CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS

Đề tài : CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, nghiên cứu sinh sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) giữa lớp MAC và lớp định tuyến. Tiếp cận phân tích hiệu năng bằng 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. Vì vậy,nghiên cứu 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 OLSR để đề xuất một tham số định tuyến mới, cải thiện được các thông số hiệu năng WMN.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HOÀNG TRỌ MINH HOÀNG TRỌNG MINH

CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT

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 PGS TS Nguyễn Tiến Ban

Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Doãn Phước

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Linh Trung

Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 9.00 giờ ngày 04 tháng 4 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận án tại:

Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) 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 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 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

Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, nghiên cứu sinh sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) giữa lớp MAC và lớp định tuyến Tiếp cận phân tích hiệu năng bằng 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 Vì vậy,nghiên cứu 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 OLSR để đề xuất một tham số định tuyến mới, cải thiện được các thông số hiệu năng WMN

Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Với mục tiêu tìm kiếm một giải pháp khả thi cải thiện hiệu năng WMN thông qua kỹ thuật định tuyến QoS, 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

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: Các

đặc tính cơ bản ảnh hưởng tới hiệu năng mạng WMN; mô hình giải tích

biểu diễn cơ chế hoạt động của IEEE 802.11 DCF; Đề xuất một tham số

định tuyến mới cải thiện hiệu năng WMN

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

Cấu trúc luận án

Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới của luận án sẽ được trình bày

trong các chương, mục theo cấu trúc sau:

Chương 1: Khái quát các vấn đề liên quan tới hiệu năng mạng hình lưới

không dây

Chương 2: Bài toán mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phương

tiện trong điều kiện bão hòa

Chương 3: Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lượng liên kết

Chương 4: Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng mạng

hình lưới không dây

Hà nội, tháng 1 năm 2014

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

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 [61], [63], [69] Dưới góc độ ứng dụng công nghệ, WMN được phát triển mạnh mẽ nhờ một số

ưu điểm chính như sau: triển khai nhanh, khắc phục hiện tương che tầm nhìn thẳng, công nghệ truyền thông tầm ngắn, truyền thông đa đường và

hỗ trợ nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến Vì vậy, công nghệ WMN có nhiều ưu điểm nổi trội và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống

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 [45], IEEE 802.15 [44] và IEEE 802.16 [46] 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 Mạng 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 dụng

1.1.2 Một số ứng dụng điển hình

Nhờ vào các ưu điểm về mặt cấu hình và công nghệ ứng dụng cho mạng WMN, một số các ứng dụng điển hình của WMN 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

là mục tiêu cấp thiết của các nhà nghiên cứu và khai thác mạng [17], [49]

1.2.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp trong WMN

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 Mặt khác 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, việc cung cấp QoS trong WMN phụ thuộc vào tham số động của mạng

và môi trường điều khiển phân tán 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 [56]

1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS

1.3.1 Kỹ thuật định tuyến

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 Các vấn đề cơ bản của kỹ thuật định tuyến được tóm tắt theo ba khía cạnh: thủ tục trao đổi

và cập nhật thông tin, thuật toán tính toán đường dẫn và tham số định tuyến

1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS

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 Thông qua bài toán chung đặt ra cho kỹ thuật định tuyến QoS, các phân tích chỉ ra là rất khó tìm ra một lời giải cho trường hợp nhiều điều kiện ràng buộc như WMN

Vì vậy, cách tiếp cận khả thi để giải bài toán định tuyến QoS 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

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 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

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 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 tính và mô hình giải tích Trong đó, mô hình giải tích là tiếp cận mô hình hóa có khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính toán không cao Tuy nhiên, mô hình giải tích tập trung chính vào mục tiêu đánh giá và phân tích hiệu năng và đặc biệt là độ chính xác của

mô hình phụ thuộc trực tiếp vào các giả thiết Vì vậy, hướng tiếp cận này hoàn toàn phù hợp cho mục tiêu đánh giá chất lượng liên kết dưới các tác động của nhiễu liên luồng khi các thông số vật lý thực tiễn được phản ánh vào mô hình Để nâng cao tính chính xác và phù hợp với mục tiêu của đề tài nghiên cứu, mô hình giải tích mới được xây dựng với các điều kiện bổ sung mới như lưu lượng mạng không bão hòa và kênh không lý tưởng Đó là cơ sở để xây dựng thành phần tham số định tuyến phản ánh nhiễu, cung cấp thông tin chất lượng liên kết tới lớp định tuyến nhằm cải thiện hiệu năng mạng

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

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

BÃO HÒA

Tóm tắt: Hiệu năng hoạt động của giao thức điều khiển truy nhập

phương tiện luôn là tiêu điểm nghiên cứu do sự ảnh hưởng trực tiếp của

nó tới năng lực kênh truyền dẫn Mô hình hóa các giao thức điều khiển truy nhập bằng mô hình giải tích là công cụ phổ biến của các nghiên cứu nhằm phân tích và đánh giá hiệu năng lớp liên kết dữ liệu Điều kiện lưu lượng mạng bão hòa là điều kiện mấu chốt để xác định giá trị thông 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],

[54], [82] Đặc biệt, với cơ chế đa truy nhập cảm nhận sóng mang tránh xung đột CSMA/CA trong mạng đa chặng, hiệu quả sử dụng kênh tiếp 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

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

2.2.1 Giao thức truy nhập kênh ALOHA

Giao thức truy nhập ngẫu nhiên đầu tiên được sử dụng cho các mạng máy tính có tên gọi là ALOHA [2] Cơ chế hoạt động của giao thức 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-persistent CSMA Trong giao thức p-CSMA, một nút phát thực hiện

truyền dẫn với xác suất p1 khi cảm nhận được kênh rỗi Hoạt động

của p-persistent CSMA được mô hình hóa qua các trạng thái của một nút

cùng với các xác suất chuyển trạng thái theo chuỗi Markov (hình 2.5)

Hình 2.5: Chuỗi Markov 3 trạng thái của nút

Xác suất dừng của các trạng thái trên là

Theo tiếp cận mô hình hóa IEEE 802.11 DCF bằng chuỗi Markov

của các tác giả trước [13], [70], [102], phương pháp tính toán trạng thái

dừng chưa được chỉ ra một cách rõ ràng Vì vậy, một lời giải tường minh

bằng phương pháp giải tích là cần thiết cho ứng dụng tính toán

2.4 BỔ SUNG XÁC SUẤT TRANH CHẤP THẮNG

Trong các đề xuất của các tác giả trước [13], [70], [102], nghiên cứu

sinh nhận thấy giả thiết các nút cùng phát đồng thời và chiếm được kênh

trong quá trình backoff đã bỏ qua Vì vậy, nghiên cứu sinh bổ sung xác

suất tranh chấp thắng cho bài toán mô hình hóa nhằm tăng độ chính xác

của mô hình giải tích Xác suất truyền dẫn thành công phải bao gồm xác

suất tranh chấp thắng của nút trong trường hợp nhiều nút cùng tham gia

quá trình backoff Xác suất tranh chấp thắng ký hiệu là P winvà được tính

toán thông qua mệnh đề toán học sau

q

p m

Xác suất tranh chấp thắng trong trường hợp có trung bình M nút

trong vùng tranh chấp được thể hiện trong phương trình sau

1 * 1

2 1

!

n n

Xác suất tranh chấp thắng P win ảnh hưởng trực tiếp tới xác suất truyền

dẫn thành công pst của nút i Trường hợp bỏ qua P win ta có: p st'  p st

[13], [70], [102]

  1 2

Khi bổ sung xác suất tranh chấp thắng P win vào xác suất truyền dẫn thành công P st, ta thu được kết quả theo công thức 2.24 và thể hiện trên hình 2.6

suất tranh chấp thắng trong quá trình backoff

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐÁNH GIÁ

CHẤT LƯỢNG LIÊN KẾT

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 phải được phản ánh chính xác Nội dung cốt lõi của chương trình bày về một đề xuất mô hình giải tích mới nhằm phản ánh chính xác hiệu năng liên kết không dây trong WMN dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11 dưới tác động của nhiễu liên luồng và tranh chấp Các điều kiện bổ sung như

lưu lượng không bão hòa, kênh không lý tưởng được đưa vào mô hình nhằm tương thích với điều kiện môi trường thực tế và cho phép ước lượng tham số chất lượng liên kết

3.1 MỞ ĐẦU

Đánh giá đúng chất lượng liên kết dưới các điều kiện động của mạng như cấu hình thay đổi, lưu lượng biến động, hiện tượng xung đột và can nhiễu là một vấn đề thách thức Vì vậy, chương này trình bày đề xuất về

mô hình giải tích mới với các điều kiện tổng quát như: lưu lượng mạng không bão hòa và kênh không lý tưởng

3.2 ĐẶC TÍNH CỦA IEEE 802.11 DCF

Giao thức điều khiển truy nhập phương tiện IEEE 802.11 MAC được

sử dụng để hợp tác và lập lịch giữa các nút tranh chấp nhằm giảm thiểu xung đột Phương thức IEEE 802.11 DCF được sử dụng phổ biến trong các mạng hình lưới không dây dựa trên họ chuẩn IEEE 802.11

3.3 MÔ HÌNH GIẢI TÍCH IEEE 802.11 DCF

3.3.1 Các điều kiện biên giả thiết

Nhằm xây dựng mô hình giải tích IEEE 802.11 DCF trong mạng 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 tác động của nhiễu tới chất lượng liên kết

3.3.2 Biểu diễn trạng thái nút qua mô hình giải tích

Hoạt động của các nút trong mạng IEEE 802.11 DCF không bão hòa được mô hình hóa bởi một chuỗi Markov chỉ ra trên hình 3.4

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

Từ các xác suất thể hiện trên hình 3.4 ta thu được các phương trình

cân bằng trạng thái sau

3.3.3 Biểu diễn trạng thái kênh qua mô hình giải tích

Một kênh xung quanh nút i được mô hình hóa bởi chuỗi Markov 4

trạng thái thể hiện trên hình 3.6