Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm tìm kiếm một giải pháp khả thi cải thiện hiệu năng WMN thông qua kỹ thuật định tuyến QoS, nghiên cứu này đề xuất một tham số định tuyến mới và được tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR nhằm cải thiện các thông số hiệu năng chính của mạng cụ thể như: Thông lượng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Tính đúng đắn và hiệu quả của đề xuất được xác định qua các phân tích lý thuyết, phân tích số và mô phỏng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG HOÀNG TRỌNG MINH CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62.52.70.05 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Bình 2. PGS.TS. Nguyễn Tiến Ban Hà Nội - 2013
i LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình của bất kỳ tác giả nào khác. Ngƣời cam đoan Hoàng Trọng Minh
ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy hƣớng dẫn, Đại tá PGS.TS Nguyễn Quốc Bình và PGS.TS Nguyễn Tiến Ban, vì đã định hƣớng và liên tục hƣớng dẫn các nhiệm vụ khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận án này. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn các ý kiến chỉ dẫn của các nhà khoa học GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, PGS.TS Hoàng Minh, GS.TS Nguyễn Bình đã giúp nghiên cứu sinh có đƣợc các kiến thức học thuật quý báu. Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, các thầy cô của khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học, khoa Viễn thông 1 tại Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông. Những hỗ trợ, động viên nghiên cứu của các cộng sự xin đƣợc chân thành ghi nhận. Nghiên cứu sinh chân thành bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình đã kiên trì chia sẻ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận án. Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Hoàng Trọng Minh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii MỤC LỤC ....................................................................................................... iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................. vi BẢNG KÝ HIỆU ............................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................ xi DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ xii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY ................................................ 7 1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY ................................................. 7 1.1.1 Kiến trúc mạng hình lƣới không dây .........................................................8 1.1.2 Một số ứng dụng điển hình ........................................................................9 1.2 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ ....................................................................................... 11 1.2.1 Khái quát về chất lƣợng dịch vụ ..............................................................11 1.2.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp trong WMN .................................................13 1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS ............................................................................ 13 1.3.1 Kỹ thuật định tuyến ..................................................................................13 1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS ..........................................................................19 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM .................... 20 1.4.1 Hiệu năng và các tham số phản ánh .........................................................20 1.4.2 Các tiếp cận cải thiện hiệu năng...............................................................22 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................. 34 CHƢƠNG 2: BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP PHƢƠNG TIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN BÃO HÒA ......... 35 2.1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 35 2.2 CÁC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP PHƢƠNG TIỆN ................................................................................................................................ 36 2.2.1 Giao thức truy nhập kênh ALOHA ..........................................................37
iv 2.2.2 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang 1-persistent CSMA..........39 2.2.3 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang p-persistent CSMA..........40 2.3. TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI DỪNG ...................................................................... 41 2.4 BỔ SUNG XÁC SUẤT TRANH CHẤP THẮNG ................................................... 46 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................. 50 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT...................................................................................... 52 3.1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 52 3.2 ĐẶC TÍNH CỦA IEEE 802.11 DCF ........................................................................ 54 3.3 MÔ HÌNH GIẢI TÍCH IEEE 802.11 DCF ............................................................... 57 3.3.1 Các điều kiện biên giả thiết ......................................................................57 3.3.2 Biểu diễn trạng thái nút qua mô hình giải tích .........................................60 3.3.3 Biểu diễn trạng thái kênh qua mô hình giải tích ......................................65 3.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 69 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................. 74 CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN QOS CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY ................................... 76 4.1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 76 4.2 ĐỊNH TUYẾN TRONG WMN................................................................................. 78 4.2.1 Giao thức định tuyến ................................................................................78 4.2.2 Tham số định tuyến ..................................................................................84 4.3 ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN IARM ......................................................... 89 4.3.1 Tham số phản ánh nhiễu đề xuất IARM ..................................................90 4.3.2 Phân tích khả năng tƣơng thích ................................................................93 4.3.3 Tích hợp tham số IARM trong OLSR .....................................................95 4.4 MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ............................................................................. 101 4.4.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng NS-2 .......................................................101 4.4.2 Kịch bản mô phỏng ................................................................................103 4.4.3 Kết quả và thảo luận...............................................................................105 4.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ........................................................................................... 109
v KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 111 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 117
vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ACK Acknowledgement Báo nhận AIR Average Interference Ratio Tỷ số nhiễu trung bình AODV Adhoc Ondemand Distance (Giao thức định tuyến) vectơ Vector khoảng cách theo yêu cầu AP Access Point Điểm truy nhập BER Bit Error Ratio Tỷ số lỗi bit BSS Basic Service Set Tập dịch vụ cơ bản CAF Channel Available Fraction Tỷ lệ thời gian khả dụng kênh CBR Constant Bit Rate Tốc độ bít cố định CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CFP Contention Free Period Chu kỳ không có tranh chấp CP Contention Period Chu kỳ có tranh chấp CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA/CA Carrier Sense Multiple Đa truy nhập cảm nhận sóng Access/Collision Avoidance mang tránh xung đột CSMA/CD Carrier Sense Multiple Đa truy nhập cảm nhận sóng Access/Collision Detection mang phát hiện xung đột CTS Clear-to-Send Xóa để gửi CW Contention Window Cửa sổ tranh chấp DCF Distributed Coordinated Hàm hợp tác phân tán Function DIFS DCF InterFrame Space Khoảng liên khung hàm phối hợp phân tán DS Distribution System Hệ thống phân bổ DSDV Destination Sequence Distance (Giao thức định tuyến) vectơ Vector khoảng cách tuần tự đích DSR Dynamic Source Routing (Giao thức) định tuyến nguồn động ELP Expected Link Performance Hiệu năng liên kết kỳ vọng ESS Extended Service Set Tập dịch vụ mở rộng ETSI European Telecomunications Viện nghiên cứu viễn thông Châu
vii Standard Institute Âu ETT Expected Transmission Time Thời gian truyền dẫn kỳ vọng ETX Expected Transmission Count Tham số truyền dẫn kỳ vọng FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần Access số HSLS Hazy-Sighted Link State (Giao thức) định tuyến trạng thái Routing liên kết Hazy-Sighted iAWARE Interference AWARE (routing (Tham số định tuyến) phản ánh metric) nhiễu IAR Interference Aware Routing (Tham số) định tuyến phản ánh nhiễu IARM Interference Aware Routing Tham số định tuyến phản ánh Metric nhiễu IBSS Independent Basic Service Set Tập dịch vụ cơ bản độc lập IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử Electronics Engineer ILP Integer Linear Programming Quy hoạch tuyến tính nguyên IF(s) InterFrame space Khoảng thời gian liên khung ITU-T ITU-Telecommunication Liên minh viễn thông quốc tế - Standardization Sector Lĩnh vực tiêu chuẩn viễn thông LAETT Load Aware Expected (Tham số định tuyến) thời gian Transmission Time truyền dẫn kỳ vọng phản ánh tải LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phƣơng tiện MCOP Multi-Constrained Optimal Tối ƣu đƣờng dẫn đa ràng buộc Path MCP Multi Constrained Problem Bài toán đa ràng buộc MoS Mean of Score Thang điểm đánh giá trung bình MPR Multi Point Relay Chuyển tiếp đa điểm NAV Network Allocation Vector Vectơ chỉ định mạng NUM Network Utility Maximization Tối đa hóa lợi ích mạng OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia tần số trực Multiplexing giao
viii OLSR Optimized Link State Routing (Giao thức) định tuyến trạng thái liên kết tối ƣu PCF Point Coordination Function Hàm hợp tác điểm PCS Physical Carrier Sense Cảm nhận sóng mang lớp vật lý PDF Packet Delivery Fraction Tỷ lệ chuyển phát gói thành công PDR Packet Delivery Ratio Tỷ lệ chuyển phát gói tin PIFS PCF InterFrame Space Khoảng liên khung hàm phối hợp điểm QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RREQ Route Request Yêu cầu tuyến RTS Request-to-Send Yêu cầu để gửi SIFS Short InterFrame Space Khoảng liên khung ngắn TC Topology Control Điều khiển cấu hình TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển giao vận TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian VANET Vehicular Ad-Hoc Network Mạng tùy biến xe cộ VCS Vitual Carrier Sense Cảm nhận sóng mang ảo WCETT Weighted Cumulative Expected (Tham số) thời gian truyền dẫn kỳ Transmission Time vọng trọng số tích lũy WLAN Wireless Local Area Network Mạng vùng cục bộ không dây WMN Wireless Mesh Network Mạng hình lƣới không dây WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây
ix BẢNG KÝ HIỆU  Tỷ số giữa bán kính cảm nhận và bán kính truyền dẫn  Ngƣỡng nhạy thu 0 Ngƣỡng cảm nhận  Trễ truyền lan  Tốc độ phục vụ của hệ thống  Độ dài một khe thời gian vật lý  Tốc độ đến của gói tin  Khoảng bảo vệ xung quanh một nút tránh nhiễu B Trạng thái break trong mô hình kênh 4 trạng thái card( A) Lực lƣợng của tập A cij Trọng số liên kết giữa nút i và nút j Cij Trọng số liên kết tối thiểu giữa nút i và nút j C Trạng thái contention trong mô hình kênh 4 trạng thái CW Kích thƣớc cửa sổ tranh chấp CW Kích thƣớc cửa sổ tranh chấp trung bình d ij Khoảng cách vật lý từ nút i tới nút j d Trạng thái defer trong mô hình nút 4 trạng thái E[T ] Độ dài khe thời gian ảo eχ Vector riêng tƣơng ứng với giá trị riêng  f Trạng thái failure trong mô hình nút 3,4 trạng thái i, I Trạng thái idle trong mô hình nút và kênh 4 trạng thái Lpacket Độ dài của một gói tin m Số lần truyền dẫn lại cực đại M Số lƣợng nút trung bình trong miền cảm nhận của một nút MH Số lƣợng nút trung bình trong miền nút ẩn N Số lƣợng nút trung bình trong miền truyền dẫn của một nút pc Xác suất xung đột Pb Xác suất lỗi bit Pe L packet Xác suất lỗi gói tin có kích thƣớc L(bits)
x P Xác suất kênh rỗi trong một khe thời gian ps Xác xuất một nút truyền gói tin thành công trong một khe thời gian pt Xác xuất một nút truyền một gói tin trong một khe thời gian Pwin Xác suất tranh chấp thắng P Ma trận chuyển trạng thái rf Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công hƣớng đi rr Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công hƣớng về Rpacket Tốc độ gói tin Rs Bán kính miền cảm nhận Rt Bán kính miền truyền dẫn s, S Trạng thái success trong mô hình nút và kênh 3,4 trạng thái  Tham số điều hòa Tpacket Thời gian truyền dẫn gói tin Th Thông lƣợng mạng W Trạng thái wait trong mô hình nút 3 trạng thái
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Kiến trúc điển hình của mạng hình lƣới không dây [7] ..............................8 Hình 1.2: Chuỗi Markov Bianchi [16] ......................................................................31 Hình 2.1: Hoạt động của giao thức ALOHA [7] .......................................................37 Hình 2.2: Hoạt động của giao thức Slotted ALOHA [57] ........................................38 Hình 2.3: Thông lƣợng chuẩn hóa của giao thức ALOHA và ALOHA phân khe [57] ...................................................................................................................................39 Hình 2.5: Chuỗi Markov 3 trạng thái của nút ...........................................................41 Hình 2.6: Biểu diễn mối quan hệ giữa pst ' với M và pt .......................................49 Hình 2.7: Khảo sát giá trị pst và pst ' với M thay đổi .............................................50 Hình 2.8: Khảo sát giá trị pst và pst ' với sự thay đổi của pt .................................50 Hình 3.1: Kiến trúc và hàm phối hợp của IEEE 802.11 [46] ....................................54 Hình 3.2: Lƣợc đồ truy nhập kênh cơ bản trong CSMA/CA [46] ............................55 Hình 3.3: Mô tả truyền thông giữa nút phát i và nút nhận j ...................................59 Hình 3.4: Chuỗi Markov của mô hình nút 4 trạng thái .............................................60 Hình 3.5: Mô tả tính toán miền giao SI .....................................................................62 Hình 3.6: Chuỗi Markov của mô hình kênh xung quanh nút ....................................65 Hình 3.7: Mô tả các miền diện tích S A và S I ...........................................................68 Hình 3.8: Quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút (  thay đổi)...........................71 Hình 3.9: Quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút trong điều kiện bão hòa ........72 Hình 3.10: Mối quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút (thay đổi BER ) ...........72 Hình 3.11: Mối quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút (thay đổi  ).................73 Hình 3.12: So sánh phƣơng pháp truy nhập cơ bản và RTS/CTS (thay đổi BER) ...73 Hình 3.13: So sánh phƣơng pháp truy nhập cơ bản và RTS/CTS (thay đổi  ) ......74 Hình 4.1: Tính tuần tự của tham số định tuyến .........................................................93 Hình 4.2: Thiết kế xuyên lớp của giao thức OLSR...................................................97 Hình 4.3: Các nội dung sửa đổi giao thức OLSR-IARM trong NS-2 .......................98 Hình 4.4: Kiến trúc cơ bản của NS-2 ......................................................................103
xii Hình 4.5: Kịch bản mô phỏng .................................................................................104 Hình 4.6: So sánh trễ trung bình gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM ...................107 Hình 4.7: Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công giữa OLSR và OLSR-IARM.......107 Hình 4.8: So sánh tỷ lệ tổn thất gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM ....................108 Hình 4.9: So sánh thông lƣợng của OLSR và OLSR-IARM ..................................109 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Ký hiệu các tham số..................................................................................58 Bảng 3.2: Các tham số mô phỏng .............................................................................70 Bảng 4.1: Các nội dung sửa đổi để khai báo và định dạng tham số .........................98 Bảng 4.2: Các nội dung sửa đổi để gửi nhận bản tin định tuyến ..............................99 Bảng 4.3: Các nội dung sửa đổi để cập nhật thông tin định tuyến..........................100 Bảng 4.4: Các nội dung sửa đổi để tính toán định tuyến ........................................100 Bảng 4.5: Tham số mô phỏng giao thức OLSR và OLSR-IARM ..........................105
1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, lĩnh vực truyền thông không dây đã chứng kiến sự ra đời của hàng loạt các giải pháp công nghệ mới nhằm đáp ứng các yêu cầu, tiện ích mới của ngƣời sử dụng. Trong đó, mạng hình lƣới không dây WMN (Wireless Mesh Network) đƣợc cấu thành bởi các bộ định tuyến bố trí tĩnh cùng với các thiết bị đầu cuối di động kết nối không dây với nhau theo hình lƣới, đƣợc coi là một giải pháp then chốt của mạng không dây thế hệ mới nhằm mục tiêu cung cấp truy nhập Internet không dây băng rộng với vùng phủ lớn. Truyền dẫn trong WMN đƣợc thực hiện dựa trên các chuẩn công nghệ phổ biến hiện nay nhƣ IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16… Với cấu trúc hình lƣới, WMN khắc phục sự hạn chế của hiện tƣợng che khuất tầm nhìn thẳng trong các kết nối không dây truyền thống, tăng dung lƣợng bằng các truyền dẫn tốc độ cao trong khoảng cách ngắn, tăng độ tin cậy truyền thông cũng nhƣ giảm thiểu độ phức tạp trong triển khai hạ tầng mạng truy nhập. Bên cạnh các ƣu điểm về cấu hình và ứng dụng, chính cơ chế truyền thông đa bƣớc không dây và các yêu cầu cung cấp chất lƣợng dịch vụ QoS (Quality of Service) đã cho thấy một số thách thức mà WMN cần phải vƣợt qua về mặt hiệu năng mạng. Cụ thể, đặc tính truyền thông đa bƣớc không dây, sự biến động chất lƣợng kênh truyền, cơ chế điều khiển phân tán và tác động nhiễu giữa các liên kết hình lƣới là nguyên nhân gây suy giảm các thông số hiệu năng mạng nhƣ thông lƣợng, thời gian trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Trong đó, ảnh hƣởng của hiện tƣợng tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lƣợng liên kết là một trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu năng [7]. Vì vậy, việc phản ánh chính xác các yếu tố trên vào quyết định chọn đƣờng cho gói tin là một hƣớng tiếp cận thực tiễn, mang lại khả năng cải thiện các thông số hiệu năng mạng. Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, các nghiên cứu gần đây sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) để giảm thiểu sự sai khác biến thời gian
2 của các giao thức hoạt động trên các lớp khác nhau, đồng nghĩa với mục tiêu tối ƣu hoạt động của mạng. Bài toán tối ƣu xuyên lớp đƣợc giải quyết bằng các công cụ toán học phổ biến nhƣ lý thuyết đồ thị, quy hoạch toán học và mô hình giải tích. Trong các phân tích hiệu năng lớp điều khiển truy nhập MAC (Medium Access Control), mô hình giải tích cho thấy tính khả thi cao và là tiếp cận thông dụng do khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính toán thấp [16], [73], [106]. Từ đó, chất lƣợng liên kết có thể đƣợc đánh giá chính xác hơn khi có sự bổ sung các điều kiện thực tiễn nhƣ lƣu lƣợng không bão hòa và kênh không lý tƣởng vào giả thiết đầu vào của mô hình giải tích. Bên cạnh đó, khả năng phản ánh chính xác thuộc tính chất lƣợng liên kết của tham số định tuyến đóng vai trò then chốt để giao thức định tuyến QoS có quyết định chọn đƣờng dẫn tối ƣu phù hợp với trạng thái hiện thời của mạng, mang lại sự cải thiện hiệu năng mạng. Vì vậy, theo hƣớng tiếp cận xuyên lớp giữa lớp định tuyến và lớp MAC, luận án này phát triển một mô hình giải tích mới phản ánh chất lƣợng liên kết và sử dụng nhƣ một thành phần dự báo chất lƣợng liên kết kết hợp với thành phần đo chủ động sẵn có của giao thức định tuyến tối ƣu trạng thái OLSR (Optimized Link State Routing) để đề xuất một tham số định tuyến mới, cải thiện đƣợc các thông số hiệu năng WMN. Các kết quả nghiên cứu đƣợc đánh giá và minh chứng qua phân tích số và mô phỏng. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu tìm kiếm một giải pháp khả thi cải thiện hiệu năng WMN thông qua kỹ thuật định tuyến QoS, luận án này đề xuất một tham số định tuyến mới và đƣợc tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR nhằm cải thiện các thông số hiệu năng chính của mạng cụ thể nhƣ: thông lƣợng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Các phân tích số và mô phỏng kiểm chứng đƣợc thực hiện trong kịch bản mạng hình lƣới không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.11b, đơn kênh, các nút mạng phân bố đều và các thông số lớp Vật lý tiêu chuẩn. Các giả thiết trên đƣợc lựa chọn nhằm thể hiện tính tổng quát và phản ánh tƣờng minh tác động của nhiễu liên luồng tới quyết định định tuyến. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra giao thức định tuyến
3 OLSR với tham số định tuyến đề xuất đạt đƣợc mức cải thiện đáng kể khi so sánh với giao thức định tuyến OLSR nguyên gốc. Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt đƣợc mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu đã nêu ở trên, nhiệm vụ nghiên cứu đƣợc nghiên cứu sinh tập trung vào các vấn đề sau: 1. Nghiên cứu tổng quát về ảnh hƣởng của các đặc tính chủ yếu trong mạng hình lƣới không dây tới hiệu năng mạng, cơ sở học thuật của bài toán định tuyến QoS, các giải pháp cải thiện hiệu năng đƣợc đề xuất trong các nghiên cứu trƣớc dƣới góc độ sử dụng công cụ toán học. Từ đó sáng tỏ cách thức tiếp cận, giải quyết vấn đề nhìn từ khía cạnh phƣơng pháp luận và xác định công cụ toán học sử dụng. 2. Nghiên cứu các mô hình giải tích biểu diễn cơ chế hoạt động của các giao thức đa truy nhập trong mạng có lƣu lƣợng bão hòa để tìm kiếm, phát hiện giới hạn trên của thông lƣợng liên kết. Từ đó đề xuất các điều kiện ràng buộc bổ sung đối với mô hình nhằm vào mục tiêu tăng tính chính xác về khả năng phản ánh hiệu năng liên kết của mô hình giải tích. 3. Nghiên cứu các mô hình toán học biểu diễn hàm điều khiển phân tán IEEE 802.11 DCF (Distributed Coordination Function) để phục vụ việc phân tích, đánh giá hiệu năng hoạt động của giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang/tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Từ đó xây dựng mô hình giải tích mới nhằm phản ánh chính xác chất lƣợng liên kết trong điều kiện thực tế. 4. Nghiên cứu, khảo sát các giao thức định tuyến và các tham số định tuyến QoS trong WMN của một số tác giả trƣớc. Từ đó, đề xuất một tham số định tuyến QoS mới chứa thành phần phản ánh nhiễu và tích hợp với giao thức định tuyến OLSR để cải thiện hiệu năng mạng hình lƣới không dây trên cơ sở của tiêu chuẩn IEEE 802.11.
4 Phƣơng pháp nghiên cứu Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh dựa trên các công cụ toán học nhƣ lý thuyết xác suất, chuỗi Markov, các phƣơng pháp tính để xác minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết. Công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc đƣợc sử dụng trong luận án nhằm để kiểm chứng tính hợp lý của đề xuất. Cấu trúc luận án Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới đƣợc trình bày trong các chƣơng, mục theo cấu trúc sau: Chƣơng 1 với tiêu đề “Khái quát các vấn đề liên quan tới hiệu năng mạng hình lƣới không dây” trình bày các đặc tính kỹ thuật của mạng hình lƣới không dây, các khái niệm cơ bản về QoS, bài toán cung cấp QoS và tính đặc thù của kỹ thuật định tuyến QoS trong WMN. Trong đó, đáng chú ý là nội dung khảo sát về các giải pháp cải thiện hiệu năng WMN dƣới góc độ toán học để làm sáng tỏ phạm vi nghiên cứu và cách tiếp cận của luận án. Một phần nội dung của chƣơng liên quan tới vấn đề khảo sát tham số định tuyến QoS trong WMN là nội dung trong bài báo khoa học có tiêu đề “Khảo sát hiệu năng các tham số định tuyến trong mạng hình lưới không dây WMN”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Các trƣờng đại học kỹ thuật, số 76, năm 2010; và bài báo khoa học có tiêu đề “Nghiên cứu tham số định tuyến mới phản ánh nhiễu trong mạng hình lưới không dây IEEE 802.11”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 13, 2011. Chƣơng 2 với tiêu đề “Bài toán mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phƣơng tiện trong điều kiện bão hòa” trình bày nghiên cứu khảo sát về các giải pháp mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phƣơng tiện của các tác giả trƣớc với giả thiết luôn có gói tin cần chuyển trong hàng đợi. Những vấn đề trình bày trong mục 2.3 và 2.4 của chƣơng này là kết quả nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan đến việc hoàn thiện kết quả đề xuất của các tác giả trƣớc. Một phần nội dung của chƣơng 2 đã đƣợc trình bày trong bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel
5 Computation for Supplementing Interference Analytical Model in 802.11-based Wireless Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50, số 2, năm 2012. Chƣơng 3 với tiêu đề “Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lƣợng liên kết” trình bày các nội dung nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan tới việc đề xuất, xây dựng một mô hình giải tích mới biểu diễn cơ chế hoạt động của IEEE 802.11 DCF. Nội dung chính của chƣơng 3 là các vấn đề đã đƣợc đăng tải trong bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel Analytical Model to Identify Link Quality in 802.11 Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50, số 2, năm 2012. Chƣơng 4 với tiêu đề “Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng mạng hình lƣới không dây” tập trung vào các vấn đề xung quanh việc đề xuất một tham số định tuyến phản ánh nhiễu mới. Các đặc tính của giao thức, tham số định tuyến của các giả trƣớc đƣợc tổng hợp và phân tích nhằm sáng tỏ hƣớng tiếp cận và phƣơng pháp luận xây dựng thành phần tham số định tuyến mới của nghiên cứu sinh. Tính đúng đắn của đề xuất đƣợc xác minh thông qua phân tích lý thuyết và kiểm chứng qua mô phỏng tại các mục 4.3 và 4.4 của chƣơng. Các kết quả chính trình bày trong chƣơng 4 là nội dung trong bài báo khoa học có tiêu đề “An Approach to Predict Interference Impacts on wireless links of 802.11 Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 24, 2012; và bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel Interference Aware routing metric for QoS provision in 802.11 wireless mesh network”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 51, số 1A, năm 2013. Trong phần Kết luận, nghiên cứu sinh tóm tắt các nội dung đề xuất chính trình bày trong luận án cùng với những bàn luận xung quanh đóng góp mới cả về phần ƣu lẫn phần nhƣợc điểm. Từ đó, đƣa ra những gợi ý về các vấn đề mở cần tiếp tục nghiên cứu.
6 Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, nghiên cứu sinh luôn cố gắng bám sát các tài liệu khoa học, cập nhật công bố bởi các tác giả khác để đề xuất mới của nghiên cứu sinh có tính thời sự và tính mở. Nội dung chi tiết của luận án sẽ đƣợc trình bày dƣới đây. Hà nội, tháng 12 năm 2013
7 CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY Tóm tắt: Nội dung của chương khái quát các đặc tính kỹ thuật của mạng hình lưới không dây cùng với các ứng dụng điển hình, các vấn đề nền tảng của chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service), tiếp cận giải quyết vấn đề hỗ trợ QoS trong mạng hình lưới không dây và các điểm mấu chốt của kỹ thuật định tuyến QoS. Đặc biệt, các giải pháp cải thiện hiệu năng của các nghiên cứu gần đây được tóm tắt qua khía cạnh sử dụng công cụ toán học nhằm sáng tỏ cách thức tiếp cận học thuật của luận án. 1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đang phát triển rất mạnh mẽ trong cả mạng không dây diện rộng và mạng không dây cục bộ, đem tới rất nhiều ứng dụng dựa trên kết nối không dây. Tuy nhiên, qua các đặc tính kiến trúc và công nghệ của các mạng truyền thống cho thấy một số điểm hạn chế trong việc cung cấp yêu cầu kết nối và dịch vụ. Cụ thể, các mạng di động tế bào cung cấp vùng phủ lớn nhƣng tốc độ bị hạn chế, trong khi các mạng truy nhập không dây cục bộ cho phép truyền dẫn tốc độ cao nhƣng đi liền với đó là vùng phủ bị giới hạn do đặc điểm công nghệ truyền dẫn tại phổ tần số cao. Vì vậy, giải pháp mạng kết nối hình lƣới không dây WMN (Wireless Mesh Network) đã đƣợc hình thành nhƣ một giải pháp then chốt cho mạng truy nhập không dây băng rộng với vùng phủ rộng [64], [66], [72]. Dƣới góc độ ứng dụng công nghệ, WMN đƣợc phát triển mạnh mẽ nhờ một số ƣu điểm chính nhƣ sau: (i) WMN có thể triển khai trong khu vực rộng với giá thành triển khai thấp; (ii) công nghệ mạng hình lƣới có thể khắc phục các tuyến kết nối có tầm che khuất và tổn thất đƣờng truyền lớn để mở rộng vùng phủ dịch vụ; (iii) sử dụng các công nghệ truyền thông tầm ngắn, WMN có thể cải thiện tốc độ truyền dẫn và sử dụng hiệu quả năng lƣợng, đồng thời các kênh cùng tần số có thể đƣợc tái sử dụng giữa các liên kết có khoảng cách ngắn; (iv) cấu trúc hình lƣới cho phép truyền thông đa đƣờng và nhờ đó tăng khả năng chịu lỗi của mạng; (v) các