Đánh giá hiệu suất một số giao thức định tuyến điển hình cho mạng vô tuyến thông minh tùy biến

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology60 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016
ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỂN HÌNH
CHO MẠNG VÔ TUYẾN THÔNG MINH TÙY BIẾN
Vũ Khánh Quý1, Nguyễn Đình Hân1, Nguyễn Tiến Ban2
1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
2 Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Ngày nhận: 02/5/2016
Ngày sửa chữa: 26/5/2016
Ngày xét duyệt: 15/6/2016
Tóm tắt:
Các mạng vô tuyến thông minh tùy biến ngày càng đóng vai trò quan trọng trong truyền thông vì 
chúng sử dụng tiết kiệm và hiệu quả tài nguyên phổ. Ngoài những khả năng của mạng vô tuyến truyền 
thống, mạng vô tuyến thông minh tùy biến còn có những khả năng đặc biệt để thích nghi với môi trường và 
một số điều kiện ràng buộc trong quá trình hoạt động. Chẳng hạn, khả năng cảm biến khe phổ trống trong 
môi trường vô tuyến biến đổi rất mạnh theo cả không gian và thời gian, khả năng phối hợp hoạt động của 
các nút mạng thứ cấp để giảm thiểu ảnh hưởng tới mạng chính, v.v. Nhiều khả năng mới và nhất là khả 
năng ứng dụng của mạng vô tuyến thông minh tùy biến vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu. Gần đây, các 
giao thức định tuyến cho mạng vô tuyến thông minh tùy biến đã được đề xuất và không ngừng được cải 
tiến. Trong bài báo này, chúng tôi khảo sát và đánh giá hiệu suất hoạt động của một số giao thức định tuyến 
điển hình cho mạng vô tuyến thông minh tùy biến. Chúng tôi cũng so sánh các giao thức được khảo sát 
thông qua những thông số kỹ thuật cơ bản. Kết quả thực nghiệm cùng với phân tích chi tiết trong bài báo 
sẽ cung cấp cơ sở để lựa chọn và sử dụng giao thức định tuyến phù hợp với đặc điểm của mạng vô tuyến 
thông minh tùy biến.
Từ khóa: CRAHN, AODV, DSR.
1. Giới thiệu
Cùng với sự phát triển của mạng vô 
tuyến, các báo cáo mới nhất của FCC (Federal 
Communications Commission) [1] cho thấy chính 
sách đăng ký và phân phối phổ cố định đang trở nên 
không hiệu quả trong hệ thống thông tin vô tuyến 
ngày nay. Phổ tần có thể được sử dụng hiệu quả hơn 
bằng cách cho phép người sử dụng không có giấy 
phép SU (Secondary Users) truy cập và sử dụng 
trong khoảng thời gian người dùng được cấp phép 
PU (Primary Users) không sử dụng. Mạng vô tuyến 
thông minh/nhận thức tùy biến CRAHN (Cognitive 
Radio Ad-Hoc Network) là một tập hợp các thiết bị 
có khả năng hoạt động và chuyển đổi trên các kênh 
(băng tần) khác nhau trong môi trường truy cập phổ 
động dựa trên phương pháp cảm nhận hoạt động các 
băng tần được cấp phép. Dựa trên cảm nhận này, 
các SU sẽ tận dụng cơ hội sử dụng các khe phổ còn 
trống mà không gây ảnh hưởng đến PU. Hình 1, giới 
thiệu kiến trúc mạng vô tuyến thông minh tùy biến.
Hình 1. Kiến trúc mạng CRAHN
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016 Journal of Science and Technology 61
Mặc dù ưu điểm tái sử dụng phổ tần trong 
mạng CRAHN là rất rõ ràng và mang một giá trị 
to lớn cả trong thực tiễn và lý thuyết khi tài nguyên 
phổ tần ngày càng cạn kiệt. Tuy nhiên, việc truyền 
thông trong mạng phải đảm bảo không gây ảnh 
hưởng đến PU. Điều này yêu cầu các thiết bị trong 
mạng phải liên tục giám sát, cảm nhận hoạt động 
của phổ tần.
Trong thực tế, mạng CRAHN được thiết lập 
và hoạt động bằng cách sử dụng các khe phổ trống 
dựa trên dải tần đã được đăng ký và sử dụng bởi các 
PU. Do đó, nhiệm vụ tìm kiếm, lựa chọn và thiết lập 
tuyến đường (kênh, nút mạng) thích hợp để truyền 
dữ liệu từ nút nguồn đến nút đích trong môi trường 
truy cập phổ động là một thách thức cần giải quyết. 
Trong bài báo này, chúng tôi thực hiện khảo 
sát các giao thức định tuyến được đề xuất áp dụng 
cho CRAHN. Phần còn lại của bài viết được tổ chức 
như sau. Trong Mục 2, chúng tôi phân tích vấn đề 
định tuyến trong mạng CRAHN. Mục 3 thực hiện 
đánh giá và phân tích hiệu suất một số giao thức 
định tuyến. Mục 4 là phần kết luận.
2. Định tuyến trong mạng CRAHN
Mạng CRAHN không chứa bất kỳ cơ sở hạ 
tầng cố định hoặc các thực thể trung tâm [2], do vậy, 
các SU phải hợp tác với nhau một cách tùy biến để 
trao đổi và thu nhận các thông tin cần thiết như kiến 
trúc mạng và sự hiện diện của các PU phục vụ cho 
quá trình định tuyến. Như vậy, các giao thức định 
tuyến phải thoả mãn yêu cầu của cả hai kiểu mạng: 
mạng vô tuyến thông minh và mạng vô tuyến tùy 
biến (Xem Hình 2).
Hình 2. Các tiêu chí của giao thức định tuyến trong mạng CRAHN
Vấn đề chính của truyền thông trong mạng 
CRAHN là các SU phải tránh cản trở quá trình 
truyền của PU. Vì vậy, cần thiết lựa chọn tuyến 
đường thỏa mãn cả hai vấn đề, tránh PU và thiết 
lập giao tiếp đầu cuối giữa các SU. Trong [3], một 
lược đồ tránh PU được xen vào trong thủ tục thiết 
lập tuyến đường. Có hai thời điểm quan trọng khi 
SU phải lựa chọn kênh phù hợp: tại thời điểm bắt 
đầu truyền dữ liệu và thời điểm thực hiện sửa tuyến 
đường. Thông tin về kênh thu được từ cơ chế cảm 
biến phổ diễn ra ở lớp vật lý hoặc tại cơ sở dữ liệu 
về phổ được lưu trú tại mỗi nút SU. Đây là một 
thông tin quan trọng để xác định tuyến đường. Một 
số phương pháp cảm biến phổ thông minh tại lớp 
vật lý đã được nghiên cứu trong [3-8].
Các nút di động trong mạng CRAHN sử 
dụng tài nguyên phổ (kênh/tần số) biến đổi theo cả 
hai miền: thời gian và không gian, do đó, yêu cầu 
thông tin cảm biến phổ trả về trong thời gian thực có 
thể là vấn đề đầy thách thức. Như vậy, thủ tục phổ 
động hiệu quả cần được nghiên cứu khi thiết kế các 
giao thức định tuyến cho mạng CRAHN.
Trong môi trường CRAHN, tập các băng tần 
hỗ trợ giữa các nút liên tục thay đổi. Như vậy, xác 
định một số kênh làm kênh điều khiển chung là một 
đòi hỏi cần thực hiện. Bên cạnh đó phải giải quyết 
vấn đề quản lý kênh, thiết kế giao thức định tuyến 
cho CRAHN không nên giả định liên kết hai chiều. 
Các liên kết đơn hướng xảy ra bởi vì các nút khác 
nhau có thể có các vùng truyền khác nhau.
Ngoài các vấn đề nêu trên, một giao thức 
định tuyến cho CRAHN vẫn yêu cầu các tiêu chí 
như giao thức mạng truyền thống. Các yêu cầu này 
bao gồm hiệu suất năng lượng, chất lượng dịch vụ 
(QoS) và đảm bảo an toàn thông tin. Đặc biệt tại các 
nút di động, vấn đề tiết kiệm năng lượng là đặc biệt 
quan trọng. Một nỗ lực để giảm tiêu thụ năng lượng 
các nút sử dụng cơ chế định tuyến theo yêu cầu.
Trong mạng tùy biến di động, hai giao thức 
định tuyến tiêu biểu là AODV và DSR, trong một so 
sánh hiệu suất, AODV phân phối được trên 90% gói 
tin, còn hiệu năng của DSR đạt giá trị cao nhất với 
số lượng nút nhỏ và giảm dần khi kích thước mạng 
tăng lên [9]. Tuy nhiên, các giao thức này có hiệu 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology62 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016
suất thấp khi áp dụng cho mạng CRAHN do môi 
trường mạng có tính động mạnh hơn, xuất phát từ 
các tình huống hoạt động/dừng của PU. 
Do đó, cần đề xuất, nghiên cứu các giao 
thức nhằm thích hợp cho việc định tuyến trong môi 
trường phổ động mạnh của mạng CRAHN. Các 
giao thức được chúng tôi thống kê và đánh giá trong 
Bảng 1.
Bảng 1. Đánh giá một số giao thức đề xuất áp dụng 
trong mạng CRAHN
Giao thức Mục tiêu
SOP[3] và 
DORP[4]
Cải thiện trễ tích lũy, tuy nhiên 
hiệu suất thấp do chưa đề suất 
phương án giảm ảnh hưởng nhiễu 
lên PU.
WHAT[5] Lựa chọn tuyến đường tối ưu 
chính xác hơn do đưa thêm các 
tham số định tuyến.
SEARCH[6] - Là một trong những giao thức 
đầu tiên tiệm cận giải quyết bài 
toán định tuyến trong CRAHN.
- Dùng phương pháp lọc tiên đoán 
Kalman tìm tập hợp tuyến đường, 
kênh nhằm giảm nhiễu đến PU.
CRP[7] - Hạn chế gây nhiễu lên PU do 
đưa thông tin nhiễu vào chi phí 
tìm đường. Đảm bảo quá trình 
truyền thông của các SU sẽ ít gây 
ảnh hưởng nhất đến các PU.
End-To-End 
Protocol[8]
Mô hình hóa và xây dựng các thư 
viện mở rộng để có thể mô phỏng 
hoạt động của CRAHN trên NS2.
3. Đánh giá hiệu năng
Trong phần này, chúng tôi tiến hành phân 
tích và đánh giá hiệu suất của một số giao thức định 
tuyến điển hình, mới được đề xuất áp dụng cho 
mạng CRAHN là SOP [5], CRP [9] và End-to-End 
[10] trên phần mềm mô phỏng mạng NS2.
3.1. Kịch bản mô phỏng
Chúng tôi sử dụng kiến trúc mạng như 
trong Hình 3, hệ thống được bố trí trong vùng 
[1000mx1000m], mỗi tế bào có đường kính 250m; 
vùng phát sóng của mỗi PU là 100m; vùng phát 
sóng của mỗi SU từ 50-100m. Tổng cộng 100 SU 
được bố trí ngẫu nhiên trong toàn vùng và 20 nút 
PU được bố trí tại trung tâm của mỗi tế bào. Chúng 
tôi sử dụng giao thức 802.11b để truyền dữ liệu 
với kích thước mỗi gói tin là 1000 byte tại vận tốc 
11Mbit/giây.
Hình 3. Kiến trúc sử dụng đánh giá hiệu năng
Chúng tôi đánh giá hiệu năng mỗi giao thức 
dựa trên thời gian trễ, thông lượng, độ dài đường 
đi (số chặng) trung bình khi khoảng cách giữa nút 
nguốn và đích thay đổi. Các tham số mô phỏng hệ 
thống được tóm tắt trong Bảng 2.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016 Journal of Science and Technology 63
Bảng 2. Các tham số mô phỏng hệ thống
Tham số Giá trị
Giao thức SOP [5], CRP [9], 
End-to-End [10]
Thời gian mô phỏng 600s
Số nút PU 20
Số nút SU 100
Vùng mô phỏng 1000 m x 1000 m
Tốc độ di chuyển 5 m/s
Các điểm (khoảng cách) 
dừng đo 
50, 100, 150, 200, 
250, 300
Kiểu kết nối TCP
Mô hình di động Ngẫu nhiên
Phần mềm mô phỏng NS 2.34
3.2. Kết quả mô phỏng và phân tích
Hình 4 trình bày các kết quả mô phỏng, 
trong Hình 4a, chúng tôi nhận thấy trễ của End-to-
End thấp khi khoảng cách giữa nút nguồn và nút 
đích ngắn, khi khoảng cách này tăng lên đến 200m, 
trễ của CRP có xu hướng thấp hơn so với hai giao 
thức còn lại.
Hình 4a. Mối quan hệ giữa Trễ trung bình và 
khoảng cách giữa các nút
Hình 4b. Mối quan hệ giữa Thông lượng và
 khoảng cách giữa các nút
Hình 4b thể hiện mối quan hệ giữa thông 
lượng của tuyến và khoảng cách giữa hai nút nguồn 
và đích trong mạng CRAHN, kết quả mô phỏng 
cho thấy, SOP cho thông lượng cao nhất khi khoảng 
cách giữa nút nguồn và đích thấp hơn 150m, khi 
khoảng cách này tăng lên, End-to-End có xu hướng 
cho kết quả thông lượng tốt hơn hai giao thức còn 
lại.
Hình 4c. Mối quan hệ giữa Trễ trung bình và 
khoảng cách giữa các nút
Hình 4c thể hiện mối quan hệ giữa số chặng 
hay còn gọi là số nút mà gói tin phải đi qua từ nút 
nguồn đến nút đích. Theo kết quả mô phỏng, khi 
khoảng cách giữa nút nguồn và nút đích càng tăng 
thì số nút trung gian gói tin phải đi qua từ nút nguồn 
đến nút đích có xu hướng tăng lên. Điều này là hoàn 
toàn phù hợp với các tính toán lý thuyết. Trong các 
giao thức được đánh giá, giao thức End-to-End cho 
kết quả tốt nhất với số nút trung gian gói tin phải đi 
qua luôn thấp hơn trong tất cả các trường hợp.
4. Kết luận
Bài báo thực hiện khảo sát một số giao thức 
định tuyến trên môi trường mạng vô tuyến thông 
minh tùy biến. Các giao thức định tuyến theo yêu 
cầu như AODV và DSR là phù hợp với môi trường 
mạng di động tùy biến nhưng có hiệu suất thấp 
trong mạng CRAHN. Qua phân tích, chúng tôi 
nhận thấy AODV là phù hợp hơn DSR trong môi 
trường CRAHN. Thực hiện mô phỏng và đánh giá 
hiệu năng một số giao thức cải tiến dựa trên AODV 
gần đây được đề xuất áp dụng cho CRAHN, kết quả 
mô phỏng cho thấy, giao thức định tuyến End – to – 
End [10] cho thông lượng và trễ được cải thiện tốt 
nhất. Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi 
đề xuất sử dụng thông số tích lũy dự kiến thời gian 
truyền để tìm các tuyến đường có thông lượng đầu 
cuối cao trong mạng CRAHN.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology64 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng 6 - 2016
Tài liệu tham khảo
[1]. Federal Communications Commission, “Mobile Broadband: The Benefits of Additional 
Spectrum”, 2010. 
[2]. IF Akyildiz, WY Lee, KR Chowdhury, “CRAHN: Cognitive Radio Ad-hoc Networks”, Ad Hoc 
Networks7, pp. 810–836, 2009.
[3]. G Cheng, W Liu, Y Li, W Cheng, “Spectrum Aware On-Demand Routing in Cognitive Radio 
Networks”, IEEE International Symposium on New Frontiers in Dynamic Spectrum Access 
Networks, Dublin, 17-20, 2007.
[4]. G Cheng, W Liu, Y Li, W Cheng, “Joint On-Demand Routing and Spectrum Assignment in 
Cognitive Radio Networks”, inProceedings of the IEEE International Conference on Communications, 
Glasgow, 24–28 June 2007.
[5]. J Chen, H Li, J Wu, “WHAT: A Novel Routing Metric for Multi-Hop Cognitive Wireless 
Networks”, inProceedings of the 19th Annual Wireless and Optical Communications Conference, 
Shanghai, 14–15 May 2010.
[6]. KR Chowdhury, MD Felice, “SEARCH: A Routing Protocol for Mobile Cognitive Radio Ad-hoc 
Networks”, Comput. Comm. 32, pp.1983-1997, 2009.
[7]. K. R. Chowdhury and I. F. Akyildiz, “CRP: A Routing Protocol for Cognitive Radio Ad-hoc 
Networks”, IEEE, vol. 29, no. 4, pp. 794-804, 2011.
[8]. Marco Di Felice, Kaushik Roy Chowdhury, Wooseong Kim, Andreas Kassler, Luciano Bononi, 
“End-to-end protocols for Cognitive Radio Ad Hoc Networks: An Evaluation Study”, Performance 
Evaluation 68, pp. 859–875, 2011. 
[9]. S Mittal, P Kaur, “Performance Comparison of AODV, DSR and ZRP Routing Protocols in 
MANETs”, inProceedings of the International Conference on Advances in Computing, Control, and 
Telecommunication Technologies, Trivandrum, pp. 28-29, December 2009.
PERFORMANCE EVALUATION OF POPULAR ROUTING PROTOCOLS
FOR COGNITIVE RADIO AD HOC NETWORKS
Abtracst:
Cognitive radio ad hoc networks play an important role in wireless communications as they can use 
the existing wireless spectrum efficiently. Cognitive radio ad hoc networks possess all capabilities of the 
traditional wireless ad hoc networks, and are equipped with intrinsic capabilities such as the sensing ability 
to detect the time and location varying spectrum availability, and the cooperative working ability among 
cognitive users to minimize the bad effects to primary users. However, the low achievable performance of 
the networks may prevent them from being widely deployed. There are many works considering this issue. 
As a consequence, some routing protocols for cognitive radio ad hoc networks have been established. In 
this paper, we study some popular routing protocols proposed for cognitive radio ad hoc networks. We give 
the simulation results and analyses on the performance of these routing protocols in a comparable manner. 
It is our main contribution in this work.
Keywords: CRAHN, AODV, DSR.