Cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS

Cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây qua kỹ thuật định tuyến QoS

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất

cứ công trình của bất kỳ tác giả nào khác

Người cam đoan

Hoàng Trọng Minh

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng dẫn, Đại tá PGS.TS Nguyễn Quốc Bình và PGS.TS Nguyễn Tiến Ban, vì đã định hướng và liên tục hướng dẫn các nhiệm vụ khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận án này

Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn các ý kiến chỉ dẫn của các nhà khoa học GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, PGS.TS Hoàng Minh, GS.TS Nguyễn Bình đã giúp nghiên cứu sinh có được các kiến thức học thuật quý báu

Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, các thầy cô của khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học, khoa Viễn thông 1 tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Những hỗ trợ, động viên nghiên cứu của các cộng sự xin được chân thành ghi nhận

Nghiên cứu sinh chân thành bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình đã kiên trì chia

sẻ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận án

Hà Nội, tháng 12 năm 2013

Hoàng Trọng Minh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

BẢNG KÝ HIỆU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi

DANH MỤC CÁC BẢNG xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY 7

1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY 7

1.1.1 Kiến trúc mạng hình lưới không dây 8

1.1.2 Một số ứng dụng điển hình 9

1.2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 11

1.2.1 Khái quát về chất lượng dịch vụ 11

1.2.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp trong WMN 13

1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS 13

1.3.1 Kỹ thuật định tuyến 13

1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS 19

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 20

1.4.1 Hiệu năng và các tham số phản ánh 20

1.4.2 Các tiếp cận cải thiện hiệu năng 22

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 34

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP PHƯƠNG TIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN BÃO HÒA 35

2.1 MỞ ĐẦU 35

2.2 CÁC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP PHƯƠNG TIỆN 36

2.2.1 Giao thức truy nhập kênh ALOHA 37

2.2.2 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang 1-persistent CSMA 39

2.2.3 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang p-persistent CSMA 40

2.3 TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI DỪNG 41

2.4 BỔ SUNG XÁC SUẤT TRANH CHẤP THẮNG 46

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 50

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LIÊN KẾT 52

3.1 MỞ ĐẦU 52

3.2 ĐẶC TÍNH CỦA IEEE 802.11 DCF 54

3.3 MÔ HÌNH GIẢI TÍCH IEEE 802.11 DCF 57

3.3.1 Các điều kiện biên giả thiết 57

3.3.2 Biểu diễn trạng thái nút qua mô hình giải tích 60

3.3.3 Biểu diễn trạng thái kênh qua mô hình giải tích 65

3.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ VÀ THẢO LUẬN 69

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 74

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN QOS CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY 76

4.1 MỞ ĐẦU 76

4.2 ĐỊNH TUYẾN TRONG WMN 78

4.2.1 Giao thức định tuyến 78

4.2.2 Tham số định tuyến 84

4.3 ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN IARM 89

4.3.1 Tham số phản ánh nhiễu đề xuất IARM 90

4.3.2 Phân tích khả năng tương thích 93

4.3.3 Tích hợp tham số IARM trong OLSR 95

4.4 MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 101

4.4.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng NS-2 101

4.4.2 Kịch bản mô phỏng 103

4.4.3 Kết quả và thảo luận 105

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 109

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AIR Average Interference Ratio Tỷ số nhiễu trung bình

AODV Adhoc Ondemand Distance

Vector

(Giao thức định tuyến) vectơ khoảng cách theo yêu cầu

CAF Channel Available Fraction Tỷ lệ thời gian khả dụng kênh

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CFP Contention Free Period Chu kỳ không có tranh chấp

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng

mang CSMA/CA Carrier Sense Multiple

Access/Collision Avoidance

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột

CSMA/CD Carrier Sense Multiple

Access/Collision Detection

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang phát hiện xung đột

DSDV Destination Sequence Distance

Vector

(Giao thức định tuyến) vectơ khoảng cách tuần tự đích DSR Dynamic Source Routing (Giao thức) định tuyến nguồn

động ELP Expected Link Performance Hiệu năng liên kết kỳ vọng

ESS Extended Service Set Tập dịch vụ mở rộng

ETSI European Telecomunications Viện nghiên cứu viễn thông Châu

Standard Institute Âu ETT Expected Transmission Time Thời gian truyền dẫn kỳ vọng ETX Expected Transmission Count Tham số truyền dẫn kỳ vọng FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số HSLS Hazy-Sighted Link State

IAR Interference Aware Routing (Tham số) định tuyến phản ánh

nhiễu IARM Interference Aware Routing

Metric

Tham số định tuyến phản ánh nhiễu

IBSS Independent Basic Service Set Tập dịch vụ cơ bản độc lập

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineer

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

ILP Integer Linear Programming Quy hoạch tuyến tính nguyên IF(s) InterFrame space Khoảng thời gian liên khung ITU-T ITU-Telecommunication

Standardization Sector

Liên minh viễn thông quốc tế - Lĩnh vực tiêu chuẩn viễn thông LAETT Load Aware Expected

Transmission Time

(Tham số định tuyến) thời gian truyền dẫn kỳ vọng phản ánh tải LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MCOP Multi-Constrained Optimal

Path

Tối ưu đường dẫn đa ràng buộc

MCP Multi Constrained Problem Bài toán đa ràng buộc

NAV Network Allocation Vector Vectơ chỉ định mạng

NUM Network Utility Maximization Tối đa hóa lợi ích mạng

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

OLSR Optimized Link State Routing (Giao thức) định tuyến trạng thái

liên kết tối ƣu PCF Point Coordination Function Hàm hợp tác điểm

PCS Physical Carrier Sense Cảm nhận sóng mang lớp vật lý PDF Packet Delivery Fraction Tỷ lệ chuyển phát gói thành công PDR Packet Delivery Ratio Tỷ lệ chuyển phát gói tin

PIFS PCF InterFrame Space Khoảng liên khung hàm phối hợp

điểm

SIFS Short InterFrame Space Khoảng liên khung ngắn

TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển giao vận TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian VANET Vehicular Ad-Hoc Network Mạng tùy biến xe cộ

VCS Vitual Carrier Sense Cảm nhận sóng mang ảo

WCETT Weighted Cumulative Expected

 Độ dài một khe thời gian vật lý

 Tốc độ đến của gói tin

 Khoảng bảo vệ xung quanh một nút tránh nhiễu

B Trạng thái break trong mô hình kênh 4 trạng thái

card( )A Lực lượng của tập A

ij

c Trọng số liên kết giữa nút i và nút j

ij

C Trọng số liên kết tối thiểu giữa nút i và nút j

C Trạng thái contention trong mô hình kênh 4 trạng thái

e Vector riêng tương ứng với giá trị riêng 

f Trạng thái failure trong mô hình nút 3,4 trạng thái

,

i I Trạng thái idle trong mô hình nút và kênh 4 trạng thái

packet

L Độ dài của một gói tin

m Số lần truyền dẫn lại cực đại

M Số lượng nút trung bình trong miền cảm nhận của một nút

H

M Số lượng nút trung bình trong miền nút ẩn

N Số lượng nút trung bình trong miền truyền dẫn của một nút

P Xác suất kênh rỗi trong một khe thời gian

s S Trạng thái success trong mô hình nút và kênh 3,4 trạng thái

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Kiến trúc điển hình của mạng hình lưới không dây [7] 8

Hình 1.2: Chuỗi Markov Bianchi [16] 31

Hình 2.1: Hoạt động của giao thức ALOHA [7] 37

Hình 2.2: Hoạt động của giao thức Slotted ALOHA [57] 38

Hình 2.3: Thông lượng chuẩn hóa của giao thức ALOHA và ALOHA phân khe [57] 39

Hình 2.5: Chuỗi Markov 3 trạng thái của nút 41

Hình 2.6: Biểu diễn mối quan hệ giữa p st' với M và p t 49

Hình 2.7: Khảo sát giá trị p st và p st' với M thay đổi 50

Hình 2.8: Khảo sát giá trị p st và p st' với sự thay đổi của p t 50

Hình 3.1: Kiến trúc và hàm phối hợp của IEEE 802.11 [46] 54

Hình 3.2: Lược đồ truy nhập kênh cơ bản trong CSMA/CA [46] 55

Hình 3.3: Mô tả truyền thông giữa nút phát i và nút nhận j 59

Hình 3.4: Chuỗi Markov của mô hình nút 4 trạng thái 60

Hình 3.5: Mô tả tính toán miền giao SI 62

Hình 3.6: Chuỗi Markov của mô hình kênh xung quanh nút 65

Hình 3.7: Mô tả các miền diện tích SA và SI 68

Hình 3.8: Quan hệ giữa thông lượng và số lượng nút (thay đổi) 71

Hình 3.9: Quan hệ giữa thông lượng và số lượng nút trong điều kiện bão hòa 72

Hình 3.10: Mối quan hệ giữa thông lượng và số lượng nút (thay đổi BER ) 72

Hình 3.11: Mối quan hệ giữa thông lượng và số lượng nút (thay đổi ) 73

Hình 3.12: So sánh phương pháp truy nhập cơ bản và RTS/CTS (thay đổi BER) 73

Hình 3.13: So sánh phương pháp truy nhập cơ bản và RTS/CTS (thay đổi  ) 74

Hình 4.1: Tính tuần tự của tham số định tuyến 93

Hình 4.2: Thiết kế xuyên lớp của giao thức OLSR 97

Hình 4.3: Các nội dung sửa đổi giao thức OLSR-IARM trong NS-2 98

Hình 4.4: Kiến trúc cơ bản của NS-2 103

Hình 4.5: Kịch bản mô phỏng 104

Hình 4.6: So sánh trễ trung bình gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM 107

Hình 4.7: Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công giữa OLSR và OLSR-IARM 107

Hình 4.8: So sánh tỷ lệ tổn thất gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM 108

Hình 4.9: So sánh thông lƣợng của OLSR và OLSR-IARM 109

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Ký hiệu các tham số 58

Bảng 3.2: Các tham số mô phỏng 70

Bảng 4.1: Các nội dung sửa đổi để khai báo và định dạng tham số 98

Bảng 4.2: Các nội dung sửa đổi để gửi nhận bản tin định tuyến 99

Bảng 4.3: Các nội dung sửa đổi để cập nhật thông tin định tuyến 100

Bảng 4.4: Các nội dung sửa đổi để tính toán định tuyến 100

Bảng 4.5: Tham số mô phỏng giao thức OLSR và OLSR-IARM 105

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, lĩnh vực truyền thông không dây đã chứng kiến

sự ra đời của hàng loạt các giải pháp công nghệ mới nhằm đáp ứng các yêu cầu, tiện

ích mới của người sử dụng Trong đó, mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) được cấu thành bởi các bộ định tuyến bố trí tĩnh cùng với các thiết

bị đầu cuối di động kết nối không dây với nhau theo hình lưới, được coi là một giải pháp then chốt của mạng không dây thế hệ mới nhằm mục tiêu cung cấp truy nhập Internet không dây băng rộng với vùng phủ lớn Truyền dẫn trong WMN được thực hiện dựa trên các chuẩn công nghệ phổ biến hiện nay như IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16… Với cấu trúc hình lưới, WMN khắc phục sự hạn chế của hiện tượng che khuất tầm nhìn thẳng trong các kết nối không dây truyền thống, tăng dung lượng bằng các truyền dẫn tốc độ cao trong khoảng cách ngắn, tăng độ tin cậy truyền thông cũng như giảm thiểu độ phức tạp trong triển khai hạ tầng mạng truy nhập

Bên cạnh các ưu điểm về cấu hình và ứng dụng, chính cơ chế truyền thông

đa bước không dây và các yêu cầu cung cấp chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) đã cho thấy một số thách thức mà WMN cần phải vượt qua về mặt hiệu

năng mạng Cụ thể, đặc tính truyền thông đa bước không dây, sự biến động chất lượng kênh truyền, cơ chế điều khiển phân tán và tác động nhiễu giữa các liên kết hình lưới là nguyên nhân gây suy giảm các thông số hiệu năng mạng như thông lượng, thời gian trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin Trong đó, ảnh hưởng của hiện tượng tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lượng liên kết là một trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu năng [7] Vì vậy, việc phản ánh chính xác các yếu tố trên vào quyết định chọn đường cho gói tin là một hướng tiếp cận thực tiễn, mang lại khả năng cải thiện các thông số hiệu năng mạng

Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, các nghiên cứu gần

đây sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) để giảm thiểu sự sai khác biến thời gian

của các giao thức hoạt động trên các lớp khác nhau, đồng nghĩa với mục tiêu tối ưu hoạt động của mạng Bài toán tối ưu xuyên lớp được giải quyết bằng các công cụ toán học phổ biến như lý thuyết đồ thị, quy hoạch toán học và mô hình giải tích

Trong các phân tích hiệu năng lớp điều khiển truy nhập MAC (Medium Access Control), mô hình giải tích cho thấy tính khả thi cao và là tiếp cận thông dụng do

khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính toán thấp [16], [73], [106] Từ đó, chất lượng liên kết có thể được đánh giá chính xác hơn khi có sự bổ sung các điều kiện thực tiễn như lưu lượng không bão hòa và kênh không lý tưởng vào giả thiết đầu vào của mô hình giải tích Bên cạnh đó, khả năng phản ánh chính xác thuộc tính chất lượng liên kết của tham số định tuyến đóng vai trò then chốt để giao thức định tuyến QoS có quyết định chọn đường dẫn tối ưu phù hợp với trạng thái hiện thời của mạng, mang lại sự cải thiện hiệu năng mạng Vì vậy, theo hướng tiếp cận xuyên lớp giữa lớp định tuyến và lớp MAC, luận án này phát triển một mô hình giải tích mới phản ánh chất lượng liên kết và sử dụng như một thành phần dự báo chất lượng liên kết kết hợp với thành phần đo chủ động sẵn có của giao thức

định tuyến tối ưu trạng thái OLSR (Optimized Link State Routing) để đề xuất một

tham số định tuyến mới, cải thiện được các thông số hiệu năng WMN Các kết quả nghiên cứu được đánh giá và minh chứng qua phân tích số và mô phỏng

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, luận án 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

Các phân tích số và mô phỏng kiểm chứng được thực hiện trong kịch bản mạng hình lưới không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.11b, đơn kênh, các nút mạng phân bố đều và các thông số lớp Vật lý tiêu chuẩn Các giả thiết trên được lựa chọn nhằm thể hiện tính tổng quát và phản ánh tường minh tác động của nhiễu liên luồng tới quyết định định tuyến Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra giao thức định tuyến

OLSR với tham số định tuyến đề xuất đạt được mức cải thiện đáng kể khi so sánh với giao thức định tuyến OLSR nguyên gốc

Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã nêu ở trên, nhiệm vụ nghiên cứu được nghiên cứu sinh tập trung vào các vấn đề sau:

1 Nghiên cứu tổng quát về ảnh hưởng của các đặc tính chủ yếu trong mạng hình lưới không dây tới hiệu năng mạng, cơ sở học thuật của bài toán định tuyến QoS, các giải pháp cải thiện hiệu năng được đề xuất trong các nghiên cứu trước dưới góc độ sử dụng công cụ toán học Từ đó sáng tỏ cách thức tiếp cận, giải quyết vấn đề nhìn từ khía cạnh phương pháp luận và xác định công cụ toán học sử dụng

2 Nghiên cứu các mô hình giải tích biểu diễn cơ chế hoạt động của các giao thức đa truy nhập trong mạng có lưu lượng bão hòa để tìm kiếm, phát hiện giới hạn trên của thông lượng liên kết Từ đó đề xuất các điều kiện ràng buộc

bổ sung đối với mô hình nhằm vào mục tiêu tăng tính chính xác về khả năng phản ánh hiệu năng liên kết của mô hình giải tích

3 Nghiên cứu các mô hình toán học biểu diễn hàm điều khiển phân tán IEEE

802.11 DCF (Distributed Coordination Function) để phục vụ việc phân tích,

đánh giá hiệu năng hoạt động của giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng

mang/tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) Từ đó xây dựng mô hình giải tích mới nhằm phản ánh chính xác

chất lượng liên kết trong điều kiện thực tế

4 Nghiên cứu, khảo sát các giao thức định tuyến và các tham số định tuyến QoS trong WMN của một số tác giả trước Từ đó, đề xuất một tham số định tuyến QoS mới chứa thành phần phản ánh nhiễu và tích hợp với giao thức định tuyến OLSR để cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây trên cơ

sở của tiêu chuẩn IEEE 802.11

Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh dựa trên các công cụ toán học như lý thuyết xác suất, chuỗi Markov, các phương pháp tính

để xác minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết Công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc được

sử dụng trong luận án nhằm để kiểm chứng tính hợp lý của đề xuất

khoa học có tiêu đề “Khảo sát hiệu năng các tham số định tuyến trong mạng hình lưới không dây WMN”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Các trường đại học kỹ thuật, số 76, năm 2010; và bài báo khoa học có tiêu đề “Nghiên cứu tham số định tuyến mới phản ánh nhiễu trong mạng hình lưới không dây IEEE 802.11”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 13,

chương 2 đã được trình bày trong bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel

Computation for Supplementing Interference Analytical Model in 802.11-based Wireless Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50,

số 2, năm 2012

Chương 3 với tiêu đề “Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lượng liên kết” trình bày các nội dung nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan tới việc đề xuất, xây dựng một mô hình giải tích mới biểu diễn cơ chế hoạt động của IEEE 802.11 DCF Nội dung chính của chương 3 là các vấn đề đã được đăng tải trong bài

báo khoa học có tiêu đề “A Novel Analytical Model to Identify Link Quality in 802.11 Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50, số

2, năm 2012

Chương 4 với tiêu đề “Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây” tập trung vào các vấn đề xung quanh việc đề xuất một tham số định tuyến phản ánh nhiễu mới Các đặc tính của giao thức, tham số định tuyến của các giả trước được tổng hợp và phân tích nhằm sáng tỏ hướng tiếp cận và phương pháp luận xây dựng thành phần tham số định tuyến mới của nghiên cứu sinh Tính đúng đắn của đề xuất được xác minh thông qua phân tích lý thuyết và kiểm chứng qua mô phỏng tại các mục 4.3 và 4.4 của chương Các kết quả chính

trình bày trong chương 4 là nội dung trong bài báo khoa học có tiêu đề “An Approach to Predict Interference Impacts on wireless links of 802.11 Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số

24, 2012; và bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel Interference Aware routing metric for QoS provision in 802.11 wireless mesh network”, công bố trên Tạp chí

Khoa học và Công nghệ, Tập 51, số 1A, năm 2013

Trong phần Kết luận, nghiên cứu sinh tóm tắt các nội dung đề xuất chính trình bày trong luận án cùng với những bàn luận xung quanh đóng góp mới cả về phần ưu lẫn phần nhược điểm Từ đó, đưa ra những gợi ý về các vấn đề mở cần tiếp tục nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, nghiên cứu sinh luôn cố gắng bám sát

các tài liệu khoa học, cập nhật công bố bởi các tác giả khác để đề xuất mới của

nghiên cứu sinh có tính thời sự và tính mở Nội dung chi tiết của luận án sẽ được

trình bày dưới đây

Hà nội, tháng 12 năm 2013

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI

HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY

Tóm tắt: Nội dung của chương khái quát các đặc tính kỹ thuật của mạng hình lưới

không dây cùng với các ứng dụng điển hình, các vấn đề nền tảng của chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service), tiếp cận giải quyết vấn đề hỗ trợ QoS trong mạng hình lưới không dây và các điểm mấu chốt của kỹ thuật định tuyến QoS Đặc biệt, các giải pháp cải thiện hiệu năng của các nghiên cứu gần đây được tóm tắt qua khía cạnh sử dụng công cụ toán học nhằm sáng tỏ cách thức tiếp cận học thuật của luận án

1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY

Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đang phát triển rất mạnh

mẽ trong cả mạng không dây diện rộng và mạng không dây cục bộ, đem tới rất nhiều ứng dụng dựa trên kết nối không dây Tuy nhiên, qua các đặc tính kiến trúc và công nghệ của các mạng truyền thống cho thấy một số điểm hạn chế trong việc cung cấp yêu cầu kết nối và dịch vụ Cụ thể, các mạng di động tế bào cung cấp vùng phủ lớn nhưng tốc độ bị hạn chế, trong khi các mạng truy nhập không dây cục bộ cho phép truyền dẫn tốc độ cao nhưng đi liền với đó là vùng phủ bị giới hạn do đặc điểm công nghệ truyền dẫn tại phổ tần số cao Vì vậy, giải pháp mạng kết nối hình

lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) đã được hình thành như một giải

pháp then chốt cho mạng truy nhập không dây băng rộng với vùng phủ rộng [64], [66], [72] Dưới góc độ ứng dụng công nghệ, WMN được phát triển mạnh mẽ nhờ một số ưu điểm chính như sau: (i) WMN có thể triển khai trong khu vực rộng với giá thành triển khai thấp; (ii) công nghệ mạng hình lưới có thể khắc phục các tuyến kết nối có tầm che khuất và tổn thất đường truyền lớn để mở rộng vùng phủ dịch vụ; (iii) sử dụng các công nghệ truyền thông tầm ngắn, WMN có thể cải thiện tốc độ truyền dẫn và sử dụng hiệu quả năng lượng, đồng thời các kênh cùng tần số có thể được tái sử dụng giữa các liên kết có khoảng cách ngắn; (iv) cấu trúc hình lưới cho phép truyền thông đa đường và nhờ đó tăng khả năng chịu lỗi của mạng; (v) các

công nghệ WMN hiện nay hỗ trợ nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến nên có thể kết nối mềm dẻo với nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau

1.1.1 Kiến trúc mạng hình lưới không dây

Công nghệ truyền dẫn nền tảng cho WMN được xây dựng trên các chuẩn công nghiệp thông dụng của Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử IEEE như: IEEE 802.11 [48], IEEE 802.15 [47] và IEEE 802.16 [49] WMN thực hiện truyền thông đa chặng không dây giữa các thiết bị đầu cuối di động thông qua các thiết bị định tuyến

bố trí tĩnh theo hình lưới (hình 1.1) Tùy thuộc vào kịch bản ứng dụng khác nhau, kiến trúc WMN được tổ chức theo 3 kiểu: WMN phẳng, WMN phân cấp và WMN lai ghép [7]

Hình 1.1: Kiến trúc điển hình của mạng hình lưới không dây [7]

Kiến trúc mạng hình lưới không dây phẳng còn được gọi là mạng hình lưới

khách (WMN client) Trong đó, các nút mạng vừa đóng vai trò thiết bị đầu cuối vừa

là bộ định tuyến tạo nên mạng có kiến trúc tùy biến và các nút mạng đều có quan hệ ngang cấp và truyền thông theo cơ chế ngang hàng Các nút có chức năng tự cấu hình để thực hiện các chức năng định tuyến và chuyển tiếp thông tin đa chặng không dây cho các phiên truyền thông Kiến trúc WMN phẳng có ưu điểm nổi bật là

tính đơn giản của cấu trúc nhưng kèm với đó là nhược điểm về khả năng mở rộng thấp và độ ràng buộc tài nguyên cao

Trong kiến trúc WMN phân cấp, các bộ định tuyến được kết nối hình lưới tạo nên hạ tầng mạng lõi không dây và kết nối trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối hoặc tới các mạng khác Trách nhiệm tự cấu hình và duy trì hoạt động mạng đường trục WMN thuộc về các bộ định tuyến WMN Bộ định tuyến hình lưới còn được bổ

sung chức năng cầu nối và chức năng cổng (Bridge/Gateway) để kết nối tới các hạ

tầng mạng khác hay Internet Kiến trúc này cho phép thực hiện quản lý tài nguyên

và tính di động tại các bộ định tuyến hình lưới Khi các thiết bị khách hàng di chuyển trong cấu trúc không ràng buộc với hạ tầng mạng sẽ tạo ra nhóm hoặc tổ chức mạng mới mang tính chất tùy biến Trong cấu trúc phân nhóm, một số thông tin trạng thái mạng được lưu trữ cục bộ và các nút đóng vai trò trưởng nhóm sẽ thực hiện nhiệm vụ quản lý và điều phối thông tin giữa các nút trong mạng Khi mạng có

sự biến động, chỉ các nút trưởng nhóm có nhiệm vụ gửi các thông tin tóm tắt của nhóm tới các nút khác nhằm giảm thiểu thông tin thừa trong quá trình quản lý và điều khiển mạng

Kiến trúc WMN lai ghép là tổ hợp của kiến trúc WMN phân cấp và kiến trúc WMN phẳng Các thiết bị khách hàng được kết nối hình lưới có thể truy nhập tới mạng lõi thông qua các bộ định tuyến WMN hoặc thiết bị khách hàng khác Sự lai ghép ở đây còn được thể hiện qua khía cạnh sử dụng các mạng không dây khác để truyền thông, kiến trúc WMN lai ghép có thể sử dụng nhiều công nghệ khác nhau cho cả mạng đường trục và mạng truy nhập Kiểu kiến trúc này hứa hẹn mang đến rất nhiều lợi ích do khả năng kết hợp và liên điều hành với nhiều hạ tầng công nghệ mạng khác nhau đem lại

1.1.2 Một số ứng dụng điển hình

Nhờ vào các ưu điểm về mặt cấu hình và công nghệ, một số ứng dụng điển hình của WMN dưới đây thể hiện sự bổ sung thiết yếu cho các công nghệ hiện thời

như: mạng truy nhập băng rộng, mạng cộng đồng, mạng công sở, mạng vùng nhỏ, mạng giao thông và mạng cảm biến

 Mạng truy nhập băng rộng

Mục tiêu đầu tiên và chính yếu của WMN là hướng tới các truy nhập không dây băng rộng Giá thành triển khai và giới hạn trễ thấp khi so sánh với các giải pháp mạng tế bào và mạng vệ tinh là lợi thế lớn của WMN trong các vùng mật độ dân cư thấp Với các khu vực tập trung dân cư, bên cạnh truy nhập hữu tuyến (cáp đồng và cáp quang), WMN là giải pháp bổ sung truy nhập băng rộng cho người dùng với sự linh hoạt của thiết bị đầu cuối Ứng dụng truy nhập Internet không dây trong khu vực đô thị có một số lợi điểm nhất định như: đầu tư ban đầu thấp, vùng phủ mở rộng, triển khai nhanh và độ tin cậy lớn Một số mạng sử dụng ứng dụng này đã được triển khai trong thực tế có thể kể đến như: FunkFeure Net [40], CUWin [32]

 Mạng cộng đồng

Với các khu vực đông dân cư, các điểm truy nhập và bộ định tuyến không dây được bố trí theo hình lưới và kết nối tới Internet qua các thiết bị cổng

(Gateway) Các thiết bị truy nhập có thể triển khai đơn giản tại các biên mạng mà

không ảnh hưởng trực tiếp hạ tầng cố định Ngoài các dịch vụ truy nhập tới Internet, các ứng dụng dựa trên kết nối ngang hàng giữa các thiết bị trong mạng cộng đồng

có thể cung cấp luồng lưu lượng đa phương tiện cho người sử dụng như: thoại, video, lưu trữ và truy nhập file phân tán

 Mạng công sở

Một ứng dụng hữu hiệu khác của WMN được triển khai trong môi trường

công sở Ở đó, các điểm truy nhập AP (Access Point) truyền thống được thay thế

bởi các bộ định tuyến hình lưới nhằm tránh các vùng chết trong khu vực công sở Thêm vào đó, các ứng dụng ngang hàng với lưu lượng lớn giữa các người sử dụng được trao đổi ngang cấp và không cần hướng tới cùng một điểm truy nhập, nhờ đó

tránh được hiện tượng tắc nghẽn tại các kết nối backhaul Ngoài các ứng dụng

truyền thông, WMN sử dụng cho mạng công sở còn được sử dụng cho các ứng dụng điều khiển tự động như điện, nước hay ánh sáng khi kết hợp với hệ thống cảm biến

 Mạng vùng nhỏ

Kết nối hình lưới được ứng dụng với các trạm cơ sở có phạm vi phủ sóng nhỏ tương đương với các điểm truy nhập AP của mạng WLAN để phục vụ các kết

nối mạng femtocell Từ đó, người dùng có thể chọn lựa linh hoạt phương thức kết

nối phù hợp với mục đích sử dụng dịch vụ để tối ưu tài nguyên Kịch bản ứng dụng này cho phép tận dụng các ưu điểm của mạng tế bào như tính di động, chất lượng kết nối và phổ tần không cấp phép của mạng truy nhập để tạo ra các kết nối xuyên suốt cho các ứng dụng

 Mạng giao thông

Bên cạnh khả năng cung cấp kết nối truy nhập Internet, WMN được sử dụng

để cung cấp các dịch vụ đặc thù trong lĩnh vực giao thông như: ứng dụng cảnh báo, điều hành và truyền thông ngang cấp giữa các phương tiện được thực hiện theo phương thức tùy biến mà không yêu cầu hạ tầng mạng cố định

 Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực bao gồm quân sự, ứng dụng khoa học và thương mại Các nút cảm biến thu thập thông tin và được bố trí hình lưới nhằm nâng cao độ tin cậy trong các phiên truyền thông tới các hệ thống xử lý Truyền thông đa chặng không dây cho phép triển khai các nút cảm biến tới các vùng không thể triển khai hệ thống hữu tuyến, khoảng cách lớn và tùy biến các tuyến kết nối để thu thập và xử lý thông tin ứng dụng

1.2 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

1.2.1 Khái quát về chất lượng dịch vụ

Chất lượng dịch vụ (QoS) là một khái niệm rộng và có thể tiếp cận từ nhiều góc độ khác nhau nên có nhiều định nghĩa khác nhau Liên minh viễn thông quốc tế

ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Sector) định nghĩa chất lượng dịch vụ trong khuyến nghị E800 là

“Một tập các khía cạnh của hiệu năng dịch vụ nhằm xác định cấp độ thoả mãn của người sử dụng đối với dịch vụ” Trong khi đó, Viện nghiên cứu viễn thông châu Âu ETSI (Europe Telecommunication Standard Institute) định nghĩa QoS trong ETSI – TR102 là “Khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các ứng xử phân biệt đối với các kiểu luồng lưu lượng, chất lượng dịch vụ bao trùm cả phân loại hoá dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ”

Chất lượng dịch vụ được nhìn nhận từ hai khía cạnh: người sử dụng dịch vụ

và mạng Từ khía cạnh người sử dụng dịch vụ, QoS được coi là mức độ chấp nhận dịch vụ và mức độ hài lòng của người sử dụng dịch vụ được xác định qua thang

điểm đánh giá trung bình MoS (Mean of Score) Như vậy, chất lượng dịch vụ gắn

chặt với từng ứng dụng và được đánh giá bởi người sử dụng Từ khía cạnh mạng, QoS liên quan tới năng lực cung cấp các yêu cầu chất lượng dịch vụ cho người sử dụng Nghĩa là mạng có khả năng cung cấp các đường dẫn lưu lượng với các điều kiện ràng buộc chất lượng thỏa mãn yêu cầu của dịch vụ Các ràng buộc của đường dẫn còn được gọi là các tham số QoS của đường dẫn thể hiện cụ thể như: băng thông, độ trễ, hay tỷ lệ tổn thất gói tin

Sự phát triển của các dịch vụ đa phương tiện trong các mạng xã hội đã đặt ra các yêu cầu cung cấp và đảm bảo QoS mới cho hạ tầng mạng hình lưới không dây

Cụ thể, vấn đề cung cấp QoS cho các dịch vụ đa phương tiện trong ứng dụng truy nhập Internet băng rộng điển hình cần phải giải quyết một số vấn đề chính sau: hiện chưa tồn tại một khung làm việc chung hoàn thiện để đảm bảo QoS cho các dịch vụ

từ đầu cuối tới đầu cuối; dung lượng được yêu cầu cao do sự phát triển của thiết bị

và dịch vụ truy nhập; các ứng dụng đa phương tiện đòi hỏi chặt chẽ các tham số chất lượng như băng thông, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin; hiệu năng mạng bị suy giảm do cơ chế truyền thông không dây đa chặng Vì vậy, mục tiêu cung cấp và đảm bảo QoS trong WMN luôn gắn liền với mục tiêu tối ưu tài nguyên mạng và là mục tiêu cấp thiết của các nhà nghiên cứu và khai thác mạng [20], [52]

1.2.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp trong WMN

Mô hình kiến trúc giao thức phân lớp là một trong những yếu tố quan trọng tạo ra sự thành công của các mạng máy tính và được thừa nhận rộng rãi trong các hệ thống không dây Các lớp chứa các giao thức cung cấp các dịch vụ ngang cấp và tới các lớp kế cận để kết nối truyền thông và tương tác giữa các hệ thống khác nhau

Do đó bài toán tối ưu toàn cục được phân hoạch thành các bài toán tối ưu nhỏ hơn được và thực hiện bởi cách tính toán phân tán Tuy nhiên, cấu trúc mạng hình lưới không dây đã đem tới một số vấn đề đặc thù khiến kiến trúc phân lớp không hoạt động hiệu quả như sau: sự biến động tự nhiên của nhiễu ảnh hưởng tới các quyết định chọn đường, tắc nghẽn mạng; môi trường truyền thông quảng bá, sự bất ổn định của kênh truyền, đặc tính di động của nút, xung đột sẽ ảnh hưởng qua lại tới chất lượng đường dẫn lưu lượng… Các vấn đề trên cùng với biến thời gian điều hành khác biệt trên từng lớp đã dẫn tới mô hình kiến trúc phân lớp không đạt được điểm tối ưu hiệu năng tổng thể của mạng WMN Bên cạnh đó, các trở ngại chính của việc cung cấp QoS trong WMN xuất phát từ đặc tính kiến trúc mạng gồm: dung lượng hạn chế do công nghệ lớp Vật lý, độ tin cậy đường truyền thấp do lỗi và nhiễu gây ra, khó xác định chất lượng liên kết do phụ thuộc vào tham số động của mạng và môi trường điều khiển phân tán Các yếu tố trên tác động qua lại với nhau

và không thuộc vào một lớp đơn lẻ Vì vậy, hướng tiếp cận xuyên lớp là không tránh khỏi để gắn kết sự tối ưu điều khiển giữa các lớp nhằm cung cấp QoS và tối

ưu hiệu năng mạng [59]

1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS

1.3.1 Kỹ thuật định tuyến

Định tuyến là một tiến trình lựa chọn đường cho các gói tin chuyển tiếp qua mạng Mục tiêu cơ bản của các phương pháp định tuyến nhằm sử dụng tối đa tài nguyên mạng và tối thiểu hoá giá thành mạng Dưới góc độ tổng quát, kỹ thuật định tuyến được thể hiện trong các giao thức định tuyến gồm ba thành phần chính: thủ

tục trao đổi và cập nhật thông tin, thuật toán tính toán đường dẫn và tham số định tuyến Dưới đây sẽ tóm tắt các đặc điểm chính của các thành phần này

cấu hình mạng trong bảng định tuyến thông qua quá trình trao đổi thông tin định tuyến định kỳ Thông thường, thông tin về cấu hình mạng được gửi tới các nút thông qua phương pháp tràn lụt Trên cơ sở thông tin thu thập được trong các bảng định tuyến, các nút thực hiện thuật toán tìm đường để chuyển tiếp gói tin tới đích Các giao thức định tuyến thuộc loại (ii) không cho phép các nút mạng trao đổi thông tin định tuyến định kỳ mà chỉ thu thập thông tin định tuyến khi có yêu cầu

Do đó, một quá trình khám phá tuyến chỉ được thực hiện khi có yêu cầu chuyển gói tin và giới hạn trong một tập nút liên quan Nhằm tận dụng các lợi thế của giao thức định tuyến loại (i) và loại (ii), giao thức định tuyến loại (iii) cho phép mở rộng phạm vi các đặc tính mạng như tính di động hay mẫu lưu lượng để tối ưu tham số định tuyến cho các ứng dụng riêng Tùy thuộc vào các mục tiêu, kiến trúc và đặc tính lưu lượng mà các giao thức định tuyến có các chiến thuật với các ưu nhược điểm khác nhau Các giao thức định tuyến điển hình sử dụng trong WMN sẽ được trình bày chi tiết trong chương 4

b, Thuật toán định tuyến

Thuật toán định tuyến còn được gọi là thuật toán tìm đường dẫn ngắn nhất theo một hoặc một tập tiêu chí cụ thể nào đó cho các kết nối qua mạng Các giao thức định tuyến điển hình của WMN sử dụng hai thuật toán thông dụng là thuật

toán Bellman–Ford và thuật toán Dijkstra [33]

Thuật toán Bellman–Ford trong môi trường tính toán tập trung được mô tả

như sau Gọic ij là trọng số (giá, chi phí) liên kết giữa nút i và nút j, C ijlà trọng số

tối thiểu giữa nút i và nút j Nếu hai nút không có kết nối trực tiếp, trọng số liên kết

được đặt bằng  Gọi nút trung gian có kết nối trực tiếp tới một trong hai nút là k và biểu thức Bellman-Ford được biểu diễn như sau

Trong tính toán thực tế, một biến chạy được sử dụng để tính trọng số tối thiểu sau

bước thứ h là  h

ik

C Thuật toán được mô tả như sau [33]:

Thuật toán Bellman-Ford tập trung

1 Khởi tạo cho nút i và j trong mạng

ik

C để tới đích Thuật toán Bellman-Ford phân tán được xây dựng bằng cách thay

đổi thứ tự trong biểu thức 1.2 như sau

và rất thích hợp với môi trường phân tán

Thuật toán Dijkstra đưa ra một cách tiếp cận tính toán khác so với thuật toán Bellman-Ford Thuật toán Dijkstra chia danh sách N nút thành hai danh sách: danh sách cố định L thể hiện các nút đã được xem xét, danh sách đề nghị L’ cho các nút

sẽ được xem xét tính toán Trong quá trình tính toán, danh sách L sẽ mở rộng với các nút mới trong khi danh sách L’ sẽ rút ngắn lại khi các nút trong đó lần lượt gia nhập vào L Thuật toán dừng khi tất cả các nút trong danh sách của L’ nằm trong danh sách L Mô tả thuật toán Dijkstra tập trung như sau [33]:

Thuật toán Dijkstra tập trung

1 Khởi tạo nút nguồn i trong danh sách L; L{ }i và tất cả các nút còn lại trong danh sách L’, c ii C ij;  j L'

2 Tìm kiếm nút lân cận kL'với trọng số tối thiểu

Thêm k vào danh sách L; L L { }k và

Loại k khỏi danh sách L’; L'L' { }\ k

Nếu L’ rỗng thì thuật toán dừng

3 Xem xét danh sách các nút lân cận N k của các nút trung gian k ngoài L để kiểm tra trọng số đường dẫn tối thiểu tới j với jN kL',

C ij  min{C C ij, ikc kj} (1.4)

4 Lặp lại bước 2

Thuật toán Dijkstra sử dụng cho mạng phân tán được tính toán tương tự như

trong tiếp cận tập trung Sự khác biệt so với tiếp cận tập trung là trọng số liên kết nhận được bởi một nút có thể không giống với các nút khác do sự không đồng bộ

thông tin của các nút Vì vậy, trọng số của liên kết giữa nút k và nút m nhận được

tại nút i là c km i ( )t , và trọng số tối thiểu từ i tới j phụ thuộc vào thời gian C t ij( ) Thuật toán được biểu diễn như sau [33]:

Thuật toán Dijkstra phân tán

1 Xác định tập các nút mạng N, trọng số của liên kết c km i ( )t , thời gian tính

3 Tìm kiếm nút lân cận kL' với trọng số đường dẫn tối thiểu

Thêm k vào danh sách L; L L { }k và

Loại k khỏi danh sách L’; L'L' { }\ k

Nếu L’ rỗng thì thuật toán dừng

4 Xem xét danh sách các nút lân cận N k của nút trung gian kL' để kiểm

tra chi phí đường dẫn tối thiểu tới j với jN kL',

Với khía cạnh (i), một số điều kiện cơ bản phải được tính toán tới trong tham

số định tuyến gồm:

- Số lượng các chặng: Một gói tin truyền qua mạng phải trải qua một số chặng (hop) giữa các nút mạng để đi tới đích Số lượng các chặng phản ánh

độ dài của các đường dẫn và có thể phản ánh thông lượng của tuyến đường

Vì vậy số lượng các chặng có thể được sử dụng như một tham số định tuyến đơn giản hoặc có thể là một thành phần trong các tham số phức hợp Tuy nhiên, quan hệ của mức suy giảm thông lượng đường dẫn và số chặng của

gói tin đi qua không theo hàm đơn điệu nên việc sử dụng như một tham số

đơn không phản ánh được các ràng buộc QoS [43]

- Cân bằng tải: Một mạng hoạt động hiệu quả khi tài nguyên các liên kết

trong mạng được sử dụng tối ưu Điều này có được nhờ vào các quyết định định tuyến không tạo ra các điểm tắc nghẽn cục bộ trong mạng Vì vậy, để thực hiện được điều này, tham số định tuyến cần có đặc tính phản ánh tải lưu lượng để thuật toán định tuyến thực hiện cân bằng tải đem lại sự công bằng trong vấn đề sử dụng tài nguyên mạng và nâng cao hiệu năng tổng thể

của mạng

- Tính mềm dẻo: Các tham số định tuyến có tính mềm dẻo cao sẽ đảm bảo sự

thích nghi với các điều kiện thay đổi của mạng để từ đó có thể nâng cao được hiệu năng tổng thể của mạng Tuy nhiên, bên cạnh độ phức tạp tính toán của tham số định tuyến hay thuật toán tính toán, tính mềm dẻo của tham số có thể gây ra tính bất ổn của đường dẫn và làm suy giảm hiệu năng mạng

Dưới khía cạnh hiệu năng đường dẫn (ii), tham số định tuyến phải phản ánh được một số đặc tính cơ bản như:

- Chất lượng liên kết: Do một đường dẫn định tuyến được cấu thành bởi các

liên kết nối tiếp nhau nên các tham số hiệu năng đường dẫn phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng của từng liên kết đơn lẻ trong đường dẫn Quyết định định tuyến dựa trên chất lượng liên kết cần đưa ra được các tuyến có thông lượng lớn, trễ thấp, tốc độ chuyển phát cao và tỷ lệ lỗi thấp nhất Vì vậy, tham số định tuyến cần phản ánh nhanh và chính xác chất lượng liên kết nhằm nâng cao hiệu năng đường dẫn

- Bảo toàn tính tuần tự: Để tính toán được đường dẫn có trọng số tối thiểu,

thuật toán tính toán định tuyến yêu cầu tham số định tuyến đảm bảo tính tuần tự để tránh lặp vòng và tránh độ phức tạp tính toán hàm mũ [105] Vấn

đề này là điều kiện bắt buộc và gây ra một số khó khăn nhất định đối với

các tham số định tuyến phản ánh liên kết do có thể xuất hiện các thành phần tham số không đảm bảo tính đơn điệu và bảo toàn tính thứ tự khi ghép nối

- Phản ánh nhiễu: Nhiễu là một đặc tính cố hữu của các mạng không dây

Nhiễu tác động tới chất lượng liên kết có thể xuất phát từ môi trường (nhiễu ngoài), giữa các liên kết với nhau (liên luồng) hoặc chính trên cùng một đường dẫn (nội luồng) Nhiễu không chỉ gây tác động đối với hiệu năng từng đường dẫn mà còn ảnh hưởng lớn đến hiệu năng tổng thể của mạng

Vì vậy, tham số định tuyến dựa trên chất lượng liên kết cần phải phản ánh tác động của nhiễu như là một thành phần tham số định tuyến để có được

các quyết định định tuyến tối ưu

1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS

Dưới góc độ tổng quát, một kỹ thuật định tuyến QoS được coi là bài toán có các quyết định tìm đường tối ưu thỏa mãn các điều kiện ràng buộc Tuy nhiên, trên thực tế có thể không tồn tại phương pháp xác định các đường dẫn thỏa mãn một tổ hợp các điều kiện ràng buộc Nói cách khác, có thể tồn tại một tổ hợp các ràng buộc QoS nhưng không thể tìm được thuật toán giải trong một khoảng thời gian hợp lý

Một bài toán tối ưu đường dẫn đa ràng buộc MCOP (Multi-Constrained Optimal Path) như vậy thuộc phân lớp các bài toán NP-Complete và được mô tả dưới đây

Cấu hình mạng được mô hình hóa bởi đồ thị G(E, V) Trong đó, V là tập các nút và E là tập các liên kết Các tham số QoS được ký kiệu là w, mỗi liên kết được

đặc trưng bởi một vectơ trọng số   [ 1() 2( ) ( )] ;T  0, ( ) 0

Bài toán đa ràng buộc MCP (Multi Constrained Problem) tìm kiếm đường dẫn p từ

một nút nguồn tới một nút đích thỏa mãn các điều kiện ràng buộc của đường dẫn

Một đường dẫn thỏa mãn tất cả m điều kiện ràng buộc được coi là một

đường dẫn khả thi Trong đồ thị có thể có rất nhiều đường dẫn khả thi và bài toán đa

ràng buộc MCP cần tìm được đường dẫn ngắn nhất l p( ) trong tập các đường dẫn khả thi Để thỏa mãn biểu thức (1.6), bài toán MCOP tối thiểu tiêu chuẩn độ dài

giữa cặp nút nguồn/đích (còn gọi là hàm tối thiểu trọng số l) theo l p( ) l P( ') với P’

là tập tất cả các đường dẫn giữa cặp nút nguồn/đích Trở ngại lớn nhất của bài toán

MCOP chính là độ phức tạp thuật toán thuộc lớp bài toán NP-complete khi tồn tại

các tham số QoS ràng buộc [60] Vì vậy, thời gian yêu cầu để giải bài toán MCOP không được xác định một cách chính xác và đường biên trên trong trường hợp xấu nhất là một hàm thời gian đa thức Vớim2, các tác giả trong [108] đã chứng minh

bài toán MCOP là bài toán NP-complete Vì vậy, cách tiếp cận khả thi để giải bài

toán này là sử dụng tham số tổ hợp gồm các thành phần mang tính lõm với tính

cộng hoặc tính nhân hoặc sử dụng lời giải kinh nghiệm (heuristic) để giảm thiểu độ

phức tạp tính toán

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

Các giải pháp công nghệ dựa trên kiến trúc mạng hình lưới không dây đã được ứng dụng mạnh mẽ trong khoảng mười năm gần đây Một trong số các chuẩn công nghệ phổ biến nhất được ứng dụng rộng rãi cho WMN là họ chuẩn IEEE 802.11 Tuy nhiên, họ chuẩn IEEE 802.11 được thiết kế cho các truy nhập đơn chặng không dây thay vì cho truyền thông đa chặng không dây Cùng với đó là các tính chất đặc thù của WMN đã cho thấy sự hạn chế về mặt hiệu năng hoạt động của mạng Vì vậy, vấn đề cải thiện hiệu năng mạng hình lưới không dây trên cơ sở họ chuẩn 802.11 đã và đang là mục tiêu quan trọng của nhiều nghiên cứu Nhằm sáng

tỏ cách tiếp cận luận án, vấn đề hiệu năng và các giải pháp cải thiện của các nghiên cứu trước trong lĩnh vực này sẽ được trình bày vắn tắt dưới đây

1.4.1 Hiệu năng và các tham số phản ánh

Hiệu năng mạng, thước đo năng lực của mạng trong hoạt động điều 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 Do đặc tính phân tán tự nhiên của mạng hình lưới không dây, một loạt các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng WMN xuất phát từ đặc

điểm kiến trúc mạng, đặc tính cố hữu của kênh truyền vô tuyến, sự biến động cấu hình Các yếu tố trên tác động trực tiếp tới các tham số hiệu năng mạng cụ thể như: thông lượng, trễ từ đầu cuối tới đầu cuối và tỷ lệ tổn thất gói tin sẽ được phân tích dưới đây

Truyền thông đa chặng không dây gây ra sự suy giảm nghiêm trọng thông lượng đường dẫn [53] Mức độ suy giảm thông lượng trung bình của đường dẫn qua

N nút tỷ lệ theo hàm O(1 / N) khi không nhiễu với các nút mạng bố trí tĩnh, lưu lượng ngẫu nhiên và tỷ lệ theo hàm O(1/ NlogN)đối với các nút mạng phân bố đồng dạng, lưu lượng ngẫu nhiên Đối với môi trường tồn tại nhiễu, các nút mạng phân bố đồng dạng và lưu lượng ngẫu nhiên, mức độ suy giảm thông lượng tỷ lệ theo O(1 /N) Như vậy, mức suy giảm thông lượng đường dẫn không giảm tuyến

tính với số lượng nút và thông lượng có thể giảm xuống bằng 0 Các nguyên nhân

chính gây ra sự suy giảm thông lượng gồm: cơ chế điều khiển truy nhập phương tiện không thể đưa ra được lược đồ tối ưu do sự phụ thuộc vào cấu hình và lưu lượng luôn biến động; hiện tượng nút ẩn/hiện gây ra xung đột và truyền lại dẫn tới giảm hiệu suất truyền gói tin

Cơ chế truyền thông đa chặng và chuyển tiếp gói tin theo từng chặng là các nguyên nhân chính gây ra thời gian trễ toàn trình lớn Trong đó, trễ gói tin có thể xuất phát từ nhiều thành phần như trễ xử lý qua nhiều lớp (lớp vật lý, lớp MAC và lớp mạng), trễ hàng đợi tại lớp mạng và lớp MAC, trễ tranh chấp truy nhập kênh và trễ truyền lan Vấn đề trễ trong WMN càng trở nên phức tạp khi tồn tại các mối quan hệ ràng buộc với các đặc tính hoạt động khác Ví dụ, giải pháp sử dụng các tần

số sóng mang cao để tăng thông lượng đường dẫn kéo theo phạm vi truyền dẫn

giảm xuống; đồng nghĩa tăng số lượng chặng (hop) và tăng trễ xử lý Truyền thông

đa chặng gây ra hiện tượng nút ẩn/hiện không chỉ gây tổn thất gói tin mà còn làm tăng thời gian chuyển phát gói tin thành công [82]

Tỷ lệ tổn thất gói tin còn được xét như là một tham số để đánh giá mức độ tin cậy của liên kết Tính bất ổn định và khó dự đoán được chất lượng liên kết vô tuyến

dưới tác động của các luồng lưu lượng và điều kiện tự nhiên dẫn tới suy giảm độ tin cậy của các đường dẫn Tỷ lệ tổn thất gói tin có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố biến động của mạng như: tải lưu lượng, số lượng chặng và luồng, tốc độ truyền dẫn,

cơ chế điều khiển truy nhập tại lớp MAC

Trong các kịch bản ứng dụng của WMN đã được triển khai trong các dự án thực tế [67], [87], [88], [95], [103] đều chỉ ra một số vấn đề khó khăn liên quan trực tiếp tới hiệu năng mạng như: (i) tỷ lệ tổn thất gói cao [6], [17], [39]; (ii) không dự đoán được hành vi kênh, không tìm được đường có độ ổn định và thông lượng lớn

[6], [17]; (iii) thông lượng suy giảm nghiêm trọng bởi nhiễu nội luồng (intra-flow interference) và liên luồng (inter-flow interference) [12], [39], [86]

Các kết quả nghiên cứu và thực tế triển khai WMN đều cho thấy sự ảnh hưởng rõ ràng của cơ chế hoạt động tại lớp MAC và ảnh hưởng của nhiễu tới các tham số hiệu năng mạng, tác động trực tiếp tới vấn đề cung cấp chất lượng dịch vụ

1.4.2 Các tiếp cận cải thiện hiệu năng

Sự phát triển mạnh mẽ và đa dạng các nghiên cứu cải thiện hiệu năng WMN trong thời gian gần đây được minh chứng bởi hàng loạt các nghiên cứu khảo sát [7], [22], [38], [74], [88] Hướng tiếp cận cải thiện hiệu năng của các tác giả trước được chia thành hai hướng: tiếp cận theo từng lớp và tiếp cận xuyên lớp Các tác giả trong [7], [74] đã khảo sát về hoạt động của mạng và chỉ ra các vấn đề ảnh hưởng hiệu năng theo từng lớp Các vấn đề cụ thể liên quan trực tiếp tới bài toán thiết kế cũng đã được khảo sát từ vấn đề điều khiển công suất [55], cải thiện giao thức đa truy nhập [62], tái sử dụng không gian [8], truy nhập trải phổ động [107], định

tuyến bảo mật [45], định tuyến multicast [54], đến điều khiển quản trị [44] Dưới

khía cạnh tiếp cận thiết kế xuyên lớp, các tác giả trong [38], [88], [89] đã khái quát những đề xuất về cải thiện hiệu năng qua thiết kế xuyên lớp trên mạng đơn chặng cùng với một số vấn đề mở cần nghiên cứu gần đây Đối với các mạng đa chặng, các tác giả trước đã giải quyết được một loạt các vấn đề liên quan tới bài toán tối ưu hiệu năng bằng các công cụ toán học ứng dụng Việc phân tích và khảo sát các

nghiên cứu trước là một trong các nhiệm vụ của nghiên cứu sinh nhằm sáng tỏ phương pháp tiếp cận, giải quyết vấn đề và tìm kiếm một giải pháp mới Các kết quả nghiên cứu chính được phân loại theo khía cạnh toán học ứng dụng gồm: lý thuyết đồ thị, quy hoạch tuyến tính và mô hình giải tích sẽ được trình bày dưới đây

a, Lý thuyết đồ thị

Lý thuyết đồ thị là công cụ phổ biến được sử dụng để giải quyết rất nhiều bài toán khoa học kỹ thuật Trong trường hợp ứng dụng cho mạng truyền thông đa chặng như WMN, mô hình nhiễu cơ sở dựa trên cơ sở lý thuyết đồ thị tóm tắt như dưới đây

Mạng hình lưới không dây được bố trí trong không gian phẳng (planar) và

cấu hình mạng được thể hiện qua đồ thị kết nối có hướng G E V( , ) Trong đó, E là tập hợp các cạnh thể hiện các liên kết và V là tập hợp các đỉnh thể hiện các nút

mạng Để mô hình hóa sự ảnh hưởng của nhiễu lên các liên kết, có thể sử dụng một

đồ thị xung đột có hướng C V E( ', ') xuất phát từ đồ thị G E V( , ) [57] Trong đó mỗi

cạnh của G E V( , ) tương ứng với một đỉnh trong C E V( ', ') thỏa mãn card( ) card( ')E  V Hai liên kết đơn hướng (l ij,l pqE ) gây nhiễu cho nhau nếu q nằm trong vùng nhiễu của i hoặc j nằm trong vùng nhiễu của p Khi đó, tồn tại một

cạnh đơn hướng giữa hai đỉnh l ij,l pq trong đồ thị C V E( ', ') và bậc của một đỉnh trong đồ thị C V E( ', ') thể hiện lượng nhiễu xung quanh một liên kết Mô hình này phản ánh nhiễu giữa các liên kết hay còn gọi là mô hình nhiễu hướng liên kết Một

đồ thị nhiễu khác G E V''( '', '') được xây dựng trên chính các đỉnh của đồ thị G E V( , ) Trong đó, tồn tại một cạnh có hướng (u,v) nếu v nằm trong phạm vi nhiễu của u Do

phạm vi nhiễu luôn được giả thiết lớn hơn phạm vi truyền dẫn của một nút nên ''

GG Lượng nhiễu xung quanh nút phát được thể hiện bởi bậc ra (out-degree) và xung quanh nút thu được thể hiện bởi bậc vào (in-degree) Đây còn gọi là mô hình

nhiễu hướng nút

Dựa trên mối quan hệ giữa nhiễu và cường độ tín hiệu, hai mô hình nhiễu cơ

sở được đề xuất sử dụng rộng rãi trong các tính toán là mô hình nhiễu giao thức và

mô hình nhiễu vật lý [43]

Mô hình nhiễu giao thức chỉ ra khả năng thành công của một phiên truyền

dẫn khi các nút có cùng công suất phát Một phiên truyền dẫn i j giữa hai nút i

và j cách nhau một khoảng d ij thực hiện thành công nếu không có một nút k trong miền nhiễu của nút j (khoảng cách từ nút k tới nút j là d kj) phát đồng thời:

1 

d kj    dij (1.7)

Giá trị ∆ có thể được hiểu như là khoảng bảo vệ xung quanh nút thu j để

tránh bất kì nút nào khác gây nhiễu ảnh hưởng tới việc truyền dẫn

Mô hình nhiễu vật lý thể hiện qua ngưỡng nhạy thu  của nút với các mức công suất phát khác nhau Pk Gọi A N là tập các nút thực hiện truyền dẫn đồng thời Một truyền dẫn i j thành công nếu:

P

P P

k A k N

k i kj

d d

(1.8)

Trong đó,  là thừa số suy hao tuyến, 2  4, d ij là khoảng cách Euclide

giữa hai nút và PN là công suất tạp âm

Bên cạnh việc ứng dụng lý thuyết đồ thị cho mục tiêu xây dựng mô hình nhiễu, các tác giả trước còn sử dụng lý thuyết đồ thị để giải quyết vấn đề cải thiện hiệu năng WMN thông qua giải pháp điều khiển cấu hình và lập lịch

Kỹ thuật điều khiển cấu hình nhằm lựa chọn một tập con các liên kết từ tập

các liên kết khả dụng trong mạng để hướng tới một số mục tiêu xác định như: giảm công suất tiêu thụ, tăng thông lượng hoặc tăng khả năng chịu lỗi Thông qua các

cơ chế điều khiển cấu hình, mức nhiễu của các nút lân cận và xung đột lớp MAC đều giảm xuống Dựa trên lý thuyết đồ thị, các thuật toán tìm kiếm cấu hình với

mức nhiễu trung bình trên nút và liên kết thấp nhất cho phép nâng cao hiệu năng mạng [23], [68] Tuy nhiên, thông tin cấu hình trong các đề xuất trên chỉ xét tới nhiễu tại mức liên kết nên có thể dẫn tới mức nhiễu cao trong đường dẫn đa chặng không dây Vì vậy, trong [19] đề xuất một thuật toán điều khiển cấu hình để chọn một liên kết khi và chỉ khi thuộc vào một đường dẫn có mức nhiễu tối thiểu giữa một cặp nút bất kỳ

Kỹ thuật lập lịch đánh giá các xung đột giữa các liên kết có cùng yêu cầu

truyền dẫn dựa trên mô hình nhiễu và chọn các lược đồ tránh nhiễu Dựa trên đồ thị kết nối, các thuật toán lập lịch xác định các tập gây nhiễu tối đa để phân bổ lại các kênh cùng tần số gây nhiễu [41], [69], [83] Tuy nhiên, các mô hình lập lịch dựa trên đồ thị chỉ mô tả các tương tác đơn giản nên cần phải bổ sung thêm mô hình nhiễu để đảm bảo độ chính xác [13], [70] Kết hợp đồ thị xung đột với mô hình nhiễu giao thức chỉ ra tập các liên kết gây nhiễu cho nhau trong mạng và không thể lập lịch đồng thời [51] Khi đó, độ phức tạp tính toán rất lớn do phải xét tới tất cả các lược đồ truyền dẫn có thể Nhằm giảm thiểu độ phức tạp tính toán của đồ thị xung đột, một phương pháp đơn giản hơn được đề xuất dựa trên mô hình nhiễu vật

lý và đưa độ phức tạp của thuật toán lập lịch vào lớp thời gian đa thức [21]

b, Quy hoạch tuyến tính

Theo cách tiếp cận phân lớp truyền thống, vấn đề tối ưu toàn cục hiệu năng mạng được phân hoạch thành các bài toán tối ưu nhỏ hơn và được thực hiện bằng cách tính toán phân tán Vì vậy, kiến trúc phân lớp được coi là vấn đề phân hoạch tối ưu dựa trên cơ sở xem mỗi một giao thức là một lời giải phân tán Trên cơ sở đó, bài toán tối ưu toàn cục được thể hiện như một bài toán tối đa hóa lợi ích mạng tổng

quát NUM (Network Utility Maximization), hàm lợi ích của các nút nguồn S

U

hàm lợi ích của các phần tử mạng NE được tối đa hóa đồng thời như sau [30]:

Tối đa hóa

f và NE có thể là một hàm phi tuyến hay đơn

điệu R là ma trận định tuyến, dung lượng kênh logic C được xem như là một hàm

của các tài nguyên vật lý và xác suất lỗi giải mã kỳ vọng P e

Tập ràng buộc gây ra xác suất lỗi là C 1 (P e ) và tập ràng buộc cho truyền dẫn thành công là C 2 (F) với F là ma trận tranh chấp hoặc tập ràng buộc có khả năng lập

lịch  w Các điều kiện biên thuộc lớp điều khiển truy nhập (gồm cả truy nhập ngẫu nhiên hay lập lịch) đều được thể hiện trong ràng buộc này Tập lược đồ chỉ định tài nguyên vật lý, lược đồ truy nhập phương tiện dựa trên tranh chấp hoặc lập

lịch, lược đồ định tuyến đơn đường hoặc đa đường thể hiện tương ứng là W,F,R Các biến tối ưu là x, w, P e , R và F Việc giữ một số biến là hằng số và giảm các tập ràng buộc sẽ đưa ra một trường hợp cụ thể của bài toán NUM Cụ thể, công thức

(1.9) trên đây thể hiện bài toán hiệu năng mạng được tối ưu tại lớp truyền tải với các điều kiện ràng buộc tại lớp định tuyến, MAC và lớp vật lý Tuy nhiên, công thức

trên đây dựa trên mô hình Fluid tiền định sẽ không phù hợp với các mạng có kịch

bản hoạt động theo mô hình ngẫu nhiên trong đó có các kịch bản của WMN Vì vậy, một số công cụ quy hoạch toán học đã được các tác giả trước đề xuất cho tiếp cận xuyên lớp để tối ưu và cải thiện hiệu năng WMN sẽ được trình bày dưới đây

Quy hoạch tuyến tính LP (Linear Programing) là công cụ hữu hiệu để tìm

kiếm lời giải tối ưu cho các bài toán như: quy hoạch mạng, kết hợp xuyên lớp giữa định tuyến với lập lịch, gán kênh hay điều khiển công suất Mục tiêu của bài toán quy hoạch mạng là tìm ra giải pháp tối ưu số lượng và vị trí thiết bị mạng (bộ định tuyến và gateway) trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu về lưu lượng và vùng phủ Vị trí và số lượng các thiết bị gateway được tối ưu thông qua bài toán luồng mạng và

giải thuật “max-flow min-cut” [26] [14] Vị trí tối ưu của các bộ định tuyến hình

lưới được xác định qua tập các vị trí ứng cử với các ràng buộc về định tuyến, kênh hay tốc độ được tính toán thông qua bài toán quy hoạch tuyến tính nguyên ILP

(Integer Linear Programing) [11]

Để cải thiện thông lượng mạng, nghiên cứu trong [104] đề xuất giải pháp tìm kiếm các kết nối không gây tranh chấp sau khi tồn tại luồng lưu lượng được định tuyến qua mạng nhằm tránh việc tái định tuyến Lược đồ không tranh chấp dựa

trên phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và đường dẫn khả dụng tốt nhất để đáp ứng yêu cầu băng thông

Sử dụng bài toán quy hoạch tuyến tính, thông lượng đường dẫn được tính toán tối

ưu với điều kiện mạng bổ sung thêm nhiễu qua mô hình nhiễu cơ sở hay thông lượng mạng được tối ưu theo các điều kiện cân bằng tài nguyên lớp Vật lý [18] [102]

Các đường dẫn trong mạng được xác định bởi quá trình định tuyến có độ khả dụng tốt nhất khi phối hợp với lược đồ gán kênh tránh nhiễu Tập các đường dẫn và kênh gán tương ứng được xác định thông qua thuật toán đệ quy và thuật toán dừng khi đường dẫn thỏa mãn yêu cầu của lưu lượng đã đặt ra [84] Kết hợp kỹ thuật định tuyến hỗ trợ QoS và gán kênh thường gồm hai giai đoạn: giai đoạn thứ nhất tìm kiếm các kênh gây nhiễu tối thiểu thông qua đồ thị xung đột; sử dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính để tìm kiếm các luồng gây nhiễu ít nhất trên các liên kết tại giai đoạn thứ hai [96]

Các giải pháp dựa trên quy hoạch tuyến tính nguyên được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu kết hợp bài toán định tuyến, lập lịch và gán kênh Sử dụng quy hoạch tuyến tính nguyên ILP để tối đa hóa số các luồng trong mạng với các điều kiện ràng buộc về nút, kênh, nhiễu và luồng trong mạng hình lưới đa kênh đa vô tuyến [58] Một trong những giải pháp đầu tiên để kết hợp bài toán lập lịch và điều khiển công suất nhằm mục tiêu tối đa thông lượng và tối thiểu công suất được đề xuất trong [35] Giải pháp kết hợp bài toán lập lịch và điều khiển công suất nhằm