Tóm tắt 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:16

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với mục tiêu 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: Tóm tắt 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 BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HOÀNG TRỌ MINH CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62.52.70.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội - 2013
Công trình hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Nguyễn Quốc Bình 2. PSG. TS Nguyễn Tiến Ban Phản biện 1:………………………………………………………… …………………………………………………………. Phản biện 2:………………………………………………………… …………………………………………………………. Phản biện 3:………………………………………………………… …………………………………………………………. Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ………………giờ ……..ngày ……..tháng……..năm…….. Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
28 1 HỘI NGHỊ KHOA HỌC MỞ ĐẦU 7. Hoàng Trọng Minh, “Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu Mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) được coi năng mạng hình lưới không dây”, Báo cáo tại phiên dành cho là một giải pháp then chốt của mạng không dây thế hệ mới nhằm mục NCS, The 2nd Asian Conference on Intelligent Information and tiêu cung cấp truy nhập Internet không dây băng rộng với vùng phủ lớn. Database Systems, ACIIDS MDC 2010. Bên cạnh các ưu điểm về cấu hình và ứng dụng, chính cơ chế truyền 8. Trong-Minh Hoang, “A Novel Computation for Supplementing thông đa bước không dây và các yêu cầu cung cấp chất lượng dịch vụ Interference Analytical Model in 802.11-based Wireless Mesh QoS (Quality of Service) đã cho thấy một số thách thức mà WMN cần Networks”, IEEE Conference Publications, Wireless phải vượt qua về mặt hiệu năng mạng. Trong đó, ảnh hưởng của hiện Communications, Networking and Mobile Computing tượng tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời (WiCOM), 2012 8th International Conference on, pp. 1 – 4. tới chất lượng liên kết là một trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy 9. Trong-Minh Hoang, Minh Hoang, “A Novel Analytical Model to giảm hiệu năng. Identify Link Quality in 802.11 Mesh Networks”,IEEE Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, nghiên cứu Conference Publications, Computational Intelligence, sinh sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) giữa lớp MAC và lớp định Communication Systems and Networks (CICSyN), 2012 Fourth tuyến. Tiếp cận phân tích hiệu năng bằng mô hình giải tích cho thấy tính International Conference on, pp. 129 – 136. khả thi cao và là tiếp cận thông dụng do khả năng phản ánh tốt các thông 10. Trong-Minh Hoang, Vuong-Long Dinh, Kim-Quang Nguyen, số vật lý và độ phức tạp tính toán thấp. Vì vậy,nghiên cứu này phát triển “A study on routing performance of 802.11 based wireless mesh một mô hình giải tích mới phản ánh chất lượng liên kết và sử dụng như networks under serious attacks”, IEEE Conference Publications, một thành phần dự báo chất lượng liên kết kết hợp với thành phần đo Computing, Management and Telecommunications chủ động sẵn có của giao thức OLSR để đề xuất một tham số định tuyến (ComManTel), 2013 International Conference on, pp. 295 – mới, cải thiện được các thông số hiệu năng WMN. 297. Mục tiêu, đối tượng 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, 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
2 27 như: thông lượng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Tính đúng đắn và hiệu DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ quả của đề xuất được xác định qua các phân tích lý thuyết, phân tích số và mô phỏng. BÀI BÁO KHOA HỌC Nhiệm vụ nghiên cứu 1. Hoàng Trọng Minh,“Khảo sát hiệu năng các tham số định tuyến Để đạt được mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã nêu ở trên, nhiệm trong mạng hình lưới không dây WMN”, Tạp chí khoa học và vụ nghiên cứu được nghiên cứu sinh tập trung vào các vấn đề sau: Các công nghệ - Các trường đại học, ISSN 0868-3980, số 76, 2010. đặc tính cơ bản ảnh hưởng tới hiệu năng mạng WMN; mô hình giải tích 2. Hoàng Trọng Minh, Nguyễn Tiến Ban, “Nghiên cứu tham số biểu diễn cơ chế hoạt động của IEEE 802.11 DCF; Đề xuất một tham số định tuyến mới phản ánh nhiễu trong mạng hình lưới không dây định tuyến mới cải thiện hiệu năng WMN. IEEE 802.11”, Tạp chí khoa học và kỹ thuật quân sự, ISSN Phương pháp nghiên cứu 1859-1043, số 13, 2011. Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh 3. Hoang Trong Minh, Hoang Minh, Nguyen Quoc Binh, “A Novel dựa trên các công cụ toán học như lý thuyết xác suất, chuỗi Markov, các Computation for Supplementing Interference Analytical Model phương pháp tính để xác minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết. Công cụ in 802.11-based Wireless Mesh Networks”, Tạp chí khoa học và mô phỏng sự kiện rời rạc được sử dụng trong luận án nhằm để kiểm công nghệ, ISSN 0866-708x, số 2, 2012. chứng tính hợp lý của đề xuất. 4. Hoang Trong Minh, Nguyen Tien Ban, “An Approach to Predict Cấu trúc luận án Interference Impacts on wireless links of 802.11 Mesh Networks Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới của luận án sẽ được trình bày ”, Tạp chí khoa học và kỹ thuật quân sự, ISSN 1859-1043, số trong các chương, mục theo cấu trúc sau: 24, 2012. Chương 1: Khái quát các vấn đề liên quan tới hiệu năng mạng hình lưới 5. Hoang Trong Minh, Hoang Minh, “A Novel Analytical Model to không dây Identify Link Quality in 802.11 Mesh Networks”, Tạp chí khoa Chương 2: Bài toán mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phương học và công nghệ, ISSN 0866-708x, số 2, 2012. tiện trong điều kiện bão hòa 6. Hoang Trong Minh, Hoang Minh,“A Novel Interference Aware Chương 3: Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lượng liên kết routing metric for QoS provision in 802.11 wireless mesh Chương 4: Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng mạng network”, Tạp chí khoa học và công nghệ, ISSN 0866-708x, số hình lưới không dây 1A, 2013. Hà nội, tháng 12 năm 2013
26 3  Trong một số ứng dụng thực tiễn yêu cầu hạ tầng WMN đáp ứng các CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI điều kiện QoS chặt chẽ của ứng dụng như trễ, tỷ lệ tổn thất gói tin tối HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY đa, băng thông tối thiểu,... Vì vậy, các quyết định định tuyến đảm bảo QoS của ứng dụng cần hỗ trợ các cơ chế xác định yêu cầu đầu vào và Tóm tắt: Nội dung của chương khái quát các đặc tính kỹ thuật của bổ sung điều kiện ràng buộc định tuyến. Điều này cũng dẫn tới các mạng hình lưới không dây cùng với các ứng dụng điển hình, các vấn đề mục tiêu tối ưu mới vừa nhằm thỏa mãn yêu cầu của ứng dụng và nền tảng của chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service), tiếp cận giải tính khả thi tính toán định tuyến trong môi trường thực tiễn. quyết vấn đề hỗ trợ QoS trong mạng hình lưới không dây và các điểm  Mạng hình lưới không dây có thể được triển khai trên nhiều công mấu chốt của kỹ thuật định tuyến QoS. Đặc biệt, các giải pháp cải thiện nghệ lớp 2 khác nhau ngoài IEEE 802.11 như IEEE 802.15 hay IEEE hiệu năng của các nghiên cứu gần đây được tóm tắt qua khía cạnh sử 802.16. Vì vậy, hướng tiếp cận của luận án có thể được tiếp tục dụng công cụ toán học nhằm sáng tỏ cách thức tiếp cận học thuật của nghiên cứu với các dạng công nghệ và giao thức điều khiển truy nhập luận án. khác nhằm mở rộng và phát triển các kết quả của luận án. 1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY  Vấn đề nhiễu và tác động của nhiễu trong WMN rất đa dạng và phức tạp. Bên cạnh nhiễu liên luồng và xung đột đã được đề cập trong luận Giải pháp mạng kết nối hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh án, các tác động nhiễu nội luồng, nhiều từ các nguồn bên ngoài môi Network) đã được hình thành như một giải pháp then chốt cho mạng trường cũng là các vấn đề mở cần tiếp tục được nghiên cứu. truy nhập không dây băng rộng với vùng phủ rộng [61], [63], [69]. Dưới  Công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc có ý nghĩa rất lớn trong mục tiêu góc độ ứng dụng công nghệ, WMN được phát triển mạnh mẽ nhờ một số phân tích đánh giá các thủ tục lớp cao của mạng truyền thông. Tuy ưu điểm chính như sau: triển khai nhanh, khắc phục hiện tương che tầm nhiên, các nghiên cứu hiệu năng sử dụng đa dạng loại công cụ khác nhìn thẳng, công nghệ truyền thông tầm ngắn, truyền thông đa đường và nhau để kiểm chứng kết quả giải pháp đề xuất tùy thuộc vào ưu thế hỗ trợ nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến. Vì vậy, công nghệ WMN có của công cụ mô phỏng với bài toán đề xuất. Vì vậy, tiếp cận của luận nhiều ưu điểm nổi trội và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh án cần tiếp tục phát triển và mở rộng với các công cụ mô phỏng hoặc vực của đời sống. các giải pháp phân tích số khác. 1.1.1 Kiến trúc mạng hình lưới không dây Trên đây là một số kết luận và hướng kiến nghị tiếp theo của luận Công nghệ truyền dẫn nền tảng cho WMN được xây dựng trên các án, nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn khoa học và chuẩn công nghiệp thông dụng của Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE các nhà khoa học đã định hướng và phản biện để giúp nghiên cứu sinh như: IEEE 802.11 [45], IEEE 802.15 [44] và IEEE 802.16 [46]. WMN hoàn thành luận án. thực hiện truyền thông đa chặng không dây giữa các thiết bị đầu cuối di
4 25 động thông qua các thiết bị định tuyến bố trí tĩnh theo hình lưới. Mạng 2. Đề xuất tham số định tuyến cung cấp QoS cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây hình lưới không dây được tổ chức theo các kiểu kiến trúc như: WMN phẳng, WMN phân cấp và WMN lai ghép tùy theo từng kịch bản ứng Dựa trên mô hình giải tích đề xuất và kiểm chứng bằng phương pháp dụng. phân tích số, luận án đề xuất một tham số định tuyến phản ánh nhiễu IARM ứng dụng cho WMN dựa trên IEEE 802.11. Giải pháp kết hợp 1.1.2 Một số ứng dụng điển hình thành phần tham số cho phép cải thiện độ chính xác của bài toán xác Nhờ vào các ưu điểm về mặt cấu hình và công nghệ ứng dụng cho định chất lượng liên kết không dây và không gia tăng độ phức tạp tính mạng WMN, một số các ứng dụng điển hình của WMN thể hiện sự bổ toán khi tận dụng thủ tục sẵn có của giao thức định tuyến OLSR. Tham sung thiết yếu cho các công nghệ hiện thời như: mạng truy nhập băng số định tuyến IARM đã được chứng minh tính tương thích khi kết hợp rộng, mạng cộng đồng, mạng công sở, mạng vùng nhỏ, mạng giao thông với giao thức định tuyến OLSR và cho thấy các kết quả cải thiện hiệu và mạng cảm biến. năng trên các khía cạnh như trễ trung bình, tỷ lệ chuyển phát thành công 1.2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ và tỷ lệ tổn thất gói tin cũng như thông lượng toàn mạng qua các kết quả 1.2.1 Khái quát về chất lượng dịch vụ mô phỏng số. Các đóng góp chính trong nhóm kết quả này gồm: Mục này chỉ ra các vấn đề cốt lõi của vấn đề cung cấp, đảm bảo QoS  Xây dựng cấu trúc, thành phần tham số định tuyến QoS mới phản dưới khía cạnh chung. Đồng thời chỉ ra mục tiêu cung cấp và đảm bảo ánh nhiễu IARM với các phân tích chứng minh tính tương thích của QoS trong WMN luôn gắn liền với mục tiêu tối ưu tài nguyên mạng và tham số với thuật toán Dijktra; là mục tiêu cấp thiết của các nhà nghiên cứu và khai thác mạng [17],  Sửa đổi và xây dựng module tính toán định tuyến của giao thức OLSR để tích hợp với tham số định tuyến IARM; [49].  Mô phỏng và chiết xuất các kết quả liên quan tới các tham số hiệu 1.2.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp trong WMN năng mạng gồm trễ, tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công, tỷ lệ tổn Cấu trúc mạng hình lưới không dây đã đem tới một số vấn đề đặc thù thất gói tin và thông lượng mạng khi lưu lượng đầu vào thay đổi. So khiến kiến trúc phân lớp không hoạt động hiệu quả. Mặt khác biến thời sánh mức cải thiện hiệu năng mạng khi sử dụng OLSR-IARM để gian điều hành khác biệt trên từng lớp đã dẫn tới mô hình kiến trúc phân xuất với OLSR nguyên gốc. lớp không đạt được điểm tối ưu hiệu năng tổng thể của mạng WMN, Bằng các phân tích lý thuyết và các kết quả mô phỏng được trình bày việc cung cấp QoS trong WMN phụ thuộc vào tham số động của mạng trong luận án đã cho thấy một số ưu điểm nhất định của tham số định và môi trường điều khiển phân tán. Vì vậy, hướng tiếp cận xuyên lớp là tuyến đề xuất. Tuy nhiên, những vấn đề sau vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu tiếp và được trình bày ở đây như là hướng nghiên cứu cần tiếp tục.
24 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ không tránh khỏi để gắn kết sự tối ưu điều khiển giữa các lớp nhằm cung cấp QoS và tối ưu hiệu năng mạng [56]. Với mục tiêu cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ 1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS thuật định tuyến QoS, luận án đã tiếp cận trực tiếp tới bài toán xây dựng một tham số định tuyến cung cấp chất lượng dịch vụ trong mạng hình 1.3.1 Kỹ thuật định tuyến lưới không dây dựa trên họ tiêu chuẩn IEEE 802.11. Tham số định tuyến Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đề xuất có cấu trúc lai ghép nhằm khai thác điểm mạnh của phương pháp đa tài nguyên mạng, và tối thiểu hoá giá thành mạng. Các vấn đề cơ bản dự đoán trên cơ sở mô hình giải tích và tận dụng thủ tục cơ bản của giao của kỹ thuật định tuyến được tóm tắt theo ba khía cạnh: thủ tục trao đổi thức định tuyến OLSR. Trong quá trình thực hiện luận án, một số kết và cập nhật thông tin, thuật toán tính toán đường dẫn và tham số định quả khoa học mới đã được đề cập thuộc hai nhóm kết quả chính như sau: tuyến. 1. Mô hình giải tích đánh giá chất lượng liên kết cho mạng hình lưới 1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.11 Kỹ thuật định tuyến QoS được coi là bài toán có các quyết định tìm Trên cơ sở sử dụng công cụ toán học như lý thuyết xác suất và chuỗi đường tối ưu thỏa mãn các điều kiện ràng buộc. Thông qua bài toán Markov, một mô hình giải tích biểu diễn hoạt động của giao thức điều chung đặt ra cho kỹ thuật định tuyến QoS, các phân tích chỉ ra là rất khó khiển truy nhập phương tiện trong tiêu chuẩn IEEE 802.11 DCF đã được tìm ra một lời giải cho trường hợp nhiều điều kiện ràng buộc như WMN. xây dựng mới. Các vấn đề đóng góp mới đã được công bố gồm: Vì vậy, cách tiếp cận khả thi để giải bài toán định tuyến QoS là sử dụng  Mô hình hóa hoạt động giao thức IEEE 802.11 DCF bằng công cụ tham số tổ hợp gồm các thành phần mang tính lõm với tính cộng hoặc giải tích dựa trên chuỗi Markov và các lý thuyết xác suất; tính nhân hoặc sử dụng lời giải kinh nghiệm (heuristic) để giảm thiểu độ  Bổ sung và hoàn thiện các điều kiện thực tiễn gồm lưu lượng không bão hòa và kênh không lý tưởng nhằm nâng cao độ chính phức tạp tính toán. xác của mô hình giải tích; 1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM  Đưa ra tính toán tường minh cho bài toán xác định vectơ dừng của ma trận xác suất chuyển trạng thái chuỗi Markov; Một trong số các chuẩn công nghệ phổ biến nhất được ứng dụng  Bổ sung điều kiện thiếu hụt trong mô hình giải tích biểu diễn rộng rãi cho WMN là họ chuẩn IEEE 802.11. Tuy nhiên, họ chuẩn IEEE trạng thái hoạt động của nút trong điều kiện lưu lượng mạng bão 802.11 được thiết kế cho các truy nhập đơn chặng không dây thay vì cho hòa của các tác giả trước, xác định xác suất tranh chấp thắng qua truyền thông đa chặng không dây. Nhằm sáng tỏ cách tiếp cận luận án, một mệnh đề toán học đề xuất.
6 23 vấn đề hiệu năng và các giải pháp cải thiện của các nghiên cứu trước Các kết quả đều chỉ ra các tham số hiệu năng của giao thức OLSR- trong lĩnh vực này sẽ được trình bày vắn tắt. IARM đều tốt hơn so với OLSR trong tất cả các kịch bản. Kết quả thông 1.4.1 Hiệu năng và các tham số phản ánh lượng trong hình 4.9 cho thấy thông lượng của OLSR-IARM luôn cao Hiệu năng mạng, thước đo năng lực của mạng trong hoạt động điều xấp xỉ gấp đôi so với thông lượng của OLSR. hành, không chỉ phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của mạng mà còn phụ thuộc rất lớn vào các ứng dụng triển khai trên đó. Để đánh giá hiệu năng, các nghiên cứu sử dụng các tiêu chí hiệu năng mạng cụ thể như: thông lượng, trễ từ đầu cuối tới đầu cuối hoặc tỷ lệ tổn thất gói tin. 1.4.2 Các tiếp cận cải thiện hiệu năng Nhằm sáng tỏ cách tiếp cận học thuật của nghiên cứu, mục này khảo sát và đánh giá các nghiên cứu trước trên thế giới và tại Việt nam dưới góc độ sử dụng các công cụ toán học lý thuyết đồ thị, quy hoạch tuyến Hình 4.9: So sánh thông lượng của OLSR và OLSR-IARM tính và mô hình giải tích... Trong đó, mô hình giải tích là tiếp cận mô Các kết quả mô phỏng đã khẳng định tính ưu việt của tham số định hình hóa có khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tuyến QoS đề xuất, đặc biệt trong các kịch bản nhiễu vừa và lớn. tính toán không cao. Tuy nhiên, mô hình giải tích tập trung chính vào 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG mục tiêu đánh giá và phân tích hiệu năng và đặc biệt là độ chính xác của Trong chương này, nghiên cứu sinh đã trình bày đề xuất một tham số mô hình phụ thuộc trực tiếp vào các giả thiết. Vì vậy, hướng tiếp cận này định tuyến QoS mới cho mạng hình lưới không dây. Tính hợp lý của đề hoàn toàn phù hợp cho mục tiêu đánh giá chất lượng liên kết dưới các xuất đã được trình bày trong các phân tích lý thuyết. Tham số định tuyến tác động của nhiễu liên luồng khi các thông số vật lý thực tiễn được IARM được tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR và được mô phỏng phản ánh vào mô hình. Để nâng cao tính chính xác và phù hợp với mục bằng công cụ NS-2 để đánh giá ưu điểm của tham số đề xuất. Các kết tiêu của đề tài nghiên cứu, mô hình giải tích mới được xây dựng với các quả mô phỏng cho thấy OLSR-IARM có được mức cải thiện hiệu năng điều kiện bổ sung mới như lưu lượng mạng không bão hòa và kênh đáng kể so với OLSR nguyên gốc trên các khía cạnh hiệu năng như độ không lý tưởng. Đó là cơ sở để xây dựng thành phần tham số định tuyến trễ trung bình của gói tin, tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công, xác suất phản ánh nhiễu, cung cấp thông tin chất lượng liên kết tới lớp định tuyến tổn thất gói và thông lượng mạng. nhằm cải thiện hiệu năng mạng.
22 7 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Nội dung của chương 1 đã thể hiện khái quát cấu trúc, ứng dụng của WMN nhằm nổi bật các đặc tính riêng biệt của đối tượng cần quan tâm nghiên cứu. Sự khác biệt về cấu trúc chức năng của mạng truyền thông không dây với mạng hữu tuyến truyền thống cho thấy tiếp cận xuyên lớp là hướng đi tất yếu cho bài toán cung cấp chất lượng dịch vụ của WMN. Hình 4.7: Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công giữa OLSR và OLSR-IARM CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐIỀU Cụ thể, trễ tăng gần như tuyến tính từ khoảng 50 ms ở tốc độ gửi gói KHIỂN TRUY NHẬP PHƯƠNG TIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN tin 2 gói/s đến gần 500 ms ở tốc độ gửi gói tin 20 gói/s; tỷ lệ chuyển phát BÃO HÒA gói tin thành công giảm khoảng 20% từ xấp xỉ 90% xuống xấp xỉ 70%; tỷ lệ tổn thất gói của OLSR tăng từ gần 5% lên đến xấp xỉ 25%; thông Tóm tắt: Hiệu năng hoạt động của giao thức điều khiển truy nhập lượng giảm từ khoảng 700 Kbps xuống còn khoảng 300 Kbps. Trong khi phương tiện luôn là tiêu điểm nghiên cứu do sự ảnh hưởng trực tiếp của đó, mặc dù các tham số hiệu năng tương ứng của OLSR-IARM có sự nó tới năng lực kênh truyền dẫn. Mô hình hóa các giao thức điều khiển suy giảm nhưng mức độ suy giảm chậm hơn so với mức độ suy giảm của truy nhập bằng mô hình giải tích là công cụ phổ biến của các nghiên các tham số trong OLSR. Trễ chỉ tăng từ 50ms lên đến 250ms; tỷ lệ cứu nhằm phân tích và đánh giá hiệu năng lớp liên kết dữ liệu. Điều kiện chuyển phát gói tin giảm không đáng kể và vẫn duy trì ở mức trên 90%; lưu lượng mạng bão hòa là điều kiện mấu chốt để xác định giá trị thông tỷ lệ tổn thất gói cao nhất tại tốc độ gửi gói tin 20 gói/s là khoảng 6%. lượng tối đa của liên kết. Chương này khái quát các giải pháp mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập đã đề xuất của các tác giả trước, từ đó đưa ra điều kiện bổ sung nhằm hoàn thiện mô hình giải tích cho thủ tục đa truy nhập cảm nhận sóng mang/ tránh xung đột CSMA/CA trong điều kiện bão hòa. 2.1 MỞ ĐẦU Cơ chế hoạt động và hiện tượng xung đột tại lớp MAC được coi là nguyên nhân chính gây suy giảm hiệu năng các phiên truyền dẫn [13], Hình 4.8: So sánh tỷ lệ tổn thất gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM
8 21 [54], [82]. Đặc biệt, với cơ chế đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh IARM sẽ được khảo sát dưới các tham số hiệu năng mạng cụ thể như: xung đột CSMA/CA trong mạng đa chặng, hiệu quả sử dụng kênh tiếp thông lượng, độ trễ trung bình của gói tin và tỷ lệ tổn thất gói. tục suy giảm do sự ảnh hưởng của nhiễu do chính các truyền dẫn đồng thời trong mạng gây ra. Các mục dưới đây trình bày và đánh giá thông lượng liên kết của các cơ chế điều khiển truy nhập điển hình của các tác giả trước và từ đó đưa ra các bổ sung cần thiết nhằm hoàn thiện mô hình giải tích cho giao thức CSMA/CA trong điều kiện lưu lượng mạng bão hòa. Hình 4.5: Kịch bản mô phỏng 2.2 CÁC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐA TRUY 4.4.3 Kết quả và thảo luận NHẬP PHƯƠNG TIỆN Với mục tiêu đánh giá hiệu năng mạng với tham số định tuyến QoS 2.2.1 Giao thức truy nhập kênh ALOHA đề xuất, 4 tham số cơ bản phản ánh hiệu năng mạng được khảo sát gồm: Giao thức truy nhập ngẫu nhiên đầu tiên được sử dụng cho các mạng Trễ trung bình (ms), tỷ lệ chuyển phát thành công gói tin (%), tỷ lệ tổn máy tính có tên gọi là ALOHA [2]. Cơ chế hoạt động của giao thức thất gói tin (%) và thông lượng( Kbps). ALOHA được coi là đơn giản nhất trong các cơ chế đa truy nhập. 2.2.2 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang 1-persistent CSMA 1-persistent CSMA chỉ ra xác suất chiếm khe thời gian chắc chắn để truyền dẫn (bằng 1) sau khi cảm nhận kênh rỗi. CSMA có thể sử dụng cơ chế phân khe hoặc không phân khe thời gian để xác định cách thức tranh chấp tài nguyên. Hiệu năng hoạt động của các biến thể 1-persistent CSMA được tóm tắt trong mục này. 2.2.3 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang p-persistent CSMA Giao thức 1-CSMA được coi là trường hợp đặc biệt của giao thức p- Hình 4.6: So sánh trễ trung bình gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM persistent CSMA. Trong giao thức p-CSMA, một nút phát thực hiện Khi tốc độ gửi gói tin tăng từ 2 gói/s lên 20 gói/s, các kết quả trong truyền dẫn với xác suất p  1 khi cảm nhận được kênh rỗi. Hoạt động các hình đều cho thấy các tham số hiệu năng của giao thức OLSR suy giảm mạnh do xuất hiện các yếu tố gây nhiễu lên các đường dẫn gói tin.
20 9 tuyến IARM theo mô hình tổ chức thông tin xuyên lớp. Dựa trên bộ công của p-persistent CSMA được mô hình hóa qua các trạng thái của một nút cụ và mã nguồn mở sử dụng để cải thiện giao thức OLSR trong NS-2, cùng với các xác suất chuyển trạng thái theo chuỗi Markov (hình 2.5). các nội dung sửa đổi và tính toán phù hợp với tham số định tuyến IARM đề xuất được trình bày trong hình 4.3. Khai báo, định Gửi và nhận Cập nhật Tính toán dạng tham số bản tin định thông tin tuyến mới (i) tuyến (ii) định tuyến (iv) Hình 4.3: Các nội dung sửa đổi giao thức OLSR-IARM (NS-2) 4.4 MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Hình 2.5: Chuỗi Markov 3 trạng thái của nút Nhằm kiểm chứng tính đúng đắn của đề xuất, tham số định tuyến Xác suất dừng của các trạng thái trên là phản ánh nhiễu IARM sẽ được tích hợp trong giao thức định tuyến 1 pws w  ; s  ; f  1   w   s . (2.6) OLSR-IARM và so sánh với giao thức OLSR nguyên bản dưới các khía 2  pww 2  pww cạnh như trễ, thông lượng, tỷ lệ chuyển tiếp gói tin ứng dụng và tỷ lệ tổn 2.3. TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI DỪNG thất gói. Mô phỏng được thực hiện trên công cụ mô phỏng NS-2 và kịch Theo tiếp cận mô hình hóa IEEE 802.11 DCF bằng chuỗi Markov bản ứng dụng điển hình của WMN. của các tác giả trước [13], [70], [102], phương pháp tính toán trạng thái 4.4.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng NS-2 dừng chưa được chỉ ra một cách rõ ràng. Vì vậy, một lời giải tường minh NS-2 vẫn là công cụ mô phỏng phổ biến nhất cho các nghiên cứu bằng phương pháp giải tích là cần thiết cho ứng dụng tính toán. lớp mạng do khả năng phản ánh tốt hoạt động của giao thức định tuyến. 2.4 BỔ SUNG XÁC SUẤT TRANH CHẤP THẮNG 4.4.2 Kịch bản mô phỏng Trong các đề xuất của các tác giả trước [13], [70], [102], nghiên cứu Với mục tiêu kiểm chứng tính đúng đắn của đề xuất, các kịch bản mô sinh nhận thấy giả thiết các nút cùng phát đồng thời và chiếm được kênh phỏng sẽ được thực hiện với các tham số đầu vào tiếp cận điều kiện thực trong quá trình backoff đã bỏ qua. Vì vậy, nghiên cứu sinh bổ sung xác tiễn. Kịch bản ứng dụng điển hình trong WMN như đã trình bày tại mục suất tranh chấp thắng cho bài toán mô hình hóa nhằm tăng độ chính xác 1.1.2 là kịch bản truy nhập Internet thông qua gateway và được lựa chọn của mô hình giải tích. Xác suất truyền dẫn thành công phải bao gồm xác cho kịch bản mô phỏng. Hai giao thức định tuyến OLSR và OLSR- suất tranh chấp thắng của nút trong trường hợp nhiều nút cùng tham gia
10 19 quá trình backoff Xác suất tranh chấp thắng ký hiệu là Pwin và được tính lớn. Giá trị tỷ lệ kênh khả dụng của liên kết l của cặp nút i và nút j được toán thông qua mệnh đề toán học sau. xác định qua công thức: Mệnh đề CAF  l   min  CAF  i  , CAF  j   . (4.13) Xét hàm số f :{1, 2,..., p}  {1, 2,..., q} trong đó p, q  , khi đó xác Tham số định tuyến IARM được xác định trên liên kết l qua công suất q 1 thức: p 1   q  m IARM  l   1 . (4.14) P*  P !i  1, 2,..., p f (i )  m  min1 j  q  f  j   m 1 p .  .PDR  l   1    .CAF  l  q Giá trị tham số điều hòa    0,1 là giá trị tùy biến được sử dụng Xác suất tranh chấp thắng trong trường hợp có M nút trong vùng vào từng kịch bản ứng dụng cụ thể. Giá trị tham số định tuyến của mỗi tranh chấp được thể hiện trong phương trình sau tuyến p trong mạng bằng tổng giá trị tham số định tuyến trên tất cả các  n 1 n n 1 k M liên kết của tuyến đó: Pwin  M   pt  C k n 1 pt k 1  p  t .P *  k  1  n! e M . (2.22) n  2 k 1 IARM  p    IARM  l  . (4.15) Xác suất tranh chấp thắng Pwin ảnh hưởng trực tiếp tới xác suất truyền l  p ' dẫn thành công pst của nút i. Trường hợp bỏ qua Pwin ta có: pst  pst 4.3.2 Phân tích khả năng tương thích [13], [70], [102]. Một tham số định tuyến hoạt động trong môi trường thực cần đảm  n 1 M n bảo một số tiêu chí như trình bày trong mục 1.3. Điều kiện tiên quyết để p st '  pt   1  p  t e M . (2.23) n2 n! các thuật toán tính toán đường dẫn không rơi vào độ phức tạp hàm mũ là tham số định tuyến phải đảm bảo tính tuần tự [101]. Mục này chứng minh tham số IARM đề xuất thỏa mãn tính tuần tự và không gây lặp vòng. 4.3.3 Tích hợp tham số IARM trong OLSR Nhằm kiểm chứng hiệu quả của tham số định tuyến đề xuất, nghiên cứu này lựa chọn giao thức định tuyến OLSR để cải thiện vì khả năng tái sử dụng một số tính năng có sẵn của giao thức này. Mục này trình bày Hình 2.6: Biểu diễn mối quan hệ giữa pst ' với M và p t các sửa đổi cần thiết đối với OLSR để tương thích với tham số định
18 11 4.3 ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN IARM Khi bổ sung xác suất tranh chấp thắng Pwin vào xác suất truyền dẫn Các nội dung khảo sát về các tham số định tuyến cho thấy tác động thành công Pst , ta thu được kết quả theo công thức 2.24 và thể hiện trên nhiễu lên liên kết không chỉ phản ánh qua miền thời gian như các đề hình 2.6. n xuất của các tác giả trước mà còn cần phản ánh qua khía cạnh trạng thái.   n 1 n 1 n 1 k  M e M  . (2.24) pst  pt     1  pt    Cn 1 pt 1  pt  .P  k  1   k k *  Nghiên cứu sinh đề xuất xây dựng tham số định tuyến phản ánh nhiễu n2   k 1  n!  IARM (Interference Aware Routing Metric) và các phân tích lý thuyết 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG chứng minh tính đúng đắn của tham số đề xuất. Trong chương 2 đã tóm tắt các mô hình hóa giao thức điều khiển truy 4.3.1 Tham số phản ánh nhiễu đề xuất IARM nhập phương tiện điển hình của các tác giả trước. Các phương pháp điều Tham số định tuyến đề xuất IARM phản ánh trực tiếp xác suất tổn khiển truy nhập với các giả thiết đầu vào được mô hình hóa bằng các thất gói tin thông qua thủ tục thăm dò khi tích hợp với giao thức định biểu thức toán học đưa ra góc nhìn tường minh về hệ thống. Với giả thiết tuyến OLSR. Hai thành phần của IARM được xây dựng gồm: thành lưu lượng mạng bão hòa, mô hình giải tích cho thấy giới hạn đường biên phần phản ánh xác suất tổn thất gói tin thông qua tỷ lệ chuyển phát gói thông lượng truyền dẫn và độ biến thiên phụ thuộc chặt chẽ vào cơ chế tin của liên kết PDR (Packet Delivery Ratio) và tỷ lệ thời gian khả dụng điều khiển truy nhập. Để cải thiện tính chính xác của mô hình giải tích, của kênh xung quanh một nút CAF (Channel Available Fraction). Các trong chương đã trình bày các bổ sung tính toán trạng thái dừng và xác thành phần của IARM được xác định dưới đây. suất tranh chấp thắng trong quá trình backoff. PDR  l   PDRi  j  PDR j i . (4.10)  ( E[ P ] CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐÁNH GIÁ  Cu (i ))   thresh TS CAF (i )   if C u (i )   thresh . (4.12) CHẤT LƯỢNG LIÊN KẾT Rdata  0 else Tóm tắt: Các tác động của nhiễu lên chất lượng liên kết không dây trong WMN là một yếu tố chính gây suy giảm hiệu năng liên kết và cần Trong đó, thresh   0,1 là giá trị ngưỡng lưu lượng có thể truyền trên phải được phản ánh chính xác. Nội dung cốt lõi của chương trình bày về một liên kết không dây (giá trị ngưỡng được đặt là 0.96 nhằm tránh hiện một đề xuất mô hình giải tích mới nhằm phản ánh chính xác hiệu năng tượng quá tải). E[P] là giá trị trung bình độ dài của các gói tin và Ts là liên kết không dây trong WMN dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11 dưới khoảng thời gian truyền dẫn thành công. Như vậy, mức độ chiếm dụng tác động của nhiễu liên luồng và tranh chấp. Các điều kiện bổ sung như kênh càng nhỏ thì thời gian khả dụng của kênh xung quanh nút đó càng
12 17 lưu lượng không bão hòa, kênh không lý tưởng được đưa vào mô hình các ứng dụng, các kỹ thuật định tuyến trong WMN hiện nay không sử nhằm tương thích với điều kiện môi trường thực tế và cho phép ước dụng định tuyến từng chặng mà thay vào đó là các kỹ thuật định tuyến lượng tham số chất lượng liên kết. dựa trên chất lượng liên kết [60]. Nghiên cứu sinh đề xuất một tham số 3.1 MỞ ĐẦU định tuyến QoS mới và chứng minh khả năng cải thiện hiệu năng mạng Đánh giá đúng chất lượng liên kết dưới các điều kiện động của mạng WMN thông qua các tham số cụ thể như: thông lượng, độ trễ trung bình như cấu hình thay đổi, lưu lượng biến động, hiện tượng xung đột và can của gói tin, tỷ lệ tổn thất gói tin và tỷ lệ tổn thất gói tin ứng dụng. nhiễu là một vấn đề thách thức. Vì vậy, chương này trình bày đề xuất về 4.2 ĐỊNH TUYẾN TRONG WMN mô hình giải tích mới với các điều kiện tổng quát như: lưu lượng mạng Mục này tóm tắt các đặc điểm chính của các giao thức định tuyến không bão hòa và kênh không lý tưởng. điển hình trong mạng WMN cùng với các tham số định tuyến được đề 3.2 ĐẶC TÍNH CỦA IEEE 802.11 DCF xuất gần đây nhằm phân tích các ưu nhược điểm và các vấn đề mở cần Giao thức điều khiển truy nhập phương tiện IEEE 802.11 MAC được giải quyết. sử dụng để hợp tác và lập lịch giữa các nút tranh chấp nhằm giảm thiểu 4.2.1 Giao thức định tuyến xung đột. Phương thức IEEE 802.11 DCF được sử dụng phổ biến trong Thuộc vào lớp mạng truyền thông đa bước không dây, phần lớn các các mạng hình lưới không dây dựa trên họ chuẩn IEEE 802.11. giao thức định tuyến trong WMN được kế thừa từ giao thức định tuyến 3.3 MÔ HÌNH GIẢI TÍCH IEEE 802.11 DCF trong mạng tùy biến không dây (Ad-hoc). Các giao thức định tuyến được phân thành: giao thức định tuyến theo yêu cầu, giao thức định tuyến theo 3.3.1 Các điều kiện biên giả thiết bảng và giao thức định tuyến lai ghép Nhằm xây dựng mô hình giải tích IEEE 802.11 DCF trong mạng 4.2.2 Tham số định tuyến WMN, một số giả thiết sẽ được đưa ra nhằm tương thích với điều kiện mạng không bão hòa và chất lượng kênh không lý tưởng nhằm phản ánh Dưới góc độ ảnh hưởng của nhiễu tới chất lượng liên kết, các tham số tác động của nhiễu tới chất lượng liên kết. định tuyến được đề xuất bởi các nghiên cứu gần đây có thể phân thành hai loại: phản ánh gián tiếp sự ảnh hưởng của nhiễu và phản ánh trực 3.3.2 Biểu diễn trạng thái nút qua mô hình giải tích tiếp sự ảnh hưởng của nhiễu qua thành phần của tham số định tuyến. Hoạt động của các nút trong mạng IEEE 802.11 DCF không bão hòa Mục này cũng chỉ ra các ưu nhược điểm của các tham số định tuyến đề được mô hình hóa bởi một chuỗi Markov chỉ ra trên hình 3.4. xuất trước đây và chỉ ra cách tiếp cận riêng của nghiên cứu sinh.
16 13 hoạt động của IEEE 802.11 DCF. Trong đó, các điều kiện mới như lưu lượng không bão hòa và kênh không lý tưởng được tích hợp vào mô hình nhằm phản ánh đầy đủ các tác động tới chất lượng liên kết và hiệu năng truyền dẫn. Trên cơ sở mô hình giải tích đề xuất, chất lượng liên kết sẽ được phản ánh thông qua một tham số định tuyến phục vụ cho mục tiêu nâng cao hiệu năng mạng trong chương tiếp theo. Hình 3.4: Chuỗi Markov của mô hình nút 4 trạng thái CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN QOS CẢI Từ các xác suất thể hiện trên hình 3.4 ta thu được các phương trình cân bằng trạng thái sau THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY  s   d p ds ;  i   d p di   i p ii . Tóm tắt: Sự phổ biến của các ứng dụng đa phương tiện hiện nay đã dẫn  f   d p df ;  d   i p id   d p dd   s   f tới sự thay thế các kỹ thuật định tuyến truyền thống bằng các kỹ thuật Với các điều kiện định tuyến cung cấp QoS nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Mặt khác, từ góc độ vận hành và khai thác mạng,vấn đề pii  pid  1; pds  pdf  pdd  pdi  1; d  i  s   f  1 . hiệu năng mạng luôn là một mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên Từ các phương trình trên, ta tính toán được các trạng thái dừng của cứu và triển khai. Vì vậy, nội dung chương này sẽ trình bày một tham số mô hình trạng thái nút: định tuyến QoS mới dựa trên mô hình giải tích trong chương trước nhằm 1 pds cải thiện một số tham số hiệu năng cơ bản của mạng hình lưới không d  ; s  ;  pdi   pdi  dây. Các phân tích lý thuyết và kết quả mô phỏng số sẽ được trình bày  2  pdi  pdd  p   2  pdi  pdd  p  (3.16)  id   id  chi tiết để góp phần khẳng định khả năng ứng dụng và mức cải thiện pdf pdi 1 f  ;i  . hiệu năng WMN của tham số định tuyến QoS đề xuất.  pdi  pid  pdi   2  pdi  pdd  p   2  pdi  pdd  pid    id   4.1 MỞ ĐẦU Vấn đề cung cấp chất lượng dịch vụ QoS được đặt ra như một điều 3.3.3 Biểu diễn trạng thái kênh qua mô hình giải tích kiện then chốt nhằm đảm bảo sự phát triển thành công của WMN trong Một kênh xung quanh nút i được mô hình hóa bởi chuỗi Markov 4 các môi trường ứng dụng đa phương tiện hiện nay. Để cung cấp QoS cho trạng thái thể hiện trên hình 3.6.
14 15 1 PIC PIB PIS I  ; C  ; B  ; S  . (3.27) 2  PII 2  PII 2  PII 2  PII 3.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ VÀ THẢO LUẬN Từ các giả thiết của mô hình giải tích đề xuất, xác suất truyền dẫn thành công ps là xác suất trạng thái dừng của trạng thái thành công trong mô hình nút  s (3.16). Từ phương trình (3.16) và (3.19), ta có hệ Hình 3.6: Chuỗi Markov của mô hình kênh xung quanh nút hai phương trình phi tuyến với hai biến ps và pt có thể giải được bằng Xác suất pt được xác định bởi xác suất chuyển trạng thái từ Idle phương pháp số. Khe thời gian ảo E[T ] được định nghĩa ở trên có thể sang Break của mô hình nút pid và xác suất kênh rỗi trong một khe thời được xác định bởi phương trình gian ( P ). E [T ]   I TI   C TC   B TB   S TS . (3.28) pt  pid  P (3.17) Từ đó ta có thông lượng Th của liên kết được xác định qua số lượng Phương tiện truyền dẫn trong mạng hình lưới được chia sẻ bởi số bit thông tin người sử dụng cần được truyền thành công trong một khe lượng các nút hoạt động (active node) trong miền truyền dẫn nên hoạt thời gian ảo được định nghĩa qua công thức động của một nút phụ thuộc vào hoạt động của các nút khác. Vì vậy, xác  S  E[ P ] Th  . (3.29) suất kênh rỗi được tính toán xấp xỉ qua xác suất dài hạn trong biểu thức E[T ] ST T P  I I  I . (3.18) Mô hình giải tích đề xuất được đánh giá và khảo sát thông qua công  ST ST ST ST T  P T  PT  PT I I C C B B S S I IC C IB B IS S cụ mô phỏng MATLAB. Từ phương trình (3.29) ta có thông lượng mạng Từ phương trình (3.4) và (3.18), xác suất truyền trong một khe thời WMN dựa trên IEEE 802.11b trong cơ chế đa bước là một hàm số phụ gian là thuộc vào các tham số đầu vào như: số lượng nút là N , tỷ lệ miền cảm pt  1  e   . E T  T I nhận và miền truyền dẫn là  , tốc độ lưu lượng gói tin đến là  , tỷ lệ . (3.19) TI  PICTC  PIBTB  PIS TS lỗi bit của truyền dẫn là pb và độ dài trung bình tải tin là E  P  . 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Với các xác suất thể hiện trên hình 3.6, ta tính toán được các trạng Với mục tiêu đánh giá chất lượng liên kết không dây trong WMN, thái dừng của mô hình kênh như dưới đây. nội dung của chương đã trình bày về một mô hình giải tích mới biểu diễn  I   I PII  C PCI   B PBI   S PSI   I PII   C   B   S   I PII   I  1;