1 chỉ ra các loại công nghệ đang được sử dụng cho mạng WLAN [19].
Trong đó chuẩn IEEE 802.11b [20] hoạt động ở băng tần 2.4 GHz, cho phép truyền dữ liệu lên tới 11 Mbps, sử dụng công nghệ hồng ngoại (infrared IR) theo phương pháp trải phổ tuần tự trực tiếp DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) và nhảy tần FH (Frequency Hopping). Hai chuẩn IEEE 802.11g [22] sử dụng công nghệ sóng radio.11a hoạt động ở băng tần 5 GHz và cho phép truyền với tốc độ lên tới 54Mbps sử dụng phương pháp phân chia kênh theo tần số trực giao OFDM.11g mở rộng tốc độ truyền từ chuẩn IEEE 802.11b lên tới 54 Mbps. DCF là phương thức truy nhập cơ bản được sử dụng trong mạng adhoc. Chế độ adhoc về cơ bản không cần điểm truy nhập chung, trong 14 chế độ này các nút mạng tự động kết nối và thiết lập theo cách tùy ý.
Toàn bộ các nút mạng hoạt động như bộ định tuyến và tham gia vào việc duy trì đường đi tới các nút khác. Giao thức định tuyến thường được sử dụng là định tuyến theo yêu cầu (on-demand routing protocol) như DSR [9], [23], AODV [10], hoặc OLSR [24], [11]. Ngược lại, chức năng cộng tác điểm (PCF) là cơ chế truy nhập tập trung, đòi hỏi có một một trạm cơ sở làm điểm tập trung và được sử dụng trong mạng dựa trên hạ tầng cơ sở (infrastructure).