Luận án Tiến sĩ Toán học: Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây adhoc của chuẩn IEEE 802.11 EDCA

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án đã đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong phương thức truy nhập phân tán IEEE 802.11 EDCA. Luận án đã đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy Logic để điều khiển thông minh một số tham số trong phương thức truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Toán học: Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây adhoc của chuẩn IEEE 802.11 EDCA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- LƯƠNG DUY HIẾU NÂNG CAO HIỆU NĂNG THÔNG LƯỢNG VÀ ĐỘ CÔNG BẰNG TRONG MẠNG KHÔNG DÂY AD HOC CỦA CHUẨN IEEE 802.11 EDCA LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- LƯƠNG DUY HIẾU NÂNG CAO HIỆU NĂNG THÔNG LƯỢNG VÀ ĐỘ CÔNG BẰNG TRONG MẠNG KHÔNG DÂY AD HOC CỦA CHUẨN IEEE 802.11 EDCA Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho Tin học Mã số: 9 46 01 10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Thái Quang Vinh 2. PGS. TS. Phạm Thanh Giang Hà Nội – 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ với tiêu đề "Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây AD HOC của chuẩn IEEE 802.11 EDCA" là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Thái Quang Vinh và PGS.TS. Phạm Thanh Giang. Các kết quả, số liệu được trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trên các Tạp chí và Kỷ yếu Hội thảo khoa học chuyên ngành. Luận án có tham khảo và sử dụng một số thông tin từ các nguồn sách, tạp chí và luận án được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo. Hà Nội, ngày 2 tháng 10 năm 2020 Lương Duy Hiếu
ii LỜI CẢM ƠN Nội dung luận án được thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nghiên cứu sinh xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Thái Quang Vinh và PGS.TS. Phạm Thanh Giang, người đã tận tình hướng dẫn, định hướng cho quá trình nghiên cứu thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các ý kiến đóng góp quý báu qua các buổi seminar định kỳ hàng tháng của quý Thầy Cô, các chuyên gia, các NCS trong nhóm nghiên cứu về Công nghệ mạng và Truyền thông tại Viện Công nghệ thông tin. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin, Phòng Tin học Viễn thông đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Cục ứng dụng và Phát triển công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ cũng như các đồng nghiệp đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình. Cuối cùng là sự biết ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn chia sẻ, cảm thông, khích lệ tinh thần để tôi hoàn thành luận án này. NCS Lương Duy Hiếu
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i LỜI CẢM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY ADHOC 8 1.1 Giới thiệu mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.1 Định nghĩa mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.2 Kiến trúc mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.3 Công nghệ truyền thông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.4 Một số đặc tính của mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.5 Ứng dụng của mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2 Nhân tố ảnh hưởng đến hiệu năng mạng adhoc . . . . . . . 18 1.2.1 Hiện tượng multipath fading trên đường truyền . . . . . . 18 1.2.2 Sự suy giảm tín hiệu và dung lượng kênh . . . . . . . . . . 19 1.2.3 Biến động về định tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.4 Tương tranh các luồng dữ liệu tại tầng LLC . . . . . . . . 21 1.2.5 Tương tranh các luồng dữ liệu tại tầng MAC . . . . . . . . 24 1.3 Phương pháp đánh giá hiệu năng mạng adhoc . . . . . . . . 25 1.3.1 Sử dụng mô hình giải tích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.3.2 Phương pháp thực hiện mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . 26
iv 1.3.3 Phương pháp thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4 Hướng tiếp cận giải quyết bài toán hiệu năng trong mạng adhoc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4.1 Hướng tiếp cận về giao thức định tuyến . . . . . . . . . . . 27 1.4.2 Hướng tiếp cận về cơ chế xử lý hàng đợi . . . . . . . . . . . 29 1.4.3 Hướng tiếp cận về phương thức truy nhập môi trường truyền 30 1.4.4 Một số đánh giá, nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.5 Hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu của luận án . . 32 1.6 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ BỘ THAM SỐ TRUY XUẤT KÊNH TRUYỀN PHÂN TÁN NÂNG CAO IEEE 802.11 EDCA 39 2.1 Phương thức truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.1.1 Tổng quan IEEE 802.11 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.1.2 Định dạng cấu trúc trường thông tin IEEE 802.11 EDCA 41 2.1.3 Cơ chế truy nhập kênh truyền IEEE 802.11 EDCA . . . . 42 2.1.4 Phân tích, đánh giá thông lượng các luồng dữ liệu trong IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2 Xây dựng mô phỏng đánh giá ảnh hưởng các tham số trong IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.1 Thiết lập mô hình mạng và môi trường mô phỏng . . . . . 45 2.2.2 Các chỉ số đo lường mạng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.3 Kịch bản đánh giá tham số TXOP . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2.4 Phân tích kết quả mô phỏng đánh giá tham số TXOP . . . 47 2.2.5 Kịch bản đánh giá tham số CW . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.6 Phân tích kết quả mô phỏng đánh giá tham số CW . . . . 49 2.3 Một số kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
v 2.4 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG LUỒNG DỮ LIỆU THEO MỨC ĐỘ ƯU TIÊN KHÁC NHAU DỰA TRÊN CƠ CHẾ ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ TXOP ĐỘNG 53 3.1 Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2 Giải pháp đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2.1 Ý tưởng của phương pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2.2 Mô hình đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.2.3 Thuật toán điều chỉnh tham số TXOP . . . . . . . . . . . . 60 3.3 Hàm mục tiêu và chỉ số đo lường của đề xuất . . . . . . . . 63 3.4 Thực hiện mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.4.1 Mô hình đơn chặng với tham số TXOP động . . . . . . . . 66 3.4.2 Mô hình đa chặng với tham số TXOP động . . . . . . . . . 66 3.5 Phân tích, đánh giá mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.5.1 Phân tích kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.2 Đánh giá về thông lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5.3 Đánh giá về chỉ số công bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.5.4 Đánh giá về chỉ số độ trễ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5.5 Đánh giá về tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.5.6 Đánh giá về tính khả thi trong ứng dụng . . . . . . . . . . 78 3.6 So sánh với một số kết quả đã công bố . . . . . . . . . . . . 79 3.6.1 So sánh về phương pháp thực hiện . . . . . . . . . . . . . . 79 3.6.2 So sánh về kết quả được công bố: . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.7 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
vi CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG FUZZY LOGIC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH MỘT SỐ THAM SỐ TRONG IEEE 802.11 EDCA NHẰM NÂNG CAO TÍNH CÔNG BẰNG CHO CÁC LUỒNG DỮ LIỆU 86 4.1 Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.2 Cơ sở lý thuyết liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.2.1 Fuzzy logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.2.2 Điều khiển thông minh qua Fuzzy logic . . . . . . . . . . . 90 4.2.3 Các nghiên cứu liên quan Fuzzy logic . . . . . . . . . . . . 91 4.3 Giải pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh tham số TXOP, CW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.1 Ý tưởng của đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.2 Mô hình Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP . . . . . . 92 4.3.3 Mô hình Fuzzy logic điều khiển tham số CW . . . . . . . . 97 4.3.4 Case-study: Fuzzy logic điều khiển tham số TXOP . . . . 99 4.3.5 Case-study: Fuzzy logic điều khiển tham số CW . . . . . . 101 4.4 Phân tích và đánh giá mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.4.1 Các chỉ số đo lường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.4.2 Thực hiện mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.5 So sánh kết quả của hai mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.6 So sánh một số kết quả đã công bố . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.7 So sánh kết quả với đề xuất 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.8 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 KẾT LUẬN 113 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AODV Adhoc On-demand Dis- Giao thức định tuyến vector tance Vector routing khoảng cách theo yêu cầu AIFS Arbitration Interframe Khoảng thời gian truyền giữa Space các frame Adhoc Adhoc Network Mạng Adhoc BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BF Backoff Factor Hệ số trì hoãn BSS Basic Service Set Tập các trạm dịch vụ cơ sở CBR Constant Bit Rate Tôc đô bit không đổi CSMA.CA Carrier Sense Multiple Giao thức đa truy nhập cảm Access with Collision nhận sóng mang có dò tìm xung Avoidance đột CP Contention Period Khoảng xung đột CTS Clear To Send Gói tin thông báo sẵn sàng để truyền trong chuẩn IEEE 802.11 CW Contention Window Cửa sổ tranh chấp DCF Distributed Coordination Chức năng điều phối phân tán Function DSSS Direct Sequence Spread Trải phổ trực tiếp Spectrum EDCA Enhanced Distributed Điều khiển truy nhập kênh Channel Access truyền phân tán nâng cao
viii EDCAF Enhanced Distributed Chức năng điều khiển truy nhập Channel Access Function kênh truyền phân tán nâng cao EP Estimation Period Giai đoạn ước lượng FHSS Frequency Hopping Trải phổ theo phương thức nhảy Spread Spectrum tần FIFO First In First Out Vào trước ra trước FCFS First Come First Serve Vào trước phục vụ trước HCCA HCF Controlled Channel Truy nhập kênh truyền được Access điều khiển bởi HCF HCF Hybrid Coordination Chức năng cộng tác lai Function IEEE Institute of Electrical and Học viện Điện và Điện tử Electronics Engineers IFS Inter Frame Space Khoảng cách giữa các khung tin LCFS Last Come First Serve Vào sau phục vụ trước MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường NS-2 Network Simulator 2 Bộ mô phỏng mạng NS2 OFDM Orthogonal Frequency Phân chia kênh theo tần số trực Division Multiplexing giao PC Point Coordinator Điểm điều phối PCF Point Coordination Func- Chức năng điều phối điểm tion QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RTS Request To Send Gói tin gửi yêu cầu để truyền trong chuẩn IEEE 802.11 RT Real-Time Thời gian thực RR Round Robin Thuật toán xoay vòng UDP User Datagram Protocol Giao thức bản tin người dùng
ix SIFS Short Interframe Space Khoảng cách ngắn (thời gian giữa các khung tin trong chuẩn IEEE 802.11) TXOP Transmission Opportunity Cơ hội truyền TCP Transmission Control Proto- Giao thức điều khiển việc col truyền WLAN Wireless Local Area Net- Mạng cục bộ không dây work
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng adhoc di động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Hình 1.2 Mô hình đơn chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Hình 1.3 Mô hình đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Hình 1.4 Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . 10 Hình 1.5 Kiến trúc logic của một IBSS [18] . . . . . . . . . . . . . . . 11 Hình 1.6 Phương thức truy nhập kênh trong mạng adhoc . . . . . . . 12 Hình 1.7 Mạng VANET [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Hình 1.8 Mạng FANET [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Hình 1.9 Mạng BAN [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Hình 1.10 Mô hình hàng đợi có một người phục vụ . . . . . . . . . . . . 20 Hình 1.11 Mô hình đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Hình 1.12 Tương tranh về băng thông trong IEEE 802.11 [30] . . . . . 24 Hình 1.13 Các loại ACs và hàng đợi trong IEEE 802.11 EDCA [30] . . 33 Hình 1.14 Cơ chế truy nhập kênh có xung đột bên trong 802.11 EDCA 35 Hình 1.15 Cơ chế truy nhập kênh có xung đột bên ngoài 802.11 EDCA 36 Hình 1.16 Phương pháp điều khiển truy nhập trong IEEE 802.11 [19] . 36 Hình 2.1 Cấu trúc trường thông tin EDCA [18] . . . . . . . . . . . . . 41 Hình 2.2 Cấu trúc trường thông tin cho mỗi AC [18] . . . . . . . . . . 42 Hình 2.3 Thủ tục truy nhập kênh truyền trong IEEE 802.11 EDCA . 42 Hình 2.4 Tham số TXOP limit trong IEEE 802.11 EDCA [30] . . . . 43 Hình 2.5 Mô hình đơn chặng với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . . . . . 44 Hình 2.6 Throughput theo các tham số chuẩn IEEE 802.11 EDCA . . 45 Hình 2.7 Throughput các luồng BE cho từng kịch bản tại Bảng 2.5 . 48 Hình 2.8 Throughput các luồng BE cho từng kịch bản tại Bảng 2.7 . 50
xi Hình 3.1 Mô hình IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Hình 3.2 Mô hình IEEE 802.11 EDCA với các module đề xuất . . . . 56 Hình 3.3 Sơ đồ khối mô tả thuật toán của modun TXOP-Flow . . . . 57 Hình 3.4 Sơ đồ khối mô tả thuật toán TXOP-Flow-Active-Time . . . 58 Hình 3.5 Sơ đồ khối mô tả thuật toán Adaptive-TXOP module . . . . 60 Hình 3.6 Kịch bản đơn chặng với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . . . . . 66 Hình 3.7 Kịch bản đa chặng với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . . . . . . 66 Hình 3.8 Kịch bản đa chặng 5 nút với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . . 67 Hình 3.9 Kịch bản đa chặng hỗn hợp với 3 luồng dữ liệu . . . . . . . . 67 Hình 3.10 Throughput các luồng theo tham số IEEE 802.11 EDCA . . 68 Hình 3.11 Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất . . . . . . 68 Hình 3.12 So sánh chỉ số Fairness của hai phương pháp . . . . . . . . . 69 Hình 3.13 So sánh tổng Throughput của hai phương pháp . . . . . . . 69 Hình 3.14 Tổng Throughput các luồng theo IEEE 802.11 EDCA . . . . 70 Hình 3.15 Tổng Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất . . . 70 Hình 3.16 Throughput các luồng theo IEEE 802.11 EDCA . . . . . . . 71 Hình 3.17 Throughput các luồng theo phương pháp đề xuất . . . . . . 71 Hình 3.18 So sánh tổng Throughput của hai phương pháp . . . . . . . 72 Hình 3.19 So sánh chỉ số Fairness của hai phương pháp . . . . . . . . . 72 Hình 3.20 Phần trăm độ tăng Throughput luồng BE đơn chặng . . . . 74 Hình 3.21 Phần trăm độ tăng Throughput luồng BE đa chặng . . . . . 74 Hình 3.22 Phần trăm độ tăng chỉ số Fairness đơn chặng . . . . . . . . . 75 Hình 3.23 Phần trăm độ tăng chỉ số Fairness đa chặng . . . . . . . . . 76 Hình 3.24 Độ trễ các luồng mô hình đơn chặng theo 802.11 EDCA . . 76 Hình 3.25 Độ trễ các luồng mô hình đơn chặng theo đề xuất . . . . . . 77 Hình 3.26 Tổng độ trễ các luồng giữa hai phương pháp . . . . . . . . . 77 Hình 3.27 Tổng độ trễ các luồng theo mô hình đa chặng . . . . . . . . 78 Hình 3.28 Lưu đồ điều chỉnh tham số TXOP động trong [48] . . . . . . 80 Hình 3.29 Lược đồ phân bổ giá trị TXOP theo lưu lượng [51] . . . . . 81
xii Hình 3.30 Lưu đồ điều chỉnh tham số TXOP động trong [51] . . . . . . 82 Hình 4.1 Cấu hình của Fuzzy Control System . . . . . . . . . . . . . . 88 Hình 4.2 Bộ điều khiển mờ cho tham số TXOP . . . . . . . . . . . . . 93 Hình 4.3 Hàm thành viên điều khiển tham số TXOP. . . . . . . . . . 94 Hình 4.5 Bộ điều khiển mờ cho tham số CW . . . . . . . . . . . . . . 97 Hình 4.6 Hàm thành viên điều khiển tham số CW. . . . . . . . . . . . 98 Hình 4.7 Fuzzy logic thực hiện kịch bản 1. . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Hình 4.8 Fuzzy logic thực hiện kịch bản 2. . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Hình 4.9 Kết quả chỉ số Fairness mô hình đơn chặng. . . . . . . . . . 104 Hình 4.10 Kết quả chỉ số Fairness mô hình đa chặng. . . . . . . . . . . 105
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật cơ bản một số chuẩn giao tiếp không dây 13 Bảng 2.1 Bảng các luồng dữ liệu theo thứ tự ưu tiên [30] . . . . . . . 40 Bảng 2.2 Bảng ánh xạ giữa UP và AC [30] . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Bảng 2.3 Tham số mặc định của chuẩn IEEE 802.11 EDCA [30] . . . 44 Bảng 2.4 Các tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Bảng 2.5 Các kịch bản đánh giá tham số TXOP . . . . . . . . . . . . 47 Bảng 2.6 Bảng chỉ số công bằng cho các kịch bản tại Bảng 2.5 . . . . 48 Bảng 2.7 Các kịch bản đánh giá tham số CW . . . . . . . . . . . . . . 49 Bảng 2.8 Bảng chỉ số công bằng cho các kịch bản theo Bảng 2.7 . . . 50 Bảng 3.1 Bảng phân mức chỉ số Fairness từ cao đến thấp . . . . . . . 64 Bảng 3.2 Các tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Bảng 3.3 Bảng thông lượng mô hình 5 nút giữa 802.11 EDCA và phương pháp đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Bảng 3.4 Bảng thông lượng mô hình 5 nút hỗn hợp giữa 802.11 EDCA và phương pháp đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Bảng 3.5 Bảng kết quả thông lượng luồng ưu tiên thấp trong [48], [51] 83 Bảng 3.6 Bảng so sánh tỷ lệ tăng thông lượng các luồng ưu tiên thấp 84 Bảng 3.7 Bảng so sánh chỉ số công bằng giữa các phương pháp . . . . 84 Bảng 4.1 Bảng các luật mờ điều khiển tham số TXOP . . . . . . . . . 96 Bảng 4.2 Bảng các luật mờ điều khiển tham số CW . . . . . . . . . . 99 Bảng 4.3 Các kịch bản thử nghiệm điều khiển tham số TXOP . . . . 99 Bảng 4.4 Các kịch bản thử nghiệm điều khiển tham số CW . . . . . . 101 Bảng 4.5 Các tham số mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
xiv Bảng 4.6 Thông lượng giữa các luồng điều khiển tham số CW . . . . 104 Bảng 4.7 Thông lượng giữa các luồng điều khiển tham số TXOP . . . 104 Bảng 4.8 Thông lượng giữa các luồng điều khiển tham số CW, đa chặng105 Bảng 4.9 Thông lượng giữa các luồng điều khiển tham số TXOP . . . 106 Bảng 4.10 Bảng thông lượng và chỉ số công bằng trong đề xuất 2 . . . 106 Bảng 4.11 Bảng các luật mờ trong [72] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Bảng 4.12 Bảng các luật mờ trong [74] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Bảng 4.13 Bảng thông lượng trong [72] với đề xuất 2 . . . . . . . . . . 109 Bảng 4.14 Bảng tỷ lệ tăng thông lượng trong [72] với đề xuất 2 . . . . 109 Bảng 4.15 Bảng thông lượng trong [74] với đề xuất 2 . . . . . . . . . . 110 Bảng 4.16 Bảng tỷ lệ tăng thông lượng trong [74] với đề xuất 2 . . . . 110 Bảng 4.17 Bảng thông lượng trung bình giữa đề xuất 1 và đề xuất 2 . 110 Bảng 4.18 Bảng chỉ số công bằng giữa đề xuất 1 và đề xuất 2 . . . . . 111
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Ngày nay, công nghệ truyền dẫn không dây (Wireless Technology) đang phát triển rất nhanh chóng và được sử dụng như hạ tầng cơ sở phục vụ cho việc kết nối các thiết bị, thậm chí cả con người với nhau và với mạng Internet. Các công nghệ kết nối không dây tốc độ cao như WiFi, 4G, 5G. . . cho phép các thiết bị có thể được kết nối dễ dàng, hiệu quả và kinh tế. Trong đó loại hình mạng không dây di động adhoc được đánh giá cao bởi tính tiện dụng và có miền ứng dụng rộng lớn. Các ứng dụng điển hình của mạng adhoc trải rộng trên nhiều lĩnh vực trong đời sống từ quân sự đến dân sự với nhiều biến thể khác nhau. Tiêu biểu như trong lĩnh vực quân sự với mạng FANET [1] cho phép thu thập thông tin tình báo, xây dựng bản đồ tác chiến. Trong lĩnh vực dân sự với mạng VANET [2, 3] cho phép triển khai các dịch vụ cho giao thông thông minh, với mạng BAN [4] được ứng dụng trong lĩnh vực y tế cho phép triển khai các dịch vụ theo dõi chăm sóc sức khỏe cộng đồng. Mạng adhoc với các đặc tính như tự trị, không cần có hạ tầng, định tuyến đa chặng, năng lượng hoạt động hạn chế, rủi ro về an ninh, tô-pô mạng thường xuyên thay đổi. Những đặc tính này tạo ra nhiều thách thức trên tất cả các tầng của mạng. Ví dụ, tầng vật lý phải xử lý tín hiệu với sự thay đổi nhanh của các đặc tính liên kết. Tầng MAC phải đảm bảo khả năng truy nhập kênh công bằng, giảm thiểu xung đột gói tin, tầng mạng đòi hỏi các nút phối hợp để tính toán đường đi tối ưu trong điều kiện phải thỏa mãn nhiều ràng buộc phức tạp. Bên cạnh đó, do đặc tính di động trong mạng không dây adhoc, các nút tham gia mạng có những đặc điểm khác nhau trong việc truy nhập kênh truyền cũng như sự khác nhau về số luồng, số chặng. Điều này, kéo theo hiệu năng của mạng
2 adhoc bị suy giảm nhanh thể hiện qua các thông số như tỉ lệ lỗi, tỷ lệ mất gói cao, thông lượng giảm và tính công bằng dễ bị phá vỡ. Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu về mạng adhoc ở trong [5, 6, 7] và ngoài nước [8, 9, 10, 11] được giới nghiên cứu quan tâm, bởi nó mang lại giá trị thực tiễn và giá trị khoa học, giúp mở ra nhiều cơ hội ứng dụng và nâng cao tiềm lực công nghệ cho mỗi quốc gia. Nhiều bài toán quan trọng vẫn đang được các nhà khoa học giải quyết như điều khiển truy nhập, vấn đề tìm đường đi, truyền thông tin cậy, đảm bảo chất lượng dịch vụ [12, 13],...Trong đó, một phân lớp đang được cộng đồng nghiên cứu quan tâm là đi sâu giải quyết những bài toán then chốt tại tầng điều khiển truy nhập MAC trên chuẩn IEEE 802.11 nhằm cải thiện hiệu năng và nâng cao chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng trong mạng không dây adhoc. Bài toán trong phân lớp này, bao hàm nhiều vấn đề cần giải quyết với các ràng buộc kỹ thuật phức tạp. Đó là vấn đề tranh chấp tài nguyên và va chạm truyền phát giữa các nút mạng và giữa các luồng dữ liệu trong mạng. Các liên kết không dây lỗi bít cao khiến các gói tin phải truyền lại nhiều lần, làm hạ thấp băng thông hiệu dụng. Các yếu tố bên ngoài như nhiễu kênh vô tuyến, giao thoa, fading . . . ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu truyền. Trong mạng adhoc đa chặng, một trạm phải truyền đi cả luồng trực tiếp được sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng chuyển tiếp được sinh ra bởi các luồng hàng xóm, do đó phải chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm khác. Hiệu ứng của sự tranh chấp này làm ảnh hưởng đến hiệu năng mạng. Trước sự gia tăng mạnh mẽ của các ứng dụng trên nền tảng mạng không dây, nhu cầu nghiên cứu theo hướng nâng cao hiệu năng cho mạng adhoc trở thành vấn đề cấp thiết. Nắm bắt xu thế đó, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng trong mạng không dây adhoc của chuẩn IEEE 802.11 EDCA”. Để đảm bảo tính khả thi trong việc nghiên cứu với điều kiện giới hạn về thời gian, hạ tầng trang thiết bị hiện có, nghiên cứu sinh tập trung vào hướng nghiên cứu nâng cao hiệu năng thông lượng và độ công bằng tại tầng điều khiển truy
3 nhập MAC theo phương thức truy nhập phân tán nâng cao EDCA trên chuẩn IEEE 802.11. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Trên cơ sở phân tích về tính cấp thiết của đề tài, nghiên cứu sinh xác định mục tiêu nghiên cứu của luận án là tập trung giải quyết bài toán nâng cao hai chỉ số đo lường hiệu năng mạng là thông lượng và độ công bằng. Mục tiêu này được cụ thể hóa bằng các nội dung dưới đây: (1) Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong EDCA. Trong đó, việc cải thiện chất lượng luồng dữ liệu được thể hiện trong đề xuất này cần đảm bảo cho các luồng ưu tiên thấp không bị các luồng ưu tiên cao sử dụng hết băng thông hiện có đồng thời vẫn giữ được chỉ số công bằng của các luồng dữ liệu ở mức trên trung bình theo chuẩn IEEE 802.11 EDCA đạt được. (2) Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy Logic để điều khiển thông minh một số tham số trong IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu. Trong đó, tính công bằng thể hiện thông qua việc các luồng ưu tiên thấp được dành mức băng thông theo tỷ lệ thích hợp với các luồng ưu tiên cao. Với việc phân chia tài nguyên hiện có theo phương pháp điều khiển thông minh các tham số trong IEEE 802.11 EDCA sẽ góp phần duy trì tính ổn định và nâng cao chất lượng truyền tải dữ liệu trong các ứng dụng trên nền tảng của mạng không dây adhoc. 3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài Luận án tập trung vào các đối tượng sau đây của mạng adhoc: (1) Tầng điều khiển truy nhập môi trường truyền MAC (Medium Access Control). (2) Phương thức điều khiển truy nhập phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access). 4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
4 Nghiên cứu các tham số trong cơ chế truy nhập kênh truyền phân tán nâng cao IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao hiệu năng cho các luồng dữ liệu theo các chỉ số đo lường cơ bản gồm thông lượng và chỉ số công bằng. 5. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu như đã đề ra, luận án xác định các nội dung nghiên cứu cụ thể sau: (1) Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số TXOP trong IEEE 802.11 EDCA tới hiệu năng mạng adhoc. (2) Khảo sát, phân tích, đánh giá ảnh hưởng tham số CW trong IEEE 802.11 EDCA tới hiệu năng mạng adhoc. (3) Đề xuất phương pháp cải thiện chất lượng luồng dữ liệu theo mức độ ưu tiên khác nhau dựa trên cơ chế điều chỉnh tham số TXOP động trong IEEE 802.11 EDCA. (4) Đề xuất phương pháp sử dụng Fuzzy logic để điều khiển thông minh một số tham số trong IEEE 802.11 EDCA nhằm nâng cao tính công bằng cho các luồng dữ liệu. 6. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sinh thực hiện phương pháp nghiên cứu theo quy trình sau: (1) Nêu lên vấn đề đang tồn tại của đối tượng nghiên cứu (2) Phân tích, khảo sát các yếu tố có ảnh hướng đến đối tượng nghiên cứu để xác định ưu nhược điểm của từng yếu tố. (3) Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước về các đối tượng nêu trên để đưa ra phương pháp mới. (4) Xây dựng thuật toán, mô hình mới để giải quyết vấn đề đã được nhận diện. (5) Kiểm tra tính đúng đắn bằng các kỹ thuật tin cậy.