Thiết kế băng thông mạng truyền tải thông tin đo lường khi thử nghiệm và vận hành thiết bị bay không người lái

Mục tiêu của nghiên cứu này là giải quyết bài toán hoạch định băng thông kênh của mạng truyền số liệu khi thử nghiệm và vận hành thiết bị bay không người lái.

Trang 1

Từ khóa

thi

của

tâm

nh

đo

cho

là

tải trong mạng thông tin phục vụ thử nghiệm, vận h

bảo thông tin đ

lư

vận h

định tuyến linh động bởi lẽ tọa độ địa l

THI

thông kênh c

ngư

Erlang b

khung thông tin đo lư

bi

hạn thời gi

ừ khóa

Trong

thiết

ủa tr

m đ

nhớ trong

oạn

cho c

à hết

M

ải trong mạng thông tin phục vụ thử nghiệm, vận h

ảo thông tin đ

lượng tải gây ra bởi sự

Cấu trúc tổng quát của mạng truyền tải thông tin đo l

ận h

ịnh tuyến linh động bởi lẽ tọa độ địa l

THI

Tóm t

thông kênh c

người lái

rlang b

biến phức Giải pháp tối

ạn thời gi

ừ khóa

Trong

bị

trạm

điều

trong

ạn qu

các

ết sức

Mục ti

ảo thông tin đ

ợng tải gây ra bởi sự

ấu trúc tổng quát của mạng truyền tải thông tin đo l

ận hành thi

THIẾT KẾ BĂNG THÔNG MẠNG TRUYỀN TẢI THÔNG TIN

Nguy

Tóm t

thông kênh c

ời lái

rlang b

ến phức Giải pháp tối

ạn thời gi

ừ khóa: Thi

Trong qu

bay

ạm kh

ều h

trong

quá tr

c kê

ức c

ục tiêu c

ảo thông tin đ

ành thi

ẾT KẾ BĂNG THÔNG MẠNG TRUYỀN TẢI THÔNG TIN

ĐO LƯ

Nguy

Tóm tắt:

thông kênh c

ời lái Th

rlang bậc hai với

ạn thời gian truy

hiết bị bay không n

quá

bay di

khá

hành

các

trình

ênh

cần

êu c

ảo thông tin đ

ành thiết bị bay biểu diễn tr

ĐO LƯ

Nguyễn Tiến Phát

ắt: M

thông kênh của mạng truyền số liệu khi thử nghiệm v

Thời gian truyền tải khung thông tin đo l

ậc hai với

an truy

ết bị bay không n

á trì

di chuy

ác V

nh l

c thi

nh th

nh liê

ần thi

êu của

ảo thông tin đư

ết bị bay biểu diễn tr

ĐO LƯ

ễn Tiến Phát

Mục ti

ủa mạng truyền số liệu khi thử nghiệm v

ời gian truyền tải khung thông tin đo l

ậc hai với

an truy

ình chuy

Vì

là li thiết thử

ên l thiết

ủa nghiên c

ược diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận l ợng tải gây ra bởi sự

Hình 1.

ĐO LƯỜNG KHI THỬ NGHIỆM V

THI

ễn Tiến Phát

ục tiêu c

ậc hai với

an truyền tải khung dữ liệu v

nh th chuyển

ì vậy liên

ết b

ử nghi lạc

ết

nghiên c

ợc diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận l ợng tải gây ra bởi sự

Hình 1.

ỜNG KHI THỬ NGHIỆM V THIẾT BỊ BAY KHÔNG NG

ễn Tiến Phát

êu c

ậc hai với sự bổ sung th

khung thông tin đo lường đ

ền tải khung dữ liệu v

thử nghi

ển từ

ậy lư

n lục

bị đ nghiệm để

nghiên c

ợc diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận l ợng tải gây ra bởi sự thay đ

Hình 1.

ỜNG KHI THỬ NGHIỆM V

ẾT BỊ BAY KHÔNG NG

ễn Tiến Phát

êu của nghi

ự bổ sung th ờng đ

ến phức Giải pháp tối ưu đư

ết bị bay không người lái, Mạng truyền số liệu, B

nghi

ừ vù

ưu

ục thay định ệm

ể ph

nghiên cứu n

ợc diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận l thay đ

Hình 1 C

ễn Tiến Phát1*

ủa nghi

ự bổ sung th ờng được tính toán bằng việc ứng dụng lý thuyết h

ưu đư

ời lái, Mạng truyền số liệu, B

nghiệm ùng lượng thay ịnh tuy

ệm và phục

ứu n

ợc diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận l thay đổi quỹ đạo di chuyển của các thiết bị bay

Cấu trúc mạng truyền tải thông tin đo l

1*

, Nguy

ủa nghiên c

ự bổ sung th

ợc tính toán bằng việc ứng dụng lý thuyết h

ưu được t

ệm v

ng theo ợng thay đ tuyến

à vận

ục vụ

ứu này là xác đ

ợc diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận l

ổi quỹ đạo di chuyển của các thiết bị bay

ấu trúc mạng truyền tải thông tin đo l

Nguy

ên c

ự bổ sung thành ph

ợc tìm ra b

1 M

và v theo ợng th đổi

ến l

ận

ụ qu

ày là xác đ

ết bị bay biểu diễn trên hình 1 Thông th

Nguyễn Huy Ho

ên cứu n

ành ph

ìm ra b

1 M

vận theo dõ thông Sự

là kh hành quá

ày là xác đ

ên hình 1 Thông th ịnh tuyến linh động bởi lẽ tọa độ địa l

ễn Huy Ho

ứu này là gi

ành ph

ìm ra b

ền tải khung dữ liệu và đ

1 MỞ ĐẦU

ận hà

õi c

ng tin

ự ch khô

nh

á trình

ày là xác định giá trị băng thông của các k

ên hình 1 Thông th ịnh tuyến linh động bởi lẽ tọa độ địa lý c

ễn Huy Ho

ày là gi

ành phần hằng số Phân bố thời gian truyền tải

ìm ra bằng ứng dụng giải thuật di truyền

à đại l

Ở ĐẦU

ành của tin truy chậm ông Nhi

nh v

ịnh giá trị băng thông của các k

ên hình 1 Thông th

ý của các vật thể bay l

ễn Huy Ho

ày là gi

ần hằng số Phân bố thời gian truyền tải

ằng ứng dụng giải thuật di truyền

ại lượng băng thông dự bị k

Ở ĐẦU

nh cá

ủa trạm truy

ậm tr hề Nhiệm vận

ủa các vật thể bay l

ễn Huy Hoàng

ày là giải quyết b

ằng ứng dụng giải thuật di truyền ợng băng thông dự bị k

ời lái, Mạng truyền số liệu, Băng thông, gi

Ở ĐẦU

ác thi

ạm truyền trễ hay

ề mong

ệm

ận chuy

àng1

ải quyết b

ời gian truyền tải khung thông tin đo lư

ăng thông, gi

thiết đo

ền tải hay mong

vụ chuy

ải trong mạng thông tin phục vụ thử nghiệm, vận hành thi

ỜNG KHI THỬ NGHIỆM VÀ V

ẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯ

1

, Ph

ải quyết b

ủa mạng truyền số liệu khi thử nghiệm và v

ường đ

ăng thông, gi

ết b

o lư

ải trong hay m mong mu đảm chuyển

ành thi

ên hình 1 Thông thường, nó có dạng h

À V ƯỜI LÁI

Phạm Ho

ải quyết bài toán ho

à vận h ờng đ

ăng thông, gi

bị h ường trong mất muốn

ảm

ển kịp

ành thi

ấu trúc tổng quát của mạng truyền tải thông tin đo lư

ờng, nó có dạng h

À VẬN H

ỜI LÁI

ạm Ho

ài toán ho

ận hành thi ờng được mô tả bằng phân bố

ăng thông, giải thuật di truyền

hàng ờng n trong th má

ốn bảo

ịp th

ành thiết bị bay Quá tr

ường trong thử nghiệm v ờng, nó có dạng h

ẬN H

ỜI LÁI

ạm Hoàng Long

ài toán ho ành thi

ợc mô tả bằng phân bố

ải thuật di truyền

ng kh này thời

át th

và

ảo b thời

ết bị bay Quá tr

ờng trong thử nghiệm v ờng, nó có dạng h

ủa các vật thể bay là liên t

ẬN HÀNH

ỜI LÁI

àng Long

ài toán ho ành thi

khô sang

ời gian thông

à có băng

ời th

à liên t

ấu trúc mạng truyền tải thông tin đo lư

ÀNH

àng Long

ài toán hoạch định băng ành thiết bị bay

ằng ứng dụng giải thuật di truyền ợng băng thông dự bị kênh

ông sang gian

ng

ó th

ng th thông

à liên tục thay đổi

ường

ÀNH

àng Long

ạch định băng

ết bị bay

ợc tính toán bằng việc ứng dụng lý thuyết hàm gi

ằng ứng dụng giải thuật di truyền

ênh

ải thuật di truyền

và vù gian th tin thể d thông

ng tin

ổi quỹ đạo di chuyển của các thiết bị bay (TBB)

ục thay đổi

ờng

ÀNH

àng Long2

ết bị bay

àm gi ằng ứng dụng giải thuật di truyền khi gi

ênh

à vũ ùng thực tin do dẫn

ng tin đ

ịnh giá trị băng thông của các kênh truy

(TBB) ờng trong thử nghiệm v ờng, nó có dạng hình cây v

ục thay đổi

ết bị bay không

àm giải tích khi gi

ũ tr theo về

do tr

ẫn tới cần

đo

ênh truy

ết bị bay Quá trình

(TBB) ờng trong thử nghiệm v

ình cây v

ục thay đổi

không

ải tích khi giới

trụ, c theo

ề trung tràn

ới gi

ần thi lường

ênh truy ình đ

(TBB) ờng trong thử nghiệm v

ình cây v

ục thay đổi

không

ải tích

ới

các dõi trung bộ gián thiết ờng

ênh truyền đảm

ợc diễn ra trong thời gian thực ứng phó với sự thay đổi ma trận lưu

ờng trong thử nghiệm và

ình cây với

c

i trung

ộ

n

ết ờng

ền

ảm

ưu

à

ới

Trang 2

Từ hình 1 có thể nhận thấy TBB1 di chuyển theo quỹ đạo 1, lúc đầu được theo

dõi bởi hai trạm đo (vùng 1), sau đó, được bám sát bởi hai trạm đo khác ở vùng 2

và cuối cùng là bởi một trạm đo ở vùng 3 Ở các vùng số 4 và số 5 thì bố trí các

trạm đo để truyền tải thông tin về di chuyển của TBB2 Đối với mỗi kênh truyền

tải trong mạng cần thiết phải tính toán được phân bố thời gian truyền khung dữ liệu

thông tin từ thiết bị định tuyến của vùng về trung tâm điều hành

2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Phát triển các hệ thống, phương pháp truyền tải thông tin chuyên dụng đang là

hướng nghiên cứu chính của nhiều trung tâm và nhà khoa học trên thế giới

Phát triển phương pháp và cấu trúc tăng cường hiệu quả trao đổi thông tin trong

các hệ thống phân tán thu thập thông tin đo đạc [4] Đảm bảo độ tin cậy cần thiết

và vận chuyển kịp thời thông tin đo đạc đến trung tâm xử lý trong thời gian thực

bằng sự tăng số lần gửi gói dữ liệu được thực hiện qua giao thức UDP trong lớp

vận chuyển Có thể chỉ ra một loạt những công trình nghiên cứu trên cơ sở hoàn

thiện các giao thức lớp thứ tư của mô hình OSI [5] Hiện nay, dung lượng truyền

tải thông tin quỹ đạo, đo đạc, âm thanh địa chấn và các loại thông tin khác ngày

càng tăng Để truyền tải thông tin đo đạc trong thời gian thực, việc ứng dụng khái

niệm mạng định nghĩa bởi phần mềm (SDN) là có triển vọng khả quan [6, 7, 8]

Nhóm các nhà khoa học đại học Princeton (Hoa Kỳ) như Rexford J., Suchara M.,

Bresler M., Chiang M…đã phát triển giao thức định tuyến lưu lượng đa đường

TRUMP (TRaffic-management Using Multipath Protocol) [9] Đây là giao thức

quản lý lưu lượng mang tính chất phân tán, thích nghi, tin cậy, mềm dẻo và đơn

giản trong quản lý và định hướng trên chuẩn OpenFlow Giao thức TRUMP sử

dụng hồi tiếp khi định tuyến đa đường đòi hỏi tương tác giữa điểm bắt đầu và

những nút trung gian từ đầu đến cuối chặng và quy ước lưu lượng chồng chất đối

với truyền tải tin

Sự khác biệt quan trọng của mạng chuyên dụng so với mạng thông thường là sử

dụng các công nghệ mạng đặc biệt ở các trạm thuê bao lớn (trung tâm tính toán,

trạm xuất phát, khu vực kết thúc) Trong một công trình công bố năm 1982 của

Valiant L.G đã mô tả phương pháp định tuyến hai trạm với sự phân bố tải lên tất

cả các tuyến song song (định tuyến VLB) [10] Nhờ đó mà nâng cao đặc tính xác

suất thời gian và độ tin cậy của mạng lưới Định tuyến VLB đã được sử dụng trong

xây dựng các thiết bị định tuyến [11]; trong quản lý lưu lượng mạng Internet [12];

và trong điều khiển mạng lưới chính trên cơ sở kịch bản hỏng hóc [13]… Hạn chế

của mạng VLB là sự tăng dung lượng các kết nối để đảm bảo hiệu suất và độ tin

cậy Tuy nhiên, sử dụng định tuyến VLB và tăng cường chi phí trong mạng chuyên

dụng là hoàn toàn xứng đáng, bởi lẽ khi hoạt động và thử nghiệm thiết bị bay

không người lái có sự tham gia của nhiều người và số lượng lớn các phương tiện

kỹ thuật Sự gián đoạn công việc liên quan đến việc tắc nghẽn thu thập thông tin là

không cho phép

Liên quan đến vấn đề tối ưu mạng truyền tải thông tin chuyên dụng, thời gian

gần đây trong một số công bố trong nước đã nghiên cứu và đề xuất các phương

pháp giảm độ trễ truyền tải cũng như giảm năng lượng tiêu hao trong quá trình

hoạt động của mạng lưới

Trang 3

Trong một công trình công bố năm 2016 của hai tác giả Phạm Văn Trung và Phạm Văn Tho đăng trên tạp chí khoa học và công nghệ của trường Đại học Phạm Văn Đồng đã đề xuất “Thuật toán tối ưu thời gian trễ tập hợp dữ liệu dựa trên cơ chế chống xung đột trong mạng cảm biến không dây” [14] Cấu trúc của mạng cảm biến không dây gồm nhiều nút cảm biến không dây được đặt trong một khu vực xác định nhằm mục đích giám sát môi trường, cứu hộ, cảnh báo cháy nổ… Các tác giả đã xây dựng một thuật toán để tính toán một lịch trình tập hợp dữ liệu sao cho không xảy ra xung đột tại các phiên truyền dữ liệu Trên cơ

sở mô phỏng đánh giá hiệu quả của phương pháp với các mạng cảm biến bao gồm từ 150 đến 550 nút được thiết lập ngẫu nhiên trong khu vực bán kính 50x50m, các tác giả đã chứng minh được rằng phương pháp đề xuất sử dụng ít khoảng thời gian tập hợp dữ liệu hơn phương pháp dùng backbone [15] Thuật toán đề xuất đã tối ưu hóa thời gian trễ trong tập hợp dữ liệu bằng cách giảm xung đột truyền thông tin tại các nút mạng

Trong bài báo “Giải thuật Heuristic và di truyền giải bài toán định tuyến đa điểm trên mạng cảm biến không dây nhiệm vụ tuần hoàn” của nhóm tác giả Nguyễn Thái Dương, Huỳnh Thị Thanh Bình và Ngô Hồng Sơn đã tiến hành nghiên cứu vấn đề định tuyến đa điểm (multicast) cho mạng cảm biến không dây nhiệm vụ tuần hoàn (DC-WSN) [16] Đặc trưng của loại mạng cảm biến không dây này là các nút cảm biến hoạt động tuần hoàn theo chu kỳ và không bắt buộc phải hoạt động liên tục Quá trình truyền dữ liệu đa điểm được thực hiện thường xuyên trong hoạt động của mạng, do đó, cần thiết phải thiết kế một giao thức multicast hiệu quả về mặt năng lượng cho mạng cảm biến không dây Bài toán MEM (Minimum-Energy Multicasting) đã được chứng minh thuộc lớp NP-hard và thường được giải quyết bằng các thuật toán xấp xỉ Nhóm tác giả đã đề xuất một giải thuật heuristic (HMEM) và một giải thuật di truyền (GAMEM) nhằm mang lại lời giải có mức năng lượng tiêu thụ tốt hơn cho bài toán MEM Bản chất của ý tưởng này là cực tiểu hóa độ trễ truyền tin từ nút gốc đến mọi nút terminal bằng cách tìm đường đi ngắn nhất giữa các nút này, từ đó làm giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền và nhận dữ liệu Tuy nhiên, bài báo tập trung vào mục tiêu tối ưu hóa độ trễ truyền tải dữ liệu mà chưa đặt nó trong ràng buộc phải tránh xung đột khi hai hoặc nhiều hơn các nút mạng cùng gửi, nhận dữ liệu trên cùng một đường truyền chia sẻ

Chúng tôi đề xuất xây dựng hệ thống truyền tải thông tin đo lường trong thử nghiệm và vận hành thiết bị bay trên cơ sở công nghệ SDN (Software Defined Networking) Hiện nay, đây là công nghệ mạng hoàn thiện hơn cả đối với mạng Internet nói chung và các hệ thống mạng chuyên dụng thời gian thực nói riêng Đối với SDN, trong các máy chủ riêng biệt được tăng cường độ tin cậy, chạy hệ điều hành NOS Máy chủ NOS thông qua các nút mạng nhận được cấu trúc mạng tổng thể và biểu diễn nó để quản lý ở dạng sơ đồ Việc quản lý quy về việc xác định các chính sách làm việc của các nút mạng (tách biệt người dùng, kiểm soát truy cập, QoS…) Hiện thực những chính sách này là nhiệm vụ của NOS Trên tầng quản lý tiến hành ảo hóa các chức năng mạng NFV để xác định ai có thể liên kết với mạng, chức năng nào mà người dùng nào được tiếp cận… NFV thực thi thông qua sơ đồ mạng các chức năng như thông dịch địa chỉ, tham số tường lửa, nhận diện xâm

Trang 4

phạm, DNS, bộ nhớ đệm… trưng dụng các chức năng này của phần cứng các nút

mạng Hiện nay các chức năng này có thể cấu hình bằng phần mềm Với sự trợ

giúp của giao thức OpenFlow, NOS chuyển cấu hình tổng thể của cấu trúc mạng

sang thiết bị vật lý thực tế (thiết bị định tuyến, chuyển mạch, tường lửa,

controller…), cũng như tiếp nhận thông tin về cấu trúc tổng quát của mạng

Tóm lại, đối với mạng truyền thông tin đo lường chuyên dụng cần đặt ra yêu cầu

rất cao về tốc độ truyền tin và độ ổn định trong điều kiện thay đổi liên tục lưu lượng

tải sản sinh ra trong quá trình thử nghiệm và vận hành các thiết bị bay Giải quyết

vấn đề xây dựng mạng lưới để truyền tải khối lượng lớn thông tin, đặc biệt là thông

tin hình ảnh sẽ gặp những trở ngại lớn nếu như không sử dụng công nghệ mạng định

nghĩa bởi phần mềm SDN Sử dụng SDN cho phép người thiết kế mạng lưới thực thi

các phương pháp, thuật toán và chương trình dưới dạng code trong các controller của

hệ điều hành quản trị các thiết bị định tuyến truyền số liệu Bản chất là quá trình tách

gói tin từ các trạm đo ra các gói con để truyền tải song song, quá trình định tuyến đa

luồng, các tác vụ liên quan đến bảo đảm độ ổn định mạng lưới

3 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT 3.1 Mô hình truyền dữ liệu trên kênh đơn

Thời gian truyền khung dữ liệu thông tin trên kênh đơn có thể biểu diễn bằng

công thức: tT, trong đó, T– Thành phần hằng số,  – Thành phần biến số,

hay còn gọi là “jitter” Để mô phỏng giá trị jitter chúng tôi sử dụng phân bố chuẩn

Erlang, tức là phân bố của tổng k đại lượng ngẫu nhiên độc lập, mỗi đại lượng

ngẫu nhiên lại có phân bố mũ với tham số là k

Hàm phân bố của phân bố chuẩn Erlang xác định bằng biểu thức [1]:

1

0

1

!

i k

k x k

i

k x

i





Hàm mật độ của phân bố chuẩn Erlang xác định bằng biểu thức [1]:

1

1 !

k

k x k

k k x

k





Hình 2 Mật độ phân bố Erlang

Trang 5

Trên hình 2 biểu diễn mật độ phân bố Erlang khi tham số  đối với các giá 1 trị tham số: k1, k 2, k16

Để mô phỏng sự thay đổi độ trễ của gói dữ liệu khi truyền trên một kênh có thể

sử dụng các giá trị  0, 5,  hoặc 1  để phù hợp với thực tế [17] 2

Hàm sinh moment của phân bố chuẩn Erlang [1]:

 

k k

M s

k s





(3)

Trên hình 3 biểu diễn mô hình mô phỏng độ trễ và biến thiên của nó trong truyền tải gói dữ liệu thông qua một nút mạng

Hình 3 Mô hình biến thiên độ trễ truyền tải gói dữ liệu

thông qua một nút mạng

Hàm sinh moment tương đương của thời gian truyền tải:

  1  2 

k sT

E

k

M s M s M s e

k s





(4)

Các đặc tính số của phân bố, cụ thể là moment bậc nhất, bậc hai cũng như phương sai được tính theo các công thức:

1

I T





2

I

T T



2

1 2

I





Đối với hàm M E s tiến hành đổi biến z s, hàm nhận được đặt tên là

 

E

Φ z :

 

k zT

E

k

Ф z e

k z





(6)

Nếu như hàm Φ E z trong nửa mặt phẳng phức Rez 0 thỏa mãn điều kiện của bổ đề Jordan thì tích phân đường Bromwich bằng tổng các thặng dư của hàm

 

E

Φ z đối với tất cả các điểm đặc biệt [1] Mật độ phân bố xác suất của thời gian

truyền tải gói dữ liệu trên kênh liên lạc:

1

Re s

z z k i

πi





 

Để thỏa mãn điều kiện của bổ đề Jordan, trong nửa mặt phẳng phức bên trái, hàm Φ E z phải khả tích ngoại trừ tại một số hữu hạn các điểm cực và tiến dần

đều đến 0 khi z  

Trang 6

Hàm Φ z λ λz của phân bố mũ hội tụ đều về 0 đối với arg z khi

z   , và có điểm cực z  Hàm   α  α

Φ z λ λz của phân bố Erlang hội tụ đều về 0 đối với arg z khi z   , và có điểm cực bậc α tại điểm

z 

Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền tải gói dữ liệu tính theo công thức [1]:

2

k i

z t T

i

k







 



Trong tính toán thực tiễn lấy giá trị k  để phù hợp với phân bố của thời gian 2

truyền tải gói dữ liệu, vì vậy:

2

i

z t T

i







 



Hàm

2 2





tại điểm z 2 có điểm cực bậc 2

Vì vậy:

 

1

2 2

2

1 lim

1 !

2 2

2

k

n

k n

z z

z t T

t T z

t c

z

d z





 





(10)

Hàm phân bố của thời gian truyền tải gói dữ liệu

t

t T I

T

F t   t dt  e      t T  tT (11)

3.2 Truyền dữ liệu trên kênh hợp thể song song

Hàm sinh moment thỏa mãn tính chất sau đây: Nếu đại lượng ngẫu nhiên  là

hàm của đại lượng ngẫu nhiên  với ab , trong đó a và b là hằng số thì

M  M a e , với M  và M  là các hàm sinh moment của đại

lượng ngẫu nhiên  và  tương ứng

Nếu một gói tin có độ dài quy ước được truyền tải trên kênh liên lạc với thời

gian t thì một gói tin có độ dài nhỏ hơn r lần độ dài quy ước cũng sẽ được truyền

tải trên kênh với thời gian nhỏ hơn xấp xỉ r lần của t Kết luận này phù hợp với các

đo đạc trong thực tế Đối với trường hợp truyền qua kênh liên lạc gói dữ liệu có độ

dài nhỏ hơn r lần độ dài quy ước s có nghĩa là thay s bằng s r ( a1 r) vào biểu

thức (4):

Trang 7

  

k sT

r r

rk

rk s





Thay M r  s vào biểu thức (6) và biểu thức (8) ta thu được:

  ( )

k zT

r r

rk

rk z







k T

z t

r

rk







Khi thay k  : 2

  

2

T i

z t r r

i

r





 



2

z  r là điểm cực bậc 2 của hàm

2 2

, 2

r

r z





mật độ phân bố thời gian

truyền gói dữ liệu có độ dài ngắn hơn r lần độ dài quy ước:

  

1

2 2

2

1 lim

1 !

2 2

2

k

n

k

T

z t r

T

r t r

z r

t c

r





  

 





(16)

Hàm phân bố:

r

T

r



Xem xét đặc tính của 2 kênh truyền song song Khi r 2 thì hàm phân bố thời

gian truyền gói dữ liệu sẽ giảm đi hai lần so với thời gian truyền gói dữ liệu có độ

dài quy ước ban đầu

2

Trong trường hợp phân bố đều thông tin theo các đường khác nhau của kênh

hợp thể Đánh dấu các ký tự I, II, III biểu thị tương ứng truyền tải một, hai hay ba

đường của kênh hợp thể Khi hai kênh truyền hoạt động song song thì thời điểm

kết thúc việc truyền dữ liệu được xác định khi kết thúc việc truyền gói dữ liệu cuối

cùng Thời gian thực hiện thao tác định dạng lại đối với các gói tin ở bên nhận,

được coi là rất nhỏ so với thời gian truyền gói tin đó trên kênh liên lạc Khi đó thời

gian truyền ngẫu nhiên hai gói tin theo đường song song được xác định là lớn nhất

từ hai đại lượng ngẫu nhiên có hàm phân bố:

2

t T

T

Trang 8

Hàm mật độ phân bố xác suất tương ứng

2

II

T

t  t T e   e    t T t

3.3 Truyền dữ liệu qua N kênh nối tiếp nhau

Hàm mật độ phân bố thời gian truyền dữ liệu qua N kênh nối tiếp nhau bằng

tích của các hàm mật độ phân bố thời gian truyền tải qua các kênh thành phần và

có dạng:

2

i

zT

i N

i

e z

z







Mật độ phân bố xác suất thời gian truyền gói dữ liệu thông tin đo lường từ N

kênh ảo nối tiếp nhau xác định theo biểu thức (22) thông qua tổng thặng dư đối với

tất cả các điểm đặc biệt z 2i:

 

2

2 2

1

Re s 4

2

i

zT N

i

N z t z

i

e

z





 



3.4 Xác định băng thông của kênh

Việc chọn lựa phương án tốt nhất phân bổ băng thông trên cấu trúc mạng là rất

phức tạp, bởi lẽ số phương án khả thi là rất lớn Vì vậy, chúng tôi đề xuất sử dụng

giải thuật di truyền để thiết kế băng thông mạng truyền tải thông tin đo lường theo

mục tiêu của bài báo [2] Mỗi một liên kết (kênh vật lý) từ trạm đo đến trung tâm

điều khiển đặt nhiều kênh ảo Để xác định được tổng băng thông của kênh thì mật

độ phân bố thời gian truyền các gói tin đo lường đã tính được cần phải đưa về dạng

biểu thức của phân phối vận tốc truyền (Mbit/s)

Đối với tập hợp các kênh ảo từ các trạm đo tới trung tâm điều khiển được thiết

lập trên kênh vật lý chung thì cần xác định tổng băng thông của kênh và dự trữ

băng thông các kênh cần thiết cho việc xử lý các tình huống như quá tải, ngắt

đường truyền, thiết bị hỏng, thi hành hồi tiếp, đảm bảo điều khiển kênh…

Vận tốc truyền tải được xác định là giá trị nghịch đảo của thời gian truyền một

gói dữ liệu có độ dài quy ước Thời gian truyền càng nhỏ thì tương ứng với vận tốc

truyền gói thông tin càng lớn

4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Bài toán tối ưu băng thông mạng truyền thông tin đo lường

Cấu trúc liên kết mạng được biểu diễn dưới dạng đồ thị có hướng G = (V, E,

C), trong đó V là tập hợp các nút của mạng, E là tập các kênh (các liên kết), và C

là tập hợp năng lực của kênh và các giới hạn, ràng buộc gắn liền với các kênh và

nút này

K biểu thị tập hợp các kênh ảo kK, và s t k, ,k k kí hiệu lần lượt nút đầu,

nút cuối và các yêu cầu về dung lượng kênh ảo tương ứng Nếu kênh ảo k chạy qua

Trang 9

một kênh vật lý i j thì ,  x i j k  1, trong trường hợp ngược lại x i j k  Còn 0 h k kí

hiệu giới hạn số lượng kênh vật lý mà kênh ảo k chạy qua

Mục tiêu của bài toán tối ưu là tối thiểu hóa hệ số tải của các kênh truyền trong toàn mạng hay nói cách khác là tối thiểu hóa chỉ số giá trị trung bình của băng thông sử dụng của các kênh vật lý Khi đó, tải lưu lượng truy cập của các kênh quá tải được chuyển hướng đến các kênh có lưu lượng ít hơn Khi chỉ số giá trị trung bình của băng thông sử dụng được giảm thiểu có nghĩa là tỷ lệ dự trữ băng thông của các kênh đạt đến mức tối đa Điều này cho phép mạng có khả năng chịu được biến động lưu lượng lớn mà không cần tái cấu trúc

Cho c i j dung lượng của kênh i j , và ,  i j 0là tổng giá trị của băng thông của tập hợp các kênh ảo trong liên kết i j Lấy một tập con ,   1,,M của các liên kết mà có giá trị lớn nhất  Mô tả toán học của bài toán tối ưu hoá i j phân bố tải của mạng có thể được biểu diễn như sau:

- Mục tiêu tối ưu hóa là để giảm thiểu giá trị trung bình của tổng băng thông của các kênh vật lý của mạng truyền tải thông tin đo lường:

1 min

M r r

M



- Các giới hạn:

a) Tải đến và tải đi đối với một nút phải bằng nhau trừ nút bắt đầu và nút kết thúc

i j E j i E

b) Tổng lưu lượng đi qua kênh vật lý không được vượt quá dung lượng kênh:

; ,

k

k i j i j

k K







c) Số lượng kênh vật lý mà kênh ảo đi qua được giới hạn để không xảy ra trường hợp luồng dữ liệu được truyền qua quá nhiều kênh vật lý trung gian dẫn tới

độ trễ cao:

 , 

,

k

i j k

i j E



ảo k

Tập hợp các đường đi của kênh ảo k với các nút tận cùng s t k, ,k k thỏa mãn

, , j, , N k

kK và q k j là các đường đi có thể có khi hình thành kênh ảo k

Bài toán tối ưu quy về việc tìm tập hợp các kênh ảo chạy qua các liên kết

 1, , k, , K

P p  p  p , trong đó p kQ k để cho giá trị  là nhỏ nhất

Tải của kênh p ij và mức sử dụng p ij có thể được biểu diễn như sau:

 

1

K k

k

ij x





, p ij 1 /c ijp ij

(23) Khi giải quyết bài toán tối ưu hóa đang được xem xét, điều quan trọng là phải chọn giá trị của biến p Bài toán thuộc lớp NP-hard Do đó, giải thuật di truyền k

Trang 10

được sử dụng để giải quyết vấn đề trên Trong trường hợp này, cấu trúc của nhiễm

sắc thể được xác định bởi đường đi của kênh ảo, chạy qua các nút trung gian của

mạng Nhiễm sắc thể được mô tả bằng một tập hợp các phần tử được sắp xếp theo

thứ tự tương ứng với các nút của kênh ảo theo đường đi của nó từ nút ban đầu s k

tới nút đích cuối cùng t Một trong những thông số quan trọng nhất của nhiễm sắc k

thể là kích cỡ của nó, được xác định bởi số nút trung gian của tuyến Tuy nhiên, có

khả năng xảy ra các nhiễm sắc thể không chính xác do sự xuất hiện của số nút

không có trong mạng Để khôi phục các nhiễm sắc thể đó đến giá trị hiệu chỉnh thì

sử dụng cơ chế đột biến

Khi sử dụng thuật toán di truyền cần phải đảm bảo các điều kiện sau:

- Cần phải loại bỏ tất cả các nhiễm sắc thể mà không đáp ứng được các yêu cầu

về độ trễ trung bình trong việc truyền khung dữ liệu và độ sai lệch của nó

- Đối với mỗi kênh ảo thì phải thực hiện chuyển đổi phân bố thời gian truyền

của khung dữ liệu sang phân bố vận tốc truyền (theo Mbit/s)

- Đối với mỗi kênh vật lý thì sự phân bố băng thông bị chiếm được xác định là

tổng các biến ngẫu nhiên của băng thông của các kênh ảo chạy qua Băng thông bị

chiếm dụng của kênh vật lý được đặt là mk , trong đó, m là giá trị trung bình

của phân bố chồng chất của các đại lượng ngẫu nhiên băng thông của các kênh ảo

chạy qua; k là số nguyên;  là độ lệch chuẩn

- Xác định được giá trị của  là giá trị trung bình của băng thông được sử

dụng của toàn mạng

Khi giải quyết bài toán trên cần sử dụng hàm hữu ích hay còn gọi là hàm thích

nghi (fitness function) để đánh giá độ “tốt” của lời giải Hàm hữu ích được tính

bằng công thức:

1 exp( ) exp

M r r



Phương án phân bố băng thông nào tạo được càng nhiều băng thông dự trữ thì

sẽ có hàm hữu ích càng lớn

4.2 Chương trình thiết kế băng thông của mạng truyền thông tin đo lường

Chương trình được thực hiện trên ngôn ngữ lập trình C# Người sử dụng dựa

trên các hình ảnh tiêu chuẩn của các phần tử tạo ra một sơ đồ mạng truyền tải

thông tin đo lường như trên hình 4

Các phần tử đó là trạm đo, bộ định tuyến, kênh, trung tâm điều khiển Các giá

trị giới hạn băng thông của các kênh vật lý và các luồng đầu vào nhận được từ trạm

đo (Mbit/s) được thiết lập Trọng số của kênh được đặt dựa trên thời gian truyền tải

trung bình Để xây dựng dữ liệu đầu vào cho giải thuật di truyền, các tuyến truyền

tải ngắn nhất từ trạm đo đến trung tâm điều khiển được xác định bằng phương

pháp của Hoffman và Pavlei [3] Những tuyến truyền tải này được hiển thị trên

màn hình máy tính

Mức tải của kênh được hiển thị tương ứng với cường độ màu sắc Mức tải kênh

càng lớn thì cường độ màu càng cao và ngược lại Khi trỏ chuột lên một kênh, một

cửa sổ sẽ mở ra hiển thị các đặc điểm chính: trọng số kênh, dung lượng kênh, tải

thực, mức sử dụng theo phần trăm Có hiển thị báo cáo về các kênh bị tắc nghẽn

Định dạng
Số trang	14
Dung lượng	1,01 MB