MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ của kỹ THUẬT NETWORK CODING TRONG MẠNG vô TUYẾN (có code)

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ của kỹ THUẬT NETWORK CODING TRONG MẠNG vô TUYẾN (có code)

MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA KỸ THUẬT NETWORK CODING

TRONG MẠNG VÔ TUYẾN

ARQ Automatic repeat request

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Mục đích nghiên cứu chính trong đề tài đồ án này tập trung vào phân tích, đánhgiá kỹ thuật Network coding qua hai thông số:thông lượng và tỷ lệ mất gói tin trongquá trình truyền Ngược lại với mã hóa nguồn, thay vì gửi liền các gói tin ngay saukhi nhận được.Network coding cho phép các bộ định tuyến có thể nén thông tin bất

cứ khi nào có thể để giảm số lần truyền đi, sau đó phân phối các gói tin trong bộđịnh tuyến cùng lúc mà không phải tốn một thời gian chờ.Chính nhờ cơ chế hoạtđộng hiệu quả này đã giúp làm giảm một lượng đáng kể số lần phải gửi đi cũng như

số lần nhận gói tin của tất cả các nút trong mạng.Hơn thế nữa số lần gửi và nhận góitin ít hơn dịch trực tiếp nên mức tiêu thụ băng thông ít hơn giúp cho thông lượngmạng cao hơn

1.1.1 Nhiệm vụ đặt ra:

Hiểu rõ lý thuyết về kỹ thuật Network coding như nguyên lý hoạt động chungcủa mạng, các đại lượng đặc trưng của mạng và phương trình tính toán tổng quátcho 2 vấn đề tính tỷ lệ mất gói tin, thông lượng Thông qua những gì đã tìm hiểutrước đó vẽ được lưu đồ giải thuật của kỹ thuật này, lưu đồ này bao gồm đầy đủ cácquá trình và trình tự như một mạng Network coding ứng dụng ngoài thực tế Viếtcode mô phỏng lại kỹ thuật Network coding trên matlab và xuất ra kết quả thuđược, trong kết quả hiển thị rõ các thông số như tỷ lệ mất gói tin và thông lượng của

mạng Dựa vào những kết quả thu được vẽ đồ thị đặc trưng cho tỷ lệ mất gói tin vàthông lượng theo tỷ lệ lỗi của gói tin ban đầu Phân tích, đánh giá đồ thị thu đượcxem quá trình vẽ có đúng với lý thuyết thực tế, có sai số nào và tỷ lệ sai số cụ thể làbao nhiêu phần trăm so với thực tế Yêu cầu của giai đoạn này phải nêu ra được ưuđiểm của kỹ thuật network coding so với các kỹ thuật khác, nhực điểm của networkcoding hay những khó khăn còn vắng phải.

Từ những nhược điểm đã được nhắc tới trong phần phân tích đánh giá kỹ thuậtnetwork coding Đề xuất giải thuật cải tiến, yêu cầu của giải thuật này phải dựa trêncác tham số cố định đã có của mạng Nếu có thay đổi thì phải giải thích rõ thay đổi

ở đâu và làm như thế nào để thay đổi Những điểm thay đổi này có tác động như thếnào đến gói tin được gửi và nhận hay không

1.1.2 Chỉ tiêu thông số đặt ra của kỹ thuật Network coding

Hai thông số được tập trung khai thác trong đề tài này là tỷ lệ mất gói tin và thônglượng trong quá trình gửi, nhận gói tin trong mạng vô tuyến Thông qualý thuyết đặt

ra của kỹ thuật Network coding (đề cập trong chương 2) ta tiến hành giải quyết haithông số này với chỉ tiêu đặt ra như sau:

Tỷ lệ mất gói tin:Mỗi lần gửi đi gói tin từ máy chủ, người dùng nhận được góitin mà máy chủ gửi đi trong đó có một phần gói tin bị lỗi trong quá trình giải mãhay thất lạc trong quá trình truyền Tỷ lệ này được gọi là tỷ lệ mất gói tin Tỷ lệ mấtgói tin thu được sau khi thực hiện mô phỏng bằng kỹ thuật Network coding phải tỷ

lệ thuận theo xác suất lỗi gói tin được đưa vào

Thông lượng:Từ tỷ lệ mất gói tin đưa ra ở trên ta thấy, mỗi lần gửi đi gói tin từmáy chủ ứng với nó đều có tỷ lệ mất gói tin nhất định Ở đây, cứ mỗi lần giải mãgói tin nếu bộ giải mã của nút trong mạng cần nhận gói tin phát hiện ra một gói tin

bị mất, hoặc có gói tin bị thất lạc thì nút này sẽ gửi lại một thông điệp cho máy chủ.Thông điệp này, yêu cầu máy chủ gửi lại gói tin từ ban đầu đến khi nhận được góitin bị lỗi hay bị mất mới tiếp tục giải mã gói tin Thông lượng của mạng thu được

sau khi thực hiện mô phỏng bằng kỹ thuật Network coding phải tỷ lệ nghịch tươngứng theo xác suất lỗi gói tin được đưa vào.

1.3 Phương pháp thực hiện:

Ý tưởng là đưa ra trong đề tài đồ án với kỹ thuật Network coding đưa vào mộtphương pháp dùng để ước tính xác suất giải mã sau khi nhận gói tin được mã hóatrong mạng Kết quả mô phỏng tương quan chặt chẽ với phu kết quả ước tính được.Phương pháp được đề xuất này sử dụng để giảm trì hoãn khi phát đa hướng, thôngtin trong quá trình hoạt động của mạng.Thay vì dịch trực tiếp gói tin như các kỹthuật trước đó, tại mỗi nút trung gian trong mạng các gói tin được gửi đi ngay saukhi vừa nhận được Ngược lại với nó kỹ thuật Network coding sẽ đưa ra mộtphương pháp mới mẻ hơn, giúp mạng hoạt động tốt hơn Với network coding trong

đề tài đồ án này, đóng góp quan trọng nhất là tối ưu hóa thông lượng, băng thông,thời gian truyền gói tin và tiêu hao năng lượng của mạng đến mức tốt nhất có thể

Để có cái nhìn tổng quan hơn về những lợi ích mà kỹ thuật Network coding đem lại,

đề tài đồ án này sẽ tập chung vào phân tích và đánh giá mạng dựa theo hai thông số

là tỷ lệ mất gói tin và thông lượng trong mạngCụ thể như sau:

Tại bất kỳ nút trung gian nào được thực hiện trong quá trình mô phỏng kỹ thuậtNetwork coding chúng tasẽ đưa một hệ phương trình có khả năng tổng hợp nhiềugói tin thành một gói tin duy nhất Quá trình này gọi là quá trình mã hóa, sau khi cóđược gói tin vừa mã hóa nút này mới gửi gói tin đến các nút liền kề với nó tới khiđến được điểm mong muốn mới dừng lại Tại nút muốn nhận gói tin sẽ giải ngượclại với phương trình mã hóa ban đầu để nhận được gói tin mong muốn Qúa trìnhnày được gọi là giải mã

Ở quá trình mã hóa các nút đóng vai trò mã hóa gói tin còn có thể gắn tiêu đềcho gói tin ấy, tiêu đề này có tác dụng gợi ý phương trình giải mã gói tin cho nútcần nhận gói tin ấy Khiến cho quá trình giải mã diễn ra một cách thuận lợi hơn,nhanh hơn Hoạt động của mạng cũng nhờ thế trở nên linh động hơn khi có thể cónhiều phương trình mã hóa và giải nén hơn thay vì phải sử dụng duy nhất một kiểu

mã hóa và giải mã được quy định sẵn Chính những tiêu đề này khiến cho tỷ lệ mấtgói giảm đi.Nhờ tỷ lệ mất gói tin giảm đi được đề cập phía trên chính là tiền đề đểcho thông lượng trong mạng được tăng lên đáng kể Khi tỷ lệ mất gói tin giảm, sốlần gửi lại gói tin từ máy chủ hay nút trung gian cũng đồng loạt giảm theo.

1.4 Các công cụ hỗ trợ

Đề tài đồ án này được mô phỏng trực tiếp trên phần mềm matlab Đây là phầnmềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình, do công ty MathWork thiết kế.Matlab cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin,thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chươngtrình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CƠ BẢN

Trong phần này em sẽ giới thiệu sơ lược về lịch sử hình thành kỹ thuật Networkcoding, sau đó mô tả mô hình mạng và trình bày các định nghĩa cơ bản cho kỹ thuậtnày Tiếp theo đó, sẽ là phần trình bày một khuân mẫu đại số cho các kết nối trongmạng Multicast Cuối cùng, là phần trình bày các thuật toán xác định và ngẫu nhiên

để xây dựng các mã mạng hiệu quả

1.5 Lịch sử

Vào năm 2000, một nhóm các nhà nghiên cứu khoa học tại Đại học HồngKôngTrung Quốcđã công bố một báo cáo mang tên dòng chảy thông tin BNetwork,nhằm thách thức ý tưởng cơ bản về lưu trữ và chuyển tiếp các gói tin trong các bộđịnh tuyến trong mạng truyền thông Bài báo là ý tưởng đầu tiên đề xuất rằng mộtnút trung gian trong mạng có thể chuyển tiếp bất kỳ chức năng nào của các gói tinđến, không nhất thiết phải giới hạn ở các bản sao của các gói tin này Ví dụ, một núttrung gian Bmix có thể nhận nhiều gói tin khác nhau để sau đó sử dụng các kết hợptuyến tính để trộn chúng lại thành một gói tin và chuyển tiếp đến các nút trung gianliền kề sau nó Cách đơn giản nhất để trộn chúng là chuyển tiếp một gói tin gửi điXor của các gói tin đến Các gói dữ liệu cần được trộn sao cho khi chuyển tiếp đếncác node còn nguyên vẹn và không có bất kỳ sự thay đổi nào, như thể chúng là hànghoá trong dòng hàng hóa, chẳng hạn như ô tô trên xa lộ và các gói tin được đóng góilại như đóng gói hàng hóa Ý tưởng mới là các bit trong luồng thông tin không phải

là cố định, chúng có thể được pha trộn theo ý chúng ta muốn miễn là các máy nhận

đã nhận đủ được gói tin từ máy chủ chuyền đi.Ý tưởng mới này được gọi làNetwork coding và điều đó cũng thú vị khi nó được thể hiện trong nghiên cứu banđầu Nghiên cứu này chỉ ra rằng việc sử dụng Network coding có thể giúp tối đahóa tốc độ luồng thông tin trong các lần giao tiếp của mạng Multicast (từ một máychủ gửi đến nhiều máy chủ) Kể từ khi bài báo này đưa ra các ý tưởng và kết quảkhả quan về các gói dữ liệu có thể hữu ích hơn việc phân phối các gói tin ở dạngban đầu, chúng ta có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng băng thông trong

Internet hiện tại bằng cách thực hiện mã hóa các gói tin lại thành một gói duy nhấtrồi mới chuyển tiếp đi

Trong cả thập kỷ kể từ năm 2000, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu vớichất lượng hàng đầu về Network coding Những công trình này đã khám phá ranhiều điều mới mẻ về chủ đề Network coding, thu hút sự quan tâm của nhiều nhómnghiên cứu và các học viên về lĩnh vực viễn thông, truyền thông và cộng đồngmạng máy tính với một số lượng đáng kể các nghiên cứu về kỹ thuật Networkcoding Thay vì tập trung nhiều hơn vào việc tìm hiểu các thuộc tính lý thuyết cơbản và giới hạn của Network coding như các nghiên cứu trước đó Bắt đầu từ năm

2003, nhiều nghiên cứu đã tập trung hơn vào những thách thức thực tế của nó,những khó khăn, và giải pháp khắc phục Nó đã trở nên rõ ràng rõ ràng rằng kỹthuật Network coding dựa trên nền tảng lý thuyết vững chắc, có khả năng tương đốithực tế đối với hạ tầng mạng thực tế hiện nay hay các ứng dụng trong mạng Trong

cả mạng không dây và Internet, chẳng hạn như lưu trữ phân phối và phân phối nộidung hỗ trợ lẫn nhau giữa các trạm, kỹ thuật Network coding có một tiềm năng tolớn khi xét về mặt lý thuyết Kỹ thuật này ảnh hưởng đến việc thiết kế các giao thứcmạng ở những thế hệ tiếp theo

2.1 Lý thuyết về mạng Multicast

Mạng Multicast là mạng được ứng dụng rộng rãi trong mạng viễn thông hiệnnay Mulicast là nơi trao đổi dữ liệu thông tin trong một nhóm các nút của một cùngnào đó trong mạng Nó có thể phân phối một hoặc nhiều thông tin cùng lúc giữacác nút ở trong mạng Ngược lại với giao tiếp điểm với điểm của lớp vật lý, mạngMulticast có thể ứng dụng như là mạng tạo liên kết đa hướng giữa các nút trongmạng Ở trong mạng này máy chủ có thể gửi gói tin dến nhiều nút hay nhiều nhómmạng multicast nhỏ hơn chỉ trong một lần truyền đơn Bản sao của gói tin có thểđược tạo tự động trong các nút phần tử của mạng khác chẳng hạn như bộ địnhtuyến, chuyển mạch và trạm cơ sở di động, nhưng chỉ dùng cho các nút phần tửtrong mạng hiện có của hệ thống

Mạng Multicast có thể hoạt động tại các tầng liên kết mạng khác nhau bằng cáchchi nhóm các phần tử ở trong mạng viễn thông Mạng cho phép đặt tên như thể địachỉ cho các nút phần tử trong mạng Mạng hỗ trợ Multicast có thể thực hiện tại tầngliên kết dữ liệu bằng cách sử dụng nhiều địa chỉ và chuyển đổi như địa chỉ MulticastEthernet, chế độ truyền không đồng bộ (ATM), các mạng ảo đa điểm (P2MP) hoặc

đa hướng Infiniband Mạng Multicast cũng có thể thực hiện ở lớp Internet bằngcách sử dụng IP multicast Trong IP multicast, việc thực thi khái niệm multicast xảy

ra ở mức định tuyến IP, nơi mà mà các bộ đính tuyến tạo ra các đường dẫn phânphối tối ưu cho các gói dữ liệu được gửi đến địa chỉ đích multicast

Multicast thường được sử dụng trong các ứng dụng giao thức Internet(IP), hoặcchuyền thông thông trực tuyến như IPTV

Chú thích:

•Ethernet multicast

Các khung Ethernet có giá trị là 1 trong những bit được gắn vào địa chỉ củacác điểm trong mạng Multicast Cơ chế này cấu thành mạng Multicast ở lớp liênkết dữ liệu Nhờ những địa chỉ IP multicast để đạt được giao tiếp cho một hoặcnhiều IP trên mạng Ethernet Bộ lọc của Ethernet nhận các gói tin sẽ chia nhỏ địachỉ IP multicast được khởi tạo bằng phần mềm xem gói tin có bị mất hay là đãnhận đủ chưa

• IP multicast

Là một kỹ thuật giao tiếp giữa một hay nhiều mạng IP Các máy chủ gửi giaothức quản lý đến một nhóm IP trong mạng và các IP trong nhóm này sẽ lưu lạigiao thức quản lý đó Ví dụ trong trường hợp mạng IPTV khi người dùng muốnthay đổi từ kênh truyền hình này sang kênh truyền hình khác Với phát đa hướng

số người dùng lớn hơn bằng cách không yêu cầu có bao nhiêu người nhận Mạngmulticast sử dụng hiệu quả bằng cách yêu cầu máy chủ gửi duy nhất một gói chỉmột lần, ngay cả khi nó cần được gửi tới một số lượng lớn người dùng Các núttrong mạng sẽ tự động sao chép và trao đổi với nhau khi cần thiết

Để hình dung rõ hơn về mạng multicast, quan sát hình ảnh minh họa như sau:

Hình 2-1: Mô hình mạng Multicast

Đây là mô hình mạng cánh bướm cổ điển, nó là mô hình nguyên thủy nhất đểhình dung về mạng Muticast Các kỹ thuật mạng đã có và ngay cả kỹ thuật Networkcoding cũng đều được phát triển dựa trên mô hình này Với s được coi như là máychủ nguần phát gói tin p tới các node(hoặc máy chủ trung gian) của mạng Gói tin pđược chuyển tới các nút (1,2,3,…k) Tại các nút này khi đã nhận được gói tin, nó cóthể sử dụng trực tiếp hoặc sao chép rồi chuyển tiếp đến các nút liền kề với nó Haythâm chỉ nó còn có thể mã hóa nhiều gói tin tại đây và chuyển tiếp cho khác nútkhác nếu cần thiết được Khả năng mã hóa này được đề cập đến trong kỹ thuậtNetwork coding (phần 2.4)

1.6 Các vấn đề nghiên cứu trong mạng Multicast

Trong mạng Multicast hiện nay, các mạng không dây ở các dạng khác nhau củaviễn thông (kết nối dặm dài, cảm biến, mạng cộng đồng, v.v.) sẽ là phương tiện

truyền thông chủ đạo trong tương lai Nhưng các triển khai không dây hiện tại vẫnđang phải đối mặt với các giới hạn:băng thông, tốc độ mạng, bảo mật,… Đối vớimạng không dây quy mô lớn để hoạt động bình thường, cần những tiến bộ nghiêncứu về sự nâng cao băng thông và tốc độ mạng trong quá trình gửi, nhận gói tin.

1.7 Lý thuyết Network coding

Mạng truyền thông được thiết kế để cung cấp thông tin từ nút nguồn đến đích.Cách truyền dữ liệu truyền thống sử dụng đường dẫn cho các kết nối vật lý hoặc kếtnối vô truyến và mạng Multicast được ứng dụng cho các thiết kế này Khi dữ liệuđược định tuyến trên một đường truyền, mỗi nút trung gian chuyển tiếp các góinhận được qua đường truyền này để tới các nút trong mạng của nó Trong một kếtnối mạng Multicast, các nút trung gian có thể sao chép các gói và chuyển tiếp chúngđến một số nút khác ở trong mạng.Kỹ thuật Network coding cho phép các nút trunggian tạo ra các gói dữ liệu mới bằng cách mã hóa một hay nhiều gói nhận được trêncác đường truyền của nút trong mạng Kỹ thuật này cung cấp một số lợi ích, chẳnghạn như tối ưu hóa thông lượng, băng thông, thời gian truyền gói tin và tiêu haonăng lượng của mạng đến mức tốt nhất có thể

1.1.3 Ưu điểm của kỹ thuật Network coding

Khác biệt với kỹ thuật chuyển tiếp truyền thống Số lượng gói tin tối đa có thểđược gửi từ nguồn đến tập hợp các đầu cuối không thông qua mã hóa gói tin lại nhưNetwork coding trong mạng truyền thông, tức là trong một mô hình truyền thôngtrong đó mỗi nút trung gian chỉ có thể chuyển tiếp các gói tin đến Dễ dàng nhậnthấy ưu điểm vượt trội hơn của kỹ thuật Network coding mã hóa là tỷ lệ mất gói tin

và số lần truyền gói tin luôn đưa ra kết quả tối ưu hơn rất nhiều về mặt lý thuyết

Ưu điểm nàygiúp cho các nhà cung cấp mạng viễn thông nắm bắt lợi ích của các kỹthuật Network coding để tối ưu hóa thông lượng, băng thông, thời gian truyền góitin và tiêu hao năng lượng của mạng đến mức tốt nhất có thể

1.1.4 Mã hóa gói tin

Chúng ta mô hình hóa mạng lưới thông tin liên lạc bằng một đồ thị định hướngG(V, E), trong đó V là tập hợp các nút và E là tập hợp các cạnh trong G Thông tin

giữa các nút mạng được truyền đi trong các gói tin Giả định rằng mỗi gói là mộttrong những phần tử của trường hữu hạn và có thể được biểu diễn bằng một véc tơnhị phân của các bit có chiều dài Nếu giao tiếp giữa các nút trong mạng được thựchiện theo từng vòng, như vậy ở mỗi vòng, mỗi cạnh trong mạng có thể truyền mộtgói đơn Lưu ý rằng, giả định này ngụ ý rằng tất cả các cạnh có cùng dung lượngcủa một đơn vị mạng Tuy nhiên, không dẫn đến mất tính tổng quát vì các cạnh củadung lượng lớn hơn có thể được biểu diễn bằng nhiều cạnh song song có dunglượng nhỏ hơn Chúng ta định nghĩa kỹ thuật Network coding trong mạngMulticast, bao gồm graph, một nút nguồnsvà một bộ của thiết bị đầu cuối.

Chúng ta xác định dung lượng của mạng Network codinglà trình bao bọc chặtchẽ nhất trên lượng thông tin có thể được truyền từ nút nguồn đến tất cả các nútđích trong một vòng truyền thông Cụ thể hơn, với h (i) là số lượng gói tối đa có thểđược gửi từ tất cả các thiết bị đầu cuối trong vòng i Sau đó, dung lượng của mạngđược định nghĩa như sau:

Thật vậy, sơ đồ Network coding được mô tả trong hình 2-2(d) có thể cung cấp haigói mới ở mọi vòng giao tiếp Đối với mạng này, cho, với Thuộc tính cuối cùngđược giữ cho bất kỳ mạng truyền thông tuần hoàn nào, nhưng nó không nhất thiếtphải giữ cho một mạng có chứa các tiến trình đang thực thi Để rõ hơn về điều này,

ta có thể xem lại mạng Network coding với chu kỳ được mô tả trên Hình 2-2(a).Đối với mạng này, rất dễ dàng để xác minh rằng một vònggiao tiếp là không đủ đểcung cấp hai gói cho cả hai thiết bị đầu cuối t1 và t2.Hình 2-2(b) cho thấy một sơ đồNetwork coding có thể truyền gói dữ liệu qua vòng, do đó dung lượng của mạngbằng hai Đặc biệt ở vòng đầu tiên, nút v3 chuyển tiếp gói tin mà nó nhận được quacạnh đến của nó Sau đó, đối với mỗi vòng thứ , nút v3 tạo ra một gói mới bằngcách tính toán lại với: và , và

Hình 2-3: Chu kỳ mã hóa Network coding

1.1.5 Giải mã gói tin

Trong phần này, chúng ta trình bày định nghĩa chính thức về mã mạng tuyếntính Để rõ ràng hơn, giả sử rằng đồ thị mạng bên dướilà tuần hoàn Như đã thảoluận ở trên, các mạng như vậy dễ phân tích hơn, bởi vì chúng ta chỉ cần xem xétmột vòng giao tiếp đơn lẻ Cũng có thể giả định rằng chính xác một gói được gửi

qua mỗi cạnh trong mạng và mỗi nút phải nhận tất cả các gói từ các cạnh đến củanút trước khi gửi một gói trên các cạnh đi của nút ấy.

Giả sử rằng chúng ta muốn truyền đi các gói tin h bằng trênmạng Multicast Chúng ta giả định rằng các nút nguồn s có cạnh đến, lập chỉ mục của , , ,, và mỗithiết bị đầu cuối t có gói gửi tới từ cạnh đến và không có gói nào gửi từ cạnh đi.Lưu ý rằng những giả định này có thể được thực hiện mà không mất tính tổng quát.Thật vậy, giả sử rằng giả định thứ hai không giữ cho một sốt đầu cuối Trong trườnghợp này, chúng ta có thể thêm một thiết bị đầu cuối mới được kết nối với theo cạnhsong song Hình 5(a) mô tả một ví dụ về mạng đáp ứng các giả định này Đối vớimỗi cạnh e chúng ta sẽ quy định rằng gói được truyền trên cạnh đó Mỗi , của nútnguồn sẽ quét các gói tin ban đầu để nhận biết kiểu mã hóa và đưa ra phương phápgiải mã đã được quy định sẵn trong mạng

Gọilà một cạnh của mạng mã hóa và để thiết lập các cạnh đến trong của nútđuôi , Sau đó, chúng ta liên kết với mỗi cạnh một hệ số mã hóa Các hệ số mã hóacủa các cạnh thuộc về , gói tin với gói tin được truyền trên cạnh như một hàm củacác gói được truyền trên các cạnh đến Cụ thể, các gói tin bằng với

(2)

Định nghĩa(Mạng tuyến tính): Với là một mạng mã hóa và cho là một trường hữu

hạn Thì, việc gán các hệ số mã hóa được cho bới công thức sau:

(3)

Hình 2-3(c) thể hiện các hệ số mã hóa cục bộ tạo thành mạng tuyến tính

mã cho mạng mã hóa được mô tả trong Hình 2-3(a) Mục tiêu của chúng ta là tìmmột tập hợp các hệ số mã hóa mạng cho phép mỗi bộ giải mã giải mã các gói gốc

từ các gói thu được thông qua các cạnh đến của nút Phân phối thỏa mãn điều kiệnnày được gọi là mã mạng khả thi cho Ví dụ, ta có thể xem xét mạng được mô tảtrong Hình 2-3(a) và giả sử rằng tất cả các hoạt động được thực hiện trên trường

Hình 2-4: Sơ đồ kỹ hiệu mã hóa

Nếu là một cạnh đi của các nút nguồn, thì đó là bằng:

2.2 Một số kỹ thuật khác đã từng được nghiên cứu

Để đối phó với các vấn đề xảy ra trong mạng truyền thông không dây Trên thực

tế chất lượng mạng còn bị ảnh hưởng bởi rất nhiều các yếu tố khác nhau như: môitrường(nhiệt độ, độ ẩm,…), phần mềm(virus, phần mềm độc hại,…), thiết bị đầucuối của khách hàng kém chất lượng,… Đã có rất nhiều nghiên cứu về kỹ thuậttruyền tải dữ liệu trong mạng Multicast.Có thể mô tả ngắn gọn về

các kỹ thuật này như:

1) End-to-end ARQ: Máy chủ gốc của mạng Multicast truyền lại lần lượt từng gói

cho đến khi nó nhận được phản hồi rằng gói tin gửi đi là chính xác và chúng đãnhận đủ gói tin mình cần của tất cả các nút trong mạng Multicast Tất cả các núttrung gian của mạng chỉ đóng vai trò nhận và chuyển tiếp các gói tin đi đến các nútliền kề sau nó

2) End-to-end FEC: Tương tự như End-to-end ARQ, chỉ máy chủ tại gốc của

mạng Multicast mới có trách nhiệm truyền lại gói tin cho đến khi nó nhận đượcphản hồi rằng các gói tin mà nó gửi đi và chúng đã nhận đủ gói tin mình cần của tất

cả các nút trong mạng Multicast Tất cả các nút trung gian của mạng chỉ đóng vaitrò nhận và chuyển tiếp các gói tin đi đến các nút lân cận liền kề sau nó Điểm khácbiệt duy nhất đối với các chương trình dựa trên kỹ thuật FEC, nó sử dụng kỹ thuật

mã hóa khối để tạo các gói mã hóa sau đó mới chuyển tiếp đến các nút lân cận liền

kề với nó

3) Link-by-link ARQ: Mỗi nút trung gian trong mạng Multicast chịu trách nhiệm

truyền tải các gói tin đáng tin cậy đến các nút con liền kề sau nó Nghĩa là, một núttruyền lại gói tin mà nó nhận được từ máy chủ gốc cho đến khi gói tin được nhậnđúng và đủ bởi tất cả các nút con liền kề sau nó Lưu ý rằng một số nút trong mạngMulticast có thể nhận được nhiều hơn một bản sao của gói tin được gửi tới

CHƯƠNG 3 HIỆU NĂNG CỦA KỸ THUẬT NETWORK

CODING TRONG MẠNG MULTICAST

3.1 Mô hình Network coding

Đây là mô hình Network coding cơ bản được đưa vào trong đề tài này để thực hiện

mô phỏng lại quá trình hoạt động của kỹ thuật Network coding trong mạngMulticast

Hình 3-5: Mô hình Network coding đưa vào mô phỏng

Theo như mô hình được đưa ra ở hình 4 Giả sử nút 1 đóng vai trò làm máy chủ,máy chủ có nhiệm vụ gửi đi 2 gói tin và tới 2 nút liền kề với nó là nút 2,3 Nút 2 vànút 3 ở đây đóng vai trò là nút nhận gói tin sau đó sao chép gói tin vừa nhận được

và gửi đến các nút 4, nút 6 và nút 7 Khi nút 4 nhận gói tin và tại đây nút này thựchiện quy trình mã hóa hai gói tin này lại thành một gói tin duy nhất a Sử đụngphương pháp mã hóa đã được quy định sẵn trong Network coding, sau đó gói tinnày được gửi đến nút 5 Nút 5 sao chép và gửi gói tin vừa nhận được tới nút 6,7.Tại nút 6 và nút 7, quy trình giải mã đươc tiến hành dựa trên phương pháp giải mãđược quy định sẵn trong Network coding Nói cách khác hai nút này đang thực hiện

giải bài toán ngược so với quy trình mã hóa ban đầu để thu được gói tin mà nút ấymuốn nhận Tại nút 6: b = a , tại nút 7: a = a – b

ta có là số gói nhận được tại nguồn cho đến khi nhận được đủ gói tin từ các bộ thuphát đa hướng (xem Hình 4-1)

Ta có:

(5)

Ở đây, theo định nghĩa trên

Phương trình tính toán đệ quy chotrong kỹ thuật Network coding, ddầu tiên xét vớimáy chủ gửi gói tin đi làs.Xác suất mà n gói được gửi đi và có i gói được nhận bởicác node K được tính theo biểu thức sau:

(6)Lưu ý rằng với gốc của sơ đồ cây Multicast, xác suất lỗi bằng không, suy ra , , và , ngược lại Máy chủ s gửi các gói tin đến các nút K trung gian liền kề với nó,đối với mỗi nút trung gian, xác suất tất cả các nút trung gian liền kề sau nó sẽ nhậnđược gói tin tạo ra bởi Vì một nút con K có tổn thất gói độc lập, xác suất mà tất cảcác nút liền kề nó nhận được một gói tin sẽ được cho theo , mà biểu diễn bằng điềunày là không hợp lý Do đó bằng cách pha trộn tất cả các giá trị có thể của , sẽ cóđược:

Do đó, có một phương trình đệ quy để tính toán cho Có thể thấy là độc lập với kỹthuật lỗi đầu cuối Xác xuất mà một nút của mạng Multicast nhận được gói tin đãpha trộn từ các gói tin gửi đi từ máy chủ s như sau:

(8)Xác xuất mất gói tin trong quá trình truyền được tính như sau:

1.1.6 Tỷ lệ mất gói tin

Tại bất kỳ nút trung gian nào trong mạng với kỹ thuật network coding sẽ đưamột hệ phương trình có khả năng tổng hợp nhiều gói tin thành một gói tin duy nhất.Quá trình này gọi là quá trình mã hóa, sau đó nút này mới gửi gói tin đến nút liền kềvới nó tới khi đến được điểm mong muốn mới dừng lại Tại nút muốn nhận gói tin

sẽ giải ngược lại với phương trình mã hóa ban đầu để nhận được gói tin mongmuốn Qúa trình này được gọi là giải mã

Giả sử Tỷ lệ mất gói tin:

bộ giải mã của nút trong mạng cần nhận gói tin phát hiện ra một gói tin bị mất, hoặc

có gói tin bị thất lạc thì nút này sẽ gửi lại một thông điệp cho máy chủ Thông điệpnày, yêu cầu máy chủ gửi lại gói tin từ ban đầu đến khi nhận được gói tin bị lỗi hay

bị mất mới tiếp tục giải mã gói tin Ta có công thức tính thông lượng mạng như sau:

(10)

Giả sử tốc độ truyền tải dữ liệu trong mạng là được cho sẵn từ ban đầu Thônglượng của mạng luôn luôn tỷ lệ nghịch với tỷ lệ mất gói tin trong đường truyền.Thông lượng T càng cao thì tốc độ truyền càng cao, thời gian gửi và nhận gọi tin sẽnhanh hơn Kỹ thuật Network coding trong bài này đang cố gắng làm tăng thônglượng nên mà trong đó với là các hằng số tham gia vào phương trình này, nên ta sẽ

cố gắng làm sao cho tỷ số giảm ở mức thấp nhất có thể để tăng thông lượng củamạng

1.9 Lưu đồ giải thuật Network coding

Hình 3-6: Lưu đồ giải thuật chính

Lưu đồ giải thuật cho kỹ thuật Network coding được áp dụng trong đề tài đồ án nàyđược thực hiện theo hướng tuần tự của các chương trình con được lập trình sẵn thựchiện các chức năng khác nhau Để mô phỏng được trước hết ta phải tạo được gói tin

Begin

Thiết lập các số liệu ban đầu

Tạo các hệ số truyền

Tạo các mẫu liên kết

Tạo các hệ số truyền tại nút 0

Tính toán hao hụt đường truyền

Tính số gói nhận được tại từng node

Tính số gói bị mất trong quá trình giải mã tại nút 6 và nút 7

Tính tỷ lệ mất gói tại nút 6 và nút 7

Tính thông lượng mạng

Xuất kết quả tỷ lệ mất gói và thông lượng dưới dạng hình ảnh

End

trong đường truyền, hệ số truyền, liên kết giữa các nút trong mạng và quan trọngnhất đó là bộ mã hóa, giải mã gói tin.

Công đoạn tạo gói tin được nhập bằng tay trên phần mềm Matlab, các gói tinphải đảm bảo yêu cầu có xác xuất lỗi bit là ngẫu nhiên không dự đoán trước được.Mọi thông số đều được lập trình sẵn trên phần mềm Matlab nên hệ số ban đầu đưavào chương trình chỉ gồm số gói tin đưa vào mô phỏng Khi nhận được số gói tincần đưa vào mô phỏng công việc còn lại như chuyển tiếp gói tin, mã hóa, giải nén,đều được hoạt diễn ra một cách tự động trên máy tính.Tương tự như vậy các pháptính toán như tính hao hụt, tỷ lệ mất gói, thông lượng,… cũng sẽ được chạy tự độngtrên máy tính

Hình 3-7: Lưu đồ giải thuật quá trình tạo gói tin bau đầu

Công đoạn tạo gói tin ban đầu được thực hiện bằng tay theo dạng ma trận Mỗi

ma trận bao gồm 10 hàng và 1000 cột Ở đây số lượng gói đưa vào trong 1 lần môphỏng sẽ là 10, và mỗi gói chứa 1000 bit Xác sất lỗi gói tin được tạo trên những bitnhị phân cơ bản này rồi mới được đưa vào mô phỏng

Begin

Kiểm tra số gói tin cần phải tạo

Tạo gói tin

Tạo hệ số gói tin

Tạo tiêu đề gói tin

End