Tối ưu hóa quá trình quản lý vị trí thuê bao trong mạng di động thế hệ sau potx

Xu thế phát triển này đã đặt ra yêu cầu cho giới nghiên cứu là cần tìm ra phương pháp quản lý di động đáp ứng được nhu cầu của thuê bao với tốc độ di chuyển khác nhau, mạng có kích cỡ tế

Tối ưu hóa quá trình quản lý vị trí thuê bao

trong mạng di động thế hệ sau

An Optimal Solution to Location Management in Next

Generation Wireless Networks

Đinh Văn Dũng

Abstract: The next generation wireless networks vision

requires efficient handoff management schemes that

support mobile users with seemless migration between

mobile networks while providing high bit rate services

This paper proposes a Markov decision based model to

location management optimization problems The proposed

optimal location management solution can be applied to

the IP based or ATM based next generation wireless

networks In this paper, DMIP which is an application of

the proposed model to Cellular IP- a micromobility

proposal to IETF is also described Finaly, it presents a

performance analysis of the DMIP solution compared to

the existing proposals such as Cellular IP, Hawaii, and

HMIP The evaluation has been archieved under

NetSim-xG environment (x-Generation wireless Network

Simulator)

I GIỚI THIỆU

Mạng thông tin di động thế hệ sau với công nghệ

ATM và IP là bước đột phá từ thế hệ di động 2G và

3G Xu thế phát triển này đã đặt ra yêu cầu cho giới

nghiên cứu là cần tìm ra phương pháp quản lý di động

đáp ứng được nhu cầu của thuê bao với tốc độ di

chuyển khác nhau, mạng có kích cỡ tế bào khác nhau

và dịch vụ băng rộng

Trong những năm qua, nhiều trung tâm nghiên cứu

và trường đại học đã đưa ra các phương pháp quản lý

di động trong mạng ATM [1][5] Bên cạnh đó, nhiều

nghiên cứu đã tập trung vào đề xuất các phương pháp

quản lý di động trong mạng cục bộ nhằm hỗ trợ các

dịch vụ phi kết nối [2] Có thể điểm qua một số kết

quả nổi bật như: Cellular IP, Hawaii và HMIP [3][7]

Các tổ chức tiêu chuẩn và dự án mạng di động thế hệ sau như ITU-T, IETF, 3GPP và 3GPP2 đang chờ đợi các đề xuất quản lý di động hữu hiệu nhằm đáp ứng yêu cầu cao của mạng thế hệ sau: tích hợp công nghệ

và dịch vụ đa dạng

Có thể phân loại các giao thức quản lý di động trong mạng IP thành 2 nhóm: quản lý di động diện rộng (Macro-mobility) và quản lý di động cục bộ (Micro-mobility) Năm 1996, phiên bản tiêu chuẩn RFC.2002 được IETF đưa ra có tên là Mobile-IP nhằm giải quyết vấn đề quản lý di động thuê bao Internet trong diện rộng Sau đó là đề xuất nhằm khắc phục nhược điểm không tối ưu của tuyến kết nối khi thuê bao chuyển vùng [1] Nếu như lúc khởi điểm các nghiên cứu dành cho IPv4 thì sau này phiên bản IPv6

đã được hỗ trợ tối đa chức năng quản lý di động

Có thể phân loại các nghiên cứu về quản lý di động cục bộ (Micro-mobility) thành các nhóm con sau:

− Phân cấp (Hierarchical Mobility)

− Phân cấp kiểu Tunneling (Hierarchical Tunneling)

− Quản lý di động tại tầng IP (Mobile-Specific Routing)

Quản lý di động theo nguyên tắc phân cấp xử lý sự

di động một cách cục bộ và độc lập với hệ thống mà thuê bao đăng ký HA (Home Agent) nhằm giảm ảnh hưởng của sự di động lên chất lượng dịch vụ Vì vậy địa chỉ IP của thuê bao di động (MT) không còn phản ánh vị trí vật lý của nó Thay vào đó, HA chỉ cần biết địa chỉ IP của bộ định tuyến gốc (Gateway) của các trạm gốc – vùng mà thuê bao đang di chuyển Mạng

không cần phải thông báo về vị trí của thuê bao với

HA khi thuê bao đang di chuyển Giao thức quản lý di

động bảo đảm các gói tin gửi tới MT qua bộ định

tuyến gốc được chuyển tới trạm gốc mà MT đang kết

nối vào Để có thể định tuyến như vậy, giao thức cần

duy trì một cơ sở dữ liệu cục bộ giúp cho việc ánh xạ

từ địa chỉ IP sang “địa chỉ IP cục bộ” trong mạng mà

MT đang kết nối Có thể phân loại tiếp 2 kiểu quản lý

di động có cấu trúc quản lý theo nguyên tắc phân cấp

này là: phân cấp kiểu Tunneling và quản lý di động

tại tầng IP

Kết quả đánh giá các công trình nghiên cứu liên

quan đến quản lý vị trí thuê bao cho thấy vấn đề ra

quyết định thực hiện cập nhật vị trí thuê bao di động

vẫn chưa giải quyết được Nói cách khác, còn thiếu

những nghiên cứu nhằm đưa ra mô hình giải tích làm

tiền đề cho các bài toán tối ưu về quản lý di động

Trong bối cảnh như vậy, tác giả đã chọn mục tiêu

nghiên cứu xây dựng bài toán tối ưu quá trình quản lý

di động cho mạng thế hệ sau và tìm lời giải

Bài báo được trình bày theo 7 phần Phần đầu đưa

ra tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu và phương pháp

tiếp cận để giải quyết vấn đề Phần 2-6 là những kết

quả đã đạt được, bao gồm mô hình ra quyết định

Markov, hệ phương trình tối ưu, thuật toán để giải,

giải pháp DMIP và kết quả mô phỏng Cuối cùng,

phần Kết luận đưa ra phân tích các kết quả đã đạt

được và hướng nghiên cứu tiếp

II MÔ HÌNH CẬP NHẬT VỊ TRÍ THUÊ BAO

Gọi thời điểm MT bắt đầu xử lý việc cập nhật vị trí

thuê bao là: σ0 σ1 σ2 , Tại các thời điểm này, thuê

bao có thể cập nhật lại vị trí hiện thời của mình trong

mạng ATM, hay cập nhật bảng định tuyến trong mạng

IP di động Gía trị σ0 =0 nghĩa là σ0 là thời điểm kết

thúc cuộc gọi Gọi thời điểm bắt đầu cuộc gọi tiếp là

biến ngẫu nhiên T Biến ngẫu nhiên d(T) biểu diễn

thời điểm ra quyết định cuối cùng của MT, trước khi

cuộc gọi tiếp được thiết lập vào thời điểm T

Gọi tập A={Y,N} là quyết định của thuê bao di

động Ở đây, Y ký hiệu trạng thái thuê bao ra quyết

định và N là trạng thái bỏ qua Biểu diễn hành động

của MT vào thời điểm n bằng biến ngẫu nhiên a n Kiểu hành động mà MT chọn (ra quyết định) phụ thuộc vào vị trí thuê bao so với vị trí ra quyết định

trước Ta biểu diễn trạng thái này qua tập S Trạng thái vị trí s∈S chứa các thông tin như: khoảng cách tới

vị trí ra quyết định lần trước, khoảng cách tới vùng giáp ranh giữa hai tế bào, số tế bào vô tuyến đã đi qua, v.v Ta có thể biểu diễn quá trình quản lý vị trí thuê

bao theo 2 mô hình: quá trình liên tục (mạng ra quyết định tại bất kỳ thời điểm nào) và quá trình rời rạc (giả

thiết quá trình ra quyết định và xử lý chỉ xẩy ra tại các thời điểm rời rạc σn) Đối với quá trình rời rạc, ta biểu

diễn trạng thái thuê bao tại thời điểm ra quyết định n

qua biến ngẫu nhiên ; khoảng thời gian giữa hai thời điểm ra quyết định σ

n

s

n và σn+1 được ký hiệu qua

τn+1 Đối với quá trình liên tục, ta biểu diễn trạng thái

thuê bao tại thời điểm ra quyết định t qua biến ngẫu nhiên s t Trên thực tế, thuê bao ở trạng thái sau đó

mới chuyển sang s

n

s

t Hàm c(s,a) biểu diễn chi phí báo hiệu khi thuê bao ra quyết định a ở trạng thái s

Quy tắc miêu tả quá trình mạng lựa chọn phương pháp quản lý vị trí thuê bao thích ứng tại các thời

điểm ra quyết định Gọi quy tắc là hàm a t Hàm này biểu thị quyết định cập nhật vị trí thuê bao tại thời

điểm t và thuê bao đang ở trạng thái s Gọi phương án

là chuỗi các quy tắc π =(a1,a2, ) Ký hiệu Π là tập các phương án Đặt là chi phí báo hiệu

để thuê bao cập nhật vị trí khi MT ở trạng thái và

có quyết định Đặt là chi phí mạng tìm

vị trí hiện tại của thuê bao trước khi sử dụng dịch vụ (thiết lập cuộc gọi cho dịch vụ có kết nối hoặc truy nhập dịch vụ phi kết nối) Gọi là chi phí quản lý vị trí thuê bao trung bình (LM-Location Management) để MT sử dụng phương án π ở trạng

thái s để cập nhật vị trí thuê bao giữa hai lần sử dụng

dịch vụ kề nhau (chi phí quản lý vị trí trong thời gian thuê bao rỗi) Có thể biểu diễn giá trị này như ở công thức (1)

) , ( n n

u s a c

n

s

n

)

(s

CLMπ

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

+

=

) ( ) , ( )

) ( 0

T d p

T d

n

n n u s

Biểu thức (1) thể hiện sự thoả hiệp giữa chi phí cập

nhật vị trí thuê bao (sử dụng kênh vô tuyến, kênh

mạng cố định, cập nhật cơ sở dữ liệu tại các nút mạng,

v.v ) và chi phí tìm kiếm vị trí thuê bao trong cơ sở

dữ liệu tại các nút mạng Nếu thường xuyên cập nhật

vị trí thuê bao thì sử dụng nhiều tài nguyên khan hiếm

của mạng (như kênh vô tuyến) song chi phí tìm kiếm

giảm và ngược lại

)

( d (T)

p s

c

Triển khai (1), tác giả đã tìm thấy như ở

công thức sau:

)

(s

CLMπ

)

(s

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧ ∑∞

=

− 0

) , (

n

n n LM

ở đây:

)

,

( n n

LM s a

n p n

n

Như vậy chính là chi phí để quản lý vị

trí thuê bao di động trong khoảng thời gian từ σ

) , ( n n

LM s a

c

n đến

σn+1 , cho biết thuê bao ra quyết định a n khi ở trạng

thái s n Biểu thức (2) là chi phí quản lý vị trí thuê bao

di động trung bình của quá trình ra quyết định Markov

với tốc độ 1/µ và thời gian vô hạn

III HỆ PHƯƠNG TRÌNH TỐI ƯU

Gọi πopt là phương án điều khiển tối ưu thuộc tập

π

Π opt là phương án tối ưu, nếu như:

)

(s

CLMπopt ≤CLMπ (s ) với mọi π∈Π

Một phương án điều khiển được gọi là dừng nếu

như các quy tắc điều khiển đều giống nhau tại bất kỳ

thời điểm nào, hay a t =a với mọi t Phương án điều

khiển có tính dừng có thể biểu diễn dưới dạng:

=(a, a, ) Mục tiêu là tìm ra phương án điều khiển

tĩnh tối ưu để tổng chi phí quản lý vị trí thuê bao

là bé nhất

0

π

)

(

0 s

CLMπ

Sử dụng (2) để xây dựng phương trình tối ưu dạng

Bellman Gọi là tổng chi phí quản lý vị trí

thuê bao khi MT đang ở trạng thái s Ta viết hệ

phương trình tối ưu như sau:

)

(s

)

(s

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

∑∞

=

− 0

) , ( min

Như vậy, hàm mục tiêu là tổng chi phí để quản lý vị trí thuê bao Khi thiết kế các giao thức quản lý di động, người ta đã xét đến các tiêu chí tối ưu về chất lượng dịch vụ cũng như một số chỉ tiêu liên quan đến chất lượng của quá trình chuyển vùng, vì vậy trong bài toán tối ưu quá trình quản lý vị trí thuê bao này, ta không xét đến các ràng buộc kèm theo

IV THUẬT TOÁN

Có nhiều phương pháp để giải bài toán tối ưu (4) như: quy trình lặp theo giá trị hàm, quy trình lặp theo giá trị phương án và quy hoạch tuyến tính [4] Tuy nhiên phương pháp quy trình lặp theo giá trị hàm thường được sử dụng để giải bài toán tối ưu quá trình

ra quyết định Markov Áp dụng quy trình này để xây dựng thuật toán giải bài toán tối ưu hoá quản lý vị trí thuê bao Có thể mô tả thuật toán tìm được như sau:

1 Gán =0 cho mỗi trạng thái của thuê bao

di động s∈S Đặt ε>0 và n=0

) (

0 s

2 Với mỗi trạng thái của thuê bao di động s∈S, tính

: ) (

1 s

LM

+

) (

1 s

LM+ =

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧ ∑∞

=

− 0

) , ( min

n

n n LM

Ở đâycLM( sn, an)= ( , ) ( 1 1) ( )

n p n

n

3 Nếu C + 1(s)−C n (s) <ε

LM

n

Nếu không thoả mãn điều kiện này, tăng n lên 1 và quay lại bước 2

4 Với mỗi trạng của thuê bao di động s∈S, tính phương án tối ưu πopt

V GIẢI PHÁP QUẢN LÝ VỊ TRÍ THUÊ BAO DMIP

Các đề xuất quản lý di động như Cellular IP (CIP), Hawaii và HMIP đã khắc phục nhược điểm của Mobile IP là gửi thông tin quản lý di động về HA khi

MT di chuyển trong mạng cục bộ nơi không đăng ký

thuê bao [2][7] Hơn nữa, CIP đưa ra hai dạng cơ sở

dữ liệu: Routing Cache (RC) và Paging Cache (PC)

RC dùng để cập nhật vị trí thuê bao nhằm định tuyến

các gói tin đến đúng trạm gốc mà thuê bao đang kết

nối khi thuê bao đang sử dụng dịch vụ (Active) Trong

trường hợp thuê bao không sử dụng dịch vụ (Idle),

thông tin cập nhật vị trí thuê bao sẽ ít thường xuyên

hơn RC và được ghi vào PC Đây là giải pháp nhằm

tiết kiệm tài nguyên mạng khi quản lý vị trí thuê bao

Tuy nhiên, CIP đã đưa ra các chu kỳ cập nhật PC và

RC cố định trong suốt thời gian thuê bao truy nhập

mạng Điều này dẫn đến sự tiêu phí nguồn tài nguyên

mạng không cần thiết khi thuê bao di chuyển

Nhằm khắc phục nhược điểm của các giao thức

quản lý di động cục bộ trong đó có Cellular IP, tác giả

đề xuất giải pháp DMIP (Dynamic Mobile IP) Đây là

một ứng dụng của giải pháp ra quyết định tối ưu

Markov được trình bày ở phần trên để MT chọn thời

điểm tối ưu gửi thông tin về vị trí thuê bao Để xử lý

bản chất ngẫu nhiên của mạng di động, DMIP chọn

chu kỳ gửi thông tin báo hiệu là động, khi thuê bao

không sử dụng dịch vụ Với mục tiêu là tối thiểu tổng

lưu lượng báo hiệu để xử lý khi thuê di chuyển, ta có

được tập quyết định tối ưu (chu kỳ gửi gói tin báo

hiệu) cho mọi trạng thái của mạng (ví dụ như khoảng

cách từ thuê bao tới vị trí gửi bản tin Paging Update

lần trước) Kết quả mô phỏng ở phần sau khẳng định

được khả năng của DMIP so với 3 giao thức đã được

công bố là: Cellular IP, Hawaii và HMIP

VI KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Để đánh giá năng lực của các giao thức quản lý di

động, ta cần xét tới sự ảnh hưởng của các giao thức

này lên các dịch vụ cơ bản của mạng hiện có Việc

đánh giá tập trung vào sự ảnh hưởng của phương pháp

quản lý di động lên kết nối TCP, lên tổng lưu lượng

mạng do phát sinh báo hiệu và khả năng triển khai

dịch vụ trên diện rộng Đối tượng được đánh giá là 3

giao thức quản lý di động cục bộ Cellular IP, Hawaii,

HMIP của IETF và giao thức được đề xuất DMIP

Công cụ được sử dụng là phần mềm NetSim-xG [6]

1 Mô hình mô phỏng

Mô hình Cellular IP được xây dựng dựa theo bản

thảo draft-ietf-mobileip-cellularip-00, được đề xuất

lên tổ chức tiêu chuẩn IETF gần đây nhất Phần mềm

có thể hỗ trợ hai chế độ chuyển vùng Hard Handoff và Soft Handoff Mô hình Hawaii dựa theo bản thảo

draft-ietf-mobileip-hawaii-00 Hai phương pháp UNF

(Unicast NonFowarding) và MSF (Multiple Stream Fowarding) của đề xuất này cũng được mô hình hoá

Đề xuất HMIP được mô hình hoá theo cấu trúc mạng

2 tầng với các thành phần là GFA (bộ định tuyến gốc)

và FA (trạm gốc)

Trong mạng di động được mô phỏng, nút R0 là bộ định tuyến ở vị trí gốc của mạng di động hình cây Các bộ định tuyến R1-5 nằm ở vị trí “lá” của mạng Các trạm gốc BS1-4 là các điểm truy nhập của thuê bao di động MT Để tạo lưu lượng tới thuê bao di động, ta kết nối đầu cuối mạng cố định (CH) vào mạng di động

Trong cấu hình mô phỏng mạng Cellular IP, các trạm gốc BS(i) và bộ định tuyến R(i) đóng vai trò của nút mạng Cellular IP, R0 đóng vai trò nút kết nối ra mạng Internet Trong mô hình Hawaii, tất cả các nút định tuyến R1-R5, trạm gốc BS1-BS4 đều có chức năng Hawaii, nút định tuyến gốc là R0 Giả thiết nút

di động đang ở trong mạng nơi đăng ký thuê bao, như vậy không cần giao thức Mobile-IP khi CH truyền tin tới MT

Các bộ định tuyến được kết nối qua hệ thống cáp truyền dẫn song công có tốc độ 10Mbit/s Thuê bao di động truy nhập vào mạng di động theo phương thức CSMA/CA (Carrier Sencse Multiple Access with Collision Avoidance) Các trạm gốc hoạt động ở các dải tần khác nhau Kết quả mô phỏng có được nhờ việc quan trắc quá trình truyền tin từ CH tới một MT Nhiều mô hình di động của MT đã được khảo sát MT lấy dữ liệu từ CH qua kết nối FTP với CH

2 Ảnh hưởng của di động lên kết nối TCP

Phần này khảo sát sự ảnh hưởng của phương pháp điều khiển chuyển vùng lên chất lượng truyền tin của kết nối TCP qua tham số: thứ tự gói tin TCP ở đầu thu

là MT Nếu ta chọn chu kỳ gửi bản tin cập nhật vị trí

thuê bao một cách động theo thuật toán nêu ở trên thì

thời gian trễ chuyển vùng giảm chỉ còn 1s-1,5s (xem

Hình 1) Việc chọn chu kỳ cập nhật bảng định tuyến

động theo quá trình ra quyết định Markov đã nâng

cấp Cellular-IP thành DMIP và giảm sự ảnh hưởng

của phương pháp điều khiển chuyển vùng lên chất

lượng dịch vụ

250

270

290

310

330

350

370

390

Thêi gian (s)

Giao thøc Cellular IP

Hình 1 So sánh hai giao thức Cellular IP và giao thức cải

tiến DMIP

Quy luật tương tự xẩy ra với giao thức Hawaii Tuy

nhiên, giao thức Hawaii có thời gian trễ chuyển vùng

trong khoảng 1-1,5s Tương tự ta khảo sát giao thức

HMIP Quy luật tác động của quá trình thuê bao

chuyển vùng lên số thứ tự gói tin TCP giống hai giao

thức trên Thời gian trễ chuyển vùng khoảng 1,5s

Tóm lại cả ba giao thức Cellular IP, Hawai và

HMIP đều có quy luật: rơi gói tin TCP khi thuê bao

chuyển vùng (kết nối sang trạm gốc khác) Thời gian

trễ chuyển vùng của Hawaii thấp nhất, sau đó là

HMIP, cuối cùng là Cellular IP Trong khi đó, giao

thức mới DMIP lại cho phép khả năng hồi phục kết

nối nhanh hơn Cellular IP nhờ vào giải pháp chọn chu

kỳ gửi bản tin Paging Update và Route Update động

theo giải pháp tối ưu là nghiệm của phương trình

Bellman

3 Ảnh hưởng lên thông lượng TCP

Để xác định sự ảnh hưởng của giao thức quản lý di

động lên thông lượng của kết nối TCP của MT với

mạng Internet, ta khảo sát các kịch bản mô phỏng với

các tốc độ chuyển vùng khác nhau của thuê bao di

động Cho tốc độ chuyển vùng từ 0 lần/phút đến 29

lần/phút, ta xác định lưu lượng trung bình theo thời gian hay thông lượng của kết nối TCP giữa CH và

MT khi chuyển tải dữ liệu từ CH tới MT bằng dịch vụ FTP Nếu chỉ là kết nối vô tuyến tới mạng di động (tốc độ chuyển vùng =0), thông lượng kết nối TCP có thể đạt tới 1Mbit/s Nếu thuê bao tăng tốc độ tới 5 lần chuyển vùng/phút, tương đương với tốc độ chuyển động là 60 Km/h thì có thể nhận số liệu FTP với tốc

độ khoảng 600 Kbit/s Tuy nhiên thông lượng chỉ còn

200 Kbit/s nếu như tốc độ chuyển vùng của thuê bao trên 25 lần/phút Nếu xét quan hệ giữa thông lượng kết nối TCP và thời gian, ta sẽ thấy không nhận được gói tin TCP nào trong lúc thuê bao chuyển vùng và chưa thông báo được thông tin trạm gốc mới tới các

bộ định tuyến Phần 2 đã phân tích hiện tượng này qua số thứ tự gói tin TCP mà MT nhận được

Đối với mạng Hawaii và HMIP ta cũng thu được quy luật tương tự như mạng Cellular IP Nếu so sánh đặc tính thông lượng – tốc độ chuyển vùng của 3 giao thức này với giao thức được đề xuất DMIP, ta sẽ thấy được sự khác nhau về tốc độ biến thiên thông lượng kết nối TCP (xem Hình 2) Giải pháp Cellular IP có đặc tuyến thông lượng kết nối TCP giữa MT và CH giảm nhanh hơn Hawaii và HMIP khi thuê bao tăng tốc độ chuyển vùng

Đây chính là điểm hạn chế của Cellular IP, mặc dù giao thức này có tính năng nổi trội hơn hai giao thức kia là phát triển khá đơn giản, chỉ sử dụng các gói tin

IP thuần tuý để thực hiện báo hiệu cho quản lý di động Khi áp dụng giải pháp ra quyết định tối ưu kiểu Markov để tạo chu kỳ cập nhật vị trí thuê bao vào Cellular IP, ta có giao thức DMIP với tính năng nổi trội hơn về thông lượng Mặc dù chỉ mới tiếp cận được mức thông lượng của Hawaii hay HMIP khi tốc

độ chuyển vùng <20 lần/phút, nhưng đặc tuyến đã đạt mức như của hai giao thức này và có xu thế giảm chậm hơn khi tốc độ chuyển vùng > 25 lần/phút

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Tốc độ chuyển vùng (Handoff/phút)

Hawaii

HM IP

DM IP

P o ly (DM IP )

P o ly (Cellular IP )

DMIP: tối −u Cellular IP

Cellular IP

Hỡnh 2 Thụng lượng TCP và tốc độ chuyển vựng

Nguyờn nhõn mà DMIP nổi trội hơn nguyờn bản

của nú Cellualar IP là vỡ đó chọn được quyết định tối

ưu gửi bản tin Route Update khi thuờ bao đang thực

hiện cuộc gọi, hay Paging Update khi thuờ bao ở chế

độ khụng truy nhập dịch vụ Cellular sử dụng chu kỳ

cập nhật bảng định tuyến cố định:

route-update-time=3s hay paging-update-time=3 phỳt tại bất kỳ

thời điểm nào và bất kỳ trạng thỏi nào của mạng

Trong khi đú, DMIP cho phộp thuờ bao di động gửi

cỏc bản tin bỏo hiệu trờn tuỳ thuộc vào trạng thỏi của

cỏc nỳt mạng, để cuối cựng giảm thiểu nhất tổng tài

nguyờn mà mạng cần phải cung cấp khi thuờ bao dịch

chuyển

4 Ảnh hưởng lờn tỉ lệ mất gúi tin

Phần này là kết quả khảo sỏt sự ảnh hưởng của di

động lờn tỉ lệ mất gúi tin đối với 4 giao thức Cellular

IP, Hawaii, HMIP và DMIP Cú 3 loại gúi tin được

quan trắc: gúi TCP, gúi phản hồi TCP Ack và gúi tin

bỏo hiệu phục vụ quản lý di động Nếu như sự thất

thoỏt hai loại gúi tin đầu ảnh hưởng đến chất lượng

dịch vụ sử dụng kết nối TCP thỡ loại gúi tin bỏo hiệu

sẽ ảnh hưởng đến sự phục hồi cỏc cuộc gọi (thoại

hoặc phi thoại) khi thuờ bao chuyển vựng

5 Ảnh hưởng lờn tỉ lệ mất gúi tin TCP

Ảnh hưởng của phương phỏp quản lý di động lờn tỉ

lệ mất gúi tin TCP được thể hiện ở hỡnh 3 Để cú hỡnh

3 cỏc đặc tuyến này, tỏc giả đó thực hiện mụ phỏng

cỏc giao thức Cellular IP, Hawaii, HMIP và DMIP với

cỏc tốc độ chuyển vựng khỏc nhau từ 1 đến 29 lần

/phỳt Cỏc đường liền nột là đặc tuyến theo quy luật

hàm mũ e được xõy dựng từ số liệu mụ phỏng rời rạc

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tốc độ chuyển vùng (Handoff/phút)

Cellualar IP Haw aii HMIP Poly (Haw aii) Poly (Cellualar IP) Poly (HMIP)

Hỡnh 3 Ảnh hưởng lờn tỉ lệ mất gúi tin TCP

Với loại thuờ bao cú tốc độ chuyển động để cú <15 lần chuyển vựng/phỳt, giao thức Hawaii và HMIP mang lại tỉ lệ thất thoỏt gúi tin TCP thấp hơn Cellular

IP và DMIP Điều này cho thấy khả năng cập nhật bảng định tuyến của hai giao thức này tốt hơn khi thuờ bao chuyển vựng Hơn nữa, hai giao thức này đó sử dụng bản tin bỏo hiệu riờng chứ khụng dựng gúi IP dữ liệu thụng thường để bỏo hiệu như Cellular IP và DMIP Tuy nhiờn, khi tốc độ chuyển vựng lớn hơn 20 lần/phỳt thỡ xu thế lại ngược lại - Cellular IP và DMIP tốt hơn Theo kết quả mụ phỏng thỡ DMIP đó khắc phục được nhược điểm của Cellular IP khi tốc độ chuyển vựng <15 lần/phỳt và duy trỡ ưu thế của Cellular IP khi tốc độ >20 lần/phỳt

6 Ảnh hưởng lờn gúi bỏo hiệu và phản hồi

Ta so sỏnh tiếp sự ảnh hưởng của di động lờn tỉ lệ

thất thoỏt gúi tin phản hồi TCP Ack giữa cỏc phương

thức quản lý di động (xem Hỡnh 4) Hai giao thức Hawaii và HMIP thực sự mang lại tỉ lệ mất gúi tin TCP Ack và bỏo hiệu thấp hơn nhiều so với Cellular

IP, trung bỡnh khoảng 1% Như vậy hai giao thức này

đó cú cơ chế bảo vệ gúi tin phỳc đỏp rất tốt Để khắc phục nhược điểm này của Cellualar IP, DMIP chọn chu kỳ truyền gúi tin bỏo hiệu từ MT theo nguyờn tắc thống kờ và giải phỏp ra quyết định Markov DMIP đó

làm giảm đỏng kể tỉ lệ thất thoỏt gúi tin TCP Ack và

bỏo hiệu, từ 10% thành 1-5% khi tốc độ chuyển vựng tiến tới 30 lần/phỳt

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25 30

Tốc độ chuyển vùng (Handoff/phút)

Hawaii

HM IP

DM IP

P o ly (Hawaii)

P o ly (Cellular IP )

P o ly (HM IP )

P o ly (DM IP )

Hỡnh 4 Ảnh hưởng lờn tỉ lệ mất gúi tin TCP Ack

Khảo sỏt tiếp tỉ lệ thất thoỏt cỏc bản tin bỏo hiệu

(xem Hỡnh 5) Vẫn là cơ chế truyền tin, Hawaii và

HMIP vượt trội Cellular trong việc bảo vệ thụng tin

bỏo hiệu Để cú được khả năng này, hai giao thức trờn

đó sử dụng ngay tầng chuyển tải UDP để chuyển

thụng tin bỏo hiệu trước khi qua tầng IP, trong khi

Cellular IP đúng gúi ngay thụng tin vào gúi IP

Với cơ chế gửi bản tin bỏo hiệu động, DMIP đó làm

giảm tỉ lệ thất thoỏt gúi tin bỏo hiệu trung bỡnh là 30%

xuống cũn 10% Tuy nhiờn với cơ chế truyền tin

thẳng qua gúi IP, cỏc bộ định tuyến khụng phõn biệt

được gúi tin dạng bỏo hiệu hay khụng, như vậy cỏc

nỳt cú quyền xoỏ gúi tin ra khỏi hàng đợi Vỡ vậy

DMIP vẫn chưa mang lại được chất lượng truyền tin

bỏo hiệu như Hawaii hay HMIP

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tốc độ chuyển vùng (Handoff/phút)

Hawaii HMIP DMIP Poly (Hawaii) Poly (Cellular IP) Poly (HMIP) Poly (DMIP)

Hỡnh 5 Ảnh hưởng lờn tỉ lệ mất gúi bỏo hiệu

VII KẾT LUẬN

Bài bỏo đó trỡnh bày kết quả tối ưu hoỏ quỏ trỡnh

quản lý vị trớ thuờ bao trong mạng thế hệ sau với cụng

nghệ ATM và IP Với việc ỏp dụng mụ hỡnh ra quyết

định Markov, tỏc giả đó biến đổi hàm mục tiờu về

dạng chớnh tắc của hệ phương trỡnh tối ưu Bellman

Tiếp đú, tỏc giả trỡnh bày thuật toỏn vũng lặp theo giỏ trị hàm để cú thể ỏp dụng vào tớnh toỏn trong thực tế Ngoài ra, tỏc giả đó đề xuất phương phỏp DMIP nhằm tối ưu khả năng hoạt động của giao thức Cellular IP (CIP) của IETF DMIP là hệ quả của việc

ỏp dụng mụ hỡnh giải tớch nhằm tối ưu quỏ trỡnh gửi thụng tin cập nhật vị trớ thuờ bao di động trong mạng CIP Kết quả mụ phỏng đó làm rừ khả năng của giải phỏp này so với cỏc giải phỏp khỏc đó được đề xuất lờn IETF

Giao thức Cellular IP hay DMIP cú tớnh năng nổi trội hơn Hawaii và HMIP về sự đơn giản trong việc ứng dụng vỡ khụng cần thay đổi gỡ đến cấu hỡnh hiện

cú của cỏc nỳt mạng Tuy nhiờn, kết quả mụ phỏng cho thấy, giao thức Hawaii và HMIP nổi trội hơn về khả năng cung cấp thụng lượng TCP cho đầu cuối với tốc độ chuyển vựng khỏc nhau Hơn nữa, hai giao thức này cũn cú cơ chế bảo vệ bản tin dữ liệu dịch vụ

và bỏo hiệu tốt hơn Cellular IP

Khi quan trắc mối quan hệ giữa lưu lượng bỏo hiệu

và chu kỳ gửi gúi tin bỏo hiệu từ thuờ bao ở Cellular

IP, ta thấy nếu chu kỳ bộ thỡ thời gian phục hồi kết nối TCP sau khi thuờ bao chuyển kết nối sang trạm gốc khỏc nhanh hơn Tuy nhiờn sẽ tốn nhiều tài nguyờn mạng để xử lý cỏc gúi tin này Trong mụi trường “khan hiếm” kờnh như truy nhập vụ tuyến thỡ đõy là một hiện tượng nờn trỏnh Ngược lại, nếu giảm chu kỳ cập nhật vị trớ thuờ bao thỡ sẽ ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ vỡ cỏc gúi tin bị định tuyến sai đến trạm gốc cũ sẽ nhiều hơn

Nhằm khắc phục nhược điểm của Cellular IP và giữ nguyờn tớnh đơn giản vốn là khả năng nổi trội của nú, tỏc giả đó đề xuất giao thức DMIP Đõy là một ứng dụng của giải phỏp ra quyết định tối ưu Markov được trỡnh bày Để xử lý bản chất ngẫu nhiờn của mạng di động, DMIP chọn chu kỳ gửi thụng tin bỏo hiệu là động, khi thuờ bao đang sử dụng hay khụng sử dụng dịch vụ Với mục tiờu là tối thiểu tổng lưu lượng bỏo hiệu để xử lý khi thuờ bao di chuyển, ta cú được tập quyết định tối ưu (chu kỳ gửi gúi tin bỏo hiệu) cho mọi trạng thỏi của mạng

Tuy nhiờn, vẫn cũn một số vấn đề sau cần nghiờn

cứu tiếp:

− Ứng dụng giải pháp quản lý vị trí thuê bao trong bài

báo này cho các giao thức khác

− Mở rộng bài toán tối ưu cho các mô hình di chuyển

khác nhau của thuê bao và ràng buộc về chất lượng

dịch vụ

− Ứng dụng mạng Neuron để dự báo hướng chuyển

động của thuê bao di động Cùng với mô hình ra

quyết định Markov để phát triển tiếp bài toán tối ưu

hoá quản lý di động

TÀI LIỆU THAM KHẢO

UZUNALIOGLU, AND W WANG, “Mobility

Managemment in Next Generation Wireless Systems ,”

Proc IEEE, Vol 87, No 8, Aug 1999, pp 1347 84

[2] A T CAMPBELL ET AL., “IP Micro-Mobility

Protocols, “ ACM SIGMOBILE Review Vol 4, No.4.,

pp 45-54, Oct 2001

[3] A T CAMPBELL ET AL., Comparison of IP

Micro-mobility Protocols, IEEE Wireless Communications, pp

72-82, Feb 2002

[4] PUTERMAN M L., Markov Decision Processes:

Discrete Stochastic Dynamic Programming John

Wiley & Sons, Inc., 1994

[5] DINH V D., “Mobility Management in Wireless ATM

networks,” Master Thesis, School of Electrical Engineering, University of Technology, Sydney (UTS),

Australia, November, 1996

[6] TRAN V T., DINH V D ET AL., “NetSim-ATM: An

Open ATM Network Simulation Suite,” it has been accepted for publishing in the Proceeding of the Joint

4 th IEEE International Conference on ATM and High Speed Intelligent Internet (ICATM2001), Apr 23-25,

2001, Seoul, Korea

[7] DINH V D., TRAN V T ET AL., “Mobile IP

Technology and the Future Applications,” Proceeding

of the 26 th Asian Info-Communications Conference (AIC-26), Doc 60, Nov 6-9, 2001, Hanoi, Vietnam

Ngày nhận bài: 9/12/2002

SƠ LƯỢC TÁC GIẢ

ĐINH VĂN DŨNG

Tốt nghiệp kỹ sư Viễn thông khóa 1984-1989 tại Đại học Bưu điện Odessa (Liên Xô cũ)

Tốt nghiệp Thạc sỹ Kỹ thuật Viễn thông khóa 1995-1996 tại Đại học Công nghệ Sydney, Australia

Từ năm 1990 đến nay làm việc tại Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện Hiện là nghiên cứu sinh khóa 5, Học viện

Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Hướng nghiên cứu chính hiện nay: Mobility

Management, Networks Performence Analysis,

Simulation Optimization, and Network Design

Email: adlien@hn.vnn.vn