Giao thức MAC cho kênh thông tin liên lạc không dây dưới nước

Nội dung text: Giao thức MAC cho kênh thông tin liên lạc không dây dưới nước

1. GIAO THỨC MAC CHO KÊNH THÔNG TIN LIÊN LẠC KHÔNG DÂY DƯỚI NƯỚC A MAC PROTOCOL FOR UNDERWATER ACOUSTIC COMMUNICATION CHANNEL Trần Đình Huy Học viên cao học trường ĐHSPKT TPHCM TÓM TẮT Thông tin iên c ng t n hi ng c ng ngh inh ho t v ư c ng nhi nh t trong c c ng ng trong i trường ư i nư c i c ng t n hi ng c th nh hư ng i i n i nhi t , nhiễ ặt, v tr y n ẫn a ường o ph n v t n Hơn nữa, tốc tr y n ẫn chậ ng k của t n hi ng o v i t n hi i n từ v q ang học g y nên trễ tr y n ẫn n Những ặc t nh cho kênh tr y n trong i trường ư i nư c kh c o v i kênh tr y n trên không trung. i c hình h a v a chọn giao th c tr y nhập i trường (MAC) t c ch ch nh c cho kênh tr y n ng t n hi ng t ư c c c kì q an trọng nhằ n ng cao hi năng của h thống th ng tin ư i nư c B i o n y phỏng v nh gi hai giao th c i khi n tr y nhập i trường S otte -Aloha và Slotted-FAMA trên phần OPNET nhằ tì ra giao th c hi q v phù h p hơn khi ng cho kênh th ng tin iên c kh ng y ư i nư c ABSTRACT The communication using acoustic waves is widely used for applications in underwater environment. The use of acoustic signals can be adversely affected by temperature variations, surface noise, and multipath transmission due to reflection and scattering. Moreover, the significant slow propagation speed of the acoustic signal compared to the electromagnetic and optical signal causes a large transmission delay. These characteristics make the channel in the underwater environment different from the air channel. So, modeling and choosing the correct Medium Access Control (MAC) protocol for the underwater acoustic transmission channel is an extremely important step in improving the performance of an underwater communication system. This paper simulates and evaluates two medium access control protocols Slotted-Aloha and Slotted-FAMA on OPNET simulation software to find more efficient and suitable protocol for underwater acoustic communication channel. I. GIỚI THIỆU 1.1. Giới thiệu Mạng thông tin dưới nước sử dụng sóng âm (UWA) có những tính chất khác biệt so với mạng vô tuyến. Những tính chất khác biệt chính của kênh sóng âm dưới nước đó là băng thông thấp và thời gian trễ dài gây ra bởi tốc độ truyền dẫn chậm. Do đó cần giao thức kiểm soát truy nhập môi trường (MAC) để cho phép các nút trong mạng chia sẻ kênh truyền chung. Nhiệm vụ chính của giao thức MAC là ngăn chặn các nút truyền đồng thời có thể dẫn đến xung đột gói. Việc lựa chọn một giao thức MAC 1
2. phù hợp sẽ mang lại hiệu suất cao cho hệ thống và đặc biệt quan trọng đối với các kênh truyền chất lượng thấp và nhiều rủi ro như là kênh sóng âm dưới nước. Đã có nhiều giao thức MAC được đề xuất kể từ sau khi ra đời giao thức đầu tiên Aloha [1]. Cơ chế hoạt động của giao thức Aloha được coi là đơn giản nhất trong các cơ chế đa truy nhập và hoạt động theo nguyên tắc sau: gói tin mới đến một nút sẽ được truyền ngay; khi xảy ra xung đột do có hai nút phát trong cùng một khoảng thời gian gọi là khoảng thời gian t n thương (vulnerable time) thì các gói tin được truyền lại sau một khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên. Một biến thể khác của giao thức Aloha có tên gọi Aloha phân khe (slotted Aloha) [2]. Giao thức này sử dụng cơ chế truyền đồng bộ trên các khe thời gian như trong phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA [3] và các nút chỉ có thể truyền gói tại thời điểm bắt đầu của một khe thời gian. Do khoảng thời gian tổn thương trong trường hợp này chỉ là T thay vì 2T như trong giao thức Aloha nên hiệu năng đỉnh của Aloha phân khe tăng gấp 2 lần. Giao thức đa truy cập cảm nhận sóng mang (CSMA) [4] và các biến thể của nó đã được sử dụng rộng rãi để ngăn chặn xung đột giữa hai hay nhiều trạm phát cùng lúc. Những giao thức này đòi hỏi các trạm phải lắng nghe kênh truyền trước khi bắt đầu truyền để tránh xung đột có thể xảy ra. CSMA rất hiệu quả khi được sử dụng trong mạng kết nối đầy đủ với thời gian trễ giữa phát và nhận nhỏ. Khi thời gian trễ tăng lên, hiệu quả không còn như cũ nữa. Thêm nữa, vấn đề giữa nút ẩn và nút hiện trong mạng ad-hoc cũng xảy ra do mất kết nối giữa các nút ngẫu nhiên. Để giải quyết các vấn đề của CSMA, cần phải thực hiện bắt tay trước khi truyền các gói dữ liệu. Karn đã đề xuất một giao thức mới là MACA (Ngăn ngừa xung đột đa truy nhập) [5]. Khi một nút muốn truyền một gói dữ liệu, nó sẽ gửi một gói yêu cầu RTS (Request To Send) đến nút nhận. Nếu nút nhận đang rỗi, nó sẽ phản hồi lại bằng cách gửi lại gói CTS (Clear To Send). Gói này cũng dùng để báo cho các nút xung quanh rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền đi và đồng thời thông báo cho nút phát có thể bắt đầu gửi dữ liệu. Hình 1 mô tả giao thức bắt tay thành công giữa nút phát và nút nhận. Hình 1: Bắt tay giữa A và B Bharghavan đã đề xuất một biến thể khác từ giao thức chính MACA được gọi là MACAW (MACA không dây) [6]. Đặc trưng chính của giao thức này là thuật toán backoff và kỹ thuật ARQ cho phép gửi lại gói dữ liệu lỗi. 2
3. Fullmer và Garcia-Luna-Aceves [7] đã chỉ ra các điều kiện cần thiết để đảm bảo các gói dữ liệu trong giao thức MACA được gửi đi mà không xảy ra xung đột. Tuy nhiên, xung đột vẫn có thể xảy ra khi có sự trễ trong truyền gói từ nút nhận đến hai nút phát, một nút rất gần và một ở rất xa. Hình 2 mô tả xung đột xảy ra trong giao thức MACA. Hình 2: Gói RTS từ nút C xung đột với gói dữ liệu từ nút A Để giải quyết vấn đề này, khả năng cảm nhận sóng mang bị vô hiệu trong MACA và MACAW được khôi phục, cho ra đời giao thức mới với tên gọi FAMA (Floor Acquisition Multiple Access) [7]. FAMA sử dụng giao thức nhận biết sóng mang, đảm bảo tránh xung đột khi thỏa điều kiện: a) Độ dài gói RTS phải lớn hơn thời gian trễ truyền lớn nhất và b) Độ dài gói CTS phải lớn hơn độ dài gói RTS + 2 lần thời gian trễ truyền lớn nhất + thời gian chuyển tiếp từ phát sang nhận của phần cứng [8]. Mặc dù FAMA đảm bảo không có xung đột trên kênh truyền nhưng độ dài các gói điều khiển trở nên quá mức với kênh sóng âm dưới nước. Độ dài gói phụ thuộc hoàn toàn vào thời gian truyền, lên đến 1 giây cho khoảng cách 1,5 km, gây nên sự lãng phí năng lượng lớn nên khó có thể sử dụng phổ biến trong thực tế được. Để khắc phục được những hạn chế trên của FAMA, Marcal Molins và Milica Stojanovic đã phát triển một giao thức mới dựa trên FAMA, sử dụng phương thức chia khe thời gian với tên gọi Slotted-FAMA [8]. Đây là giao thức được tôi lựa chọn để mô phỏng và đánh giá, xem xét khả năng phù hợp sử dụng cho kênh thông tin liên lạc không dây dưới nước. 1.2. Mục tiêu Bài báo này nghiên cứu hai giao thức điều khiển truy nhập môi trường Slotted- Aloha và Slotted-FAMA ứng dụng cho kênh thông tin liên lạc dưới nước bằng sóng âm, thông qua mô phỏng trên phần mềm OPNET để tìm ra phương pháp truy nhập phù hợp nhất cho kênh truyền không dây dưới nước. Việc nghiên cứu, đánh giá các kết quả thu được sau mô phỏng nhằm tìm ra phương pháp điều khiển truy nhập môi trường phù hợp nhằm đạt được mục tiêu: 3
4. - Giảm xung đột gói. - Tăng thông lượng truyền. - Tiết kiệm năng lượng cho việc truyền lại gói. II. GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP MÔI TRƯỜNG 2.1 Giao thức truy nhập kênh Aloha Giao thức truy nhập ngẫu nhiên đầu tiên được sử dụng cho các mạng máy tính có tên gọi là Aloha [1]. Cơ chế hoạt động của giao thức Aloha được coi là đơn giản nhất trong các cơ chế đa truy nhập và hoạt động theo nguyên tắc sau: gói tin mới đến một nút sẽ được truyền ngay; khi xảy ra xung đột do có hai nút phát trong cùng một khoảng thời gian gọi là khoảng thời gian t n thương (vulnerable time) thì các gói tin được truyền lại sau một khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên (Hình 3). Hình 3: Hoạt động của giao thức Aloha [9] Giả thiết lưu lượng đến từ một số lượng hữu hạn người dùng và tuân theo quá trình Poisson với tốc độ đến trung bình  gói/s, mỗi gói tin được truyền với thời gian cố định T giây. Một truyền dẫn tại thời điểm t thành công khi và chỉ khi không có một truyền dẫn khác xuất hiện trong khoảng thời gian tổn thương (t – T, t + T). Tốc độ tải yêu cầu trong thời gian gửi một gói tin được kí hiệu là G, bao gồm những gói tin cần truyền dẫn lại và những gói tin mới đến trong khoảng thời gian này. Thông lượng kênh S được tính theo công thức dưới đây. (1) Hình 4: Hoạt động của giao thức Slotted Aloha [2] Một biến thể khác của giao thức Aloha có tên gọi Aloha phân khe (slotted Aloha) [2]. Giao thức này sử dụng cơ chế truyền đồng bộ trên các khe thời gian như trong phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và các nút chỉ có thể 4
5. truyền gói tại thời điểm bắt đầu của một khe thời gian. Do khoảng thời gian tổn thương trong trường hợp này chỉ là T thay vì 2T như trong giao thức Aloha nên hiệu năng đỉnh của Aloha phân khe tăng gấp 2 lần. Thông lượng S trong trường hợp này xác định qua số gói tin truyền dẫn thành công trong khoảng thời gian truyền dẫn một gói tin là. (2) Với giao thức truy nhập kênh Aloha, thông lượng tối đa có thể đạt được của hệ thống là S = 1/2e = 0.1839 tại G = 0.5. Trong khi đó, với giao thức truy nhập kênh Aloha phân khe, thông lượng kênh đạt cực đại với G 1 và S 1/e 0.37 được thể hiện trên Hình 5. Như vậy, giao thức Aloha phân khe cho thông lượng cực đại cao gấp 2 lần so với giao thức Aloha nhưng buộc phải trả giá về vấn đề đồng bộ thời gian [2]. Hình 5: Thông lượng chuẩn hóa của giao thức Aloha và Aloha phân khe [2] 2.2 Slotted FAMA Như đã nói, sử dụng giao thức FAMA gốc trong mạng âm thanh dưới nước sẽ không có hiệu quả do chiều dài yêu cầu của các gói RTS và CTS. Tại cùng một thời điểm, vi phạm các điều kiện sẽ dẫn đến xung đột dữ liệu, như trong Hình 6. Hình 6: RTS từ C xung đột với gói dữ liệu từ A 5
6. Để khắc phục vấn đề này, một giao thức nên ngăn chặn các nút khác gửi dữ liệu khi dữ liệu đang được gửi đi. Nói cách khác, các nút nên biết nếu gửi một gói tin có thể xung đột với tiến trình truyền đang diễn ra của các nút lân cận. Để làm được điều đó mà không vi phạm các điều kiện của giao thức FAMA, một cơ chế ngăn chặn phải được tiến hành cùng lúc các gói được gửi đi. Điều này có thể được thực hiện bằng cách chia khe thời gian để loại bỏ các các trường hợp không đồng bộ của giao thức. Mỗi gói (RTS, CTS, DATA hoặc ACK) phải được truyền đi ở điểm bắt đầu của một khe. Chiều dài khe được xác định sao cho đảm bảo không xảy ra xung đột dữ liệu. Cụ thể, nó phải cho phép tất cả các nút nhận được các thông tin cần thiết, để các nút biết có thể truyền vào đầu khe thời gian tiếp theo hay không. Điều này có thể đạt được với chiều dài khe được tính theo τ + γ, với τ là thời gian trễ truyền tối đa và γ là thời gian truyền của một gói CTS. Cách này đảm bảo một gói RTS hoặc CTS được truyền vào đầu mỗi khe sẽ được nhận bởi tất cả các nút trong thời gian truyền của một khe. Một giao thức ARQ cũng được tích hợp bằng cách gửi các gói ACK hoặc NACK để xác nhận các dữ liệu tiếp nhận. Giao thức mới này được gọi là Slotted FAMA (Đa truy nhập nhận biết sàn chia khe thời gian). Để phòng ngừa độ lệch thời gian có thể xảy ra trong hệ thống, thời gian bảo vệ có thể được chèn vào để tăng chiều dài khe. 2.2.1 Giải thuật Slotted FAMA Khi một nút muốn gửi một gói tin nó phải đợi đến khe kế tiếp và truyền một gói RTS. Gói này được nhận bởi nút đích và tất cả các nút liền kề nút nguồn trong khe thời gian đó. Nút đích sau đó sẽ gửi một gói CTS ở đầu khe tiếp theo. Gói này cũng được nhận trong trong cùng khe thời gian bởi nút nguồn và tất cả các nút liền kề nút đích. Khi thiết bị nguồn đã nhận được CTS, nó biết rằng có thể gởi dữ liệu, vì vậy nó đợi đến đầu khe kế tiếp và bắt đầu gửi các gói dữ liệu. Khi đầu nhận có toàn bộ gói dữ liệu nó sẽ gửi một gói ACK xác nhận việc chuyển đã thành công. Hình 7 mô tả bắt tay thành công. Hình 7: Bắt tay thành công giữa nút A và B trong Slotted FAMA Giống giao thức FAMA, Slotted FAMA dựa trên cảm nhận sóng mang. Có nghĩa là thiết bị đầu cuối luôn ở trạng thái thức. Thiết bị đầu cuối ở trạng thái nhàn rỗi cho đến khi cảm nhận sóng mang hoặc đến khi có gói tin đã sẵn sàng truyền. Nếu một 6
7. gói đã sẵn sàng truyền tại đầu của một khe và không nhận thấy sóng mang, nó sẽ gửi một gói RTS và đợi hai khe (khe hiện tại và kế tiếp) để nhận gói CTS. Nếu không nhận được CTS, được coi là đã xảy ra xung đột, các thiết bị sẽ chuyển sang trạng thái Backoff trong một số ngẫu nhiên số lần khe thời gian. Sau đó, gói RTS được gửi lại nếu không cảm nhận sóng mang trong thời gian backoff. Khi gói CTS được nhận thành công, thiết bị sẽ bắt đầu gửi gói dữ liệu trong khe tiếp theo. Khi thiết bị phát hiện sóng mang trên kênh truyền nó chuyển sang trạng thái nhận trong khi đang nhận gói dữ liệu. Loại gói nhận được sẽ xác định hành động tiếp theo của thiết bị như sau. Sau khi nhận được gói RTS dành cho trạm khác (gói xRTS) thiết bị phải chờ hai khe (đủ dài để thiết bị nhận để gửi gói CTS và thiết bị gửi bắt đầu truyền dữ liệu). Nếu sau thời gian này không có cảm nhận sóng mang, thiết bị trở về trạng thái nhàn rỗi. Thời gian chờ hai khe là cần thiết cho giao thức ARQ. Sau khi nhận được gói CTS dành cho trạm khác (gói xCTS) một thiết bị phải đợi đủ lâu để cho phép trạm khác truyền toàn bộ gói dữ liệu và nhận gói ACK tương ứng. Kể từ khi thiết bị nhận được gói CTS, nó cũng sẽ nhận được gói ACK và do đó sẽ biết rằng truyền dữ liệu truyền đã kết thúc thành công. Sau khi nhận được gói dữ liệu dành cho trạm khác (gói xDATA) thiết bị phải đợi đủ lâu để cho phép nhận các gói ACK hoặc NACK tiếp theo. Khi thiết bị đầu cuối không thể nhận gói ACK hoặc NACK, nó phải đợi thêm một khe để phát hiện xem gói dữ liệu đã được gửi lại (nghĩa là một NACK được gửi) hay không. Sau khi nghe gói ACK dành cho trạm khác (gói xACK) thiết bị chỉ phải đợi đến cuối khe từ lúc truyền dữ liệu thành công. Sau khi nghe gói NACK dành cho trạm khác (gói xNACK) thiết bị phải đợi đủ lâu để cho phép một gói dữ liệu đầy đủ được truyền và một gói ACK hoặc NACK mới được gửi đi (cùng thời chờ như khi nhận được một gói xCTS). Nếu một thiết bị cảm nhận được có can thiệp vào kênh truyền, một xung đột sẽ được giả định. Vì nó không biết được các gói tin có xung đột hay không, do đó giả định xấu nhất được áp dụng, và nó thực hiện như giống như đã nhận được gói xCTS, đòi hỏi phải có thời gian chờ lâu hơn. 2.2.2 Giải thuật Backoff Trong giao thức FAMA gốc, khi một trạm không nhận được gói phản hồi CTS sau khi đã gửi đi gói yêu cầu RTS, nó sẽ chuyển sang trạng thái Backoff. Thời gian backoff được cho ngẫu nhiên trong khoảng thời gian giới hạn trước, sau khi hết thời gian backoff, gói yêu cầu RTS sẽ được gửi lại. Nếu sóng mang được phát hiện trên kênh truyền khi trạm đang trong trạng thái Backoff, trạm sẽ chuyển sang trạng thái nhận và thực hiện quy trình nhận tin. Sau khi kết thúc quá trình nhận tin, trạm sẽ trở về lại trạng thái Backoff và đặt lại thời gian backoff mới. Trong những môi trường có mật độ lưu thông cao (xung quanh một nút có nhiều nút hàng xóm), thời gian chờ để sử dụng kênh truyền rất dài khi nút chuyển sang trạng thái Backoff. Lý do là khi một nút kết thúc trạng thái Backoff để chuyển sang nhận gói, nó sẽ đặt lại thời gian backoff sau đó. Do vậy, nếu thời gian backoff dài và trạm phải 7
8. nghe kênh truyền với tần suất cao, nó phải lập lại chu kỳ Backoff liên tục. Để làm giảm bớt ảnh hưởng, thời gian backoff có thể giảm lại, tuy nhiên một vấn đề khác lại phát sinh: khi giảm thời gian backoff, sẽ xảy ra khả năng cùng một thời điểm có hai nút cạnh nhau cùng gửi đi yêu cầu, và khả năng cả hai gửi lại gói yêu cầu RTS cùng thời điểm cũng tăng lên. Một giải pháp được đưa ra là tránh đặt lại từ đầu thời gian backoff mỗi lần trạm quay lại trạng thái Backoff. Điều này có nghĩa là thời gian backoff được chọn ngay từ khi không có phản hồi sau khi gửi gói yêu cầu RTS. Tại thời điểm đó, timer đặt thời gian backoff ngẫu nhiên. Nếu trong thời gian backoff này, trạm phải chuyển từ trạng thái Backoff sang trạng thái nhận, timer vẫn sẽ tiếp tục chạy. Khi trạm quay lại trạng thái Backoff, thời gian backoff sẽ không được đặt lại từ đầu. Khi hết thời gian, gói RTS sẽ được gửi lại. Giải pháp này cho phép giao thức cải thiện hiệu suất trong tình huống mật độ lưu thông cao mà không đòi hỏi phải giảm thời gian backoff. 2.2.3 Độ ưu tiên truyền nhận Để cải thiện sự lưu thông trong mạng và độ công bằng của giao thức, độ ưu tiên truyền nhận được dành cho nút vừa nhận gói. Thông thường, khi một nút nghe được có lưu thông trên kênh truyền, nó sẽ chờ để tránh xảy ra xung đột, nếu nó có gói sẵn sàng gửi nó sẽ chuyển sang trạng thái Backoff. Đây là quy trình để tránh xảy ra tình trạng nhiều gói cùng gửi yêu cầu RTS cùng một thời điểm khi quá trình truyền nhận trên kênh truyền vừa kết thúc. Hiện tại, sau khi một nút vừa nhận xong một gói, nếu nó có gói cần gửi, nó sẽ gửi ngay yêu cầu RTS mà không chuyển sang trạng thái Backoff. Nhờ vậy, các gói dữ liệu cần được xử lý liên tục thông qua nhiều nút sẽ được xử lý nhanh chóng hơn. Quy trình này giúp cho các nút có nhiều gói vừa được nhận, đã được xử lý trung gian sẽ được gửi đi trong chu kỳ kế tiếp với mức độ ưu tiên cao hơn. 2.2.4 Khe thời gian và ưu tiên gói Nếu độ dài khe được định nghĩa dài hơn nhiều độ dài gói RTS/CTS (trong trường hợp kênh truyền dưới nước độ trễ lớn) có khả năng xảy ra nhiều hơn một gói điều khiển được gửi tới trạm nhận trong cùng một khe thời gian. Do đó thứ tự ưu tiên phải được đặt ra với tất cả các loại gói tin để tránh nguy cơ xung đột và cải thiện thông lượng. Khi độ tin cậy của dữ liệu là mục tiêu hàng đầu thì các gói CTS phải có độ ưu tiên cao nhất, bởi vì chúng được thiết lập tại đầu mỗi lần truyền dữ liệu. Do vậy, tất cả gói điều khiển nên có mức độ ưu tiên cao nhất trong các giao thức. 2.2.5 Thông lượng Thông lượng S được xác định theo công thức sau [8]: (3) Trong đó: - : thời gian khi dữ liệu có nghĩa được gửi đi - : thời gian rỗi trung bình giữa hai lần truyền (thời gian chờ) - : thời gian trung bình khi kênh truyền được sử dụng (thời gian bận) 8
9. III. MÔ PHỎNG GIAO THỨC MAC TRÊN KÊNH TRUYỀN DƯỚI NƯỚC SỬ DỤNG OPNET 3.1 Cấu hình mô phỏng các giao thức trong OPNET Dựa trên những đặc tính kênh truyền và các giao thức điều khiển truy nhập môi trường trình bày ở trên bài báo xây dựng một hệ thống đơn giản cho việc truyền thông tin dưới nước. ề cơ bản, số lượng các thành phần trong hệ thống là không khác so với hệ thống thông tin trên mặt đất. Do kênh truyền dưới nước chịu ảnh hưởng của khá nhiều yếu tố nên kiến trúc bên thu và bên phát cũng phải được thiết kế để đánh giá được hết những ảnh hưởng đó. Để thẩm định mô hình kênh dưới nước và đánh giá hiệu quả của các giao thức điều khiển truy nhập môi trường, ta xây dựng mô hình với cấu hình gồm 4 nút phát nằm dưới mặt nước và 1 nút nhận cách nhau 1km. Hình 8: Mô hình các nút phát và nhận Cấu hình mạng gồm 4 nút phát và 1 nút nhận trong OPNET được mô tả theo Hình 8. Trong mô hình mô phỏng này mỗi nút sẽ được đặt ngẫu nhiên trong phạm vi 10000m. Hình 9: Cấu hình Topo mạng 9
10. Mỗi nút phát (Transmitter) có cấu tạo đơn giản gồm: module tạo gói tin, module truyền sóng, module nhận sóng và ăn-ten. Mô hình nút nhận (Receiver) gồm: ăn-ten, module nhận sóng, module truyền sóng và module xử lý tín hiệu. Hình 10: Cấu trúc nút phát Hình 11: Cấu trúc nút nhận Tại bên phát, máy phát sẽ tạo các gói dữ liệu 1152-bit với tốc độ tạo gói theo quy luật hàm mũ. Sau khi được tạo ra gói dữ liệu sẽ đi qua đường truyền đến bộ phát vô tuyến và được truyền đi trên kênh truyền với tốc độ 1024 bit/s. Dữ liệu sau khi được truyền đi sẽ đến ăn-ten của bên thu, sau đó được tiếp nhận bởi bộ nhận vô tuyến và bộ xử lý tín hiệu. Các giao thức điều khiển truy cập môi trường slotted-Aloha và slotted-FAMA sẽ được đánh giá bằng mô phỏng dựa trên mô hình nút truyền nhận xây dựng trên OPNET. Những thông số được sử dụng trong mô hình được cho theo bảng dưới đây. Bảng 1: Thông số thiết lập mô phỏng Thông số Giá trị Đơn vị Băng thông 10 kHz Công suất 100 W Kích thước khung dữ liệu 1152 bit Tốc độ dữ liệu 1024 /s Kích thước gói RTS, CTS, ACK 64 10
11. Tốc độ gió 10 m/s Độ mặn 35 ppt Độ sâu 1000 m Nhiệt độ 15 oC Điều chế QPSK Thời gian mô phỏng 1 hour Số lần mô phỏng 50 times 3.2 Mô hình nút phát (Transmitter) sử dụng giao thức Slotted-Aloha Hình 12: Mô hình xử lý thông tin tại nút phát trong giao thức slotted-Aloha - Đây là mô hình một nút phát trong giao thức Slotted-Aloha. o Bình thường khi không có gói tin cần phát, nút sẽ ở trạng thái chờ (idle). o Khi có yêu cầu gửi tin, nút sẽ chờ để gửi gói tin vào đầu khe thời gian kế tiếp (wait_slot). Sau khi gửi tin, nút trở về trạng thái chờ để nhận gói ACK xác nhận gửi thành công (ACK wait). Có hai trường hợp xảy ra như sau: . Nếu hết thời gian chờ mà không nhận được phản hồi, nút sẽ tự động gửi lại gói tin vừa gửi. Trong thời gian chờ nhận gói xác nhận ACK, nếu có gói mới cần gửi đi thì gói mới sẽ được đưa vào hàng đợi. . Sau khi nhận được gói xác nhận ACK, nếu hàng đợi vẫn còn gói cần gửi, nút sẽ chờ đến đầu khe thời gian kế tiếp và gửi đi gói tin. o Sau khi tất cả các gói tin đã được gửi đi, và đã được xác nhận là gửi thành công gói tin (nhận được gói ACK và không còn gói tin trong hàng đợi), nút sẽ trở về trạng thái chờ để gửi tin kế tiếp. 11
12. 3.3 Mô hình nút phát (Transmitter) sử dụng giao thức Slotted-FAMA Hình 13: Mô hình xử lý thông tin tại nút phát trong giao thức slotted-FAMA - Đây là mô hình một nút phát trong giao thức Slotted-FAMA. o Bình thường khi không có gói tin cần phát, nút sẽ ở trạng thái chờ (idle). o Khi có gói tin cần gửi, nút sẽ chờ để gửi gói RTS vào đầu khe thời gian kế tiếp (w_slot_rts). Sau khi gửi gói RTS, nút trở về trạng thái chờ (Wait CTS) để nhận gói cho phép CTS từ nút nhận. Có hai trường hợp xảy ra như sau: . Nếu hết thời gian chờ mà không nhận được phản hồi, nút sẽ chuyển vào trạng thái Backoff trong một khoảng thời gian nhất định. Sau khi hết thời gian Backoff, nút phát sẽ gửi lại gói RTS. . Sau khi nhận được được gói CTS, nút sẽ chờ đến đầu khe thời gian kế tiếp (w_slot_pk) và gửi đi gói tin. o Sau khi gói tin đã được gửi đi, nút chuyển sang trạng thái chờ để nhận gói xác nhận gửi thành công ACK (Wait ACK). o Trong thời gian chờ nhận gói xác nhận ACK, nếu có gói mới cần gửi đi thì gói mới sẽ được đưa vào hàng đợi. Nếu hết thời gian mà vẫn không nhận được gói ACK, nút sẽ tự động gửi lại gói tin. o Sau khi nhận được gói xác nhận ACK, nếu hàng đợi vẫn còn gói cần gửi, nút sẽ chờ đến đầu khe thời gian kế tiếp và gửi đi gói tin (w_slot_n). o Sau khi tất cả các gói tin đã được gửi đi, nút sẽ trở về trạng thái chờ để gửi tin kế tiếp. 12
13. 3.4 Mô hình nút nhận (Receiver) sử dụng giao thức Slotted-Aloha Hình 14: Mô hình xử lý thông tin tại nút nhận trong giao thức slotted-Aloha - Đây là mô hình xử lý thông tin của nút nhận trong giao thức Slotted-Aloha: o Bình thường khi không có gói tin đến, nút sẽ ở trạng thái chờ (idle). o Sau khi nhận gói tin đến thành công, nút sẽ chờ để gửi gói xác nhận ACK (wait slot) ở đầu khe thời gian kế tiếp. o Sau khi gửi đi gói ACK, nút sẽ trở về trạng thái chờ để sẵn sàng nhận gói tin đến. 3.5 Mô hình nút nhận (Receiver) sử dụng giao thức Slotted-FAMA Hình 15: Mô hình xử lý thông tin tại nút nhận trong giao thức slotted-FAMA 13
14. - Đây là mô hình xử lý thông tin của nút nhận trong giao thức Slotted-FAMA: o Bình thường khi không có gói tin RTS yêu cầu gửi tin từ nút phát đến, nút sẽ ở trạng thái chờ (idle). o Sau khi nhận được gói RTS từ nút phát, nút nhận sẽ chờ đến đầu khe thời gian kế tiếp và gửi đi gói CTS xác nhận kênh truyền đang trống và có thể nhận gói tin (wait_slot). o Sau khi đã gửi đi gói CTS, nút sẽ chuyển sang trạng thái chờ để nhận gói tin (pk_wait). o Sau khi nhận được gói tin, nút nhận sẽ chờ đến đầu khe thời gian kế tiếp và gửi gói ACK xác nhận đã nhận gói thành công (wait_slot). o Sau khi gói ACK được gửi đi, nút nhận chuyển về trạng thái chờ để nhận gói tin tiếp theo (pk_wait). o Nếu hết thời gian mà không có gói tin mới được gửi đến, nút nhận trở về trạng thái chờ ban đầu sẵn sàng nhận yêu cầu gửi RTS từ các nút phát. IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG hần sau đây sẽ trình bày những kết quả đạt được trong quá trình mô phỏng hoạt động truyền thông giữa kênh phát và kênh nhận sử dụng 2 giao thức điều khiển truy nhập môi trường Slotted-Aloha và Slotted-FAMA. Kết quả sẽ thu thập ba thông số của kênh truyền như sau: Xung đột, tận dụng kênh và thông lượng. 4.1 Xung đột Tránh xung đột là một yêu cầu cơ bản của tất cả các giao thức MAC, đặc biệt là đối với kênh truyền dưới nước do đặc tính kênh truyền tốc độ thấp, khả năng xảy ra xung đột cao, do đó việc mô phỏng và đánh giá tỉ lệ xảy ra xung đột của các giao thức có vai trò quan trọng trong việc lựa chọn giao thức phù hợp cho kênh truyền. Hình 16 so sánh tỉ lệ xảy ra xung đột của hai giao thức Slotted-Aloha và Slotted-FAMA. Hình 16: Tỉ lệ xảy ra xung đột của Slotted-Aloha và Slotted-FAMA 14
15. Từ kết quả mô phỏng, ta thấy tỉ lệ xảy ra xung đột dữ liệu của giao thức Slotted- Aloha luôn luôn ở mức cao hơn so với giao thức Slotted-FAMA. Sự chênh lệch này đến từ sự khác biệt trong cách thức truyền dữ liệu giữa hai giao thức. Trong giao thức Slotted-FAMA, cơ chế bắt tay với nút nhận đã hạn chế thấp nhất nguy cơ xảy ra xung đột giữa các nút phát trong kênh truyền. Trong khi đó, giao thức Slotted-Aloha không có cơ chế kiểm tra nút nhận đang rỗi hay không, do đó dễ xảy ra trường hợp có nhiều nút phát gửi tin đồng thời dẫn đến xung đột. 4.2 Tận dụng kênh Hình 17 là kết quả mô phỏng tỉ lệ trung bình tận dụng kênh của hai giao thức Slotted-Aloha và Slotted-FAMA. Từ kết quả mô phỏng ta thấy tỉ lệ tận dụng kênh trong giao thức Slotted-Aloha cao hơn so với giao thức Slotted-FAMA. Kết quả này đến từ sự khác biệt trong cách thức phát và nhận thông tin giữa hai giao thức. - Slotted-Aloha: không sử dụng các gói bắt tay nên kênh truyền được sử dụng để truyền các gói dữ liệu cao hơn. Do đó mức độ tận dụng kênh cao hơn so với giao thức Slotted-FAMA. - Slotted-FAMA: dữ liệu chỉ được gửi đi sau khi nút phát đã thực hiện thành công thao tác bắt tay với nút nhận. Khi một nút phát muốn gửi đi gói dữ liệu, nó phải thực hiện thao tác kiểm tra kênh truyền, dữ liệu chỉ được gửi đi sau kiểm tra được kênh truyền rỗi và thực hiện bắt tay thành công với nút nhận. Do đó, thời gian kênh truyền được sử dụng để gửi các gói dữ liệu thấp hơn khi so với giao thức Slotted-Aloha, mức độ tận dụng kênh thấp hơn. Tuy nhiên nhờ thực hiện cơ chế bắt tay nên khả năng xảy ra xung đột được hạn chế đến mức tối thiểu. Hình 17: Kết quả trung bình tận dụng kênh Slotted-Aloha và Slotted-FAMA 15
16. 4.3 Thông lượng Hình 18 so sánh thông lượng đo tại nút nhận của hai giao thức Slotted-Aloha và Slotted-FAMA. Trong khoảng thời gian đầu thông lượng mạng khi sử dụng giao thức Slotted-Aloha cao hơn so với Slotted-FAMA. Sự khác biệt này là do trong khoảng thời gian đầu, số lượng gói từ các nút gửi đi không nhiều, do đó xác suất xảy ra xung đột thấp nên khả năng gửi gói thành công cao. Tuy nhiên, do sự khác biệt trong giao thức truyền dữ liệu của Slotted-Aloha nên trong cùng một khoảng thời gian số lượng dữ liệu được gửi thành công tới nút nhận sẽ thấp hơn Slotted-FAMA. Khi số lượng dữ liệu tăng lên và số lượng các nút gửi đồng thời tăng lên thì sự khác biệt về thông lượng của hai giao thức càng rõ ràng hơn. Giao thức Slotted-Aloha dễ xảy ra xung đột hơn nên để đạt được mức thông lượng như mô phỏng thì phải tốn năng lượng phát hơn. Trong khi đó sau một khoảng thời gian hoạt động Slotted-FAMA đạt được mức thông lượng cao hơn Slotted-Aloha, đồng thời ít tốn năng lượng phát hơn do giảm thiểu được xung đột giữa các nút. Hình 18: Thông lượng tại nút nhận của Slotted-Aloha và Slotted-FAMA V. KẾT LUẬN Tác giả đã xây dựng và mô phỏng hoàn chỉnh hai giao thức điều khiển truy nhập môi trường Slotted-Aloha và Slotted-FAMA ứng dụng cho kênh truyền không dây dưới nước trên phần mềm O NET. Thông qua các kết quả mô phỏng đã giúp đánh giá được hiệu quả của từng giao thức khi áp dụng cho kênh truyền dưới nước với những đặc tính khác biệt so với kênh truyền trên mặt đất. Thông qua đánh giá, so sánh các kết quả mô phỏng dựa trên ba tiêu chí: xung đột, tận dụng kênh và thông lượng. Giao thức Slotted-FAMA cho thấy được những ưu điểm vượt trội hơn khi so sánh với giao thức điều khiển truy nhập môi trường ngẫu nhiên Slotted-Aloha. iệc sử dụng phương pháp chia khe thời gian của Slotted-FAMA đã loại bỏ được việc sử dụng những gói điều khiển quá dài, do đó tiết kiệm được năng lượng. Bên cạnh đó, nhờ vào cơ chế bắt tay giữa kênh phát và kênh nhận, giao thức 16
17. Slotted-FAMA đã hạn chế đến mức thấp nhất khả năng xảy ra xung đột trên kênh truyền. So với Slotted-Aloha, giao thức mới Slotted-FAMA này đạt được hiệu suất cao hơn khi giảm được xung đột, đồng thời vẫn duy trì được mức thông lượng tương đương nhưng lại tiết kiệm năng lượng hơn do không tốn năng lượng phát lại do xung đột. ới những kết quả phân tích trên, giao thức điều khiển truy nhập môi trường Slotted-FAMA cho thấy sự phù hợp khi sử dụng cho mạng thông tin liên lạc không dây bằng sóng âm dưới nước. Kết quả lựa chọn này cơ bản đạt được mục tiêu đề ra ban đầu của nghiên cứu: giảm xung đột gói trong khi vẫn đảm bảo thông lượng truyền đồng thời tiết kiệm được năng lượng do hạn chế được việc phát lại gói tin. 17
18. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E. N. Abramson and F. Kuo, "The aloha system," in Computer- Communication Networks, New Jersey, Prentice-Hall, 1973, pp. 501-518. [2] K. L. a. F. A. Tobagi, "Packet switching in Radio Channels: Part I – Carrier Sense Multiple Access Modes and their Throughput-Delay Characteristics," in IEEE Transactions on Communications (COM–23), 1975, p. 1400–1416. [3] S. Lam, "Delay Analysis of a Time Division Multiple Access (TDMA) Channel," IEEE Transactions on Communications, vol. 25, no. 12, pp. 1489 - 1494, 1977. [4] L. K. a. F. A. Tobagi, "Packet switching in radio channels: part I carrier sense multiple-access modes and their throughput-delay characteristics," IEEE trans. on commun., Vols. COM-23, p. 1400–1416, 1975. [5] P. Karn, "MACA - A new channel access method for packet radio," in ARRL/CRRL Amateur Radio 9th Computer Networking Conference, 1990. [6] A. D. S. S. a. L. Z. V. Bharghavan, "MACAW: A media access protocol for wireless LANs," Proceedings, 1994 SIGCOMM Conference, p. 212–225, 31 August 1994. [7] J. G. L. Fullmer, "Floor acquisition multiple access (FAMA) in single‐channel wireless networks," Mobile Networks and Applications , vol. 4, no. 3, p. 157–174, 1999. [8] M. Molins and M. Stojanovic, "Slotted FAMA: a MAC protocol for underwater acoustic networks," in OCEANS 2006 - Asia Pacific, 2006. [9] W. X. a. W. W. Akyildiz I. F., "Wireless Mesh Networks: A Survey," Computer Networks Journal (Elsevier), vol. 47, no. 4, pp. 445-487, 2005. 18
19. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Trần Đình Huy Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM Điện thoại: 01689938961 Email: Dinhuyspkt@gmail.com 19
20. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.