Thiết kế băng thông mạng truyền tải thông tin đo lường khi thử nghiệm và vận hành thiết bị bay không người lái

Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> <br /> THIẾT<br /> THIẾT KẾ BĂNG THÔNG MẠNG TRUYỀN TẢI THÔNG TIN<br /> ĐO LƯ<br /> LƯỜNG<br /> ỜNG KHI THỬ NGHIỆM V<br /> VÀÀVVẬN<br /> ẬN H<br /> HÀNH<br /> ÀNH<br /> THIẾT BỊ BAY KHÔNG NG<br /> THIẾT NGƯƯỜI<br /> ỜI LÁI<br /> ễn Tiến Phát1*, Nguy<br /> Nguyễn<br /> Nguy Nguyễn<br /> ễn Huy Ho àng1, Ph<br /> Hoàng Phạm<br /> ạm Hoàng Long 2<br /> Hoàng<br /> tắt: M<br /> Tóm tắt: Mụcục tiêu<br /> tiêu ccủa<br /> ủa nghi<br /> nghiên<br /> ên ccứu<br /> ứu này<br /> này là gigiải<br /> ải quyết bài<br /> bài toán ho<br /> hoạch<br /> ạch định băng<br /> thông kênh ccủaủa mạng truyền số liệu khi thử nghiệm vvàà vvận ận hhành<br /> ành thi<br /> thiết<br /> ết bị bay không<br /> người lái.<br /> người lái. Thời<br /> Thời gian truyền tải khung thông tin đo llư ường<br /> ờng đđược<br /> ợc mô tả bằng phân bố<br /> Erlang<br /> rlang bbậc<br /> ậc hai với sự ự bổ sung th<br /> thành<br /> ành ph<br /> phầnần hằng số. Phân bố thời gian truyền tải<br /> khung thông tin đo lư lường<br /> ờng được<br /> đ ợc tính toán bằng việc ứng dụng lý thuyết hhàm àm gi<br /> giải<br /> ải tích<br /> biến phức. Giải pháp tối ưu được<br /> biến được tìm<br /> tìm ra bbằng<br /> ằng ứng dụng giải thuật di truyền khi gigiới<br /> ới<br /> hạn<br /> ạn thời gi<br /> gian<br /> an truy<br /> truyền<br /> ền tải khung dữ liệu vvàà đđại<br /> ại lượng<br /> l ợng băng thông dự bị kkênh.<br /> ênh.<br /> Từ khóa Thiết<br /> ừ khóa: hiết bị bay không nngười<br /> ời lái, Mạng truyền số liệu, B<br /> Băng<br /> ăng thông, gi<br /> giải<br /> ải thuật di truyền<br /> truyền.<br /> <br /> 1. M<br /> MỞ<br /> Ở ĐẦU<br /> Trong quá<br /> quá trìình<br /> nh thử<br /> th nghiệm<br /> nghiệm và v vvận<br /> ận hàànhnh cáác thiết<br /> thiết bbị hhàng<br /> ng khô<br /> không vàà vũ ũ tr<br /> trụ, ccácc<br /> thi bị bay di chuy<br /> thiết chuyển ển từ<br /> ừ vùùng<br /> ng theo dõõi ccủa<br /> ủa trạm<br /> ạm đoo lưường<br /> ờng nnày sang vùùng theo dõii<br /> của<br /> ủa tr<br /> trạm<br /> ạm khá<br /> khác. V Vìì vậy<br /> ậy lưưu lượng<br /> ợng th<br /> thông<br /> ng tin truyền<br /> truyền tải<br /> ải trong ththời<br /> ời gian th<br /> thực vềề trung<br /> tâm m đđiều<br /> ều hành<br /> h nh llà liliênn lục<br /> ục thay đổi.<br /> đ . Sự ự ch<br /> chậm<br /> ậm trễ<br /> tr hay m mất máát thông<br /> th ng tin do tr tràn bộ ộ<br /> nh trong cácc thi<br /> nhớ thiết<br /> ết bbị đđịnh<br /> ịnh tuyến<br /> tuyến llà kh<br /> khôông hềề mong mu muốn ốn vàà có ó thể<br /> th ddẫn<br /> ẫn tới<br /> ới gi<br /> giánn<br /> đooạn<br /> ạn quá<br /> qu trình<br /> tr nh th<br /> thử<br /> ử nghi<br /> nghiệm<br /> ệm vàà vận<br /> ận hànhnh.. Nhiệm<br /> Nhiệm vụ đảm ảm bảo ảo băng<br /> b ng thông<br /> th ng cần ần thi<br /> thiếtết<br /> cho ccácc kêênhnh liêên llạc đểể phục<br /> phục vụ ụ qu<br /> quáá trình<br /> nh vận<br /> vận chuyển<br /> chuyển kịp ịp th<br /> thời<br /> ời thông<br /> th ng tin đođ lường<br /> ờng<br /> làà hết<br /> ết sức<br /> ức cần<br /> cần thi<br /> thiết<br /> ết.<br /> Mục tiêu<br /> Mục tiêu của<br /> của nghiên ccứu ứu nnày<br /> ày là xác đđịnh<br /> ịnh giá trị băng thông của các kkênh ênh truy<br /> truyềnền<br /> tải<br /> ải trong mạng thông tin phục vụ thử nghiệm, vận hhành ành thi<br /> thiết<br /> ết bị bay. Quá tr trình<br /> ình đđảm<br /> ảm<br /> bảo<br /> ảo thông tin đđư ược<br /> ợc diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận llưu ưu<br /> lượng tải gây ra bởi sự thay đđổi<br /> lượng ổi quỹ đạo di chuyển của các thiết bị bay (TBB) (TBB).<br /> Cấu<br /> ấu trúc tổng quát của mạng truyền tải thông tin đo llư ường<br /> ờng trong thử nghiệm vvàà<br /> vậnận hhành<br /> ành thiết<br /> thiết bị bay biểu diễn tr trên<br /> ên hình 1. Thông th thường,<br /> ờng, nó có dạng hhình ình cây vvớiới<br /> định<br /> ịnh tuyến linh động bởi lẽ tọa độ địa llýý ccủa ủa các vật thể bay llàà liên tục<br /> tục thay đổi.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Cấu<br /> Cấu trúc mạng truyền tải thông tin đo llư<br /> ường<br /> ờng.<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 53<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Từ hình 1 có thể nhận thấy TBB1 di chuyển theo quỹ đạo 1, lúc đầu được theo<br /> dõi bởi hai trạm đo (vùng 1), sau đó, được bám sát bởi hai trạm đo khác ở vùng 2<br /> và cuối cùng là bởi một trạm đo ở vùng 3. Ở các vùng số 4 và số 5 thì bố trí các<br /> trạm đo để truyền tải thông tin về di chuyển của TBB2. Đối với mỗi kênh truyền<br /> tải trong mạng cần thiết phải tính toán được phân bố thời gian truyền khung dữ liệu<br /> thông tin từ thiết bị định tuyến của vùng về trung tâm điều hành.<br /> 2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU<br /> Phát triển các hệ thống, phương pháp truyền tải thông tin chuyên dụng đang là<br /> hướng nghiên cứu chính của nhiều trung tâm và nhà khoa học trên thế giới.<br /> Phát triển phương pháp và cấu trúc tăng cường hiệu quả trao đổi thông tin trong<br /> các hệ thống phân tán thu thập thông tin đo đạc [4]. Đảm bảo độ tin cậy cần thiết<br /> và vận chuyển kịp thời thông tin đo đạc đến trung tâm xử lý trong thời gian thực<br /> bằng sự tăng số lần gửi gói dữ liệu được thực hiện qua giao thức UDP trong lớp<br /> vận chuyển. Có thể chỉ ra một loạt những công trình nghiên cứu trên cơ sở hoàn<br /> thiện các giao thức lớp thứ tư của mô hình OSI [5]. Hiện nay, dung lượng truyền<br /> tải thông tin quỹ đạo, đo đạc, âm thanh địa chấn và các loại thông tin khác ngày<br /> càng tăng. Để truyền tải thông tin đo đạc trong thời gian thực, việc ứng dụng khái<br /> niệm mạng định nghĩa bởi phần mềm (SDN) là có triển vọng khả quan [6, 7, 8].<br /> Nhóm các nhà khoa học đại học Princeton (Hoa Kỳ) như Rexford J., Suchara M.,<br /> Bresler M., Chiang M…đã phát triển giao thức định tuyến lưu lượng đa đường<br /> TRUMP (TRaffic-management Using Multipath Protocol) [9]. Đây là giao thức<br /> quản lý lưu lượng mang tính chất phân tán, thích nghi, tin cậy, mềm dẻo và đơn<br /> giản trong quản lý và định hướng trên chuẩn OpenFlow. Giao thức TRUMP sử<br /> dụng hồi tiếp khi định tuyến đa đường đòi hỏi tương tác giữa điểm bắt đầu và<br /> những nút trung gian từ đầu đến cuối chặng và quy ước lưu lượng chồng chất đối<br /> với truyền tải tin.<br /> Sự khác biệt quan trọng của mạng chuyên dụng so với mạng thông thường là sử<br /> dụng các công nghệ mạng đặc biệt ở các trạm thuê bao lớn (trung tâm tính toán,<br /> trạm xuất phát, khu vực kết thúc). Trong một công trình công bố năm 1982 của<br /> Valiant L.G. đã mô tả phương pháp định tuyến hai trạm với sự phân bố tải lên tất<br /> cả các tuyến song song (định tuyến VLB) [10]. Nhờ đó mà nâng cao đặc tính xác<br /> suất thời gian và độ tin cậy của mạng lưới. Định tuyến VLB đã được sử dụng trong<br /> xây dựng các thiết bị định tuyến [11]; trong quản lý lưu lượng mạng Internet [12];<br /> và trong điều khiển mạng lưới chính trên cơ sở kịch bản hỏng hóc [13]… Hạn chế<br /> của mạng VLB là sự tăng dung lượng các kết nối để đảm bảo hiệu suất và độ tin<br /> cậy. Tuy nhiên, sử dụng định tuyến VLB và tăng cường chi phí trong mạng chuyên<br /> dụng là hoàn toàn xứng đáng, bởi lẽ khi hoạt động và thử nghiệm thiết bị bay<br /> không người lái có sự tham gia của nhiều người và số lượng lớn các phương tiện<br /> kỹ thuật. Sự gián đoạn công việc liên quan đến việc tắc nghẽn thu thập thông tin là<br /> không cho phép.<br /> Liên quan đến vấn đề tối ưu mạng truyền tải thông tin chuyên dụng, thời gian<br /> gần đây trong một số công bố trong nước đã nghiên cứu và đề xuất các phương<br /> pháp giảm độ trễ truyền tải cũng như giảm năng lượng tiêu hao trong quá trình<br /> hoạt động của mạng lưới.<br /> <br /> <br /> 54 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Trong một công trình công bố năm 2016 của hai tác giả Phạm Văn Trung và<br /> Phạm Văn Tho đăng trên tạp chí khoa học và công nghệ của trường Đại học<br /> Phạm Văn Đồng đã đề xuất “Thuật toán tối ưu thời gian trễ tập hợp dữ liệu dựa<br /> trên cơ chế chống xung đột trong mạng cảm biến không dây” [14]. Cấu trúc của<br /> mạng cảm biến không dây gồm nhiều nút cảm biến không dây được đặt trong<br /> một khu vực xác định nhằm mục đích giám sát môi trường, cứu hộ, cảnh báo<br /> cháy nổ… Các tác giả đã xây dựng một thuật toán để tính toán một lịch trình tập<br /> hợp dữ liệu sao cho không xảy ra xung đột tại các phiên truyền dữ liệu. Trên cơ<br /> sở mô phỏng đánh giá hiệu quả của phương pháp với các mạng cảm biến bao<br /> gồm từ 150 đến 550 nút được thiết lập ngẫu nhiên trong khu vực bán kính<br /> 50x50m, các tác giả đã chứng minh được rằng phương pháp đề xuất sử dụng ít<br /> khoảng thời gian tập hợp dữ liệu hơn phương pháp dùng backbone [15]. Thuật<br /> toán đề xuất đã tối ưu hóa thời gian trễ trong tập hợp dữ liệu bằng cách giảm<br /> xung đột truyền thông tin tại các nút mạng.<br /> Trong bài báo “Giải thuật Heuristic và di truyền giải bài toán định tuyến đa<br /> điểm trên mạng cảm biến không dây nhiệm vụ tuần hoàn” của nhóm tác giả<br /> Nguyễn Thái Dương, Huỳnh Thị Thanh Bình và Ngô Hồng Sơn đã tiến hành<br /> nghiên cứu vấn đề định tuyến đa điểm (multicast) cho mạng cảm biến không dây<br /> nhiệm vụ tuần hoàn (DC-WSN) [16]. Đặc trưng của loại mạng cảm biến không dây<br /> này là các nút cảm biến hoạt động tuần hoàn theo chu kỳ và không bắt buộc phải<br /> hoạt động liên tục. Quá trình truyền dữ liệu đa điểm được thực hiện thường xuyên<br /> trong hoạt động của mạng, do đó, cần thiết phải thiết kế một giao thức multicast<br /> hiệu quả về mặt năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Bài toán MEM<br /> (Minimum-Energy Multicasting) đã được chứng minh thuộc lớp NP-hard và<br /> thường được giải quyết bằng các thuật toán xấp xỉ. Nhóm tác giả đã đề xuất một<br /> giải thuật heuristic (HMEM) và một giải thuật di truyền (GAMEM) nhằm mang lại<br /> lời giải có mức năng lượng tiêu thụ tốt hơn cho bài toán MEM. Bản chất của ý<br /> tưởng này là cực tiểu hóa độ trễ truyền tin từ nút gốc đến mọi nút terminal bằng<br /> cách tìm đường đi ngắn nhất giữa các nút này, từ đó làm giảm tiêu hao năng lượng<br /> trong quá trình truyền và nhận dữ liệu. Tuy nhiên, bài báo tập trung vào mục tiêu<br /> tối ưu hóa độ trễ truyền tải dữ liệu mà chưa đặt nó trong ràng buộc phải tránh xung<br /> đột khi hai hoặc nhiều hơn các nút mạng cùng gửi, nhận dữ liệu trên cùng một<br /> đường truyền chia sẻ.<br /> Chúng tôi đề xuất xây dựng hệ thống truyền tải thông tin đo lường trong thử<br /> nghiệm và vận hành thiết bị bay trên cơ sở công nghệ SDN (Software Defined<br /> Networking). Hiện nay, đây là công nghệ mạng hoàn thiện hơn cả đối với mạng<br /> Internet nói chung và các hệ thống mạng chuyên dụng thời gian thực nói riêng. Đối<br /> với SDN, trong các máy chủ riêng biệt được tăng cường độ tin cậy, chạy hệ điều<br /> hành NOS. Máy chủ NOS thông qua các nút mạng nhận được cấu trúc mạng tổng<br /> thể và biểu diễn nó để quản lý ở dạng sơ đồ. Việc quản lý quy về việc xác định các<br /> chính sách làm việc của các nút mạng (tách biệt người dùng, kiểm soát truy cập,<br /> QoS…). Hiện thực những chính sách này là nhiệm vụ của NOS. Trên tầng quản lý<br /> tiến hành ảo hóa các chức năng mạng NFV để xác định ai có thể liên kết với mạng,<br /> chức năng nào mà người dùng nào được tiếp cận… NFV thực thi thông qua sơ đồ<br /> mạng các chức năng như thông dịch địa chỉ, tham số tường lửa, nhận diện xâm<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 55<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> phạm, DNS, bộ nhớ đệm… trưng dụng các chức năng này của phần cứng các nút<br /> mạng. Hiện nay các chức năng này có thể cấu hình bằng phần mềm. Với sự trợ<br /> giúp của giao thức OpenFlow, NOS chuyển cấu hình tổng thể của cấu trúc mạng<br /> sang thiết bị vật lý thực tế (thiết bị định tuyến, chuyển mạch, tường lửa,<br /> controller…), cũng như tiếp nhận thông tin về cấu trúc tổng quát của mạng.<br /> Tóm lại, đối với mạng truyền thông tin đo lường chuyên dụng cần đặt ra yêu cầu<br /> rất cao về tốc độ truyền tin và độ ổn định trong điều kiện thay đổi liên tục lưu lượng<br /> tải sản sinh ra trong quá trình thử nghiệm và vận hành các thiết bị bay. Giải quyết<br /> vấn đề xây dựng mạng lưới để truyền tải khối lượng lớn thông tin, đặc biệt là thông<br /> tin hình ảnh sẽ gặp những trở ngại lớn nếu như không sử dụng công nghệ mạng định<br /> nghĩa bởi phần mềm SDN. Sử dụng SDN cho phép người thiết kế mạng lưới thực thi<br /> các phương pháp, thuật toán và chương trình dưới dạng code trong các controller của<br /> hệ điều hành quản trị các thiết bị định tuyến truyền số liệu. Bản chất là quá trình tách<br /> gói tin từ các trạm đo ra các gói con để truyền tải song song, quá trình định tuyến đa<br /> luồng, các tác vụ liên quan đến bảo đảm độ ổn định mạng lưới.<br /> 3. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT<br /> 3.1. Mô hình truyền dữ liệu trên kênh đơn<br /> Thời gian truyền khung dữ liệu thông tin trên kênh đơn có thể biểu diễn bằng<br /> công thức: t  T   , trong đó, T – Thành phần hằng số,  – Thành phần biến số,<br /> hay còn gọi là “jitter”. Để mô phỏng giá trị jitter chúng tôi sử dụng phân bố chuẩn<br /> Erlang, tức là phân bố của tổng k đại lượng ngẫu nhiên độc lập, mỗi đại lượng<br /> ngẫu nhiên lại có phân bố mũ với tham số là k .<br /> Hàm phân bố của phân bố chuẩn Erlang xác định bằng biểu thức [1]:<br /> i<br /> <br /> Fk  x   1  e  k x<br /> k 1<br />  k x <br /> <br /> i 0 i!<br /> (1)<br /> <br /> Hàm mật độ của phân bố chuẩn Erlang xác định bằng biểu thức [1]:<br /> k 1<br /> k  k x <br /> fk  x   e  k x (2)<br />  k  1 !<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Mật độ phân bố Erlang.<br /> <br /> <br /> 56 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Trên hình 2 biểu diễn mật độ phân bố Erlang khi tham số   1 đối với các giá<br /> trị tham số: k  1, k  2, k  16 .<br /> Để mô phỏng sự thay đổi độ trễ của gói dữ liệu khi truyền trên một kênh có thể<br /> sử dụng các giá trị   0,5 ,   1 hoặc   2 để phù hợp với thực tế [17].<br /> Hàm sinh moment của phân bố chuẩn Erlang [1]:<br /> k<br />  k <br /> M s    (3)<br />  k  s <br /> Trên hình 3 biểu diễn mô hình mô phỏng độ trễ và biến thiên của nó trong<br /> truyền tải gói dữ liệu thông qua một nút mạng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mô hình biến thiên độ trễ truyền tải gói dữ liệu<br /> thông qua một nút mạng.<br /> Hàm sinh moment tương đương của thời gian truyền tải:<br /> k<br />  k <br /> sT<br /> M E  s   M1  s  M 2  s   e   (4)<br />  k  s <br /> Các đặc tính số của phân bố, cụ thể là moment bậc nhất, bậc hai cũng như<br /> phương sai được tính theo các công thức:<br /> 1 2T 3 1<br />  1I  T  ;  2 I  T 2   2 ;  I2  . (5)<br />   2 2 2<br /> Đối với hàm M E  s  tiến hành đổi biến z   s , hàm nhận được đặt tên là<br /> ΦE  z  :<br /> k<br />  k   zT<br /> ФE  z   e   (6)<br />  k  z <br /> Nếu như hàm ΦE  z  trong nửa mặt phẳng phức Re z  0 thỏa mãn điều kiện<br /> của bổ đề Jordan thì tích phân đường Bromwich bằng tổng các thặng dư của hàm<br /> ΦE  z  đối với tất cả các điểm đặc biệt [1]. Mật độ phân bố xác suất của thời gian<br /> truyền tải gói dữ liệu trên kênh liên lạc:<br /> i n<br /> 1 zt<br />  t    e ΦE  <br /> z d z   Re s  e z tΦE  z   . (7)<br /> 2πi  i  k 1 z  z k<br /> <br /> Để thỏa mãn điều kiện của bổ đề Jordan, trong nửa mặt phẳng phức bên trái,<br /> hàm ΦE  z  phải khả tích ngoại trừ tại một số hữu hạn các điểm cực và tiến dần<br /> đều đến 0 khi z   .<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 57<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Hàm Φ  z   λ  λ z  của phân bố mũ hội tụ đều về 0 đối với arg z khi<br /> α<br /> z   , và có điểm cực z    . Hàm Φ  z   λ α λ  z của phân bố Erlang<br /> hội tụ đều về 0 đối với arg z khi z   , và có điểm cực bậc α tại điểm<br /> z   .<br /> Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền tải gói dữ liệu tính theo công thức [1]:<br /> i k<br /> 1  k  z  t T <br />  t    e   dz (8)<br /> 2 i i   k  z <br /> Trong tính toán thực tiễn lấy giá trị k  2 để phù hợp với phân bố của thời gian<br /> truyền tải gói dữ liệu, vì vậy:<br /> i 2<br /> 1 z  t T   2 <br />  t   e  dz.<br /> 2  i i <br />  (9)<br />  2  z <br /> 2<br />  2 <br /> Hàm   tại điểm z  2  có điểm cực bậc 2.<br />  2  z <br /> Vì vậy:<br /> n 1  n zt<br /> <br /> 1 d  z  z  e  z <br /> <br />  k<br />  <br />   t   c 1  lim n 1<br />  n  1! k<br /> z  z dz<br />  2 (10)<br /> 2 z  t T   2  <br /> d  z  2  e   <br />   2  z  <br />  lim  4 2  t  T  e  2  t T  , t  T .<br /> z  2 dz<br /> Hàm phân bố của thời gian truyền tải gói dữ liệu<br /> t<br /> F  t     I  t  dt  1  e  2  t T   1  2  t  T   , t  T . (11)<br /> T<br /> <br /> 3.2. Truyền dữ liệu trên kênh hợp thể song song<br /> Hàm sinh moment thỏa mãn tính chất sau đây: Nếu đại lượng ngẫu nhiên  là<br /> hàm của đại lượng ngẫu nhiên  với   a  b , trong đó a và b là hằng số thì<br /> M    M   a   e ib , với M   và M    là các hàm sinh moment của đại<br /> lượng ngẫu nhiên  và  tương ứng.<br /> Nếu một gói tin có độ dài quy ước được truyền tải trên kênh liên lạc với thời<br /> gian t thì một gói tin có độ dài nhỏ hơn r lần độ dài quy ước cũng sẽ được truyền<br /> tải trên kênh với thời gian nhỏ hơn xấp xỉ r lần của t. Kết luận này phù hợp với các<br /> đo đạc trong thực tế. Đối với trường hợp truyền qua kênh liên lạc gói dữ liệu có độ<br /> dài nhỏ hơn r lần độ dài quy ước s có nghĩa là thay s bằng s r ( a  1 r ) vào biểu<br /> thức (4):<br /> <br /> <br /> 58 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> sT k<br />  rk <br /> M r   s   e  <br /> r<br /> (12)<br />  rk   s <br /> Thay M  r   s  vào biểu thức (6) và biểu thức (8) ta thu được:<br />  zT k<br />  rk  <br /> Ф( r )  z   e r<br />   (13)<br />  rk   z <br /> i i  T k<br /> 1 zt 1 z t    rk <br />  r   t   e  z d z  e  r<br />  dz (14)<br /> 2  i i  2  i i <br /> <br />  rk  z <br /> Khi thay k  2 :<br /> i  T 2<br /> 1 zt   2r <br />  r  t   e  r<br />  dz (15)<br /> 2  i i <br /> <br />  2r  z <br /> 2<br />  2r <br /> z  2 r là điểm cực bậc 2 của hàm   , mật độ phân bố thời gian<br />  2r  z <br /> truyền gói dữ liệu có độ dài ngắn hơn r lần độ dài quy ước:<br /> n 1  n zt<br /> <br /> 1 d  z  z  e   z <br />  k <br />   r   t   c 1  lim n 1<br /> <br />  n  1! z  z k dz<br />   T 2 (16)<br /> 2 z  t  r   2r  <br /> d  z  2r  e   <br />   2r  z   2 2<br />  T<br /> T   2 r  t  r <br />  lim  4 r  t  e ,<br /> z   2 r dz  r<br /> Hàm phân bố:<br /> T<br /> F r   t   1  e  2  r t T   2  rt  T   1 , t   0 (17)<br /> r<br /> Xem xét đặc tính của 2 kênh truyền song song. Khi r  2 thì hàm phân bố thời<br /> gian truyền gói dữ liệu sẽ giảm đi hai lần so với thời gian truyền gói dữ liệu có độ<br /> dài quy ước ban đầu.<br /> T<br /> F 2  t   1  e  2  2t T   2  2t  T   1 , t   0 (18)<br /> 2<br /> Trong trường hợp phân bố đều thông tin theo các đường khác nhau của kênh<br /> hợp thể. Đánh dấu các ký tự I, II, III biểu thị tương ứng truyền tải một, hai hay ba<br /> đường của kênh hợp thể. Khi hai kênh truyền hoạt động song song thì thời điểm<br /> kết thúc việc truyền dữ liệu được xác định khi kết thúc việc truyền gói dữ liệu cuối<br /> cùng. Thời gian thực hiện thao tác định dạng lại đối với các gói tin ở bên nhận,<br /> được coi là rất nhỏ so với thời gian truyền gói tin đó trên kênh liên lạc. Khi đó thời<br /> gian truyền ngẫu nhiên hai gói tin theo đường song song được xác định là lớn nhất<br /> từ hai đại lượng ngẫu nhiên có hàm phân bố:<br /> 2 T<br /> <br /> FII  t   FI 22  t   1  e  2  2t T   2  2t  T   1 , t   0 .<br /> 2<br />  (19)<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 59<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Hàm mật độ phân bố xác suất tương ứng<br /> T<br />  II  t   16 2  2t  T  e<br />  2  2 t T <br />  1 e  2  2 t T <br /> <br />  1  2  2t  T   , t   0. (20)<br /> 2<br /> 3.3. Truyền dữ liệu qua N kênh nối tiếp nhau<br /> Hàm mật độ phân bố thời gian truyền dữ liệu qua N kênh nối tiếp nhau bằng<br /> tích của các hàm mật độ phân bố thời gian truyền tải qua các kênh thành phần và<br /> có dạng:<br />  zT<br /> N N e i  i2<br />  (z)    i ( z )  4 N  2<br /> (21)<br /> i 1 i 1  2   z <br /> i<br /> <br /> Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền gói dữ liệu thông tin đo lường từ N<br /> kênh ảo nối tiếp nhau xác định theo biểu thức (22) thông qua tổng thặng dư đối với<br /> tất cả các điểm đặc biệt z  2 i :<br /> N  e i  i2 <br />  zT<br /> <br /> f  t   Res 4 e   N zt  (22)<br /> 2<br /> i 1 z  2  i  i  2   z  <br />  i <br /> 3.4. Xác định băng thông của kênh<br /> Việc chọn lựa phương án tốt nhất phân bổ băng thông trên cấu trúc mạng là rất<br /> phức tạp, bởi lẽ số phương án khả thi là rất lớn. Vì vậy, chúng tôi đề xuất sử dụng<br /> giải thuật di truyền để thiết kế băng thông mạng truyền tải thông tin đo lường theo<br /> mục tiêu của bài báo [2]. Mỗi một liên kết (kênh vật lý) từ trạm đo đến trung tâm<br /> điều khiển đặt nhiều kênh ảo. Để xác định được tổng băng thông của kênh thì mật<br /> độ phân bố thời gian truyền các gói tin đo lường đã tính được cần phải đưa về dạng<br /> biểu thức của phân phối vận tốc truyền (Mbit/s).<br /> Đối với tập hợp các kênh ảo từ các trạm đo tới trung tâm điều khiển được thiết<br /> lập trên kênh vật lý chung thì cần xác định tổng băng thông của kênh và dự trữ<br /> băng thông các kênh cần thiết cho việc xử lý các tình huống như quá tải, ngắt<br /> đường truyền, thiết bị hỏng, thi hành hồi tiếp, đảm bảo điều khiển kênh…<br /> Vận tốc truyền tải được xác định là giá trị nghịch đảo của thời gian truyền một<br /> gói dữ liệu có độ dài quy ước. Thời gian truyền càng nhỏ thì tương ứng với vận tốc<br /> truyền gói thông tin càng lớn.<br /> 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM<br /> 4.1. Bài toán tối ưu băng thông mạng truyền thông tin đo lường<br /> Cấu trúc liên kết mạng được biểu diễn dưới dạng đồ thị có hướng G = (V, E,<br /> C), trong đó V là tập hợp các nút của mạng, E là tập các kênh (các liên kết), và C<br /> là tập hợp năng lực của kênh và các giới hạn, ràng buộc gắn liền với các kênh và<br /> nút này.<br /> K biểu thị tập hợp các kênh ảo k  K , và  sk , tk ,  k  kí hiệu lần lượt nút đầu,<br /> nút cuối và các yêu cầu về dung lượng kênh ảo tương ứng. Nếu kênh ảo k chạy qua<br /> <br /> <br /> <br /> 60 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> một kênh vật lý  i, j  thì x ikj  1, trong trường hợp ngược lại x ikj  0 . Còn h k kí<br /> hiệu giới hạn số lượng kênh vật lý mà kênh ảo k chạy qua.<br /> Mục tiêu của bài toán tối ưu là tối thiểu hóa hệ số tải của các kênh truyền trong<br /> toàn mạng hay nói cách khác là tối thiểu hóa chỉ số giá trị trung bình của băng<br /> thông sử dụng của các kênh vật lý. Khi đó, tải lưu lượng truy cập của các kênh quá<br /> tải được chuyển hướng đến các kênh có lưu lượng ít hơn. Khi chỉ số giá trị trung<br /> bình của băng thông sử dụng được giảm thiểu có nghĩa là tỷ lệ dự trữ băng thông<br /> của các kênh đạt đến mức tối đa. Điều này cho phép mạng có khả năng chịu được<br /> biến động lưu lượng lớn mà không cần tái cấu trúc.<br /> Cho c i j dung lượng của kênh  i, j  , và  i j  0 là tổng giá trị của băng thông<br /> của tập hợp các kênh ảo trong liên kết  i, j  . Lấy một tập con    1 ,  ,  M <br /> của các liên kết mà có giá trị lớn nhất  i j . Mô tả toán học của bài toán tối ưu hoá<br /> phân bố tải của mạng có thể được biểu diễn như sau:<br /> - Mục tiêu tối ưu hóa là để giảm thiểu giá trị trung bình của tổng băng thông<br /> M<br />  <br /> của các kênh vật lý của mạng truyền tải thông tin đo lường: min      r M  .<br />  r 1 <br /> - Các giới hạn:<br /> a) Tải đến và tải đi đối với một nút phải bằng nhau trừ nút bắt đầu và nút kết thúc.<br />  x ikj   xkji  0, k  K , i  sk , tk<br />  i , j  E  j , i  E<br /> b) Tổng lưu lượng đi qua kênh vật lý không được vượt quá dung lượng kênh:<br />   k xikj  ci j ;  i, j   E<br /> kK<br /> c) Số lượng kênh vật lý mà kênh ảo đi qua được giới hạn để không xảy ra<br /> trường hợp luồng dữ liệu được truyền qua quá nhiều kênh vật lý trung gian dẫn tới<br /> độ trễ cao:<br />  x ikj  hk , k  K , h k biểu thị hạn chế về số lượng các phần của kênh<br />  i , j  E<br /> ảo k.<br /> Tập hợp các đường đi của kênh ảo k với các nút tận cùng  sk , tk ,  k  thỏa mãn<br /> với điều kiện trên có thể được mô tả như sau: Qk   qk1 ,  , qkj ,  , qkNk  , trong đó<br /> k  K và qkj là các đường đi có thể có khi hình thành kênh ảo k.<br /> Bài toán tối ưu quy về việc tìm tập hợp các kênh ảo chạy qua các liên kết<br /> P   p 1 , , pk , , pK  , trong đó pk  Qk để cho giá trị  là nhỏ nhất.<br /> Tải của kênh  p  ij  và mức sử dụng  p  ij  có thể được biểu diễn như sau:<br /> K<br />  p  ij    xijk  k<br />  p  ij    1 / cij    p  ij <br /> , k 1 (23)<br /> Khi giải quyết bài toán tối ưu hóa đang được xem xét, điều quan trọng là phải<br /> chọn giá trị của biến pk . Bài toán thuộc lớp NP-hard. Do đó, giải thuật di truyền<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 61<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> được sử dụng để giải quyết vấn đề trên. Trong trường hợp này, cấu trúc của nhiễm<br /> sắc thể được xác định bởi đường đi của kênh ảo, chạy qua các nút trung gian của<br /> mạng. Nhiễm sắc thể được mô tả bằng một tập hợp các phần tử được sắp xếp theo<br /> thứ tự tương ứng với các nút của kênh ảo theo đường đi của nó từ nút ban đầu sk<br /> tới nút đích cuối cùng tk . Một trong những thông số quan trọng nhất của nhiễm sắc<br /> thể là kích cỡ của nó, được xác định bởi số nút trung gian của tuyến. Tuy nhiên, có<br /> khả năng xảy ra các nhiễm sắc thể không chính xác do sự xuất hiện của số nút<br /> không có trong mạng. Để khôi phục các nhiễm sắc thể đó đến giá trị hiệu chỉnh thì<br /> sử dụng cơ chế đột biến.<br /> Khi sử dụng thuật toán di truyền cần phải đảm bảo các điều kiện sau:<br /> - Cần phải loại bỏ tất cả các nhiễm sắc thể mà không đáp ứng được các yêu cầu<br /> về độ trễ trung bình trong việc truyền khung dữ liệu và độ sai lệch của nó.<br /> - Đối với mỗi kênh ảo thì phải thực hiện chuyển đổi phân bố thời gian truyền<br /> của khung dữ liệu sang phân bố vận tốc truyền (theo Mbit/s).<br /> - Đối với mỗi kênh vật lý thì sự phân bố băng thông bị chiếm được xác định là<br /> tổng các biến ngẫu nhiên của băng thông của các kênh ảo chạy qua. Băng thông bị<br /> chiếm dụng của kênh vật lý được đặt là m  k , trong đó, m là giá trị trung bình<br /> của phân bố chồng chất của các đại lượng ngẫu nhiên băng thông của các kênh ảo<br /> chạy qua; k là số nguyên;  là độ lệch chuẩn.<br /> - Xác định được giá trị của  là giá trị trung bình của băng thông được sử<br /> dụng của toàn mạng.<br /> Khi giải quyết bài toán trên cần sử dụng hàm hữu ích hay còn gọi là hàm thích<br /> nghi (fitness function) để đánh giá độ “tốt” của lời giải. Hàm hữu ích được tính<br /> bằng công thức:<br /> M <br /> f  exp( )  exp    r M  (24)<br />  r 1 <br /> Phương án phân bố băng thông nào tạo được càng nhiều băng thông dự trữ thì<br /> sẽ có hàm hữu ích càng lớn.<br /> 4.2. Chương trình thiết kế băng thông của mạng truyền thông tin đo lường<br /> Chương trình được thực hiện trên ngôn ngữ lập trình C#. Người sử dụng dựa<br /> trên các hình ảnh tiêu chuẩn của các phần tử tạo ra một sơ đồ mạng truyền tải<br /> thông tin đo lường như trên hình 4.<br /> Các phần tử đó là trạm đo, bộ định tuyến, kênh, trung tâm điều khiển. Các giá<br /> trị giới hạn băng thông của các kênh vật lý và các luồng đầu vào nhận được từ trạm<br /> đo (Mbit/s) được thiết lập. Trọng số của kênh được đặt dựa trên thời gian truyền tải<br /> trung bình. Để xây dựng dữ liệu đầu vào cho giải thuật di truyền, các tuyến truyền<br /> tải ngắn nhất từ trạm đo đến trung tâm điều khiển được xác định bằng phương<br /> pháp của Hoffman và Pavlei [3]. Những tuyến truyền tải này được hiển thị trên<br /> màn hình máy tính.<br /> Mức tải của kênh được hiển thị tương ứng với cường độ màu sắc. Mức tải kênh<br /> càng lớn thì cường độ màu càng cao và ngược lại. Khi trỏ chuột lên một kênh, một<br /> cửa sổ sẽ mở ra hiển thị các đặc điểm chính: trọng số kênh, dung lượng kênh, tải<br /> thực, mức sử dụng theo phần trăm. Có hiển thị báo cáo về các kênh bị tắc nghẽn.<br /> <br /> <br /> <br /> 62 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thiết kế băng thông … thiết bị bay không người lái.”<br /> Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Đ<br /> Đểể đánh giá hiệu quả hoạt động ch chương<br /> ương tr<br /> trình,<br /> ình, đã<br /> đã ti<br /> tiến<br /> ến hành một<br /> một loạt các chuỗi<br /> thử<br /> th ử nghiệm tr trên<br /> ên máy tính cá nhân vvớiới cấu hhình<br /> ình vi xử<br /> xử lý Intel Core i7 2,0 GHz,<br /> RAM 8Gb. Tham ssố ố của giải thuật di truyền đđư<br /> ượcợc cài<br /> cài đđặt<br /> ặt nh<br /> như<br /> ư sau: kích ccỡ<br /> ỡ quần thể<br /> – 40 cá ththể;<br /> ể; xác suất trao đổi chéo – 0,8; sốsố thế hệ – 150. Xác su suất<br /> ất đột biến<br /> biến thay<br /> đổi<br /> ổi trong khoảng từ 0,01 đến 0,5. Đ Đãã ssử<br /> ử dụng 10 giá trị xác suất đột biến llàà 0,01;<br /> 0,03; 0,05; 0,07; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5. Xem xét th thửử nghiệm tr<br /> trên<br /> ên các cấu<br /> cấu trúc<br /> mạng khác nhau cấu th<br /> mạng thành<br /> ành từ<br /> từ 5, 20 vvàà 50 nút m mạng.<br /> ạng. Đối với mỗi cấu trúc mạng<br /> tiến<br /> ến hhành<br /> ành 30 thử<br /> thử nghiệm.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4.. Sơ đồ<br /> đồ mạng truyền tải thông tin đo llường<br /> ờng.<br /> ờng<br /> K<br /> Kết<br /> ết quả thử nghiệm cho thấy ứng dụng giải thuật di truyền có tác dụng llàm àm<br /> giảm từ 1,5 đến 2,5 lần mức độ sử dụng kkênh<br /> giảm ênh v<br /> vật<br /> ật lý của to<br /> toàn<br /> àn m<br /> mạng<br /> ạng (h<br /> hình<br /> ình 5)).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Mức<br /> Mức độ sử dụng kkênh ênh vật<br /> vật lý thay đổi<br /> trong ti<br /> tiến<br /> ến tr<br /> trình<br /> ình phân bbổ<br /> ổ lưu<br /> lưu lư<br /> lượng<br /> ợng<br /> ợng.<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 63<br />  K<br /> Kỹỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Trên hình<br /> hình 6 biểu<br /> ểu diễn sự so sánh mức độ sử dụng trung bbình ình của<br /> của các kkênh<br /> ênh vvật<br /> ật<br /> lý tr<br /> trưước<br /> ớc và<br /> và sau khi ti<br /> tiến<br /> ến hhành<br /> ành tối<br /> tối ưu bbằng<br /> ằng giải thuật di truyền. Dễ ddàng<br /> àng nh<br /> nhậnận thấy<br /> rằng,<br /> ằng, tr<br /> trư<br /> ước<br /> ớc khi can thiệ<br /> thiệp<br /> p quá trình định<br /> ịnh tuyến llưu<br /> ưu lượng<br /> lượng bằng giải thuật di truyền<br /> thì nhi<br /> nhiều<br /> ều kênh<br /> kênh vvật<br /> ật lý trong mạng bị quá tải với mức sử dụng từ 90 90-100%<br /> 100% ((h hình<br /> ình 6a<br /> 6a),<br /> ),<br /> hiện ttượng<br /> hiện ợng này<br /> này đư<br /> đượcợc chấm dứt khi ứng dụng giải thuật di truyền vvào ào ttối<br /> ối ưu lưu<br /> lượng mạng llưới<br /> lượng ới (h<br /> (hình<br /> ình 6b<br /> 6b).).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> b)<br /> Hình 6. Đồ<br /> ồ thị mức sử dụng trung bbình<br /> ình ccủa<br /> ủa kkênh<br /> ênh dữ<br /> dữ liệu<br /> (a) trước<br /> trước khi tối ưu, (b) sau khi ttối ưu<br /> ưu..<br /> <br /> 5.. K<br /> KẾT<br /> ẾT LUẬN<br /> Phương pháp ssử ử dụng đđãã xác đđịnh<br /> ịnh đđược<br /> ợc mức độ tải của các kkênh ênh vvật<br /> ật lý; xác<br /> định<br /> ịnh băng thông dự trữ trung bbình ình ccủa<br /> ủa to<br /> toàn<br /> àn bộ<br /> bộ mạng truyền tải của hệ thống;<br /> thống; xác<br /> định<br /> ịnh giá trị cần thiết để tăng băng thông dự trữ của bất kỳ kkênh ênh truyền<br /> truyền nnào<br /> ào trong<br /> toàn bbộộ hệ thống mạng. Việc dự trữ băng thông của kkênh ênh vvật<br /> ật lý có thể đđư ược<br /> ợc sử<br /> dụng<br /> ụng để giải quyết các vấn đề thực tiễn nh như<br /> ư xử<br /> xử lý tình<br /> tình hu<br /> huống<br /> ống biến thi ên đột<br /> thiên đột ngột<br /> lưu llư<br /> ượng<br /> ợng mà<br /> mà không ccần ần phải định tuyến lại.<br /> Trong bài báo này đđã xem xét ccấu ấu trúc mạng<br /> mạng với nhiều trạmtrạm đo,<br /> đo, các bộbộ đđịnh<br /> ịnh<br /> tuyến và<br /> tuyến và các kênh vật ật lý kết<br /> kết nối chúng<br /> chúng.. Một<br /> Một trong những hư hướng<br /> ớng nghi ên cứu<br /> nghiên cứu tiếp<br /> theo đó là tăng<br /> t ng ssốố llượng<br /> ợng các mạng VLB (Valiant Load Balancing) và tăng t ng ssốố llượng<br /> ợng<br /> các đư<br /> đường<br /> ờng dẫn song song trong mạng truyền truyền tải thông tin đo llư<br /> ường<br /> ờng khi thử nghiệm<br /> và vvận<br /> ận hành<br /> hành thiết<br /> thiết bị bay không người<br /> người lái.<br /> TÀ<br /> TÀI LI<br /> LIỆU<br /> ỆU THAM KHẢO<br /> KHẢO<br /> [1]. Морозова В.Д. Теория функций комплексного переменного<br /> переменного:: Учеб. для<br /> вузов / Под ред. B<br /> B.C.. Зарубина, А.П. Крищенко. - 3--ее изд., исправл. - М.:<br /> Изд-во<br /> Изд во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 520 с. (Сер. Математика в<br /> техническом университете; Вып. X X.)<br /> .) ISBN 978-<br /> 978-5-7038<br /> 7038-3189<br /> 7038- 3189--2<br /> <br /> <br /> 64 N.T. Phát, N. H. Hoàng, P. H. Long, “Thi<br /> “Thiết<br /> ết kế băng thông … thiết<br /> ết bị bay không ngư<br /> người<br /> ời lái.<br /> lái.””<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> [2]. Schmitt, Lothar M (2001), “Theory of Genetic Algorithms”, Theoretical<br /> Computer Science 259: 1–61<br /> [3]. Brander, Andrew William; Sinclair, Mark C. “A comparative study of k-<br /> shortest path algorithms”. Department of Electronic Systems Engineering,<br /> University of Essex, 1995.<br /> [4]. Новиков Ю.А. “Модели и способы организации распределенных систем<br /> сбора измерительной информации”: Канд. диссертация. Рязань: РРТА,<br /> 2009. -173 с.<br /> [5]. James McCauley, Zhi Liu, Aurojit Panda, Teemu Koponen, Barath Raghavan,<br /> Jennifer Rexford, Scott Shenker. “Recursive SDN for Carrier Networks” //<br /> http://arxiv.org/pdf/1605.07734v1.pdf.<br /> [6]. Xin Jin, Yiran Li, Da Wei, Simi