Chương I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG ADHOC

1.1. Lịch sử phát triển

MANET (Mobile Ad-hoc Network) - Mạng không dây đa chặng. Theo

định nghĩa của Tổ chức Internet Engineering Task Force (IETF) - Mạng

MANET là một vùng tự trị (Autommous System) của các router (đó chính là

các node) được kết nối với nhau bằng liên kết không dây đa bước, các node có

thể tự thiết lập cấu hình động để trao đổi thông tin mà không phụ thuộc vào hạ

tầng cố định, chúng có thể di chuyển một cách tự do nên kiến trúc của mạng

thay đổi liên tục mà không thể dự đoán trước.

Hình 1.1. Mô hình mạng MANET

Nguyên lý làm việc của mạng Adhoc bắt nguồn từ năm 1968 khi các mạng

ALOHA được thực hiện. Tuy các trạm làm việc là cố định nhưng giao thức

ALOHA đã thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, đây

là cơ sở lý thuyết để phát triển kỹ thuật truy cập kênh phân tán vào mạng

Adhoc.

Năm 1973 tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên mạng vô tuyến gói tin

PRnet. Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên. Trong đó các nút hợp

tác với nhau để gửi dữ liệu tới một nút nằm ở xa khu vực kết nối thông qua một

nút khác. Nó cung cấp cơ chế cho việc quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung và

phân tán.

Một lợi điểm của làm việc đa chặng so với đơn chặng là triển khai đa

chặng tạo thuận lợi cho việc dùng lại tài nguyên kênh truyền về cả không gian,

thời gian và giảm năng lượng phát cần thiết.

Sau đó có nhiều mạng vô tuyên gói tin phát triển nhưng các hệ thống

không dây này vẫn chưa bao giờ tới tay người dùng cho đến khi chuẩn 802.11

ra đời. IEEE đã đổi tên mạng vô tuyến gói tin thành mạng Adhoc.

MANET có các đặc điểm chính sau:

- Mạng MANET là tập hợp các mobile node trong một mạng có tính chất

tạm thời không có sự quản lý của các nhà quản trị. Mô hình này gồm hai hay

nhiều wireless mobile kết nối với nhau theo mô hình mạng ngang hàng (peer –

to – peer) các node có vai trò như nhau, có thể kết nối vời nhau và không cần

đến cơ sở hạ tầng của các mạng trước đó. Các node trong mạng này còn đóng

vai trò như là các router có khả năng tìm kiếm, duy trì và định tuyến các gói dữ

liệu cho các node nằm trong vùng phát sóng của nó.

- MANET là một mạng có tính linh động cao.

- Không có nút điều khiển trung tâm, mọi nút trong mạng đảm nhận chức

năng như nhau.

- Các nút trong MANET kết nối với nhau bằng sóng vô tuyến nên nó chịu

ảnh hưởng của nhiều yếu tố như bộ thu phát, nhiễu, fading,…

1.2. Mạng adhoc theo tiêu chuẩn 802.11

IEEE 802.11 là một tập các chuẩn bao gồm các đặc điểm kỹ thuật liên

quan đến hệ thống mạng không dây. Chuẩn IEEE 802.11 mô tả một giao tiếp

“truyền qua không khí” (tiếng Anh: “over-theair”), sử dụng sóng vô tuyến để

truyền nhận tín hiệu giữa một thiết bị không dây và tổng đài hoặc điểm truy cập

(access point - AP), hoặc giữa hai hay nhiều thiết bị không dây với nhau (mô

hình ad-hoc). Bộ chuẩn này bao gồm các tiêu chuẩn con như IEEE 802.11a,

IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n..

Chúng ta sẽ đi chi tiết lịch sử phát triển cũng như các tiêu chí kỹ thuật của

chuẩn IEEE 802.11.

- 802.11

Năm 1997, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đã giới

thiệu một chuẩn đầu tiên cho WLAN. Chuẩn này được gọi là 802.11 sau khi tên

của nhóm được thiết lập nhằm giám sát sự phát triển của nó. Tuy nhiên,

802.11chỉ hỗ trợ cho băng tần mạng cực đại lên đến 2Mbps – quá chậm đối với

hầu hết các ứng dụng. Với lý do đó, các sản phẩm không dây thiết kế theo

chuẩn 802.11 ban đầu dần không được sản xuất.

- 802.11b

IEEE đã mở rộng trên chuẩn 802.11 gốc vào tháng Bảy năm 1999, đó

chính là chuẩn802.11b. Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương

quan với Ethernet truyền thống. 802.11b sử dụng tần số vô tuyến (2.4 GHz)

giống như chuẩn ban đầu 802.11. Các hãng thích sử dụng các tần số này để chi

phí trong sản xuất của họ được giảm. Các thiết bị 802.11b có thể bị xuyên nhiễu

từ các thiết bị điện thoại không dây (kéo dài), lò vi sóng hoặc các thiết bị khác

sử dụng cùng dải tần 2.4 GHz. Mặc dù vậy, bằng cách cài đặt các thiết bị

802.11b cách xa các thiết bị như vậy có thể giảm được hiện tượng xuyên nhiễu

này.

Ưu điểm: Giá thành thấp, phạm vi tín hiệu tốt và không dễ bị cản trở.

Nhược điểm: Tốc độ tối đa thấp nhất, các ứng dụng gia đình có thể xuyên

nhiễu.

- 802.11a

Trong khi 802.11b vẫn đang được phát triển, IEEE đã tạo một mở rộng thứ

cấp cho chuẩn 802.11 có tên gọi 802.11a. Vì 802.11b được sử dụng rộng rãi quá

nhanh so với 802.11a, nên một số người cho rằng 802.11a được tạo sau

802.11b. Tuy nhiên trong thực tế, 802.11a và 802.11b được tạo một cách đồng

thời. Do giá thành cao hơn nên 802.11a chỉ được sử dụng trong các mạng doanh

nghiệp còn 802.11b thích hợp hơn với thị trường mạng gia đình. 802.11a hỗ trợ

băng thông lên đến 54 Mbps và sử dụng tần số vô tuyến 5GHz. Tần số của

802.11a cao hơn so với 802.11b chính vì vậy đã làm cho phạm vi của hệ thống

này hẹp hơn so với các mạng 802.11b. Với tần số này, các tín hiệu 802.11a

cũng khó xuyên qua các vách tường và các vật cản khác hơn. Do 802.11a và

802.11b sử dụng các tần số khác nhau, nên hai công nghệ này không thể tương

thích với nhau. Chính vì vậy một số hãng đã cung cấp các thiết bị mạng hybrid

cho 802.11a/b nhưng các sản phẩm này chỉ đơn thuần là bổ sung thêm hai

chuẩn này.

Ưu điểm: Tốc độ cao, tần số lên đến 5Ghz tránh được sự xuyên nhiễu từ

các thiết bị khác.

Nhược điểm: Giá thành đắt, phạm vi hẹp và dễ bị che khuất.

- 802.11g

Vào năm 2002 và 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ một chuẩn mới hơn

đó là 802.11g,được đánh giá cao trên thị trường. 802.11g thực hiện sự kết hợp

tốt nhất giữa 802.11a và 802.11b. Nó hỗ trợ băng thông lên đến 54Mbps và sử

dụng tần số 2.4 Ghz để có phạm vi rộng. 802.11g có khả năng tương thích với

các chuẩn 802.11b, điều đó có nghĩa là các điểm truy cập 802.11g sẽ làm việc

với các adapter mạng không dây 802.11b và ngược lại.

Ưu điểm: Tốc độ cao,phạm vi tín hiệu tốt, ít bị che khuất.

Nhược điểm: Giá thành đắt hơn 802.11b, các thiết bị có thể bị xuyên nhiễu

từ nhiều thiết bị khác sử dụng cùng băng tần.

- 802.11n

Chuẩn mới nhất trong danh mục Wi-Fi chính là 802.11n. Đây là chuẩn

được thiết kế để cải thiện cho 802.11g trong tổng số băng thông được hỗ trợ

bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và các anten (công nghệ MIMO).

Khi chuẩn này được đưa ra, các kết nối 802.11n sẽ hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến

100 Mbps. 802.11n cũng cung cấp phạm vi bao phủ tốt hơn so với các chuẩn

Wi-Fi trước nó nhờ cường độ tín hiệu mạnh của nó. Thiết bị 802.11n sẽ tương

thích với các thiết bị 802.11g.

Ưu điểm: Tốc độ nhanh và phạm vi tín hiệu tốt nhất, khả năng chịu đựng

tốt hơn từ việc xuyên nhiễu từ các nguồn bên ngoài.

Nhược điểm: Giá thành đắt hơn 802.11g, sử dụng nhiều tín hiệu có thể gây

nhiễu với các mạng 802.11b/g ở gần.

1.3. Thách thức đối với mạng adhoc

Do đặc tính tùy biến nên MANET có thể cung cấp một miền rộng các ứng

dụng dịch vụ cho các vùng mạng cục bộ và đô thị như: Mạng cộng đồng, mạng

hỗ trợ khẩn cấp, các điểm truy nhập công cộng, các ứng dụng cho quân đội, các

ứng dụng tính toán nhúng và phân tán, các dịch vụ theo khu vực và mạng cảm

biến,…

Bên cạnh các ưu điểm, MANET phải đối mặt với một loạt các thách thức

do chính cấu trúc mạng tạo ra ví dụ như: Tính tự trị của các node, điều hành

phân tán, định tuyến đa bước, cấu hình mạng động, công suất tiêu thụ và sự

không ổn định của môi trường, liên kết không dây,...

Để vượt qua các thách thức và hoàn thiện các giải pháp cho mạng

MANET, rất nhiều nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp mới nhằm cải thiện

các vấn đề còn tồn tại của MANET trên một loạt các khía cạnh, ví dụ như: Điều

khiển truy nhập phương tiện, định tuyến, quản lý tài nguyên, điều khiển công

suất và bảo mật, v..v. Trong các hướng đó, vấn đề cải thiện chất lượng định

tuyến luôn được đặt ra hàng đầu, do đó kỹ thuật định tuyến luôn được coi là yếu

tố then chốt ảnh hưởng tới hiệu năng mạng truyền thông nói chung và mạng

MANET nói riêng. Thêm vào đó, do tính phức tạp và đặc tính truyền thông đa

bước trong môi trường truyền dẫn không dây nên hàng loạt các vấn đề phức tạp

liên quan tới kỹ thuật định tuyến vẫn chưa được giải quyết triệt để và đang được

tiếp tục cải thiện.

1.4. Nguyên lý trao đổi tín hiệu trong mạng adhoc

Trong mạng Ad Hoc các nút trong mạng có thể tự thiết lập, tự tổ chức và

tự thích nghi khi có một nút mới gia nhập mạng, các nút trong mạng cần có cơ

chế phát hiện nút mới gia nhập mạng, thông tin về nút mới sẽ được cập nhật vào

bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi. Khi có một nút ra khỏi mạng,

thông tin về nút đó sẽ được xóa khỏi bảng định tuyến và hiệu chỉnh lại tuyến.

Mạng AdHoc có nhiều loại thiết bị khác nhau tham gia mạng nên các nút mạng

không những phát hiện được khả năng kết nối của các thiết bị, mà còn phải phát

hiện ra được loại thiết bị và các đặc tính tương ứng của các loại thiết bị đó (vì

các thiết bị khác nhau sẽ có các đặc tính khác nhau ví dụ như: Khả năng tính

toán, lưu trữ hay truyền dữ liệu trong mạng,...) Mạng Ad hoc được coi như

mạng ngang hàng không dây, trong mạng không có máy chủ. Các thiết bị vừa là

máy khách, vừa làm nhiệm vụ của router và vừa làm máy chủ.

1.5. Định tuyến trong mạng adhoc

Trong mạng thông tin vô tuyến nói chung và mạng Adhoc nói riêng do mọi

nút mạng đều có khả năng di chuyển nên topo mạng cũng thay đổi theo thời

gian. Đặc điểm này gây ra khó khăn trong việc truyền tải gói tin. Với mạng

Adhoc nói riêng gói tin muốn đến được đích thì phải truyền qua nhiều trạm và

nút mạng do đó để gói tin đến được đích thì nút mạng phải sử dụng phương

pháp định tuyến. Hầu hết hiện nay, các giao thức định tuyến đều sử dụng hai

thuật toán định tuyến nổi tiếng đó là thuật toán Bellman-Ford và thuật toán

Dijkstra.

1.5.1. Thuật toán định tuyến Bellman - for

Nhiều lược đồ định tuyến trước đây được xây dựng cho mạng không dây

Adhoc dựa trên thuật toán Bellman-Ford. Trong thuật toán Bellman-Ford, mọi

nút i duy trì một bảng định tuyến hay ma trận chứa thông tin khoảng cách và

thông tin về nút kế tiếp với i trên đường đi ngắn nhất tới đích j bất kỳ, trong đó

khoảng cách chính là chiều dài ngắn nhất từ i tới j. Để cập nhật thông tin về

đường đi ngắn nhất mỗi nút sẽ thường xuyên trao đổi bảng định tuyến với các

nút bên cạnh nó. Dựa trên bảng định tuyến từ các nút lân cận đó, nút i biết được

khoảng cách ngắn nhất từ các lân cận của nó tới nút bất đích bất kỳ. Do đó, với

mỗi nút đích j, i sẽ chọn một nút k cho chặng kế tiếp sao cho khoảng cách từ i

qua k tới j là nhỏ nhất. Các thông tin tính toán mới này sẽ được lưu trữ vào bảng

định tuyến của i và được trao đổi ở vòng cập nhật định tuyến tiếp theo. Định

tuyến này có ưu điểm là đơn giản và tính toán hiệu quả do đặc điểm phân bố.

Tuy nhiên nhược điểm của nó là hội tụ chậm khi topo mạng thay đổi và có xu

hướng tạo các vòng lặp định tuyến đặc biệt là khi các điều kiện liên kết không

ổn định. Hầu hết các giao thức định tuyến theo vector khoảng cách đều sử dụng

giải thuật định tuyến Bellman-Ford. Khi áp dụng định tuyến vector khoảng

cách, nó sẽ chỉ định một con số, gọi là chi phí (hay trọng số), cho mỗi một liên

kết giữa các nút trong mạng. Các truyền (kết nối) mang lại tổng chi phí thấp

nhất (là tổng các chi phí của các kết nối giữa các nút được dùng) nút sẽ gửi

thông tin về đường đi từ điểm A đến điểm B qua các đường .

1.5.2. Thuật toán định tuyến Djikstra

Thuật toán Dijkstra là một cách tiếp cận khác trong kĩ thuật tìm đường dẫn

ngắn nhất giữa hai node trong mạng. Thuật toán Dijkstra hoạt động trên một tập

node ứng cử lân cận của node nguồn để tính toán và các định đường dẫn ngắn

nhất tới một node đích. Một đặc tính nổi trội của thuật toán Dijkstra là có thể

tính toán các đường dẫn ngắn nhất tới tất cả các node đích từ một node nguồn,

thay vì tính toán theo từng cặp nguồn - đích. Thuật toán Dijkstra cũng được

phân loại hoạt động theo mô hình tập trung và mô hình phân tán. Giải thuật định

tuyến này thường áp dụng cho các giao thức định tuyến theo trạng thái liên kết.

Khi áp dụng định tuyến trạng thái liên kết, mỗi nút sử dụng dữ liệu cơ sở

của nó như là một bản đồ của mạng với dạng một đồ thị. Để làm điều này, mỗi

nút phát đi tới toàn mạng những thông tin về các nút khác mà nó có thể kết nối

được, và từng nút góp thông tin một cách độc lập vào bản đồ. Sử dụng bản đồ

này, mỗi nút sau đó sẽ xác định được tuyến đường tốt nhất từ nó đến mọi nút

khác.

1.5.3. So sánh các giao thức định tuyến

Các giao thức định tuyến theo vector khoảng cách sử dụng thuật toán

Bellman-Ford đơn giản và hiệu quả hơn trong các mạng nhỏ, đòi hỏi ít (nếu có)

sự giám sát. Tuy nhiên nhược điểm của nó là khả năng hội tụ chậm khi mạng

lớn và thay đổi, điều này dẫn đến sự phát triển của các giao thức định tuyến theo

trạng thái liên kết sử dụng thuật toán Dijkistra tuy phức tạp hơn nhưng tốt hơn

để dùng trong các mạng lớn.

1.6. Các giao thức định tuyến trong mạng adhoc

Một trong những phương thức phổ biến nhất để phân loại các giao thức

định tuyến cho mang Adhoc là dựa trên việc thông tin định tuyến được tập hợp

và được duy trì như thế nào bới các nút di động. Sử dụng phương thức này, các

giao thức định tuyến cho mạng Adhoc được phân chia thành: định tuyến theo

bảng, định tuyến theo yêu cầu và định tuyến lai ghép như hình 1.1. Sự khác

biệt của các giao thức này xuất phát từ tính chuyên biệt đối với các khía cạnh

định tuyến như phương pháp tìm đường ngắn nhất, thông tin tiêu đề định tuyến

hay đặc tính cân bằng tải…

Hình 1.2. Các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc

1.6.1. Giao thức định tuyến theo bảng ghi

Trong phương pháp định tuyến theo bảng, các node trong mạng MANET

liên tục đánh giá các tuyến tới các node để duy trì tính tương thích, cập nhật của

thông tin định tuyến. Vì vậy, một node nguồn có thể đưa ra một đường dẫn định

tuyến ngay lập tức khi cần. Trong các giao thức định tuyến theo bảng, tất cả các

node cần duy trì thông tin về cấu hình mạng. Khi cấu hình mạng thay đổi, các

cập nhật được truyền lan trong mạng nhằm thông báo sự thay đổi. Hầu hết các

giao thức định tuyến theo bảng đều kế thừa và sửa đổi đặc tính tương thích từ

các thuật toán chọn đường dẫn ngắn nhất trong các mạng hữu tuyến truyền

thống. Các giao thức định tuyến theo bảng được sử dụng cho các node cập nhật

trạng thái mạng và duy trì tuyến bất kể có lưu lượng hay không. Vì vậy, tiêu đề

thông tin để duy trì cấu hình mạng đối với các giao thức này thường là lớn. Một

số giao thức định tuyến điển hình theo bảng trong MANET gồm: Giao thức

định tuyến không dây WRP (Wireless Routing Protocol), định tuyến vector

khoảng cách tuần tự đích DSDV (Destination Sequence Distance Vector), định

tuyến trạng thái tối ưu liên kết OLSR (Optimized Link State Routing), định

tuyến trạng thái góc rộng (Fisheye State Routing)….

1.6.2. Giao thức định tuyến theo yêu cầu

Trong phương pháp định tuyến theo yêu cầu, các đường dẫn được tìm kiếm chỉ

khi cần thiết, hoạt động tìm tuyến bao gồm cả thủ tục xác định tuyến. Thủ tục

tìm tuyến kết thúc khi một tuyến không được tìm thấy hoặc không có tuyến khả

dụng sau khi xác minh toàn bộ tập hoán vị tuyến. Trong mạng MANET, các

tuyến hoạt động có thể ngừng do tính di động của node.

Vì vậy, thông tin duy trì tuyến là tối quan trong đối với các giao thức định

tuyến theo yêu cầu. So với các giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức

định tuyến theo yêu cầu thường có tiêu đề trao đổi thông tin định tuyến nhỏ

hơn. Vì vậy, về mặt nguyên tắc, các giao thức này có khả năng mở rộng tốt hơn

đối với các giao thức định tuyến theo bảng. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của các

giao thức định tuyến theo yêu cầu là trễ do tìm kiếm tuyến trước khi chuyển tiếp

thông tin dữ liệu. Ví dụ về một số giao thức định tuyến theo yêu cầu gồm: giao

thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing), giao thức định

tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc On- demand Distance

Vector routing) và giao thức định tuyến theo thứ tự tạm thời TORA(Temporally

Ordered Routing Algorithm).

1.6.3. Giao thức định tuyến lai ghép

Các giao thức định tuyến lai ghép được đề xuất để kết hợp các đặc tính ưu

điểm của các giao thức định tuyến theo bảng và theo yêu cầu. Thông thường,

các giao thức định tuyến lai ghép MANET được sử dụng trong kiến trúc phân

cấp. Các giao thức định tuyến theo bảng và theo yêu cầu được triển khai trong

các cấp thích hợp. Một số ví dụ về giao thức định tuyến lai ghép: giao thức định

tuyến vùng ZRP (Zone Routing Protocol), giao thức định tuyến trạng thái liên

kết dựa trên vùng ZHLS (Zone-based Hierarchical Link State routing) và giao

thức định tuyến mạng tùy biến lai HARP (Hybrid Ad hoc Routing Protocol),

v.v...

1.7. Những thách thức trong bài toán nâng cao chất lượng định tuyến

Những khó khăn trong bài toán định tuyến là vấn đề phổ biến nhất được

nghiên cứu trong vài năm qua, hầu như mọi khía cạnh của mạng ADHOC đã

được khám phá ở một số mức độ chi tiết. Tuy vậy, vẫn chưa có một giải pháp

cuối cùng nào được tìm ra, hoặc ít nhất là đồng nhất cùng một quan điểm. Thêm

vào đó, có nhiều thách thức ngày càng nảy sinh hơn. Những thách thức chính

được biểu diễn trong hình sau:

Hình 1.3. Một số thách thức trong vấn đề định tuyến

1.7.1. Khả năng mở rộng

Vấn đề này cho thấy liệu một giao thức định tuyến có thể được sử dụng

hiệu quả nữa hay không khi kích thước của mạng tăng lên. Đặc biệt là với các

giao thức có độ phức tạp cao càng thật khó để triển khai ở những mạng có qui

mô phát triển. Có những giá trị cho chuẩn này là khả năng mở rộng thấp, vừa và

cao.

Đây là một trong những vấn đề mở quan trọng nhất của các mạng

ADHOC. Đầu tiên, các mạng ADHOC sẽ chịu những tổn thất mà thực chất là

do vấn đề “khả năng mở rộng” nằm ở dung lượng mạng. Tuy nhiên, vấn đề này

sẽ không thể giải quyết trừ khi cải thiện lớp vật lý chẳng hạn như sử dụng các

angten thông minh.

Giao thức định tuyến cũng ảnh hưởng tới vấn đề “khả năng mở rộng” của

mạng ADHOC ở một số điểm như quá trình trao đổi tuyến đường tìm được, vị

trí nút và mật mã khóa, đây là ví dụ về các nhiệm vụ sẽ đòi hỏi chi phí đáng kể,

giá trị này sẽ tăng lên nhanh chóng cùng với kích thước mạng. Các giao thức

định tuyến theo bảng không thích hợp trong môi trường biến đổi, do số lượng

lớn các bản tin quảng bá khi mạng có sự thay đổi. Các giao thức định tuyến theo

yêu cầu cho phép triển khai các mạng lớn nhưng lại chịu tổn hao khi trễ tìm

đường tăng lên. Tối thiểu trễ tìm đường chính là mục đích định tuyến trong một

mạng lớn và giảm thời gian các tham gia tìm đường của các nút trong vấn đều

yêu cầu tuyến. Tương ứng với đó, việc yêu cầu trễ nhỏ trong quá trình tìm tuyến

sẽ làm hạn chế mạnh kích thước của mạng.

1.7.2. Chất lượng dịch vụ

Chất lượng dịch vụ được phát triển để đáp ứng các yêu cầu đang nổi lên

của các ứng dụng khác nhau trong mạng Internet cái mà chỉ có thể cung cấp

dịch vụ nỗ lực tối đa. QoS sẽ là một đảm bảo để mạng có thể cung cấp hiệu

năng chắc chắn cho các tham số băng thông, độ trễ, jitter, xác suất lỗi gói, ….

QoS của các mạng không dây cũng là một vấn đề ẩn. Ngoài ra, đối với các

mạng ADHOC QoS càng là một vấn đề thách thức hơn bao giờ hết. Mặc dù một

vài giao thức định tuyến theo yêu cầu có thể được thiết lập để tìm lại con đường

duy nhất tuân thủ những yêu cầu tham số QoS. Trong MANET, đặc điểm kênh

vô tuyến thường thay đổi không thể dự đoán trước được, cùng với đó là những

khó khăn trong việc chia môi trường kênh vô tuyến với những nút lân cận, mỗi

riêng một nút sẽ có nhiều yêu cầu QoS. Các tuyến đường sử dụng những liên

kết với chất lượng và tính ổn định khác nhau, những yếu tố này thường có

những đòi hỏi QoS nhất định.

1.7.3. Hạn chế nguồn tài nguyên sẵn có

Những nguồn tài nguyên có sẵn như là tốc độ dữ liệu, bộ nhớ, tuổi thọ pin,

và dung lượng lưu trữ rất là hạn chế trong mạng ADHOC.

Do các nút trong MANET đều là những thiết bị di động nhỏ gọn, đơn giản,

nên vấn đề dung lượng bộ nhớ thường là nhỏ, chỉ khoảng vài Gb, vì thế khi một

nút thực hiện trao đổi quá nhiều gói tin dễ dẫn tới quá tải bộ nhớ, và chắc chắc

những gói tin đó sẽ bị hủy bỏ tại những nút này. Đây cũng là một yếu tố then

chốt đối với bài toán định tuyến, cần phải được nghiên cứu hơn về phần cứng

cho thiết bị.

Tốc độ dữ liệu cũng rất giới hạn trong liên kết không dây nếu chúng ta so

sánh chúng với tốc độ dữ liệu sẵn có trong mạng hữu tuyến. Thêm nữa, những

nhược điểm muôn thuở của kênh vô tuyến đó là fading, nhiễu và tốc độ dữ liệu

bị chia s giữa các nút hàng xóm.

Tuổi thọ pin trong mạng MANET là một vấn đề điển hình cần phải được

nghiên cứu. Trong MANET mỗi nút trong mạng rất bị hạn chế bởi nguồn năng

lượng cần để nuôi nó, Một nút trong mạng sẽ có nhiệm vụ chuyển tiếp bản tin

(hay là tìm đường) cho các nút khác trong cùng một mạng. Vì thế vấn đề hiệu

quả năng lượng đã trở nên là một trong những thách thức lớn của các mạng

ADHOC nói chung và bài toán định tuyến trong mạng này nói riêng. Cho nên

các giao thức định tuyến phải được nghiên cứu dựa vào sự tiêu thụ năng lượng

một cách cẩn trọng.

1.7.4. Bảo mật

Bảo mật cũng là một vấn đề khá quan trọng cần được quan tâm của các

mạng ADHOC. Đó vẫn còn là một chủ đề lớn chưa được được khám phá nhiều.

Do các nút được sử dụng có tính mở, các kênh vô tuyến được chia s tự do chính

là nguyên nhân gây nên môi trường trao đổi thông tin không còn an toàn trong

mạng, chúng dễ bị tấn công gây ra những thiệt hại nguy hiểm, ví dụ như là từ

chối dịch vụ (DoS). Việc thiếu các thiết bị quản lý mạng trung tâm hay là các

thủ tục chứng thực cùng với cấu trúc mạng không dây luôn thay đổi càng làm

cho mạng dễ bị tấn công như là xâm nhập, nghe trộm, gây nhiễu,…Bảo mật

thường được coi là “rào cản" lớn trong các ứng dụng thương mại của công nghệ

mạng ADHOC.

1.7.5. Vấn đề đầu cuối ẩn hiện ( node ẩn)

1.7.5.1. Vấn đề đầu cuối ẩn

Trong các mạng không dây, vấn đề nút ẩn hay còn gọi là vấn đề đầu cuối

ẩn xảy ra khi một nút có thể được nhìn thấy từ một điểm truy cập không dây

(AP), nhưng không được nhìn thấy đối với những nút khác đang giao tiếp với

AP. Điều này dẫn tới khó khăn trong bài toán kiểm soát môi trường truy nhập.

Hình 1.4. Hiện tượng đầu cuối ẩn

Các nút ẩn trong mạng không dây được cho là là nút đó nằm ngoài phạm vị

của các nút khác hay một tập các nút. Hãy thử thực hiện một topo hình sao vật

lý bao gồm 1 AP và nhiều nút xung quay nó theo một dạng hình trò: Mỗi nút sẽ

giao tiếp trong phạm vi phủ sóng của AP đó, nhưng một số nút không thể giao

tiếp với những nút khác, như là chúng không hề có một kết nối vật lý nào với

những nút khác. Trong mạng không dây, điều này được xem là nút đó ở vị trí

biên xa trong phạm vi của AP, lấy ví dụ như nút A, có thể nhìn thấy AP, nhưng

nó không hề biết tới những nút tương tự nó ở vị trí đối diện bên kia vùng phủ

sóng của AP, đó là nút B. Những nút này gọi là những nút ẩn. Vấn đề là khi nút

A và nút B bắt đầu gửi gói tin đồng thời tới AP. Do nút A và nút B không thể

cảm nhận được sóng mang, cho dù kỹ thuật đa truy nhập cảm nhận sóng mang

tránh xung đột được sử dụng, và xung đột xảy ra, dữ liệu bị xáo trộn.

Đây là một vấn đề đặc biệt nghiêm trọng trong mạng MANET và ảnh

hưởng lớn tới chất lượng định tuyến trong mạng, bởi vì các giao thức định tuyến

hoạt động bằng cách gửi các gói tin “thăm dò” nhằm tìm ra đường đi tốt nhất

cho gói tin tới đich do đó nếu rơi vào hiện tượng đầu cuối ẩn thì các gói tin đó

sẽ bị loại bỏ do xung đột tại một nút nếu nút đó cùng lúc nhận được nhiều gói

tin. Giả sử với giao thức AODV, khi có yêu cầu truyền tin, nó sẽ khởi tạo một

tuyền đường bằng cách quảng bá gói tin “định tuyến” ra toàn mạng như vậy với

đặc tính tùy biến, các nút luôn di chuyển rất dễ một nút nào đó trong mạng cùng

lúc nhận được nhiều gói tin định tuyến từ các nút khác do đó các gói tin này sẽ

bị hủy tại nút nhận, ví dụ cùng lúc nút B nhận được hai gói tin khám phá tuyến

của nút A và C gửi tới, lúc đó cả xung đột tại B xảy ra và cả hai gói tin này đều

bị hủy bỏ, tức là tuyến đường từ A tới B hoặc từ C tới B sẽ không được sử dụng

mặc dù các tham số đánh giá chất lượng định tuyến qua A và B hoặc qua C và B

đều tốt hơn tất cả các tuyến đường khác không rơi vào vấn đề đầu cuối ẩn

1.7.5.2. Vấn đề đầu cuối hiện

Cơ chế bắt tay RTS/CTS đã được đưa vào trong lớp MAC nhằm loại bỏ

vấn đề nút ẩn. tuy nhiên, cơ chế này sẽ làm nảy sinh một vấn đề mới đó là vấn

đề đầu cuối hiện. Giả sử rằng ở đây có sự trao đổi RTS/CTS cho vấn đề đầu

cuối ẩn được giải quyết. bây giờ chúng ta hãy xem xét trong hình 2.3 và ví dụ

nút A muốn truyền tới nút B.

Hình 1.5. Hiện tượng đầu cuối hiện

Nút A gửi một bản tin RTS và đợi cho nút B gửi về một bản tin CTS. Giả

sử nút ở vị trí Y(x) cũng muốn truyền dữ liệu tới nút C ở vị trí X(x), và D truyền

RTS tới C trước khi A gửi RTS tới B. Sau khi nhận RTS từ D, C truyền lại

CTS. Bản tin CTS này sẽ được nghe từ bởi B và làm cho B rơi vào trạng thái

“backoff” ngăn chặn nó gửi CTS tới A. Bởi vậy, khi có sự truyền tin từ một nút

thuộc vùng Y(x) tới một nút thuộc vùng X(x) sẽ ngăn chặn nút A truyền dữ liệu

tới nút B, mặc dù việc đồng thời có sự truyền tin từ vùng Y(x) tới vùng X(x)

cũng không hề ảnh hưởng tới việc truyền tin từ nút A tới nút B. Như vậy, những

đầu cuối trong vùng Y(x) được gọi là đầu cuối hiện đối với cặp nút A và B.

Tóm lại, trong các mạng không dây, vấn đề nút hiện xảy ra khi một nút bị

ngăn không cho gửi gói tin tới các nút khác do đang có đường truyền giữa các

nút hàng xóm của nó. Xem xét một ví dụ điển hình gồm 4 nút kí hiệu là R1, S1,

S2 và R2, sao cho 2 nút nhận nằm ngoài vùng phủ sóng của nhau, song hai nút

truyền lại nằm giữa và trong phạm vi phủ sóng của nhau như hình 1.6

Hình 1.6. Ví dụ cho vấn đề đầu cuối hiện

Ở đây, nếu có đường truyền giữa nút S1và nút R1 đang diễn ra, nút S2 sẽ

bị ngăn cản việc truyền dữ liệu qua nút R2 lý do là sau khi cảm nhận sóng mang

nó sẽ cho rằng đây là nhiễu gây ra bởi truyền dẫn đang diễn ra từ hàng xóm của

nó là nút S1. Tuy nhiên cần lưu ý rằng nút R2 vẫn có thể nhận được dữ liệu từ

nút S2 nếu nó ko cảm nhận sóng mang từ S1 vì nó nằm ngoài phạm vi của S1

nói cách khác là không hề liên quan tới truyền dẫn của S1 cho R1.

1.8. Ứng dụng của mạng adhoc

Đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính chất tạm thời: Tại một địa điểm

trong một thời gian nhất định, giống như trong một lớp học hay một cuộc

họp,...việc thiết lập một mạng mang tính chất tạm thời để truyền thông với nhau

chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn. Nếu chúng ta thiết lập một mạng

có cơ sở hạ tầng, dù là mạng không dây vẫn rất tốn kém tiền bạc cũng như nhân

lực, vật lực, thời gian. Do đó, mạng adhoc được coi là giải pháp tốt nhất cho

những tình huống như thế này.

Hỗ trợ khi xảy ra các thiên tai, hỏa hạn và dịch họa: Khi xảy ra các thiên

tai, hỏa hoạn ở một nơi nào đo, cơ sở hạ tầng ở đó như đường dây, các máy tạm,

máy chủ,...có thể bị phá hủy dẫn đến hệ thống mạng bị tê liệt là hoàn toàn khó

tránh khỏi. Vì thế, việc thiêt lập nhanh chóng một mạng có tình tin cậy mà

không cần cơ sở hạ tầng để đáp ứng truyền thông, nhằm giúp khắc phục, giảm

tổn thất sau thiên tai, hỏa hoạn là cần thiết. Mạng adhoc lại là một lựa chọn cho

những tình huống như vậy.

Đáp ứng truyền thông tại những nơi xa trung tâm, các vùng sâu, vùng xa:

tại những nơi xa trung tâm, dân cư thưa thớt hay ở vùng sâu, vùng xa, việc thiết

lập các hệ thống mạng có sơ sở hạ tầng khó khăn và tốn kém. Vậy nên, ở những

nơi này, giải pháp được đưa ra là sử dụng các mạng vệ tinh hoặc mạng adhoc.

Chương 2: LÝ THUYẾT MÃ HÓA MẠNG

2.1. Giới thiệu về mã hóa mạng

Mã hóa mạng là một lĩnh vực nghiên cứu mới mang lại nhiều ứng dụng thú

vị trong các hệ thống mạng thực tế. Với mã hóa mạng, node trung gian sẽ gửi ra

ngoài gói tin kết hợp tuyến tính được tạo ra từ các luồng thông tin đầu vào.

Cách tiếp cận này tạo ra hai ưu điểm chính: Khả năng cải thiện thông lượng và

hiệu năng.

Các mạng truyền thông ngày nay chia sẽ cùng một nguyên lý hoạt động cơ

bản. Đó là, các luồng dữ liệu độc lập có thể chia sẽ tài nguyên mạng, nhưng

những thông tin này độc lập với nhau. Định tuyến, lưu trữ dữ liệu, điều khiển

lỗi, và các chức năng mạng nói chung được dựa trên giả thuyết này.

Mã hóa mạng là một trường gần đây của lý thuyết thông tin đã phá vỡ

nguyên lý này. Thay vì chuyển tiếp dữ liệu một cách đơn giản, các node có thể

kết hợp lại một vài gói tin đầu vào thành một hoặc một vài gói tin đầu ra.

Những công nghệ mã hóa áp dụng cho các mạng vô tuyến cơ bản sử dụng bản

chất quảng bá của các kênh vô tuyến. Trong đó, các node có thể lắng nghe

(overhear) các gói tin không dành cho mình. Do đó, mỗi node được phép tập

hợp nhiều gói tin để mã hóa, làm tăng hiệu quả của hoạt động chuyển tiếp trong

nhiều trường hợp. Một ví dụ đơn giản về mã hóa mạng được minh họa ở hình

2.1.

a) Không mã hóa

b) Có mã hóa

Hình 2.1. Một ví dụ đơn giản về mã hóa mạng

Trong ví dụ trên, node A muốn gửi gói tin PA tới node B, và node B muốn

gửi gói tin PB tới node A. Trong trường hợp này, node trung gian R phải chuyển

tiếp cả hai gói tin từ node A và node B bởi vì chúng không thể truyền trực tiếp

với nhau. Với định tuyến truyền thống cần phải có 4 phiên truyền để phân phối

một gói tin tới cả hai đích. Ngược lại, ở trường hợp b, mã hóa mạng cho phép

node R quảng bá một gói tin duy nhất, được gọi là P x, được tạo bằng cách sử

dụng phép XoR với các gói tin đến (tức là P x = PA ⨁ PB ). Sau đó, node A có

thể dễ dàng giãi mã PB vì bộ nhớ cục bộ của nó lưu một bản sao gói PA tức là PB

= P x ⨁ PA. Trong khi node B có thể xây dựng lại gói PA theo cách tương tự.

Như vậy, có 3 phiên truyền thay vì 4 như cách truyền thống, do vậy độ lợi mã

hóa là 1,3. Chú ý rằng, toàn bộ độ lợi mã hóa phụ thuộc vào cả cấu hình mạng

và kiểu lưu lượng. Một cách tương tự có thể áp dụng lý thuyết này cho kiểu

mạng chéo, trong đó 4 luồng giao nhau tại node R. Lúc này, R có thể kết hợp 4

gói tin nhận từ các lân cận của nó vào trong một gói tin mã hóa. Giả sử, có thể

lắng nghe giữa các node lân cận, 4 node có khả năng trao đổi các gói tin trong 5

phiên truyền thay vì 8 như truyền thống và độ lợi mã hóa tạo ra là 1,6. Từ đây ta

có thể rút ra rằng, độ lợi mã hóa càng lớn khi cơ hội mã hóa tăng. Nói chung,

một cơ hội mã hóa có thể được định nghĩa như khả năng tạo ra một gói tin mã

hóa mà được giải mã thành công ở các đích dự kiến của những gói tin gốc.

Một đặc trưng quan trọng khác của mã hóa mạng là khả năng cung cấp độ

tin cậy mà không cần xử lý phức tạp, điều này rất phù hợp với môi trường có

tổn thất, như trong các mạng di động. Ngoài ra, việc mất gói là vấn đề lớn trong

các mạng này, truyền lại là phương pháp đơn giản nhất để đảm bảo độ tin cậy.

Tuy nhiên, điều này lại tăng nghẽn mạng và xác suất đụng độ sẽ cao hơn. Để

giải quyết vấn đề này, mã hóa mạng đưa ra một phương pháp thay thế thuận lợi

hơn, trong đó việc truyền lại gói tin ban đầu bằng cách quảng bá các gói mã

hóa. Vì vậy, tăng khả năng nhất định về độ tin cậy so với các phương pháp

thông thường. Thậm chí trong trường hợp mất gói tin, các node vẫn có khả năng

khôi phục các gói tin ban đầu mà không cần yêu cầu bất kỳ sự truyền lại nào.

2.1. Lý thuyết chung về mã hóa mạng

2.1.1. Ví dụ mạng cánh bướm

Giả sử một mạng truyền thông giống như một lược đồ có hướng G = (V,

E), trong đó V và E lần lượt là các đỉnh (các node) và các cạnh biên (các liên

kết).

Mạng cánh bướm là một ví dụ kinh điển khi chứng minh mã hóa mạng đã

tạo ra độ lợi mạng như thế nào trong một mạng truyền thông. Chúng ta có một

nguồn s, truyền đa hướng cả hai bít a và b tới các node nhận R1 và R2 trong một

khe thời gian.

Hình 2.2 Mạng cánh bướm với định tuyến truyền thống; a) node B chỉ

chuyển tiếp ký tự b. b) node B chỉ chuyển tiếp ký tự a.

Sử dụng định tuyến truyền thống, R1có thể nhận cả hai bit bằng cách sử

dụng tất cả các tài nguyên mạng, trong đó, nguồn S có thể định tuyến bit a theo

đường {AR1) và bit b dọc theo đường {CB, BD, DR1}. R2 cũng có thể nhận cả

2 bít từ S, nhận b thông qua đường {CR2} và bit a từ đường {AB, BD, DR2},

như minh họa hình 2.2.

Hình 2.3 Mạng hình bướm với mã hóa mạng

Bây giờ xét tới trường hợp có tính đến mã hóa, với giả sử rằng cả hai node

muốn nhận từ S hai bit a và b đồng thời. Nếu các router/node chỉ xử lý thông tin

theo cách truyền thống ( lưu và chuyển tiếp), liên kết ở giữa {BD} có thể bị

nghẽn cổ chai, do đó chỉ có thể chuyển tiếp a hoặc b tới cả hai node nhận tại

một thời điểm. Ví dụ, nếu bít được chuyển tiếp bởi node B là bít a, R2 sẽ nhận

cả hai bít a và b trong khi R1chỉ nhận bít a.

Với NC, cả hai bit được gửi bởi S có thể được XOR (hoặc được kết hợp

tuyến tính) tại node trung gian B. Một gói tin mới C được tạo tại node B, trong

đó C = a ⨁ b, sau đó nó được gửi thông qua biên BD. R1 và R2 lần lượt nhận {a,

a⊕b} và {b, a⊕b}, sau đó cả hai có thể khôi phục lại cả a và b bằng cách giải

các phương trình đơn giản.

2.1.2. Lý thuyết cắt tối thiểu – luồng tối đa

Cho G là một lược đồ có hướng G = (V, E), trong đó V là tập các đỉnh

(node) và E là tập các biên, E ⊂ V × V. Giả sử rằng mỗi biên có dung lượng

đơn vị và cho phép các biên song song giữa các cặp node. Xét một node S ∈ V

muốn truyền thông tin tới một node R ∈ V.

Định nghĩa một cắt giữa S và R là một tập các biên lược đồ mà sự di

chuyển của chúng làm sẽ ngắt kết nối giữa S và R. Một cắt nhỏ nhất (Min –

Cut) là một cắt với giá trị nhỏ nhất. Giá trị của cắt là tổng dung lượng của các

biên trong cắt.

Đối với các biên dung lượng đơn vị, giá trị của một cắt bằng với số biên

trong cắt, và nó thỉnh thoảng được gọi là kích thước của cắt. Chú ý rằng, tồn tại

một giá trị cắt nhỏ nhất duy nhất, và có thể có một số cắt nhỏ nhất, chỉ ra ở hình

2.4.

Hình 2.4 Kết nối đơn hướng trong một mạng với các biên dung lượng đơn vị

Kết luận cơ bản của lý thuyết cắt tối thiểu - luồng tối đa là tốc độ thông tin

lớn nhất gửi từ S tới R bằng với giá trị cắt tối thiểu. Hay nói cách khác nếu giá

trị cắt tối thiểu bằng h thì tốc độ thông tin được gửi từ S tới R cũng bằng h. Do

đó, sẽ tồn tại h đường biên gấp khúc giữa S và R. Từ hình 2.4 ta có thể dễ dàng

kết luận rằng giá trị cắt tối thiểu từ mạng này là 3, do đó tồn tại 3 đường gấp

khúc giữa S và R để phân phối các ký hiệu x1 , x2 , x3 tới R.

Điều này được phát biểu thành định lý như sau:

Định lý 2.1: Xét một lược đồ G = (V, E) với các biên dung lượng đơn vị,

một đỉnh nguồn S, và một đỉnh nhận R. Nếu cắt tối thiểu giữa S và R bằng h, thì

thông tin có thể được truyền từ S tới R tại một tốc độ tối đa là h. Điều này

tương đương với sẽ tồn tại chính xác h đường biên gấp khúc giữa S và R.

Chứng minh: Giả sử rằng giá trị cắt tối thiểu giữa S và R bằng h. Rõ ràng,

không thể tìm thấy nhiều hơn h đường biên gấp khúc, mà khi gỡ bỏ h biên này

sẽ không làm ngắt kết nối giữa nguồn và đích. Chúng ta chứng minh hướng

ngược lại sử dụng thuật toán bổ sung đường. Thuật toán này diễn ra trong h

bước, trong mỗi bước tìm thêm một đường tốc độ đơn vị từ node nguồn tới node

đích.

Cho puve là một biến chỉ báo liên quan tới một biên e mà kết nối đỉnh u ∈V

tới đỉnh v ∈V (có thể có nhiều biên kết nối u và v)

Bước 0: Khởi đầu, thiết lập puve = 0 cho tất cả các biên e ∈ E.

Bước 1: Tìm một đường P1 từ S tới R, P1 = { v01=S , v1

1 , v21 ,…, vl1

1= R}, trong

đó l1 là độ dài của đường, và thiết lập pv i1 v i+1

1

e = 1, 0≤ i < l1, sử dụng một biên giữa

chuỗi liên tiếp các cặp node. Ký hiệu pv i1 v i+1

1

e = 1 chỉ ra rằng biên e vừa được sử

dụng theo hướng từ v i1 tới v i+1

1 .

Bước k: ( 2≤ k ≤ h¿ Tìm một đường Pk = { v0k=S , v1

k , v2k ,…, v lk

k=R } của độ dài lk

để thỏa mãn các điều kiện sau:

Có tồn tại biên e giữa v ik, v i+1

k , 0≤ i < lk mà:

pv ik vi+1

k

e = 1 hoặc pv ik vi+1

k

e = 0 (2.1)

Điều kiện (2.1) có nghĩa là mỗi đường mới tìm thấy sử dụng chỉ các biên

hoặc chưa được sử dụng hoặc được sử dụng theo hướng ngược lại so với các

đường trước đó.

Chú ý rằng mỗi bước của thuật toán làm tăng số đường biên gấp khúc kết

nối từ nguồn tới node nhận lên 1, do đó tại bước cuối cùng k chúng ta xác định

được k đường biên gấp khúc.

Để chứng minh thuật toán làm việc đúng đắn, cần chứng tỏ tại mỗi bước k,

với 1≤ k ≤ h , sẽ tồn tại một đường mà các biên của nó thỏa mãn các điều kiện

(2.1). Chúng ta sẽ chứng minh điều này bằng phép phủ định.

(a) Giả sử rằng cắt tối thiếu tới node nhận là h, nhưng tại bước k ≤ h không

thể tìm thấy một đường thỏa mãn (2.1).

(b) Xử lý đệ quy, ta sẽ tạo ra một tập con V các đỉnh của V. Khởi tạo

V={S }. Nếu cho một đỉnh v ∈ V, sẽ tồn tại một biên kết nối v và S và thỏa mãn

điều kiện (2.1), chứng tỏ v ∈ V . Tiếp tục thêm vào V các đỉnh v ∈ V sao cho với

một u ∈ V sẽ tồn tại một biên nối giữa u và v thỏa mãn điều kiện (2.1) (tức là,

puve =0 ho ặ c puv

e =1) cho tới khi không còn đỉnh nào có thể thêm vào.

(c) Theo giả thiết ở (1), ta biết rằng V không chứa node nhận R, nếu không

đã tìm được đường mong muốn. Do đó, node nhận thuộc về tập V = V \ V . Giả

sử tập ϑV = {e|e = (u,v) ∈ E với u ∈V ,v ∈ V }, có nghĩa là tập tất cả các biên e

kết nối V và V . Các biên này tạo thành một cắt. Với cách xây dựng V thì điều

kiện puve =0 và puv

e =1 thõa mãn cho tất cả các biên e ∈ ϑV . Nhưng từ (a),

∑eϵ ϑ V

puve ≤ k−1, do đó tồn tại một cắt có giá trị nhất k-1< h, điều này mâu thuẩn với

giả thiết của định lý.

Từ những luận điểm ở trên, rút ra được kết luận về mã hóa mạng như sau:

Với một lược đồ có hướng không tuần hoàn G = ( V, E) có các biên dung

lượng đơn vị, h nguồn tốc độ đơn vị được đặt trên đỉnh của lược đồ và N node

nhận. Giả sử rằng giá trị cắt tối thiểu tại mỗi node nhận là h. Thì tồn tại một cơ

chế truyền dẫn đa hướng qua trường hữu hạn đủ lớn Fq, trong đó các node

mạng trung gian kết hợp tuyến tính các ký hiệu thông tin đến qua Fq, và phân

phối đồng thời thông tin từ các node này tới mỗi node nhận tại một tốc độ đúng

bằng h.

Từ lý thuyết cắt tối thiểu - luồng tối đa, suy ra rằng tồn tại chính xác h

đường biên gấp khúc giữa các nguồn và mỗi node nhận. Những lý thuyết truyền

thống cho rằng các node nhận sẽ phải chia sẽ các tài nguyên mạng (tức là, chia

sẽ dung lượng biên chồng phủ hoặc chia sẽ truy nhập biên tại một thời điểm).

Tuy nhiên, lý thuyết mã hóa mạng ở trên cho phép các node mạng trung gian

không chỉ chuyển tiếp mà còn kết hợp các luồng thông tin lại với nhau và mỗi

node nhận sẽ nhận được thông tin tại cùng một tốc độ giống như nó truy nhập

một mình vào mạng.

2.1.3. Mã hóa mạng tuyến tính

Như đã chỉ ra ở các phần trước, khi thực hiện mã hóa mạng có thể kết hợp

các gói tin đến thành một gói mã hóa duy nhất. Mã hóa mạng tuyến tính (LNC)

hoạt động mã hóa diễn ra ở trường có kích thước lớn hơn thay vì các hoạt động

ở trường nhị phân như trước. Do vậy, có thể thực hiện các phép toán phức tạp

hơn khi các gói tin đến tại các node trưng gian. LNC trở thành một trong những

thuật toán mã hóa mạng thành công nhất tạo khi tạo ra dung lượng mạng ở

trường hợp truyền đa hướng với độ phức tạp thấp.

Giả sử rằng mỗi gói tin chứa L bít. Khi các gói tin được kết hợp không có

cùng kích thước, thì các gói tin ngắn hơn được chèn thêm bởi các bít 0. Chúng

ta có thể giải thích s bít liên tục của một gói tin như một ký hiệu trên trường F2,

với mỗi gói tin chứa một vector của L/s ký hiệu. Với mã hóa mạng tuyến tính,

các gói tin đầu ra là sự kết hợp tuyến tính của các gói tin ban đầu, trong đó phép

tính cộng và nhân được thực hiện trên trường F2m.

Hình 2.5 Dạng gói tin NC

Sự kết hợp tuyến tính sẽ không liên kết. Nếu kết hợp tuyến tính các gói tin

có độ dài L, kết quả là gói tin mã hóa cũng có kích thước L. Tóm lại, một gói tin

được mã hóa mang thông tin về một vài gói tin gốc, nhưng trái ngược với sự

liên kết, chỉ tự nó thì không cho phép khôi phục bất kỳ phần nào của gói tin ban

đầu. Điều này có coi mã hóa mạng tuyến tính như một dạng thông tin trải phổ.

2.2.3.1 Quá trình mã hóa

Giả sử rằng một số gói tin ban đầu M 1, M 2,…, M n được tạo bởi một hoặc

một vài nguồn. Trong mã hóa mạng tuyến tính, mỗi gói tin trong mạng liên

quan tới một chuỗi các hệ số g1, g2,…, gn trong F2mvà được tính bằng

(2.2)

Tổng này phải xảy ra tại mọi vị trí ký hiệu, tức là:

(2.3)

trong đó X k và M ik là ký tự thứ k của X và M i tương ứng.

Để đơn giản, giả sử rằn g một gói tin chứa cả hai hệ số g = (g1, g2,…, gn ¿,

được gọi là vector mã hóa và dữ liệu được mã hóa X = ∑i=1

n

g i Mi được gọi là

vector thông tin. Vector mã hóa được sử dụng bởi bên thu để giải mã dữ liệu. Ví

dụ, vector mã hóa e i = ( 0, …0, 1, 0, …0), trong đó bit 1 ở vị trí thứ i nghĩa là

vector thông tin bằng với M i (tức là không được mã hóa).

Ở hình 2.7 ta có thể sử dụng trường là F2 = {0, 1}, một ký hiệu là một bít,

và sự kết hợp tuyến tính được gửi bởi S sau khi nhận M 1 = a và M 2 = b là M 1+

M 2 (dấu cộng ở đây là cộng trong trường F2, tức là XOR).

Đối với các gói tin đã mã hóa, mã hóa có thể được thực hiện theo cách đệ

quy. Xem xét một node mà đã nhận và lưu một tập ( g1, X1), ….,(gm, X m) của các

gói tin được mã hóa, trong đó g j (X j) là vector mã hóa (thông tin) của gói thứ j.

Node này có thể tạo ra một gói tin mã hóa mới ( g', X ') bằng cách chọn một tập

các hệ số h1, …hm và tính toán một kết hợp tuyến tính:

X '= ∑j=1

m

h j X j (2.4)

Vector mã hóa tương ứng g' không đơn giản bằng với h, do các hệ số liên

quan tới các gói tin ban đầu M 1, …M n ; đối với số học đơn giản chỉ ra rằng

gi'=∑

j=1

m

h j gij. Quá trình này có thể được lặp lại tại một số node trong mạng.

Hình 2.6 Các vector mã hóa cục bộ/toàn cục cho mã hóa mạng tuyến tính

kích thước là 2

Hình 2.7 Mã hóa tuyến tính với trường F2

2.2.3.2 Giải mã

Giả sử một node đã nhận một tập ( g1, X1), ….,(gm, X m). Để khôi phục lại

các gói tin ban đầu, nó cần giải quyết hệ thống { X j=∑i=1

n

gij M i} (trong đó không

biết M i¿. Đây là một hệ thống tuyến tính với m phương trình và n ẩn. Cần phải

có m ≥ n để có cơ hội giải mã toàn bộ dữ liệu, tức là số các gói tin nhận cần ít

nhất bằng với số gói tin ban đầu.

Cụ thể hơn, giải mã yêu cầu giải một tập các phương trình tuyến tính. Trên

thực tế, điều này có thể làm như sau: Một node lưu các vector mã hóa cũng như

các gói tin ban đầu của nó, từng hàng một, tạo nên một ma trận giải mã. Ban

đầu, ma trận này chỉ chứa các gói tin gốc với các vector mã hóa tương ứng. Khi

một gói tin mã hóa tới, nó được chèn vào hàng cuối cùng của ma trận giải mã.

Ma trận của các hệ số được chuyển thành ma trận bình phương tam giác sử

dụng khử Gaussian. Một gói tin nhận được, được gọi là mới nếu nó làm tăng

hạng của ma trận. Nếu một gói tin không mới nó bị giảm một hàng số 0 bởi

khử Gaussian và bị lờ đi. Ngay khi ma trận có một hàng ở dạng ( e i , X ¿, node

biết rằng gói tin khởi đầu M i bằng với X. Quá trình này được thực hiện cho tới

khi n vector mã hóa độc lập tuyến tính được nhận. Chú ý rằng giải mã không

cần được thực hiện tại tất cả các node của mạng mà chỉ tại node nhận.

2.2. Phân loại mã hóa mạng

Có hai cách tiếp cận chung để áp dụng mã hóa mạng vào các mạng lưới

không dây, đó là mã hóa mạng nội luồng và mã hóa mạng liên luồng. Cả hai

tiếp cận này đều khai thác là ưu thế quảng bá và lắng nghe cơ hội trong các

mạng không dây để giảm các phiên truyền dẫn và cải thiện hiệu năng. Tuy

nhiên, hai phương pháp này có sự khác biệt rõ rệt: Các hệ thống mã hóa mạng

nội luồng kết hợp các gói tin trong cùng một luồng, trong khi các hệ thống

mạng liên luồng kết hợp các gói tin qua nhiều luồng khác nhau.

Chúng ta tập trung vào các khía cạnh hệ thống của giao thức như trao đổi

bản tin điều khiển, quá trình phân phối dữ liệu, và duy trì trạng thái node.

2.2.1. Mã hóa mạng nội luồng

Trong hệ thống mạng nội luồng, các gói tin được phân phối trong các

khối. Mỗi node chuyển tiếp các gói tin mã hóa được tạo ra từ chính các gói tin

trong khối đó. Node nguồn liên tục quảng bá các gói mã hóa của khối hiện tại

cho đến khi node gửi nhận được phản hồi (ACK) từ node đích, lúc này nó mới

tiếp tục truyền các khối tiếp theo.

Các gói tin được chuyển tiếp tới đích thông qua một tập các node trung

gian, được gọi là các node chuyển tiếp (forwarder nodes). Mỗi node chuyển tiếp

các gói tin một cách độc lập tuyến tính, nó lắng nghe và chuyển tiếp các gói tin

mã hóa mới bằng cách kết hợp các gói tin được lưu trong bộ đệm của nó. Khi

node đích nhận đủ các gói tin mã hóa độc lập tuyến tính, node sẽ giải mã bằng

cách giải một hệ thống các phương trình tuyến tính và truyền đơn hướng một

gói ACK tới node nguồn, cho phép node nguồn bắt đầu truyền khối kế tiếp.

Một hệ thống mã hóa nội luồng phải thực hiện các quá trình như sau: Lựa

chọn node chuyển tiếp và gán tốc độ, chuyển tiếp gói dữ liệu, và phân phối

ACK.

2.3.1.1 Lựa chọn node chuyển tiếp và gán tốc độ:

Bước này xác định tập node chuyển tiếp và tốc độ khi mỗi node chuyển

tiếp truyền các gói tin mã hóa. Việc lựa chọn tối ưu các node chuyển tiếp và gán

tốc độ phải xem xét tới một vài yếu tố, bao gồm quan hệ khoảng cách của mỗi

node tới nguồn và các đích, nhiễu giữa các node. Các giao thức mã hóa nội

luồng đang tồn tại sử dụng một tiếp cận tập trung, trong đó việc tính toán dựa

trên lược đồ trạng thái liên kết được duy trì tại mỗi node như trong giao thức

định tuyến trạng thái liên kết. Thông thường, có một nguồn thực hiện tính toán

tập trung sẽ tập hợp các node chuyển tiếp và gán tốc độ rồi quảng bá thông tin

này tới các node mang các gói dữ liệu.

2.3.1.2 Chuyển tiếp gói tin dữ liệu:

Các node chuyển tiếp và node đích duy trì bộ đệm dành cho các gói tin

độc lập tuyến tính mà chúng lắng nghe được. Mỗi node chuyển tiếp quảng bá

những gói mã hóa được tạo từ sự kết hợp tuyến tính ngẫu nhiên giữa các gói tin

có trong bộ đệm của nó tại một tốc độ được gán trước. Khi node đích có đủ các

gói tin mã hóa độc lập tuyến tính, nó giải mã một hệ thống các công thức tuyến

tính, và khởi tạo quá trình ACK.

2.3.1.3 Phân phối ACK:

Gói ACK được phân phối từ đích tới nguồn trên đường có chất lượng tốt

nhất sử dụng các giao thức định tuyến đơn đường truyền thống. Phân phối ổn

định và đúng thời gian của ACK là rất quan trọng để đảm bảo rằng nguồn

chuyển tới khối tiếp theo nhanh chóng. Do vậy gói ACK có mức ưu tiên lớn.

2.2.2. Mã hóa mạng liên luồng

Mã hóa mạng liên luồng khai thác lắng nghe cơ hội và quảng bá vô tuyến

với mã hóa cơ hội tại các node trung gian. Ý tưởng chính là khi một node có

một tập gói tin từ các luồng khác nhau muốn tới các node chặng kế tiếp khác

nhau, thay vì truyền đơn hướng gói tin riêng lẽ tới các node chặng kế tiếp tương

ứng thì node này kết hợp chúng lại và quảng bá gói tin kết hợp này một lần cho

tất cả các node chặng kế tiếp. Do đó, mã hóa mạng liên luồng thay các phiên

truyền đơn hướng riêng lẻ chỉ bằng một phiên truyền.

Hình 2.8 Mã hóa mạng liên luồng

Như chỉ ra ở hình trên, khi node B và node C nghe được gói p1 và p2

tương ứng, lúc này node A có thể quảng bá gói p1⊕p2, điều này sẽ cho phép cả

node B và C thu được gói tin mong muốn.

Một hệ thống mã hóa mạng liên luồng nhìn chung chứa các thành phần

sau: Khám phá các cơ hội mã hóa, truyền dẫn các gói tin mã hóa, và định tuyến

tích hợp để tăng các cơ hội mã hóa.

2.3.2.1 Khám phá các cơ hội mã hóa:

Một node có cơ hội mã hóa khi các gói tin đến node đó có thể mã hóa cùng

nhau để truyền dẫn trong đó điều kiện giải mã được thỏa mãn. Dựa trên kiến

thức về các cơ hội mã hóa, có thể phân loại các giao thức mã hóa liên luồng

thành các giao thức mã hóa cục bộ (chỉ các lân cận một chặng của một node

được xem xét khả năng có cơ hội mã hóa) và các giao thức mã hóa toàn cục (tất

cả các node trong mạng được xem xét tới).

Trong các giao thức mã hóa cục bộ, mỗi node định kỳ báo cáo trạng thái

bộ đệm nó tới các lân cận thông qua quảng bá cục bộ. Để giải quyết việc mất

mát các báo cáo này, chất lượng liên kết cũng được sử dụng để dự đoán liệu một

lân cận đã nhận một gói tin hay chưa. Ví dụ, nếu lân cận của một node có chất

lượng liên kết rất tốt tới chặng trước của gói, thì node này có thể suy luận rằng

lân cận này cũng nhận gói tin với độ tin cậy cao. Trong các giao thức mã hóa

toàn cục (như DCAR ), mỗi node giữ đường đi của tất cả các node khác trong

mạng mà có thể nghe được gói tin bằng cách duy trì một tập node lân cận của

tất cả các node trên đường đi của gói tin. Để tạo ra được điều này, giao thức này

nảy sinh một phương pháp tràn lụt theo yêu cầu của quá trình khám phá tuyến.

2.3.2.2 Truyền dẫn các gói tin mã hóa:

Để đảm bảo tin cậy giống như độ tin cậy lớp liên kết 802.11, một node đòi

hỏi một gói tin mã hóa sẽ được nhận bởi tất các chặng kế tiếp dự kiến. Tuy

nhiên, quảng bá 802.11 thiếu sự tin cậy của truyền thông đơn hướng. Để giải

quyết vấn đề này, một công nghệ giả quảng bá được sử dụng rộng rãi. Gói tin sẽ

được truyền dẫn nhiều lần cho đến khi lớp MAC node nhận chỉ định nhận gói

tin và hồi đáp lại. Việc truyền dẫn nhiều lần cũng cho phép các node chặng kế

tiếp khác có nhiều cơ hội hơn để nhận gói tin. Để đảm bảo độ tin cậy một cách

tốt nhất, các node chặng kế tiếp khác cũng được yêu cầu hồi đáp, điều này được

thực hiện bằng cách gửi ACK trên các gói quảng bá. Nếu ACK của một số node

chặng kế tiếp không được nhận sau một khoảng thời gian, node gửi sẽ truyền lại

gói tin cho những node này bằng cách gửi chúng riêng rẽ hoặc mã hóa chúng lại

với nhau.

2.3.2.3 Định tuyến tích hợp:

Một giao thức mã hóa liên luồng có thể được thiết kế độc lập với các giao

thức định tuyến, trong đó các cơ hội mã hóa phát sinh từ các giao điểm đường

ngẫu nhiên. Sự mở rộng cơ bản để cải thiện thêm hiệu năng là thiết kế các giao

thức định tuyến dựa trên mã hóa, để các đường được lựa chọn có tối đa ưu điểm

của mã hóa. Những giao thức định tuyến dựa trên mã hóa được thực hiện với

các metric nhận biết mã hóa mới, điều này sẽ làm giảm chi phí của các liên kết

cho phép mã hóa. Sự lựa chọn tuyến tối ưu dựa trên các metric này có thể được

thực hiện theo kiểu tập trung hoặc phân tán. Ví dụ, trong DCAR, tập hợp metric

và lựa chọn đường theo giống các bước của các giao thức định tuyến nguồn

truyền thống, ngoại trừ mỗi node cũng xem xét các cơ hội mã hóa khi các

metric đường đang tính toán. Còn theo kiểu tập trung, sử dụng tiếp cận giống

như định tuyến trạng thái liên kết tập trung, trong đó mỗi node tràn lụt các

metric liên kết nhận biết mã hóa của nó và thông tin luồng cục bộ trong mạng.

Node nguồn sau đó tính toán các đường tối ưu dựa trên thông tin mạng đầy đủ.

2.3. Ảnh hưởng của chất lượng kênh vô tuyến tới mã hóa mạng

Từ khía cạnh một lớp cao hơn, gói tin mã hóa mang nhiều truyền dẫn đơn

hướng. Tại mỗi node đích sẽ lấy ra thông tin khác nhau từ các gói kết hợp. Tuy

nhiên, chuyển tiếp nên đảm bảo một sự quảng bá tin cậy gói tin kết hợp tới tất

cả các đích. Rõ ràng, nếu các điều kiện tức thời là giống nhau cho tất cả các liên

kết giữa chuyển tiếp và các đíchthì chiến lược lập lịch tốt nhất là kết hợp nhiều

nhất các gói tin có thể từ các node thành gói tin mạng được mã hóa. Tuy nhiên,

trong thực tế các liên kết giữa chuyển tiếp và các đích là không đồng nhất, nghĩa

là các liên kết khác nhau có thể có các điều kiện điều kiện liên kết tức thời khác

nhau do phadinh thay đổi theo thời gian. Để tận dụng ưu điểm của nhiều liên kết

phading như vậy, các chuyển tiếp nên áp dụng lập biểu cơ hội và truyền gói tin

tới các node mà có tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tức thời tốt hơn. Trong

trường hợp truyền thông đơn hướng thì node đích đơn lẻ được lựa chọn cơ hội

theo SNR tức thời để cho độ lợi thông lượng thu được trong điều kiện tốc độ dữ

liệu luôn được đáp ứng ở mức cao nhất. Ngược lại, nếu một gói tin cần được

quảng bá tới một nhóm node, thì tốc độ dữ liệu mà gói tin được truyền nên được

lựa chọn theo người dùng với SNR xấu nhất để đảm bảo quảng bá tin cậy.

Rõ ràng, khi cả hai cơ chế lập biểu cơ hội và mã hóa mạng được áp dụng,

hai cơ chế đối ngược sẽ tác động tới toàn bộ thông lượng mạng. Một mặt, bằng

cách kết hợp các gói tin từ nhiều node thành một gói tin mã hóa mạng làm tăng

toàn bộ thông lượng. Mặt khác, chuyển tiếp sẽ gửi các gói tin kết hợp tại tốc độ

của SNR tồi nhất giữa các đích dự kiến., điều này làm tăng độ tin cậy trong các

phiên quảng bá. Do đó, có một sự cân bằng giữa ảnh hưởng của mã hóa mạng

và tốc độ thích ứng cho truyền dẫn quảng bá.

2.3.1. Chọn nhóm

Trong phần này, sẽ xem xét quá trình xử lý của một node chuyển tiếp sau

khi nó đã tập hợp các gói tin để thực hiện mã hóa và xem xét trường hợp mà mã

hóa mạng áp dụng một nhóm node. Chúng ta gọi nhóm này là nhóm mã hóa

mạng. Nhóm này chứa một node chuyển tiếp và N node nhận, và thỏa mãn 3

điều kiện sau:

o Tất cả N nút thuộc phạm vi truyền thông của nút chuyển tiếp để

truyền dẫn quảng bá tiếp cận được N nút.

o Node chuyển tiếp có các gói tin để chuyển tiếp tới tất cả N nút nhận

trong nhóm.

o Mỗi nút nhận có các gói tin được chuyển tiếp bởi nút chuyển tiếp tới

N-1 node nhận khác.

Chúng ta gọi N là kích cỡ của nhóm mã hóa mạng. Ví dụ như nhóm mã

hóa mạng với N = 2 thì có 3 node mạng với luồng lưu lượng 2 chiều

Hình 2.9 N =2, luồng lưu lượng đơn hướng

Giả sử node A và C không thuộc phạm vi truyền thông của nhau, nhưng

chúng nằm trong phạm vi truyền thông của B. Node A có luồng lưu lượng được

hướng đến node C thông qua node B và ngược lại, node C có luồng lưu lượng

hướng tới A thông qua B. Sau khi B tập hợp các gói tin được chuyển tiếp từ A

và C, cả 3 điều kiện trên có thể thỏa mãn. Do đó, node B có các gói tin được

chuyển tiếp tới cả 2 node, và node A (C) có thể có thông tin về các gói tin được

chuyển tiếp từ node B tới node C (A) khi các gói tin này được tạo ra bởi node A

(C). Lúc này, một nhóm mã hóa mạng được tạo ra, trong đó A và C là các node

nhận, còn B là node chuyển tiếp. Chú ý rằng, mỗi node nhận cần biết các gói tin

được chứa trong gói tin mã hóa để khôi phục lại các gói tin mong muốn. Trong

việc này, chúng ta giả sử rằng thông tin này sẵn có trong mỗi node nhận. Nhóm

mã hóa mạng với N >2 có thể được tạo ra khi mỗi node có thể lắng nghe các gói

tin được truyền dẫn bởi các node khác. Hình 2.10 chỉ ra một ví dụ, trong đó có 5

node từ A tới E.

Hình 2.10 Một ví dụ về tạo một nhóm mạng mã hóa với N =3

Ở đây, có gói tin P1 được chuyển tiếp từ A tới C, P2 từ C tới A, P3 từ E tới

D. Giả sử rằng mỗi node thuộc phạm vi truyền thông của mỗi lân cận, ví dụ,

node A ở trong giải truyền thông của các node B, C, và E. Đầu tiên, mỗi node

chuyển tiếp gói tin tới chuyển tiếp B. Khi mỗi gói tin được nhận tại B, không

chỉ các node nhận dự kiến (tất nhiên có node B) mà còn các lân cận của mỗi

node đang truyền dẫn nhận gói tin và lưu nó trong hàng đợi. Do đó, sau mỗi

truyền dẫn tới node B, các node có trạng thái hàng đợi như hình vẽ (mỗi node

cũng đặt chính gói tin của nó trong hàng đợi). Ở đây, có thể thấy rằng node B và

các node nhận A, C, D thỏa mãn cả 3 điều kiện để tạo thành một nhóm mạng

mã hóa. Do vậy, đây là một ví dụ với nhóm mạng là 3.

2.3.2. Mã hóa cơ hội

Xét một nhóm mạng mã hóa kích thước N. Giả sử rằng gói tin được

chuyển tiếp tới node n (1 ≤ n ≤ N) có độ dài vô hạn bn=(bn [1 ] , bn [ 2 ] , …) trong đó

bn [ l ]∈ {0 ,1 }. Với mã hóa mạng dựa trên XOR, sử dụng dữ liệu của tất cả các node

N. Gói XOR được tạo bởi:

bXOR=∑n=1

N

bn (2.5)

Trong đó, phép cộng là phép đảo bít XOR. Sau đó, node chuyển tiếp quảng

bá gói XOR này tới tất cả N node với điều chế/ mã hóa được áp dụng để thu

được chuỗi ký tự truyền dẫn x XOR=(x¿¿ B [1 ] , xB [2 ] , …)¿, trong đó xB [ m ] là ký tự

phức thứ m được truyền dẫn bởi node chuyển tiếp. Các ký tự được nhận bởi

node n, trong đó ký tự nhận m có thể được viết như:

rn [ m ]=hn xXOR [ m ]+zn[m ] (2.6)

Trong đó, giá trị zn[m ] là nhiễu Gausse trắng cộng phức tại node n với biến.

Từ tín hiệu nhận, node n giải mã gói XOR bXOR với giải điều chế/giải mã phù

hợp. Sau đó, nó trích dữ liệu mong muốn bởi phép XOR bởi dữ liệu đã biết

hướng tới node khác

bn=¿ bXOR⊕ ∑k=1 ,k ≠ n

N

bk (2.7)

Trong đó, phép cộng là phép XOR đảo bít một lần nữa.

Với mã hóa mạng như trên, tốc độ dữ liệu có thể được thích ứng khi node

chuyển tiếp quảng bá gói dữ liệu XOR tới các node nhận. Tuy nhiên, khi đây là

một truyền dẫn quảng bá, node chuyển tiếp phải chọn một tốc độ dữ liệu (tức là,

mức AMC) để truyền dẫn dữ liệu mặc dù các node khác nhau có thể có độ lợi

kênh tức thời khác nhau. Nếu chúng ta cố gắng tối đa độ lợi từ mã hóa mạng,

node chuyển tiếp sẽ kết hợp tất cả N gói tin thành một gói quảng bá. Trong

trường hợp này tốc độ truyền dẫn nên được chọn theo min1 ≤n≤ N

{γn } để đảm bảo

quảng bá tin cậy.

Tuy nhiên, có một sự khác biệt quan trọng giữa quảng bá trong mã hóa

mạng với quảng bá thông thường. Trong khi, quảng bá thông thường cố gắng

gửi cùng thông tin tới tất cả các node nhận, thì gói tin được truyền dẫn bởi node

chuyển tiếp trong mã hóa mạng chứa dữ liệu đơn hướng được chuyển tiếp bởi

các node khác nhau. Do đó, node chuyển tiếp trong nhóm mã hóa mạng với kích

thước N không phải luôn luôn chuyển tiếp các gói tin tới tất cả N node, thay vào

đó nó có thể có cơ hội chọn một tập node con trong số N node. Do đó, khi nhóm

mã hóa mạng với kích thước N, node chuyển tiếp đầu tiên chọn tốc độ dữ liệu

quảng bá theo node thứ k có SNR tức thời xấu nhất trong N node. Do đó, tốc độ

truyền dẫn quảng bá được chọn là:

Rb=B log2(1+γ k) (2.8)

Trong đó, γ klà SNR tức thời nhỏ nhất thứ k. Node chuyển tiếp thực hiện

XOR cho các gói tin của N-k+1 node mà có SNR tức thời cao hơn hoặc bằng

SNR tức thời nhỏ nhất thứ k. Chúng ta gọi tham số k là mức của lập biểu cho

nhóm mã hóa mạng. Trong trường hợp này, dung lượng trung bình trên đơn vị

băng thông [bits/sec/Hz] của mức lập biểu k có thể được tính như sau:

C instk = (N−k+1 ) log2(1+γ k) (2.9)

Để tối đa dung lượng trung bình, node chuyển tiếp có thể chọn mức k op

theo SNR tức thời thay đổi theo thời gian của N liên kết:

k op=arg maxk

C instk

(2.10)

Đây được gọi là phương pháp lập biểu này như một lập biểu cơ hội cho mã

hóa mạng. Một phương phá nữa là chiến lược lập biểu cố định, trong đó luôn

luôn sử dụng cùng mức k mà không tính đến điều kiện kênh tức thời. Với lập

biểu cố định k = 1, gói XOR luôn luôn chứa dữ liệu tới tất cả N node, và tốc độ

luôn được thích ứng theo điều kiện SNR tồi tất trong nhóm mạng mã hóa. Mặt

khác, lập biểu cố định với k =N, chúng ta lập biểu cho một người dùng duy nhất

có điều kiện liên kết tốt nhất , được chọn cho truyền dẫn và gói tin được truyền

đi mà không cần phép XOR.

2.4. Kết luận chương

Mã hóa mạng là một phạm vi nghiên cứu mới mà có thể có các ứng dụng

thú vị trong các hệ thống mạng thực tế. Với mã hóa mạng, các node trung gian

sẽ gửi ra ngoài các gói tin mà các kết hợp tuyến tính các thông tin được nhận ở

trước. Cách tiếp cận này mang lại hai ưu điểm chính: Khả năng cải thiện thông

lượng và một mức độ cao của sức mạnh.

Nguyên lý cơ bản của mã hóa mạng là các router có thể kết hợp thông tin

được truyền để phân phối nhiều gói tin dữ liệu thông quan chỉ một phiên truyền

duy nhất. Chính xác hơn, các gói tin ban đầu là các gói tin không được mã hóa

mà được khởi tạo bởi node nguồn. Sau đó, các gói tin được mã hóa là sự kết

hợp của các gói tin ban đầu, khi các gói tin mã hóa tới node đích, sẽ diễn ra quá

trình giải mã để thu được các gói tin ban đầu.

Chương 3: MÃ HÓA MẠNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN ADHOC

3.1 Giới thiệu chung

Trong thời gian gần đây, mã hóa mạng (NC) đã thu hút rất nhiều sự quan

tâm nghiên cứu trong hệ thống mạng không dây và có dây. Nói chung, mã hóa

mạng có tiềm năng tạo ra một mạng có độ tin cậy và thông lượng lớn hơn cho

các ứng dụng truyền tin điểm - điểm và đa điểm. Đặc biệt, số lượng gói được

gửi bởi các nút có thể giảm trong một mạng lưới có cấu trúc chuỗi và X. Hơn

nữa, NC có thể giảm công suất tiêu thụ tổng trong một mạng không dây, như

mạng Ad hoc không dây IEEE 802.11, nơi mà công suất truyền lớn hơn công

suất nhận gói. Do vậy, nhiều nghiên cứu đã giải quyết NC trong các hệ thống

không dây. Một số nghiên cứu đã chỉ ra cách mà các gói nên được kết hợp để

đạt được một tỷ lệ phân phối cao trong mạng adhoc theo chuẩn 802.11, hoặc họ

đã đưa ra các cấu trúc mã khác nhau như cấu trúc X ...Tuy nhiên, chúng ta cần

phải xem xét đến môi trường thực tế như sau:

- Các đặc điểm của giao thức MAC cần được xem xét đến: Mã hóa mạng

adhoc theo IEE 802.11 các vấn đề nút ẩn tiếp tục xảy ra.

- Sự tiêu thụ công suất của giao thức mã hóa mạng cần được xét đến: năng

lượng tiêu thụ có thể được tăng bởi các gói overhearing và các gói điều khiển

cho mã hóa mạng.

- Các điều kiện mạng không tương thích với mã hóa mạng cũng cần được

xem xét.

3.2 Những vấn đề liên quan đến mã hóa mạng

Mã hóa mạng lần đầu tiên được giới thiệu bởi tờ báo Ahlswede năm 2000.

Nó cho thấy, với khả năng mã hóa mạng của một mạng đa điểm có thể được

tăng lên so với việc sử dụng một định tuyến riêng kiểu truyền thống. Những

nghiên cứu về mặt lý thuyết cho thấy rằng mã tuyến tính đạt khả năng tốt nhất

nếu kích thước trường hữu hạn của hệ số mã được đặt không dài hơn giới hạn

trên theo lý thuyết. Ho et al. đã đề xuất khái niệm về mã mạng tuyến tính ngẫu

nhiên (RLNC) trong một mạng đa điểm [4]. Trong một nút sử dụng RLNC, một

sự kết hợp tuyến tính của các gói dữ liệu vào với các hệ số mã ngẫu nhiên trong

một trường hữu hạn được chuyển tới các liên kết ra của nó. Nghiên cứu này

cung cấp một khả năng giải mã thành công ở phía đích nếu kích thước trường

hữu hạn thỏa mãn giới hạn trên đã đưa ra. Nhìn chung, mã hóa mạng được sử

dụng trong lớp liên kết đã được phân loại thành hai dạng:

- Mã hóa mạng nội phiên.

- Mã hóa mạng ngoại phiên.

Mã hóa mạng nội phiên được cho phép giữa các gói tin thuộc về các phiên

khác nhau. Rất nhiều các nghiên cứu đã được tiến hành trên mã hóa mạng nội

phiên Trong thực tế, giao thức COPE của Katti và các cộng sự sử dụng mã

mạng XOR và bản chất môi trường truyền sóng không dây để mô tả cơ hội nghe

và mã hóa [9]. Ngoài ra, mã mạng nội phiên bị hạn chế các gói tin thuộc cùng

một phiên. Một vài nghiên cứu đã kiểm tra mã mạng nội phiên trong một mạng

không dây nhằm nâng cao thông lượng mạng hay cung cấp một độ tin cậy cho

mạng [14-18,23]. Trong thực tế, giao thức MORE của Chachulski và các cộng

sự khai thác một cơ hội định tuyến bằng cách sử dụng RLNC trong truyền tải dữ

liệu nhằm cung cấp cho mỗi gói tin được truyền tải một thông tin riêng biệt. Mã

mạng có thể được sử dụng trong lớp vật lý [24,25]. Giao thức PNC của Zhang

và các công sự thực hiện mã mạng trong một mức tín hiệu vô tuyến bằng cách

kết hợp các tín hiệu đã bao gồm biên độ và pha. Tuy nhiên việc truyền tín hiệu

đồng bộ là cần thiết cho hai người gửi để thực hiện PNC[24]. Phần lớn các công

việc từ trước có thể không được quan tâm đến các yếu tố thực tế. Vì vậy, chúng

ta sẽ chỉ ra rằng mã hóa mạng có thể giảm bớt đi các yếu tố tắc nghẽn trong

mạng không dây.

3.3. Mã hóa mạng trong mạng Adhoc

3.3.1 Các bước hoạt động của việc mã hóa mạng

Hãy tiến hành xem xét một mạng không dây multi-hop cố định, sử dụng

giao thức định tuyến AODV. Đối với các cấu trúc mã, chúng ta xem xét cấu trúc

X nơi mà có N dòng được giao nhau tại nút hội tụ. Tất cả các chức năng của NC

được thực hiện ở lớp mã hóa mạng (NC layer), lớp này nằm giữa lớp mạng và

lớp liên kết. Hình 3.1 cho chúng ta thấy các bước hoạt động của NC, và chi tiết

của nó như sau:

Hình 3.1: Hoạt động của NCa. Sự chuẩn bị và tập trung thông tin của NC; b. Mã hóa mạng dữ liệu

chuyển tiếp; c. Giải mã và truyền ACK3.3.1.1 Sự chuẩn bị và thu thập thông tin của NC:

Trước tiên, trong thủ tục định tuyến, một nút NC được thiết lập bao gồm

một nút hội tụ, nút quảng bá, và nút nghe lén. Điều kiện để thiết lập nút NC là

mỗi dòng được giao nhau tại nút hội tụ, và nút nghe lén có khả năng nghe từ các

nút quảng bá của dòng mã. Ví dụ, theo hình 3.2, nếu N = 2, các dòng 1 và 2

được giao nhau tại nút hội tụ, nút O1 có khả năng nghe các gói dữ liệu từ nút

B2, và O2 là nút có khả năng nghe các gói dữ liệu từ nút B1.

Hình 3.2

Nếu những điều kiện trên thỏa mãn, nút giao nhau sẽ gửi một gói điều kiển

tới tất cả các nút nghe lén cũng như nút quảng bá. Khi nhận được nút điều khiển

từ nút giao nhau, các nút sẽ thực hiện vai trò như được chỉ ra theo bảng 1.

Bảng 3.1: Định nghĩa một số thuật ngữ sử dụng

Thứ tự Mô tả

Dòng mã Các dòng được mã hóa cùng nhau tại một điểm giao

cắt.

Nút giao cắt (C) Nút mã hóa các gói dữ liệu của các dòng mã

Nút quảng bá (B) Phần tử trước one-hop của nút chéo. Nút mà quảng bá

các gói dữ liệu được nhận bởi các nút giao cắt và nút

nghe lén.

Nút nghe lén (O) Phần tử tiếp theo của nút giao cắt. Nút mà nghe lén

các gói dữ liệu từ nút quảng bá và nhận các gói dữ

liệu từ các nút giao cắt.

3.3.1.2 Mã hóa mạng và chuyển tiếp dữ liệu:

Khi nhận được dữ liệu từ các nút quảng bá, các nút hội tụ sẽ chuyển tất cả

các gói nhận được tới bộ đệm mã hóa. Để cho phép các nút nghe lén giải mã các

gói dữ liệu nhận được, các nút giao cắt phải mã hóa gói tin tại các dòng mã. Lưu

ý rằng, hầu hết các nghiên cứu khác đã sử dụng một phương pháp mã hóa thời

điểm, bởi vì phát sinh trễ khi đệm các gói tin. Tuy nhiên, sự chậm trễ nêu trên là

chấp nhận được, bởi vì điều chúng ta quan tâm là có thể giảm tối đa bao nhiêu

gói dữ liệu để thực hiện truyền đi.

3.3.1.3 Giải mã và truyền ACK:

Nút nghe lén nhận được tất cả các gói dữ liệu cần thiết từ nút quảng bá và

nút hội tụ sẽ giải mã chúng và chuyển tiếp sang nút tiếp theo. Nút nghe lén cũng

đồng thời truyền đi gói ACK tới nút hội tụ. Gói ACK này bao gồm một thông

điệp cho biết việc giải mã đã được thực hiện ở nút nghe lén. Nếu nút hội tụ

không nhận được ACK trong một quãng thời gian nhất định, nó sẽ truyền lại

một gói dữ liệu được mã hóa mới. Nếu cả hai nút đều là một nút nghe lén hoặc

nút đích, thì một gói riêng sẽ được gửi tới lớp trên.

Trong giao thức mã hóa mạng các nút quảng bá dữ liệu đã sử dụng

chương trình yêu cầu để gửi / xóa để gửi (NC – RTS/CTS) để tiết kiệm công

suất thu và làm giảm bớt các vấn đề về nút ẩn. Vì vậy, trong yêu cầu sắp xếp

NC-RTS/CTS, gói RTS có thông tin mở rộng như địa chỉ nghe lén cho biết nút

nào nên nghe lén những gói đó. Khi các node quảng bá gửi các gói, vùng địa chỉ

nhận được cài đặt là địa chỉ hội tụ, và vùng địa chỉ nghe lỏm được cài đặt là địa

chỉ của node mà nêm nghe lỏm nhưng gói đó. Khi những node hội tụ gửi các

gói, vùng địa chỉ nhận được cài đặt là một trong các địa chỉ node nghe lỏm và

vùng địa chỉ nghe lỏm được cài tới địa chỉ khác. Phần mào đầu của RTS mở

rộng là không quan trọng vì chỉ 2 hoặc 3 luồng có thể được chọn cho thiết lập

nút mã hóa mạng, kết quả 1 phần mào đầu nhỏ của chỉ 6 – 12 bytes. Do đó, một

node không được chỉ định là một node nghe lỏm có thể không hoạt động, do đó

tiết kiệm năng lượng.

3.3.2 Các yêu tố gây trở ngại, ảnh hưởng tới tăng ích mã hóa mạng (NC)

Trong phần này, chúng ta hướng tới các yếu tố gây ảnh hưởng tới tăng ích

NC. Để nhận biết được các yếu tố gây trở ngại, ta xét các đặc tính của giao thức

MAC; overhead phụ thuộc vào NC, như là công suất tiêu thụ của việc lắng nghe

và phát các gói điều khiển NC; và các điều kiện mạng không phù hợp với NC,

như là các luồng bất đối xưng và các cấu trúc mã hóa khan hiếm.

3.3.2.1 Vấn đề các node ẩn:

Khi có nhiều node gửi gói tin tới các node hội tụ tồn tại trong mạng phân

bố, mà chúng không nằm trong dải cảm nhận sóng mang của node khác, trường

hợp này có thể dẫn tới hậu quả là vấn đề node ẩn cổ. Vấn đề node ẩn có thể

giảm nhẹ bằng trao đổi RTS/CLS trong đặc tả IEEE 802.11. Tuy nhiên, các

nghiên cứu trước đây về việc sử dụng NC ở chế độ hỗn hợp mà ở đó việc trao

đổi RTS/CTS không thể áp dụng được bởi hệ thống NC có các đặc tính phát

quảng bá lớn trong môi trường vô tuyến. Bởi vậy, vấn đề node ẩn lại xuất hiện

trong mạng vô tuyến đối NC.

3.3.2.2 Tổng công suất phát bởi việc lắng nghe:

Trong nhiều nghiên cứu trước đây về NC, chế độ hỗn hợp được sử dụng để

đạt được việc phát “free-ride” sử dụng phát quảng bá tự nhiên của môi trường

vô tuyến. Trong hệ thống 802.11, một node thường giảm các gói tin địa chỉ cho

nó. Tuy nhiên, một node ở chế độ hỗn hợp có thể lắng nghe từ mọi gói dữ liệu

mà không cần địa chỉ đích. Việc phát “free-ride” có nghĩa là thông tin của nhiều

gói được vận chuyển trên một gói được mã hóa mạng. Tuy nhiên, điều này có

thể dẫn đến việc tiêu thụ công suất không cần thiết trong suốt quá trình nhận gói

tin bởi vì các gói tin mào đầu có thể không sử dụng trong NC. Bởi vậy, việc tiêu

thụ thêm công suất là không thế tránh khỏi.

3.3.2.3 Overhead điều khiển NC:

Nhìn chung, bởi kích thước của gói điều khiển tương đối nhỏ hơn so với

một gói dữ liệu, nên ảnh hưởng của chi phí overhead điều khiển đối với tải hệ

thống là không đáng kể. Tuy nhiên, nó có thể có ảnh hưởng lên công suất tiêu

thụ bởi công suất tiêu thụ các overhead như là truyền và nhận header MAC, trao

đổi RTS/CLS, ACK, và các nhiệm vụ cần thiết không tính đến kích thước tải

truyền đi và nhận về các gói tin. Bởi vậy, việc phát một gói ACK NC có thể có

ảnh hưởng lên tổng công suất tiêu thụ.

3.3.2.4 Các luồng bất đối xứng:

Trong quá trình NC, nhiều hơn hai gói cần thiết cho một gói mã hóa. Tuy

nhiên, nếu tốc độ phát của mỗi luồng khác nhau, tăng ích NC ở node giao nhau

sẽ bị giảm đi. Điều này là do sự bất đối xứng trong tốc độ phát của hai luồng

ngăn cản node giao nhau mã hóa mọi gói từ hai luồng. Hơn nữa, các gói trong

NC cũng có thể chịu trễ bộ đệm không cần thiết. Ví dụ như, nếu tốc độ phát của

luồng A và B lần lượt là 1 và 2 Mbps, NC chỉ có thể thực thi ở tốc độ lưu lượng

1 Mbps. Việc thực thi ở tốc độ 1 Mbps ở luồng B có thể gây nên trễ không

mong muốn ở node giao nhau.

3.3.2.5 Các khả năng mã hóa khan hiếm:

Để đạt được một khả năng mã hóa, cấu trúc mã như là cấu hình chuỗi hay

cấu hình X nên đã tồn tại trong mạng. Trong các cấu hình này, việc phát “free-

ride” có thể đạt được bằng các gói nghe lén. Bởi vậy, số lượng cấu trúc mã tồn

tại trong mạng là quan trọng cho tăng ích NC, và chúng ta định nghĩa tỷ lệ điểm

mã là: . Trong đó Nc và Nt là số node giao nhau và tổng số node của

mạng.

3.4 Đánh giá hiệu năng khi sử dụng mã hóa mạng

Trong phần này, chúng ta phát triển nhiều mặt chất lượng của NC trong

mạng vô tuyến Ad hoc sử dụng mô phỏng OP-NET đây là một công cụ mô

phỏng mạng phổ biến. Để chỉ ra ảnh hưởng lên tăng ích NC của các yếu tố ảnh

hưởng, chúng ta đặt môi trường mô phỏng theo mỗi một yếu tố trong bảng 2.

Trong mô phỏng đó, metric định tuyến được sử dụng cho AODV là các bộ đếm

hop. Chúng ta sử dụng giao thức UDP đối với nguồn lưu lượng. Mỗi luồng cho

vào mạng lưới một thời gian khác nhau với một phân bố chuẩn. Mọi luồng có

tốc độ bit cố định CBR với kích thước gói cố định. Dải phát được đặt là 100 m.

Chúng ta sử dụng mô hình công suất tiêu thụ trong [28] được chỉ ra trong bảng

3. Spk biểu diễn kích thước gói. Mô hình này dựa trên các ước lượng cho một

hệ thống IEEE 802.11 thực. Trong mô phỏng của chúng ta, chúng ta không xét

năng lượng xử lý cho việc mã hóa mạng bởi nó không đáng kể khi so sánh với

công suât tiêu thụ trong thông tin liên lạc [30]. Trong [30], việc mã hóa tiêu thụ

22.15 uW ở 0.4 V, đạt được thông lượng 80 MB/s. Trong bài báo này, chúng ta

định nghĩa hai tăng ích NC là:

Trong đó:

biểu diễn tốc độ sinh ra tải LRR và tốc độ sinh ra công suất PRR.

là tổng tải (bits/s) trong mạng lưới có và không có NC.

là tổng công suất tiêu thụ (W) trong mạng có và không có NC.

Khi các giá trị này ở mức dương, tổng tải và công suất tiêu thụ trong mạng

với NC sẽ thấp hơn giá trị của nó trong hệ thống thông thường. Ngược lại, khi

các giá trị này âm, tổng tải và công suất tiêu thụ trong mạng có NC sẽ lớn hơn

trong hệ thống thông thường.

Bảng 3.2. Môi trường mô phỏng theo từng yếu tố tắc nghẽn .

Yếu tố tắc nghẽn Topology Số các nút

Vấn đề về ẩn nút X topology 5

Điện năng tiêu thụ bởi việc

nghe lén

X topology

Hệ thống topology (200m x200m)

5, 25

NC kiểm soát phí tổn X topology

Hệ thống topology (200m x200m)

5, 25

Các luồng bất đối xứng X topology

Hệ thống topology (200m x200m)

5, 25

Các cơ hội mã hóa hiếm Hệ thống topology (rm x rm,

150< r <420)

16, 25, 36,

49, 64

Bảng 3.3.

μW s/bytes μW s

Truyền dẫn 0:48 SPK +431

Tiếp nhận 0:12 SPK +316

3.4.1. Vấn đề nút ẩn

Để phân tích độ lợi của NC trong một môi trường mà ở đó có các nút ẩn,

chúng tôi sử dụng một mô hình mạng tham chiếu như trong hình 3.3.

Hình 3.3. Cấu hình X đơn giản với vấn đề ẩn nút trong trường hợp cùng

thời gian giữa các gói tin liên tiếp của luồng 1 và 2

Trong nút thiết lập NC của mạng lưới này, các gói tin tiếp nhận và nghe lén

được can thiệp trong các nút O1 và O2 vì có hai nút ẩn (HNS). Bảng 3.4 trình

bày suy hao của LRR trong nút thiết lập NC với các nút ẩn. Tuy nhiên, hệ

thống NC với NC-RTS/CTS có thể duy trì LRR ở mức 24,7%. Các LRR rỗi

trong nút thiết lập NC ở mức 25% vì số lượng các gói tin truyền được giảm 4

đến 3 nhờ NC. Vì thế, phần trên cao của NC-RTS / CTS nhỏ. Từ bảng 3.4, có

thể thấy rằng các vấn đề nút ẩn có ảnh hưởng tiêu cực đến độ lợi NC. Do đó,

một giao thức chuyên NC, chẳng hạn như các chương trình NC-RTS / CTS đề

xuất, là cần thiết để làm giảm bớt các vấn đề nút ẩn với độ lợi NC được duy

trì cố định.

Bảng 3.4. Tỷ lệ giảm tải trong nút thiết lập NC với nút ẩn (LRR rỗi =

25%)

Thời gian chuyển tiếp gói

tin trong các nút ẩn (s)

LRR với vấn đề ẩn

nút (%)

LRR với NC –

RTS/CTS (%)

1 24.34 24.70

0.5 24.19 24.70

0.1 22.14 24.70

0.05 20.00 24.70

0.01 16.14 24.70

3.4.2. Điện năng tiêu thụ bởi nghe lén

Để phân tích điện năng tiêu thụ theo chế độ nghe lén, chúng tôi thiết lập

một mạng mô phỏng như trong hình 3.4.

Hình 3.4. Ví dụ về tiêu thụ điện năng không cần thiết khi NC được áp

dụng.

Trong mô hình mạng mô phỏng, nút thiết lập NC là nơi mà 2 luồng giao

nhau và tồn tại các nút hàng xóm của nó. Nút hàng xóm không liên quan đến

nút thiết lập NC. Do đó, nếu chỉ có chế độ ngẫu nhiên được sử dụng, các nút

hàng xóm tiêu thụ điện năng không cần thiết. Tuy nhiên nếu NC-RTS / CTS

đưa ra được sử dụng, các nút hàng xóm sẽ không tiêu thụ điện năng không cần

thiết bởi vì chỉ có các nút trong nút thiết lập NC hoạt động ở chế độ tiếp nhận.

Hình 3.5 cho thấy mức tiêu thụ điện theo chế độ nghe lén. Các đường cơ sở cho

thấy hệ thống IEEE 802.11 thông thường.

Hình 3.5. Công suất tiêu thụ theo chế độ nghe lén

Trong hình 3.5, trong trường hợp khi chỉ có chế độ ngẫu nhiên, tổng điện

năng tiêu thụ cao hơn trong các hệ thống thông thường. Khi số nút nghe lén là

15, giá trị của PRR là 38,04%. Còn khi NC-RTS / CTS đưa ra được áp dụng

trong hệ thống, PRR của nó là 14,23%. Tuy nhiên, vẫn cần thiết phải sửa đổi hệ

thống IEEE 802.11 thông thường để ứng dụng được NC-RTS / CTS. Để phân

tích điện năng tiêu thụ trong một mạng lưới rộng theo chế độ nghe lén, chúng

tôi thiết lập lưới mạng topo 5x5 nơi mà các nút được phân bố thống nhất ở diện

tích 200m x 200m vuông và tất cả các nút là các nút nguồn. Trong mô hình

mạng này, khoảng cách giữa hai nút liền kề theo chiều dọc và chiều ngang là

50m. Trong mô phỏng, chúng tôi tăng số lượng các nút NC đặt theo cách thủ

công. Với các nút thiết lập NC, 2 luồng được giao nhau tại nút giao. Hình 3.6

cho thấy mức tiêu thụ điện năng trong mạng lưới topology theo chế độ nghe lén.

Nó cũng chỉ ra rằng chế độ ngẫu nhiên có ảnh hưởng tiêu cực đến mạng về điện

năng tiêu thụ.

Hình 3.6. Công suất tiêu thụ theo chế độ nghe lén ( mạng lưới

topology)

3.4.3. Mã hóa mạng kiểm soát phí tổn

Trong phần phân tích hiệu năng này, chúng tôi so sánh độ lợi của NC khi

có và không có gói điều khiển như gói NC ACK trong topo X. Hình 3.7 cho

thấy LRR trong hệ thống kiểm soát chi phí NC tỉ lệ thuận với số luồng cắt nhau

tại nút giao. Có thể thấy phí kiểm soát khá nhỏ trong tổng tải lưu lượng mạng.

Hình 3.7. Tỷ lệ giảm tải trong các hệ thống kiểm soát chi phí NC

(topology X)Hình 3.8 cho thấy tổng mức tiêu thụ điện năng trong các hệ thống kiểm

soát chi phí NC. Trong hình 3.8, khi số lượng các luồng giao nhau tại nút giao

lớn hơn 3, điện năng tiêu thụ của NC rỗi lớn hơn so với đường cơ sở bởi vì số

lượng các nút nghe lén tăng lên theo số lượng luồng giao nhau. Nó cũng chỉ ra

rằng các chi phí kiểm soát có thể ảnh hưởng rất nhiều đến việc giảm PRR, như

đã trình bày trong hình 3.8. Điều này xảy ra bởi vì các chi phí cần thiết để gửi

một gói tin tiêu thụ nhiều điện năng. Vì vậy, để giảm thiểu điện năng tiêu thụ

trong NC, cần thiết phải nghiên cứu một phương thức để bù lại phí tổn của NC,

chẳng hạn như việc truyền tải thông tin vệ tinh của gói kiểm soát. Để phân tích

ảnh hưởng của phí tổn NC trong các mạng lớn, chúng tôi thiết lập lưới mạng

topo 5x5 với cùng một môi trường như mục 3.4.2. Trong mô phỏng, chúng tôi

tăng số nút NC theo cách thủ công.

Hình 3.8. Tổng mức tiêu thụ điện năng trong các hệ thống kiểm soát chi phí NC (topology X).

Hình 3.9 và 3.10 lần lượt cho thấy các LRR và tổng điện năng tiêu thụ

trong hệ thống NC có kiểm soát phí tổn (lưới mạng topology). Nó cũng cho thấy

các ảnh hưởng tiêu cực của việc kiểm soát phí tổn trong mạng không đáng kể

trong tổng tải lưu lượng của mạng. Tuy nhiên việc kiểm soát phí tổn có thể có

tác động xấu trong mạng về điện năng tiêu thụ, thể hiện trong hình 3.10.

Hình 3.9. Tỷ lệ giảm tải trong các hệ thống kiểm soát phí tổn NC (lưới mạng topology).

Hình 3.10. Tổng điện năng tiêu thụ trong hệ thống điều khiển phí tổn NC ( lưới mạng topology).

3.4.4. Các luồng bất đối xứng

Để phân tích độ lợi NC khi tốc độ truyền của mỗi luồng trong thiết lập NC

khác nhau, chúng ta xét một tình huống trong đó thời gian giữa hai gói tin đến:

TI và kích thước gói tin kích thước: SPK, và các luồng đều khác nhau, như

trong hình 3.11.

Hình 3.11. Ví dụ về NC trong trường hợp các luồng bất đối xứng: (a) cùng thời gian đến giữa các gói tin và (b) thời gian đến giữa các gói tin và

kích thước gói khác nhau

Trong trường hợp này, thời gian giữa các gói tin đến của một luồng là TI

và thời gian của luồng khác thay đổi trong phạm vi của 0.25TI đến 4TI. Ngoài

ra, kích thước gói của một luồng là SPK và kích thước gói của luồng thay đổi

trong phạm vi của 0.1SPK đến SPK. Hình 3.12 cho thấy LRR trong trường hợp

2 luồng bất đối xứng giao nhau với TI2/TI1 và SPK2/SPK1 trong topo X, như

trong hình 3.2. TI1 và TI2 lần lượt biểu thị thời gian giữa các gói tin đến của

luồng 1 và 2. SPK1 và SPK2 lần lượt là các kích thước gói tin của luồng 1 và 2.

Hình 3.12. Tỷ lệ giảm tải trong trường hợp các luồng bất đối xứng.

Trong hình 3.12, khi tốc độ truyền của mỗi luồng là khác nhau, LRR giảm

so với khi ở trường hợp rỗi - như đã đề cập trong phần 3.3.2. Vì vậy điều quan

trọng là phải nghiên cứu được ứng dụng của NC. Trong phần phân tích hiệu

năng này, chúng tôi tiến hành mô phỏng với ba tình huống trong mạng lưới

topology 5x5 để phân tích độ lợi của NC trong các mạng lớn. Các mạng lưới

topo có cùng một môi trường như phần 3.4.2. Trong mô phỏng, chúng ta tăng số

nút NC theo cách thủ công. Trong tình huống 1, tất cả các kích thước gói tin

được tạo ra bởi mỗi nút là SPK với thời gian giữa các gói tin đến là TI. Trong

tình huống 2, một nửa số nút trong mạng có kích thước gói tin là SPK và thời

gian giữa các gói tin đến là TI. Các nút còn lại có kích thước gói tin là SPK/2 và

thời gian đến liên tiếp giữa các gói tin là TI. Trong nút thiết lập NC, một luồng

mang 2 giá trị là SPK và TI, và luồng còn lại là với SPK/2 và TI. Trong trường

hợp ở tình huống 3, một nửa số nút trong mạng có kích thước gói tin là SPK và

thời gian giữa các gói tin đến là TI. Các nút còn lại có kích thước gói là SPK và

thời gian giữa các gói đến là TI/2. Trong nút thiết lập NC, một luồng mang 2 giá

trị là với SPK và TI, và luồng còn lại là SPK và TI/2. Hình 3.13 cho thấy LRR

trong mạng lưới topo với các luồng bất đối xứng. Nó cho thấy rằng các luồng

bất đối xứng có tác động xấu đến mạng về lưu lượng tải của mạng.

Hình 3.13.

3.4.5. Cơ hội mã hóa khan hiếm

Trong phần phân tích hiệu năng này, chúng ta so sánh hiệu năng trong các

mạng lưới topology 5x5 và 7x7 lớn. Trong cả hai mạng, các khoảng cách theo

chiều dọc và ngang giữa hai nút liền kề nhau 50 m. Tất cả các nút là nút nguồn,

và chúng chọn ngẫu nhiên bất kỳ nút nào trong mạng là đích. Bảng 3.5 cho thấy

tổng lưu lượng tải trong mạng. LRRs lần lượt bằng 4,12% và 7,01% trong các

mạng lưới topology 5x5 và 7x7. Tuy nhiên, độ lợi NC vẫn nhỏ vì số nút thiết

lập NC trong mạng không đủ. Số lượng các nút giao thiết lập lần lượt là 2 (5x5

lưới mạng topology) và 9 (7x7 lưới mạng topology). Để phân tích độ lợi NC

trong nhiều môi trường hơn, chúng tôi tiến hành mô phỏng với hai tình huống

trong các mạng lưới topo. Trong tình huống 1, số nút thay đổi trong khoảng 16-

64 và kích thước mạng cố định là 200m x 200 m. Trong tình huống 2, số lượng

các nút được cố định là 49 và kích thước mạng là rm x rm với r được thay đổi

trong khoảng 150-420 m. Hình 3.14 cho thấy LRR trong mạng lưới topo với

kích thước mạng cố định. Tăng kích thước mạng đồng nghĩa với việc tăng

khoảng cách giữa các nút lân cận.

Hình 3.14.

Trong hình 3.14, LRR tăng với sự gia tăng số lượng các nút vì cơ hội của

NC có thể được tăng lên. Hình 3.15 cho thấy LRR trong mạng lưới topo với số

nút cố định, LRR tăng cùng với kích thước mạng tăng. Vì số lượng các bước

nhảy giữa nguồn và đích tăng tỉ lệ với sự gia tăng kích thước mạng, cơ hội của

NC cũng có thể được tăng lên.

Hình 3.15.

Tuy nhiên, độ lợi của NC có thể bị giảm đi khi khoảng cách giữa các nút

liền kề quá dài, cụ thể là r lớn hơn 300 m như trong hình 3.15. Trong mô phỏng

này, có thể thấy LRR vẫn nhỏ trong các môi trường khác nhau. Vì vậy, chúng

tôi đánh giá độ lợi dự kiến của NC để nghiên cứu được độ lợi NC khi rỗi có thể

đạt được. Để tạo ra mô hình của độ lợi dự kiến NC, chúng ta giả định rằng tất cả

các luồng có lưu lượng CBR với một gói tin có kích thước cố định, và tất cả các

nút nguồn tạo ra các gói cùng một lúc. Độ lợi dự kiến NC của topo X được định

nghĩa là:

Trong đó EGL và EGP lần lượt là lưu lượng tải dự kiến và tỷ lệ giảm điện

năng. NIF là số luồng cắt nhau tại nút giao nhau. Nflow là số luồng trong mạng, và

là số bước nhảy trung bình cho các luồng trong mạng. PTX và PRX lần lượt

là năng lượng tiêu thụ của các gói tin truyền tải và tiếp nhận. Hình 3.16 cho

thấy độ lợi dự kiến NC trong mạng lưới topo trong đó NIF là 2 và Nflow là 25 và

49. Nhop được đặt thành một giá trị mô phỏng cho mạng lưới topo 5x 5 và 7x 7.

Trục x biểu thị CCP còn trục y cho thấy độ lợi của NC tương ứng. Ví dụ, khi

thiết bị truyền số chéo đạt 40%, độ lợi dự kiến của NC là 20% đối với tải và

12,5% đối với năng lượng tiêu thụ trong trường hợp của mạng lưới topo 5x5.

Hình 3.6.

Trong hình 3.16, NC trong trạng thái rỗi có độ lợi đáng kể nếu đủ số

lượng tập nút NC. Khi định tuyến đường đi ngắn nhất không phụ thuộc vào định

tuyến số liệu được sử dụng trong mạng, các cơ hội mã hóa tiềm năng có thể

giảm đáng kể [31]. Cơ hội mã hóa có liên quan đến số lượng cấu trúc mã hóa

trong mạng. Do đó, cần thiết phải nghiên cứu làm thế nào để tối đa hóa số lượng

cấu trúc mã hóa trong mạng, từ đó cải thiện độ lợi NC trong một mạng lớn

[19,31].

Bảng 3.5. Lưu lượng tải mạng trong mạng lưới topo (bit / s).

Kích thước mạng Đường cơ sở Mạng NC

5x5 Grid 580,608 556,664

7x7 Grid 1,536,192 1,428,444

3.5. Tổng kết

Như vậy, chúng ta đã chỉ ra NC hữu ích thế nào trong mạng không dây và

đánh giá các khía cạnh khác nhau về hiệu năng của NC trong các mạng adhoc

không dây. Như đã thấy từ việc đánh giá hiệu năng, độ lợi thực tế của NC thấp

hơn trên lý thuyết vì yếu tố tắc nghẽn sau:

- Đặc điểm của giao thức MAC: Độ lợi của NC có thể giảm vì các vấn đề nút ẩn

trong giao thức MAC của IEEE 802.11. Để áp dụng NC trong một mạng không

dây, giao thức MAC cần nghe lỏm được gói tin từ các luồng khác. Tuy nhiên,

các giao thức MAC thông thường của IEEE 802.11s không thể giải quyết các

vấn đề nút ẩn với gói nghe lỏm được hỗ trợ.

- Điện năng tiêu thụ phụ bởi giao thức NC: Trong mạng với NC, các gói kiểm

soát bổ sung cần chuẩn bị các thủ tục của NC và thông báo hoàn tất việc giải

mã. Các gói này có thể không đáng kể về mặt lưu lượng tải mạng. Tuy nhiên,

việc gửi các gói kiểm soát dữ liệu có thể tiêu thụ nhiều năng lượng vì phí tổn để

gửi một gói tin tiêu thụ điện năng đáng kể. Hơn nữa, trong việc truyền tải các

gói dữ liệu, năng lượng bổ sung được tiêu thụ vì việc tiếp nhận các gói tin nghe

lỏm cũng tiêu thụ điện năng.

- Điều kiện mạng không thích hợp cho NC: Để đạt được độ lợi của NC trong

một mạng không dây, mạng topo cụ thể nên nằm ở trong mạng. Hơn nữa, độ lợi

tối đa của NC có thể đạt được khi tỷ lệ truyền của từng luồng trong thiết bị NC

bằng nhau. Tuy nhiên, nếu những điều kiện mạng không được thoả mãn thì độ

lợi NC có thể giảm.