HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
HOÀNG TRỌNG MINH
CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI
KHÔNG DÂY QUA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62.52.70.05
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Bình
2. PGS.TS. Nguyễn Tiến Ban
Hà Nội - 2013
i
LỜI CAM ĐOAN
Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất
cứ công trình của bất kỳ tác giả nào khác.
Ngƣời cam đoan
Hoàng Trọng Minh
ii
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới các Thầy hƣớng dẫn, Đại tá
PGS.TS Nguyễn Quốc Bình và PGS.TS Nguyễn Tiến Ban, vì đã định hƣớng và liên
tục hƣớng dẫn các nhiệm vụ khoa học trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự biết ơn các ý kiến chỉ dẫn của các nhà khoa
học GS.TSKH Nguyễn Ngọc San, PGS.TS Hoàng Minh, GS.TS Nguyễn Bình đã
giúp nghiên cứu sinh có đƣợc các kiến thức học thuật quý báu.
Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, các thầy cô của
khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học, khoa Viễn thông 1 tại Học viện Công nghệ
Bƣu chính Viễn thông. Những hỗ trợ, động viên nghiên cứu của các cộng sự xin
đƣợc chân thành ghi nhận.
Nghiên cứu sinh chân thành bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình đã kiên trì chia
sẻ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện nội dung luận án.
Hà Nội, tháng 12 năm 2013
Hoàng Trọng Minh
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................. vi
BẢNG KÝ HIỆU ............................................................................................ ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................ xi
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ xii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI HIỆU
NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY ................................................ 7
1.1 TỔNG QUAN MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY ................................................. 7
1.1.1 Kiến trúc mạng hình lƣới không dây .........................................................8
1.1.2 Một số ứng dụng điển hình ........................................................................9
1.2 CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ ....................................................................................... 11
1.2.1 Khái quát về chất lƣợng dịch vụ ..............................................................11
1.2.2 QoS với tiếp cận xuyên lớp trong WMN .................................................13
1.3 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN QOS ............................................................................ 13
1.3.1 Kỹ thuật định tuyến ..................................................................................13
1.3.2 Kỹ thuật định tuyến QoS ..........................................................................19
1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM .................... 20
1.4.1 Hiệu năng và các tham số phản ánh .........................................................20
1.4.2 Các tiếp cận cải thiện hiệu năng...............................................................22
1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................. 34
CHƢƠNG 2: BÀI TOÁN MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN
TRUY NHẬP PHƢƠNG TIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN BÃO HÒA ......... 35
2.1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 35
2.2 CÁC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP PHƢƠNG
TIỆN ................................................................................................................................ 36
2.2.1 Giao thức truy nhập kênh ALOHA ..........................................................37
iv
2.2.2 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang 1-persistent CSMA..........39
2.2.3 Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang p-persistent CSMA..........40
2.3. TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI DỪNG ...................................................................... 41
2.4 BỔ SUNG XÁC SUẤT TRANH CHẤP THẮNG ................................................... 46
2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................. 50
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIẢI TÍCH ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƢỢNG LIÊN KẾT...................................................................................... 52
3.1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 52
3.2 ĐẶC TÍNH CỦA IEEE 802.11 DCF ........................................................................ 54
3.3 MÔ HÌNH GIẢI TÍCH IEEE 802.11 DCF ............................................................... 57
3.3.1 Các điều kiện biên giả thiết ......................................................................57
3.3.2 Biểu diễn trạng thái nút qua mô hình giải tích .........................................60
3.3.3 Biểu diễn trạng thái kênh qua mô hình giải tích ......................................65
3.4 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 69
3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................. 74
CHƢƠNG 4: ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN QOS CẢI THIỆN
HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI KHÔNG DÂY ................................... 76
4.1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 76
4.2 ĐỊNH TUYẾN TRONG WMN................................................................................. 78
4.2.1 Giao thức định tuyến ................................................................................78
4.2.2 Tham số định tuyến ..................................................................................84
4.3 ĐỀ XUẤT THAM SỐ ĐỊNH TUYẾN IARM ......................................................... 89
4.3.1 Tham số phản ánh nhiễu đề xuất IARM ..................................................90
4.3.2 Phân tích khả năng tƣơng thích ................................................................93
4.3.3 Tích hợp tham số IARM trong OLSR .....................................................95
4.4 MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ............................................................................. 101
4.4.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng NS-2 .......................................................101
4.4.2 Kịch bản mô phỏng ................................................................................103
4.4.3 Kết quả và thảo luận...............................................................................105
4.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ........................................................................................... 109
v
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 111
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................ 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 117
vi
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ACK
AIR
Acknowledgement
Average Interference Ratio
Báo nhận
Tỷ số nhiễu trung bình
AODV
Adhoc Ondemand Distance
Vector
(Giao thức định tuyến) vectơ
khoảng cách theo yêu cầu
AP
Access Point
Điểm truy nhập
BER
Bit Error Ratio
Tỷ số lỗi bit
BSS
Basic Service Set
Tập dịch vụ cơ bản
CAF
CBR
Channel Available Fraction
Constant Bit Rate
Tỷ lệ thời gian khả dụng kênh
Tốc độ bít cố định
CDMA
CFP
CP
Code Division Multiple Access
Contention Free Period
Contention Period
Đa truy nhập phân chia theo mã
Chu kỳ không có tranh chấp
Chu kỳ có tranh chấp
CSMA
Carrier Sense Multiple Access
Đa truy nhập cảm nhận sóng
CTS
CW
DCF
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Avoidance
Carrier Sense Multiple
Access/Collision Detection
Clear-to-Send
Contention Window
Distributed Coordinated
mang
Đa truy nhập cảm nhận sóng
mang tránh xung đột
Đa truy nhập cảm nhận sóng
mang phát hiện xung đột
Xóa để gửi
Cửa sổ tranh chấp
Hàm hợp tác phân tán
DIFS
Function
DCF InterFrame Space
CSMA/CA
CSMA/CD
DS
DSDV
DSR
Distribution System
Destination Sequence Distance
Vector
Dynamic Source Routing
ELP
ESS
ETSI
Expected Link Performance
Extended Service Set
European Telecomunications
Khoảng liên khung hàm phối hợp
phân tán
Hệ thống phân bổ
(Giao thức định tuyến) vectơ
khoảng cách tuần tự đích
(Giao thức) định tuyến nguồn
động
Hiệu năng liên kết kỳ vọng
Tập dịch vụ mở rộng
Viện nghiên cứu viễn thông Châu
vii
ETT
Standard Institute
Expected Transmission Time
Âu
Thời gian truyền dẫn kỳ vọng
ETX
FDMA
Expected Transmission Count
Frequency Division Multiple
Tham số truyền dẫn kỳ vọng
Đa truy nhập phân chia theo tần
Access
số
HSLS
Hazy-Sighted Link State
Routing
(Giao thức) định tuyến trạng thái
liên kết Hazy-Sighted
iAWARE
Interference AWARE (routing
metric)
(Tham số định tuyến) phản ánh
nhiễu
IAR
Interference Aware Routing
IARM
Interference Aware Routing
(Tham số) định tuyến phản ánh
nhiễu
Tham số định tuyến phản ánh
IBSS
IEEE
Metric
Independent Basic Service Set
Institute of Electrical and
nhiễu
Tập dịch vụ cơ bản độc lập
Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
ILP
IF(s)
ITU-T
Electronics Engineer
Integer Linear Programming
InterFrame space
ITU-Telecommunication
Quy hoạch tuyến tính nguyên
Khoảng thời gian liên khung
Liên minh viễn thông quốc tế -
Standardization Sector
Load Aware Expected
Transmission Time
Logical Link Control
Lĩnh vực tiêu chuẩn viễn thông
(Tham số định tuyến) thời gian
truyền dẫn kỳ vọng phản ánh tải
Điều khiển liên kết logic
Medium Access Control
Multi-Constrained Optimal
Path
Multi Constrained Problem
Mean of Score
Multi Point Relay
Network Allocation Vector
Network Utility Maximization
Điều khiển truy nhập phƣơng tiện
Tối ƣu đƣờng dẫn đa ràng buộc
LAETT
LLC
MAC
MCOP
MCP
MoS
MPR
NAV
NUM
OFDM
Bài toán đa ràng buộc
Thang điểm đánh giá trung bình
Chuyển tiếp đa điểm
Vectơ chỉ định mạng
Tối đa hóa lợi ích mạng
Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia tần số trực
Multiplexing
giao
viii
OLSR
Optimized Link State Routing
(Giao thức) định tuyến trạng thái
liên kết tối ƣu
PCF
PCS
Point Coordination Function
Physical Carrier Sense
Hàm hợp tác điểm
Cảm nhận sóng mang lớp vật lý
PDF
Packet Delivery Fraction
Tỷ lệ chuyển phát gói thành công
PDR
PIFS
Packet Delivery Ratio
PCF InterFrame Space
Tỷ lệ chuyển phát gói tin
Khoảng liên khung hàm phối hợp
QoS
Quality of Service
điểm
Chất lƣợng dịch vụ
RREQ
RTS
SIFS
Route Request
Request-to-Send
Short InterFrame Space
Yêu cầu tuyến
Yêu cầu để gửi
Khoảng liên khung ngắn
TC
TCP
TDMA
Topology Control
Transport Control Protocol
Time Division Multiple Access
Điều khiển cấu hình
Giao thức điều khiển giao vận
Đa truy nhập phân chia theo thời
VANET
VCS
WCETT
gian
Vehicular Ad-Hoc Network
Mạng tùy biến xe cộ
Vitual Carrier Sense
Cảm nhận sóng mang ảo
Weighted Cumulative Expected (Tham số) thời gian truyền dẫn kỳ
WLAN
WMN
WSN
Transmission Time
Wireless Local Area Network
Wireless Mesh Network
Wireless Sensor Network
vọng trọng số tích lũy
Mạng vùng cục bộ không dây
Mạng hình lƣới không dây
Mạng cảm biến không dây
ix
BẢNG KÝ HIỆU
Tỷ số giữa bán kính cảm nhận và bán kính truyền dẫn
Ngƣỡng nhạy thu
0
Ngƣỡng cảm nhận
Trễ truyền lan
Tốc độ phục vụ của hệ thống
Độ dài một khe thời gian vật lý
B
card( A)
Tốc độ đến của gói tin
Khoảng bảo vệ xung quanh một nút tránh nhiễu
Trạng thái break trong mô hình kênh 4 trạng thái
cij
Lực lƣợng của tập A
Trọng số liên kết giữa nút i và nút j
Cij
Trọng số liên kết tối thiểu giữa nút i và nút j
C
Trạng thái contention trong mô hình kênh 4 trạng thái
CW
CW
Kích thƣớc cửa sổ tranh chấp
Kích thƣớc cửa sổ tranh chấp trung bình
d ij
Khoảng cách vật lý từ nút i tới nút j
d
Trạng thái defer trong mô hình nút 4 trạng thái
E[T ]
Độ dài khe thời gian ảo
eχ
Vector riêng tƣơng ứng với giá trị riêng
f
Trạng thái failure trong mô hình nút 3,4 trạng thái
i, I
Trạng thái idle trong mô hình nút và kênh 4 trạng thái
Lpacket
Độ dài của một gói tin
m
M
Số lần truyền dẫn lại cực đại
Số lƣợng nút trung bình trong miền cảm nhận của một nút
Số lƣợng nút trung bình trong miền nút ẩn
MH
pc
Số lƣợng nút trung bình trong miền truyền dẫn của một nút
Xác suất xung đột
Pb
Xác suất lỗi bit
N
L packet
Pe
Xác suất lỗi gói tin có kích thƣớc L(bits)
x
P
Xác suất kênh rỗi trong một khe thời gian
ps
Xác xuất một nút truyền gói tin thành công trong một khe thời gian
pt
Xác xuất một nút truyền một gói tin trong một khe thời gian
Pwin
Xác suất tranh chấp thắng
P
rf
Ma trận chuyển trạng thái
Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công hƣớng đi
rr
Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công hƣớng về
Rpacket
Tốc độ gói tin
Rs
Bán kính miền cảm nhận
Rt
Bán kính miền truyền dẫn
s, S
Trạng thái success trong mô hình nút và kênh 3,4 trạng thái
Tpacket
Tham số điều hòa
Th
Thông lƣợng mạng
Trạng thái wait trong mô hình nút 3 trạng thái
W
Thời gian truyền dẫn gói tin
xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kiến trúc điển hình của mạng hình lƣới không dây [7] ..............................8
Hình 1.2: Chuỗi Markov Bianchi [16] ......................................................................31
Hình 2.1: Hoạt động của giao thức ALOHA [7] .......................................................37
Hình 2.2: Hoạt động của giao thức Slotted ALOHA [57] ........................................38
Hình 2.3: Thông lƣợng chuẩn hóa của giao thức ALOHA và ALOHA phân khe [57]
...................................................................................................................................39
Hình 2.5: Chuỗi Markov 3 trạng thái của nút ...........................................................41
Hình 2.6: Biểu diễn mối quan hệ giữa pst ' với M và pt .......................................49
Hình 2.7: Khảo sát giá trị pst và pst ' với M thay đổi .............................................50
Hình 2.8: Khảo sát giá trị pst và pst ' với sự thay đổi của pt .................................50
Hình 3.1: Kiến trúc và hàm phối hợp của IEEE 802.11 [46] ....................................54
Hình 3.2: Lƣợc đồ truy nhập kênh cơ bản trong CSMA/CA [46] ............................55
Hình 3.3: Mô tả truyền thông giữa nút phát i và nút nhận j ...................................59
Hình 3.4: Chuỗi Markov của mô hình nút 4 trạng thái .............................................60
Hình 3.5: Mô tả tính toán miền giao SI .....................................................................62
Hình 3.6: Chuỗi Markov của mô hình kênh xung quanh nút ....................................65
Hình 3.7: Mô tả các miền diện tích S A và S I ...........................................................68
Hình 3.8: Quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút ( thay đổi)...........................71
Hình 3.9: Quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút trong điều kiện bão hòa ........72
Hình 3.10: Mối quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút (thay đổi BER ) ...........72
Hình 3.11: Mối quan hệ giữa thông lƣợng và số lƣợng nút (thay đổi ).................73
Hình 3.12: So sánh phƣơng pháp truy nhập cơ bản và RTS/CTS (thay đổi BER) ...73
Hình 3.13: So sánh phƣơng pháp truy nhập cơ bản và RTS/CTS (thay đổi ) ......74
Hình 4.1: Tính tuần tự của tham số định tuyến .........................................................93
Hình 4.2: Thiết kế xuyên lớp của giao thức OLSR...................................................97
Hình 4.3: Các nội dung sửa đổi giao thức OLSR-IARM trong NS-2 .......................98
Hình 4.4: Kiến trúc cơ bản của NS-2 ......................................................................103
xii
Hình 4.5: Kịch bản mô phỏng .................................................................................104
Hình 4.6: So sánh trễ trung bình gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM ...................107
Hình 4.7: Tỷ lệ chuyển phát gói tin thành công giữa OLSR và OLSR-IARM.......107
Hình 4.8: So sánh tỷ lệ tổn thất gói tin giữa OLSR và OLSR-IARM ....................108
Hình 4.9: So sánh thông lƣợng của OLSR và OLSR-IARM ..................................109
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Ký hiệu các tham số..................................................................................58
Bảng 3.2: Các tham số mô phỏng .............................................................................70
Bảng 4.1: Các nội dung sửa đổi để khai báo và định dạng tham số .........................98
Bảng 4.2: Các nội dung sửa đổi để gửi nhận bản tin định tuyến ..............................99
Bảng 4.3: Các nội dung sửa đổi để cập nhật thông tin định tuyến..........................100
Bảng 4.4: Các nội dung sửa đổi để tính toán định tuyến ........................................100
Bảng 4.5: Tham số mô phỏng giao thức OLSR và OLSR-IARM ..........................105
1
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, lĩnh vực truyền thông không dây đã chứng kiến
sự ra đời của hàng loạt các giải pháp công nghệ mới nhằm đáp ứng các yêu cầu, tiện
ích mới của ngƣời sử dụng. Trong đó, mạng hình lƣới không dây WMN (Wireless
Mesh Network) đƣợc cấu thành bởi các bộ định tuyến bố trí tĩnh cùng với các thiết
bị đầu cuối di động kết nối không dây với nhau theo hình lƣới, đƣợc coi là một giải
pháp then chốt của mạng không dây thế hệ mới nhằm mục tiêu cung cấp truy nhập
Internet không dây băng rộng với vùng phủ lớn. Truyền dẫn trong WMN đƣợc thực
hiện dựa trên các chuẩn công nghệ phổ biến hiện nay nhƣ IEEE 802.11, IEEE
802.15, IEEE 802.16… Với cấu trúc hình lƣới, WMN khắc phục sự hạn chế của
hiện tƣợng che khuất tầm nhìn thẳng trong các kết nối không dây truyền thống, tăng
dung lƣợng bằng các truyền dẫn tốc độ cao trong khoảng cách ngắn, tăng độ tin cậy
truyền thông cũng nhƣ giảm thiểu độ phức tạp trong triển khai hạ tầng mạng truy
nhập.
Bên cạnh các ƣu điểm về cấu hình và ứng dụng, chính cơ chế truyền thông
đa bƣớc không dây và các yêu cầu cung cấp chất lƣợng dịch vụ QoS (Quality of
Service) đã cho thấy một số thách thức mà WMN cần phải vƣợt qua về mặt hiệu
năng mạng. Cụ thể, đặc tính truyền thông đa bƣớc không dây, sự biến động chất
lƣợng kênh truyền, cơ chế điều khiển phân tán và tác động nhiễu giữa các liên kết
hình lƣới là nguyên nhân gây suy giảm các thông số hiệu năng mạng nhƣ thông
lƣợng, thời gian trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Trong đó, ảnh hƣởng của hiện tƣợng
tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lƣợng liên
kết là một trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu năng [7]. Vì vậy,
việc phản ánh chính xác các yếu tố trên vào quyết định chọn đƣờng cho gói tin là
một hƣớng tiếp cận thực tiễn, mang lại khả năng cải thiện các thông số hiệu năng
mạng.
Nhằm tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu năng WMN, các nghiên cứu gần
đây sử dụng tiếp cận xuyên lớp (crosslayer) để giảm thiểu sự sai khác biến thời gian
2
của các giao thức hoạt động trên các lớp khác nhau, đồng nghĩa với mục tiêu tối ƣu
hoạt động của mạng. Bài toán tối ƣu xuyên lớp đƣợc giải quyết bằng các công cụ
toán học phổ biến nhƣ lý thuyết đồ thị, quy hoạch toán học và mô hình giải tích.
Trong các phân tích hiệu năng lớp điều khiển truy nhập MAC (Medium Access
Control), mô hình giải tích cho thấy tính khả thi cao và là tiếp cận thông dụng do
khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính toán thấp [16], [73],
[106]. Từ đó, chất lƣợng liên kết có thể đƣợc đánh giá chính xác hơn khi có sự bổ
sung các điều kiện thực tiễn nhƣ lƣu lƣợng không bão hòa và kênh không lý tƣởng
vào giả thiết đầu vào của mô hình giải tích. Bên cạnh đó, khả năng phản ánh chính
xác thuộc tính chất lƣợng liên kết của tham số định tuyến đóng vai trò then chốt để
giao thức định tuyến QoS có quyết định chọn đƣờng dẫn tối ƣu phù hợp với trạng
thái hiện thời của mạng, mang lại sự cải thiện hiệu năng mạng. Vì vậy, theo hƣớng
tiếp cận xuyên lớp giữa lớp định tuyến và lớp MAC, luận án này phát triển một mô
hình giải tích mới phản ánh chất lƣợng liên kết và sử dụng nhƣ một thành phần dự
báo chất lƣợng liên kết kết hợp với thành phần đo chủ động sẵn có của giao thức
định tuyến tối ƣu trạng thái OLSR (Optimized Link State Routing) để đề xuất một
tham số định tuyến mới, cải thiện đƣợc các thông số hiệu năng WMN. Các kết quả
nghiên cứu đƣợc đánh giá và minh chứng qua phân tích số và mô phỏng.
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, luận án này đề xuất một tham số định tuyến mới và
đƣợc tích hợp vào giao thức định tuyến OLSR nhằm cải thiện các thông số hiệu
năng chính của mạng cụ thể nhƣ: thông lƣợng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin.
Các phân tích số và mô phỏng kiểm chứng đƣợc thực hiện trong kịch bản
mạng hình lƣới không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.11b, đơn kênh, các nút mạng
phân bố đều và các thông số lớp Vật lý tiêu chuẩn. Các giả thiết trên đƣợc lựa chọn
nhằm thể hiện tính tổng quát và phản ánh tƣờng minh tác động của nhiễu liên luồng
tới quyết định định tuyến. Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra giao thức định tuyến
3
OLSR với tham số định tuyến đề xuất đạt đƣợc mức cải thiện đáng kể khi so sánh
với giao thức định tuyến OLSR nguyên gốc.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu đã nêu ở trên, nhiệm vụ
nghiên cứu đƣợc nghiên cứu sinh tập trung vào các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu tổng quát về ảnh hƣởng của các đặc tính chủ yếu trong mạng
hình lƣới không dây tới hiệu năng mạng, cơ sở học thuật của bài toán định
tuyến QoS, các giải pháp cải thiện hiệu năng đƣợc đề xuất trong các nghiên
cứu trƣớc dƣới góc độ sử dụng công cụ toán học. Từ đó sáng tỏ cách thức
tiếp cận, giải quyết vấn đề nhìn từ khía cạnh phƣơng pháp luận và xác định
công cụ toán học sử dụng.
2. Nghiên cứu các mô hình giải tích biểu diễn cơ chế hoạt động của các giao
thức đa truy nhập trong mạng có lƣu lƣợng bão hòa để tìm kiếm, phát hiện
giới hạn trên của thông lƣợng liên kết. Từ đó đề xuất các điều kiện ràng buộc
bổ sung đối với mô hình nhằm vào mục tiêu tăng tính chính xác về khả năng
phản ánh hiệu năng liên kết của mô hình giải tích.
3. Nghiên cứu các mô hình toán học biểu diễn hàm điều khiển phân tán IEEE
802.11 DCF (Distributed Coordination Function) để phục vụ việc phân tích,
đánh giá hiệu năng hoạt động của giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng
mang/tránh xung đột CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision
Avoidance). Từ đó xây dựng mô hình giải tích mới nhằm phản ánh chính xác
chất lƣợng liên kết trong điều kiện thực tế.
4. Nghiên cứu, khảo sát các giao thức định tuyến và các tham số định tuyến
QoS trong WMN của một số tác giả trƣớc. Từ đó, đề xuất một tham số định
tuyến QoS mới chứa thành phần phản ánh nhiễu và tích hợp với giao thức
định tuyến OLSR để cải thiện hiệu năng mạng hình lƣới không dây trên cơ
sở của tiêu chuẩn IEEE 802.11.
4
Phƣơng 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 nhƣ lý thuyết xác suất, chuỗi Markov, các phƣơng pháp tính
để xác minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết. Công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc đƣợc
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 đƣợc trình bày trong các chƣơng,
mục theo cấu trúc sau:
Chƣơng 1 với tiêu đề “Khái quát các vấn đề liên quan tới hiệu năng mạng
hình lƣới không dây” trình bày các đặc tính kỹ thuật của mạng hình lƣới không dây,
các khái niệm cơ bản về QoS, bài toán cung cấp QoS và tính đặc thù của kỹ thuật
định tuyến QoS trong WMN. Trong đó, đáng chú ý là nội dung khảo sát về các giải
pháp cải thiện hiệu năng WMN dƣới góc độ toán học để làm sáng tỏ phạm vi
nghiên cứu và cách tiếp cận của luận án. Một phần nội dung của chƣơng liên quan
tới vấn đề khảo sát tham số định tuyến QoS trong WMN là nội dung trong bài báo
khoa học có tiêu đề “Khảo sát hiệu năng các tham số định tuyến trong mạng hình
lưới không dây WMN”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Các trƣờng
đại học kỹ thuật, số 76, năm 2010; và bài báo khoa học có tiêu đề “Nghiên cứu
tham số định tuyến mới phản ánh nhiễu trong mạng hình lưới không dây IEEE
802.11”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 13,
2011.
Chƣơng 2 với tiêu đề “Bài toán mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập
phƣơng tiện trong điều kiện bão hòa” trình bày nghiên cứu khảo sát về các giải pháp
mô hình hóa giao thức điều khiển truy nhập phƣơng tiện của các tác giả trƣớc với
giả thiết luôn có gói tin cần chuyển trong hàng đợi. Những vấn đề trình bày trong
mục 2.3 và 2.4 của chƣơng này là kết quả nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan
đến việc hoàn thiện kết quả đề xuất của các tác giả trƣớc. Một phần nội dung của
chƣơng 2 đã đƣợc trình bày trong bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel
5
Computation for Supplementing Interference Analytical Model in 802.11-based
Wireless Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50,
số 2, năm 2012.
Chƣơng 3 với tiêu đề “Xây dựng mô hình giải tích đánh giá chất lƣợng liên
kết” trình bày các nội dung nghiên cứu của nghiên cứu sinh liên quan tới việc đề
xuất, xây dựng một mô hình giải tích mới biểu diễn cơ chế hoạt động của IEEE
802.11 DCF. Nội dung chính của chƣơng 3 là các vấn đề đã đƣợc đăng tải trong bài
báo khoa học có tiêu đề “A Novel Analytical Model to Identify Link Quality in
802.11 Mesh Networks”, công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 50, số
2, năm 2012.
Chƣơng 4 với tiêu đề “Đề xuất tham số định tuyến QoS cải thiện hiệu năng
mạng hình lƣới không dây” tập trung vào các vấn đề xung quanh việc đề xuất một
tham số định tuyến phản ánh nhiễu mới. Các đặc tính của giao thức, tham số định
tuyến của các giả trƣớc đƣợc tổng hợp và phân tích nhằm sáng tỏ hƣớng tiếp cận và
phƣơng pháp luận xây dựng thành phần tham số định tuyến mới của nghiên cứu
sinh. Tính đúng đắn của đề xuất đƣợc xác minh thông qua phân tích lý thuyết và
kiểm chứng qua mô phỏng tại các mục 4.3 và 4.4 của chƣơng. Các kết quả chính
trình bày trong chƣơng 4 là nội dung trong bài báo khoa học có tiêu đề “An
Approach to Predict Interference Impacts on wireless links of
802.11 Mesh
Networks”, công bố trên Tạp chí nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số
24, 2012; và bài báo khoa học có tiêu đề “A Novel Interference Aware routing
metric for QoS provision in 802.11 wireless mesh network”, công bố trên Tạp chí
Khoa học và Công nghệ, Tập 51, số 1A, năm 2013.
Trong phần Kết luận, nghiên cứu sinh tóm tắt các nội dung đề xuất chính
trình bày trong luận án cùng với những bàn luận xung quanh đóng góp mới cả về
phần ƣu lẫn phần nhƣợc điểm. Từ đó, đƣa ra những gợi ý về các vấn đề mở cần tiếp
tục nghiên cứu.
6
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, nghiên cứu sinh luôn cố gắng bám sát
các tài liệu khoa học, cập nhật công bố bởi các tác giả khác để đề xuất mới của
nghiên cứu sinh có tính thời sự và tính mở. Nội dung chi tiết của luận án sẽ đƣợc
trình bày dƣới đây.
Hà nội, tháng 12 năm 2013
7
CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI
HIỆU NĂNG MẠNG HÌNH LƢỚI 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 LƢỚI KHÔNG DÂY
Trong những năm gần đây, truyền thông không dây đang phát triển rất mạnh
mẽ trong cả mạng không dây diện rộng và mạng không dây cục bộ, đem tới rất
nhiều ứng dụng dựa trên kết nối không dây. Tuy nhiên, qua các đặc tính kiến trúc và
công nghệ của các mạng truyền thống cho thấy một số điểm hạn chế trong việc
cung cấp yêu cầu kết nối và dịch vụ. Cụ thể, các mạng di động tế bào cung cấp vùng
phủ lớn nhƣng tốc độ bị hạn chế, trong khi các mạng truy nhập không dây cục bộ
cho phép truyền dẫn tốc độ cao nhƣng đi liền với đó là vùng phủ bị giới hạn do đặc
điểm công nghệ truyền dẫn tại phổ tần số cao. Vì vậy, giải pháp mạng kết nối hình
lƣới không dây WMN (Wireless Mesh Network) đã đƣợc hình thành nhƣ một giải
pháp then chốt cho mạng truy nhập không dây băng rộng với vùng phủ rộng [64],
[66], [72]. Dƣới góc độ ứng dụng công nghệ, WMN đƣợc phát triển mạnh mẽ nhờ
một số ƣu điểm chính nhƣ sau: (i) WMN có thể triển khai trong khu vực rộng với
giá thành triển khai thấp; (ii) công nghệ mạng hình lƣới có thể khắc phục các tuyến
kết nối có tầm che khuất và tổn thất đƣờng truyền lớn để mở rộng vùng phủ dịch vụ;
(iii) sử dụng các công nghệ truyền thông tầm ngắn, WMN có thể cải thiện tốc độ
truyền dẫn và sử dụng hiệu quả năng lƣợng, đồng thời các kênh cùng tần số có thể
đƣợc tái sử dụng giữa các liên kết có khoảng cách ngắn; (iv) cấu trúc hình lƣới cho
phép truyền thông đa đƣờng và nhờ đó tăng khả năng chịu lỗi của mạng; (v) các
- Xem thêm -