Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ bu chÝnh viÔn th«ng 194
K THUT MÔ PHNG VÀ
NG DNG TRONG ĐÀO TO, NGHIÊN CU VIN THÔNG
Simulation and Applications in Reseaching and Training Telecommunicatons
ThS Nguyn Xuân Hoàng, Khoa Vin Thông 1,
Hc vin công ngh Bưu chính Vin thông
Tóm tt: Trong nhng năm gn đây, trên 50% các nghiên cu được công b trên các tp chí
vin thông là kết qu ca mô phng. Điu đó nói lên tm quan trng và mc độ ng dng
rng rãi ca mô phng trong nghiên cu v vin thông. Mô phng cho phép đánh giá được
hiu năng ca mt h thng mng vi các điu kin, cu hình khác nhau trong trường hp
các phương pháp đánh giá trc tiếp trên các h thng tht hoc qua phân tích tính toán bng
toán hc không kh thi. Đặc bit, trong môi trường đào to hin nay, mô phng là mt la
chn tt cho quá trình tìm hiu hot động ca các h thng cũng như nghiên cu th nghim
các h thng, các giao thc mng mi. Tuy nhiên, để có th thc hin mô phng hiu qu,
chính xác và đáng tin cy là điu không h d dàng. Bài báo này s trình bày tng quan v k
thut mô phng, các vn đề đặt ra trong quá trình thc hin mô phng. Sau đó các phn mm
mô phng thông dng s được xem xét và đánh giá ng dng ca chúng trong nghiên cu,
đào to v vin thông.
1. Gii thiu chung
Trong quá trình nghiên cu, thiết kế mt
mng vin thông, hoc đánh giá hiu qu ca
vic áp dng mt giao thc, mt công ngh
mi trên mng vin thông sn có, có th s
dng phương pháp phân tích bng các mô
hình toán hc, hoc th nghim trc tiếp trên
h thng thc. Tuy nhiên, đối vi các h
thng phc tp, vic phân tích bng các
hình toán nhiu khi không kh thi. Vic th
nghim trc tiếp trên các h thng thc cũng
rt khó, hoc là do đang trong quá trình thiết
kế, chưa tn ti h thng tht, hoc các h
thng đang hot động trên mng lưới, vic
th nghim có th gây nên nhng hiu qu
không lường trước được cho toàn mng.
Trong các trường hp đó, s dng k thut
mô phng là mt gii pháp thích hp nht.
Mô phng (simulation), nói mt cách tng
quát là quá trình thiết kế mt mô hình ca
mt h thng tht, và thc hin các th
nghim trên mô hình đó nhm mc đích hiu
được hot động và/hoc đánh giá các cu
hình, tham s khác nhau ca h thng [1].
Mô hình được s dng cho mô phng được
xây dng bng phn mm, là mô hình động,
có nghĩa là có bao gm các tham s ngu
nhiên thay đổi theo thi gian. Nó khác vi
mô hình tĩnh là mô hình được mô t bng các
công thc toán hc, không có biến thay đổi
theo thi gian.
Đối vi mng vin thông, mô phng được s
dng rt rng rãi, t tính toán tc nghn cho
các h thng tng đài chuyn mch kênh, ti
ưu v s dng tài nguyên cho các mng gói,
đánh giá hiu qu ca mt giao thc mi,
hoc so sánh hiu qu ca các phương pháp
mã hóa kênh trên mt môi trường kênh vô
tuyến. Đặc bit trong môi trường đào to,
thông qua mô phng, người hc s hiu được
rt sâu v hot động ca mt h thng cũng
như s liên kết hot động ca các phn t,
các giao thc trong mt h thng.
Bài báo này s có cu trúc như sau. Phn 2
s trình bày v các bước trong mô phng mt
h thng và các vn đề cn quan tâm. Phn 3
s đánh giá các công c mô phng được s
dng ph bin cho vin thông hin nay. Phn
4 s là kết lun.
2. Tng quan v ký thut mô phng
Như đã đề cp trên, mc đích cui cùng
ca mô phng là giúp đánh giá hiu năng ca
mt h thng thông qua mt mô hình ca h
thng đó. Trước hết, ta xem xét mi liên
quan gia các khái nim h thng (system),
mô hình (model) và mô phng.
2.1 H thng, mô hình và mô phng
Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ bu chÝnh viÔn th«ng 195
H thng được định nghĩa là mt tp hp các
phn t có mi quan h vi nhau, tương tác
vi nhau để thc hin mt công vic, chc
năng nào đó. Tùy thuc vào mc đích cn
nghiên cu v h thng là gì mà các phn t
ca h thng có th khác nhau. Ví d như khi
mun so sánh hiu năng (BER chng hn)
khi áp dng các k thut mã hóa kênh khác
nhau trên kênh vô tuyến thì ta không cn
quan tâm đến kênh vô tuyến đó mang giao
thc gì, ch cn quan tâm đến đặc tính
ca bn thân kênh truyn. Ta định nghĩa
trng thái ca mt h thng là tp hp các
biến cn thiết để t h thng ti mt thi
đim nht định, có liên quan đến các đối
tượng cn nghiên cu ca h thng. Ví d
như trong nghiên cu tc nghn trên mt
kênh trung kế ca tng đài thì các trng thái
ca h thng là s kênh trung kế còn ri, thi
gian đến ca các cuc gi t khách hàng.
Hình 1: Các phương thc nghiên cu mt
h thng
Có 2 loi h thng là liên tcri rc. H
thng liên tc là h thng có các biến trng
thái thay đổi liên tc theo thi gian. Ví d
như biến v nhiu trên kênh truyn. H thng
ri rc là h thng có các biến trng thái ch
thay đổi ti các thi đim ri rc v mt thi
gian. Ví d ca loi này là h thng tng đài
ta nói ti trên, trng thái ca h thng ch
thay đổi khi có cuc gi mi t khách hàng
ra trung kế hoc mt cuc gi qua trung kế
được gii phóng. H thng ri rc là loi
được s dng ph biến trong mô phng v
mng vin thông.
Để nghiên cu, đánh giá mt h thng, có
các cách tiếp cn như trên hình v 1.
2.1.1 Th nghim trên h thng thc và
th nghim trên mô hình ca h thng: V
nguyên tc, có th thc hin các thí nghim
trc tiếp trên các h thng thc. Tuy nhiên,
có 2 khó khăn đối vi phương pháp này là nó
có th gây hu qu nghiêm trng đến h
thng thc, nht là các h thng vin thông
liên quan đến thông tin quan trng, liên quan
đến cước…hoc trong mt s trường hp thì
h thng mun nghiên cu chưa h tn ti,
mà người ta li mun nghiên cu hiu qu
ca các h thng đề xut. Vi các lý do đó,
mô hình ca h thng thc s được xây
dng, và thay vì nghiên cu trên h thng
thc thì s nghiên cu trênhình ca h
thng. Mô hình ca mt h thng có th coi
là mt đối tượng có cu trúc, chc năng, hot
động tương t như h thng tht. Nó thường
ch phn ánh các mt quan trng nht ca h
thng, và không nht thiết phi ging hoàn
toàn vi h thng tht..
2.1.2 Mô hình vt lý và mô hình toán hc:
Mô hình vt lý đây là các loi mô hình như
bung lái máy bay cho phi công tp lái..Tuy
nhiên loi mô hình này thường không được
dùng cho mc đích phân tích, nghiên cu các
h thng. Mô hình toán hc, biu din h
thng dưới dng các quan h logic... Nếu mô
hình toán hc là chính xác, thì khi tác động
vào các quan h logic ca mô hình, mô hình
s đưa đến kết qu như h thng tht.
2.1.3 Phương pháp phân tích (analytical)
và mô phng: Sau khi đã xây dng được
mô hình toán hc, chúng ta cn phi xem xét
mô hình đó có th tr li được các câu hi
mà ta quan tâm v h thng hay không. Nếu
đó là mô hình đơn gin, có th da trên các
mi quan h logic ca mô hình để đưa đến
mt kết qu chính xác thông qua phương
pháp phân tích, thc ra là thông qua vic gii
các phương trình toán hc. Đây là phương
pháp đưa li kết qu chính xác và ít tn kém
nht, tuy nhiên trong rt nhiu trường hp
không th áp dng được vì nó quá phc tp,
ví d như trong trường hp cn gii bài toán
H thng
Th nghim
trên h thng
tht
Th nghim
trên mô hình
ca h thng
Mô hình
vt lý
Mô hình
toán hc
Phương
pháp phân
tích
Mô phng
Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ bu chÝnh viÔn th«ng 196
cho quá nhiu nút mng, quá nhiu biến s.
Trong các trường hp này, phi s dng đến
phương pháp mô phng. Mô hình lúc đó
được gi là mô hình mô phng (simulation
model). Mô hình mô phng được phân ra
làm các loi sau:
+ Mô hình tĩnh và mô hình động: Mô hình
mô phng tĩnh là mô hình biu din h thng
ti mt thi đim nht định, hay nói cách
khác là khi đó thi gian không đóng vai trò
gì trong mô hình. Ví d ca loi này là
hình Monte Carlo. Ngược li, mô hình mô
phng động biu din h thng theo thi
gian. Mô hình mô phng động phc tp hơn,
tuy nhiên cho phép các mô phng gm nhiu
quá trình xy ra đồng thi trong h thng.
+ Mô hình xác định (deterministic) và
hình ngu nhiên (stochastic): Nếu mô hình
mô phng không có thành phn ngu nhiên
thì nó được gi là mô hình xác định. Mô
hình xác định cho phép xác định được kết
qu khi biết rõ đầu vào và mô hình. Nếu đầu
vào ca mô hình có bt k môt thành phn
ngu nhiên, nó được gi là mô hình ngu
nhiên (stochastic). Mô hình này cũng cho kết
qucác giá tr ngu nhiên. Các mô hình
xếp hàng trong vin thông đều là các mô
hình ngu nhiên.
+ Mô hình liên tc và mô hình ri rc: Cũng
tương t như đối vi định nghĩa ca hê
thng. Thông thường mt mô hình ca mt
h thng có th được coi là liên tc hoc ri
rc tùy thuc vào các đối tượng c th ca h
thng cn nghiên cu.
Các mô hình mô phng được s dng trong
vin thông ch yếu là ri rc, động, ngu
nhiên, và được gi là các mô hình mô phng
s kin ri rc (discrete event simulation
models).
2.2 Các bước trong mô phng mt h
thng
Khi s dng mô phng để nghiên cu, đánh
giá mt h thng, cn phi tri qua các bước
sau [1][2].
2.2.1 Xác định rõ bài toán mô phng
Trước khi thc hin xây dng mô hình ca
bt c h thng nào, cn nm rõ hot động
cũng như mi quan h bên trong ca h
thng đó. Cũng cn phi xác định rõ các mc
tiêu cn đạt được ca thc hin mô phng.
2.2.2 Xây dng mô hình
Sau khi xác định rõ được bài toán, bước tiếp
theo là xây dng nên mô hình mô phng.
Bước này ch là xây dng nên các mi quan
h logic gia các phn t trong mô hình, đầu
vào và đầu ra ca mô hình. Cn phi xác
định được mô hình cn chi tiết đến mc độ
nào, phn nào ca h thng phi tru tượng
hóa. Trong thc tế, không mô hình nào biu
din chính xác toàn b hot động ca h
thng, mà thường s ch xp x chính xác
vi mt s thc th cn nghiên cu ca h
thng. Hay nói cách khác, ta cn phi đưa
các điu kin ràng buc ban đầu vào mô hình
mô phng. Ví d như khi xây dng mô hình
mt kênh vô tuyến, ta ch hn chế là mô hình
kênh AWGN thay vì kênh chung chung.
2.2.3 Thu thp d liu cho mô hình
Để thc hin mô phng, có th ly các d
liu cho đầu vào t các giá tr đầu vào đo
được ca mt h thng tht (ly mu), hoc
s dng các biến ngu nhiên. Trong mô
phng các h thng vin thông, thường s
dng các biến ngu nhiên theo mt phân b
nào đó, ví d như Poisson. Vic to nên các
con s ngu nhiên đầu vào này đóng vai trò
rt quan trng vì thông thường ch s dng
các con s gi ngu nhiên, rt d lp li và
dn đến kết qu không chính xác. Thường
gp nht là khi mô phng các s kin ít xy
ra, ví d như li bit trên kênh truyn cht
lượng tt, do đó thi gian mô phng rt lâu,
s dng chui các con s ngu nhiên rt ln
nên vic lp li chui ngu nhiên là d xy
ra.
2.2.3 Biên dch mô hình
Đây chính là quá trình lp trình, xây dng
nên phn mm biu din mô hình mô phng.
Có th s dng các ngôn ng lp trình bc
cao như C, C++ hoc s dng kết hp vi
các công c phng là các phn mm sn
có như OPNET, NS-2, OMNET++…để xây
dng nên mô hình.
2.2.4 Kim tra (verification)
Để đảm bo quá trình lp trình biên dch mô
hình là chính xác. Thc ra bước này ging
Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ bu chÝnh viÔn th«ng 197
như quá trình tìm li (debug), da trên các
đầu vào khác nhau, da trên lưu đồ ca mô
hình để kim tra tính chính xác ca quá trình
biên dch mô hình sang chương trình phn
mm. Ngoài hu qulàm sai kết qu, vic
biên dch không tt có th dn đến thi gian
thc hin mô phng s là rt lâu, không kh
thi để thc hin.
2.2.5 Xác minh tính chính xác ca mô
hình (validation)
Để đảm bo mô hình đã xây dng hot động
ging vi h thng tht, t đó có th tin
tưởng vào kết qu ca mô phng trên mô
hình đó. Đây là bước rt quan trng vì các s
liu đạt được t mô phng s không có ý
nghĩa gì nếu nó không phn ánh đúng kết
qu ca h thng tht. Trong trường hp đào
to, khi sinh viên xây dng các mô hình mô
phng cho vin thông, có th so sánh các kết
qu ca mô hình vi các kết qu t các mô
hình ging vi nó đã được công b trên các
tài liu chun (tp chí IEEE chng hn).
Phương pháp thường dùng hơn là so sánh
vi d liu ly được t h thng tht. Nếu h
thng tht cn so sánh chưa tn ti, có th
đơn gin hóa các điu kin ràng buc v
tham s đầu vào để có th so sánh kết qu
mô phng vi kết quđược thông qua
phân tích tính toán (thường là các khon gii
hn dưới hoc trên).
2.2.5 Th nghim trên mô hình
bước này cn xác định tp các tham s cn
đánh giá trong mi ln th nghim. Đối vi
các tham s, cũng cn xác định phm vi thay
đổi cũng như tham s nào c định, tham s
nào thay đổi. Mc đích ca bước này là thu
được càng nhiu thông tin cn thiết mà phi
thc hin càng ít ln chy mô phng càng tt
2.2.6 Phân tích kết qu thu được
Trong vin thông, kết qu mô phng thường
là các tham s như t l li bit (BER), t l
mt gói, độ tr, xác sut tc nghn…Thông
qua mô phng, ta có thđược giá tr
thng kê (trung bình, phương sai), phm vi
biến thiên…ca các tham s trên. Nếu s
dng các phn mm mô phng như OPNET,
OMNET++…, vic phân tích mt s kết qu
cơ bn đã được tích hp sn. Nếu chương
trình mô phng được xây dng trên ngôn
ng lp trình C, C++.., thì t kết qu thu
được, có th phi s dng thêm các phn
mm như Excel để h tr v kết qu, đánh
giá xu hướng tăng, gim…Mt vn đề rt
cn chú ý trong phn này là xác định mc độ
chính xác, n định ca kết qu. Ví d như để
đảm bo kết qu BER ca mt kênh truyn
đủ chính xác, cn phi thc hin đủ mt s
vòng lp ti thiu nào đó.
3. Các phn mm mô phng
Như đã đề cp phn trước, ngoài vic s
dng các ngôn ng lp trình như C, C++ để
xây dng mô hình mô phng thì có th s
dng các chương trình phn mm mô phng
sn có như OPNET, OMNET++, NS-2…để
thc hin mô phng. Các phn mm này s
đơn gin hóa quá trình mô phng nh kh
năng h tr quá trình to, kim tra và chy
các mô hình mô phng. Nó cũng h tr công
vic đánh giá, phân tích kết qu thu được t
mô phng.
Các phn mm mô phng ph bin hin nay
đều thuc loi hướng đối tượng. Ngoài các
thư vin modul rt phong phú v các giao
thc, thiết b vin thông sn có thì nó còn
cho phép người dùng xây dng các modul
riêng vi các giao din vào ra, có tính kế
tha, phân cp gia các modul. Người dùng
cũng có th quan sát được kết qu thay đổi
ca h thng thông qua đồ ha. Người dùng
cũng có th d dàng quy định s ln thc
hin chy mô phng, thi gian chy mô
phng và độ chính xác cn thiết.
Các yêu cu đặt ra khi la chn mt phn
mm mô phng bao gm kh năng chy
được trên nhiu h điu hành, kh năng h
tr to topo cho mng, h tr to lưu lượng
đầu vào và phân tích đặc tính ca lưu lượng
ra, h tr giám sát các đặc tính ca mt node
mng, mt lung lưu lượng mng thông qua
giao din đồ ha. Ngoài ra, các yêu cu quan
trng na là có sn các module quan trng
như các mô hình kênh cơ bn, các giao thc
quan trng…và các phn mm mô phng
phi có các tính năng cho phép m rng, sa
đổi các module sn có. Đối vi môi trường
đào to, mt su cu cn phi để ý thêm
là mc độ h tr v k thut và tài liu ca
phn mm, phn mm đó là m, min phí
hay là phn mm thương mi.
Héi nghÞ khoa häc lÇn thø IX
Kû niÖm 10 n¨m thµnh lËp Häc viÖn c«ng nghÖ bu chÝnh viÔn th«ng 198
Hin nay có khá nhiu phn mm mô phng
có th s dng trong mô phng mng vin
thông, tuy nhiên có các phn mm được trình
bày tóm tt sau đây là ph biến nht
Phn mm OPNET [3]
OPNET (Optimized Network Engineering
Tools), là mt công c mô phng thương mi
được phát trin bi OPNET Technologies
Inc, dùng để mô hình hóa và mô phng các
thiết b, giao thc trong mng truyn thông.
Được phát trin cách đây trên 15 năm, nó là
mt công c mô phng mng rt mnh, được
s dng bi rt nhiu trường đại hc và công
ty ln trên thế gii. OPNET có th dùng để
mô phng hu hết các mng vô tuyến và hu
tuyến, ngoài ra nó còn cho phép thc hin
các giao thc, mng…th nghim trên các
thành phn mng sn có. OPNET cho phép
mô phng các mng lên đến hàng trăm nút.
Mt khó khăn duy nht khi la chn OPNET
là phn mm này không phi là min phí.
Phn mm NS-2 [4]
NS (Network Simulator), xut phát t trường
U.C.Berkely, là mt phn mm mô phng s
kin ri rc, hướng đối tượng, vi mc đích
để nghiên cu v mng, và là min phí.
Phiên bn 2 ca NS (NS-2) được s dng
rng rãi trong cng đồng nghiên cu v
mng và được dùng để th nghim các thut
toán, các giao thc hay các ý tưởng mi v
mng. NS-2 rt thích hp cho mô phng các
mng gói và các mng vô tuyến (adhoc, v
tinh..) và được s dng ch yếu cho các
phng c nh v các thut toán định tuyến và
xếp hàng, các giao thc truyn ti, điu
khin tc nghn. Tuy nhiên, NS-2 có các
nhược đim như khá phc tp khi mun m
rng, sa đổi các module sn có. Ngoài ra,
NS-2 cũng không hot động tt khi kích c
mng ln và tc độ mô phng ca NS-2 cũng
khá chm so vi các phn mm khác. NS-2
cũng h tr v đồ ha kém hơn so vi các
phn mm mô phng như OPNET và
OMNET++
Phn mm OMNET++ [5]
OMNET++ (Objective Modular Network
Testbed in C++), là mt phn mm mô
phng s kin ri rc, hướng đối tượng, da
trên mã ngun m min phí. Nó có th s
dng để phng lưu lượng trên các mng
vin thông, các giao thc, và rng hơn là bt
k mt h thng s kin ri rc. Mt đim
khác so vi 2 phn mm mô phng trên
OMNET++ được thiết kế ban đầu không
phi cho mng vin thông mà là vi mc tiêu
rng hơn. Ngoài ra, so vi phn mm thương
mi như OPNET thì thư vin các mô hình
sn có ca OMNET++ cũng ít hơn. Tuy
nhiên, hin nay OMNET++ cũng đã có rt
nhiu mô hình quan trng như MPLS,
Ipv6…Các ưu đim kc ca OMNET++
bao gm kh năng h tr v đồ ha, cu trúc
hướng đối tượng nên d dàng thay đổi, m
rng các mô hình, và cho phép thc hin mô
phng song song. Kh năng m rng mng
và tc độ mô phng ca OMNET++ cũng rt
tt. Nhược đim đáng k ca OMNET++
hin nay là các mô hình có sn chưa đầy đủ,
và dn đến khó khăn khi mô phng mt s
mô hình mng.
4. Kết lun
Bài báo đã đưa ra được mt cái nhìn tng
quan v k thut mô phng, các quá trình và
các vn đề cn quan tâm khi mô phng mt
h thng, đặc bit là h thng mng vin
thông. Để áp dng mô phng hiu qu hơn
trong nghiên cu, đào to v vin thông,
phn 2 ca bài báo đã trình bày mt s nhn
xét cơ bn v các phn mm được s dng
ph biến. Rõ ràng là nếu nm vng lý thuyết
v mô phng và s dng thành tho các phn
mm mô phng trên, có th giúp nm vng
hơn hot động ca các h thng vin thông,
cũng như cho phép hot động nghiên cu,
thiết kế các giao thc mi, các cu hình mi
c mng vin thông hiu qu hơn rt nhiu.
Tài liu tham kho
[1] A.M Law và W.D Kelton, “ Simulation,
Modelling and Analysis”, Third Edition, Mc
Graw Hill, 2000
[2]Holger Karl, bài ging “ A brief
introduction to discrete event simulation”,
2005.
[3] www.opnet.com
[4] http://www.isi.edu/nsnam/ns/
[5] http://www.omnetpp.org/